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 „ Geschichte und Funktion des Abgasturbolader “

 
 

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichte des Abgasturboladers. 3

2. Abgasturboaufladung. 5

2.1. Stoßaufladung. 6

2.2. Stauaufladung. 7

3. Funktionsweise eines Turboladers. 8

3. Aufbau des Abgasturboladers. 9

3.1. Ölversorgung. 10

3.2. Kühlung. 10

3.3. Schwimmendes Lagersystem.. 10

3.4. Das Turbinengehäuse. 11

3.5. Das Turbinenrad. 12

3.6. Das Verdichterrad. 13

3.7. Die Turbine (Turbinengehäuse und Turbinenrad mit Welle) 14

3.8. Die Drehzahl des Turboladers. 15

3.11. Umluftventil 16

4. Ladedruckregelung und Ansprechverhalten. 17

4.1. Betätigungs-Membran für Überdruckventil 17

4.2. Elektronische Ladedruckregelung. 17

5. VTG-Lader (Verstellbare Turbinengeometrie) 19

6. VST-Lader (Verstellung des Strömungsquerschnitts mittels Schiebehülse) 20

 


 


 

1. Geschichte des Abgasturboladers

 

Die Geschichte der Aufladung und die ersten Entwicklungsversuche sind fast so alt wie die Geschichte der Verbrennungsmotore. Bereits Gottlieb Daimler (1885) und Rudolf Diesel (1896) versuchten durch Vorverdichtung der Luft die Motorleistung zu erhöhen und den Verbrauch ihrer Motoren zu verringern.

Der Turbolader ist eigentlich schon ein alter Hut. Alfred Büchi, ein schweizer Ingenieur aus Winterthur, erfand den Turbolader und meldete ca. 1905 seine Erfindung zum Patent an. Büchi war aufgefallen, dass herkömmliche Verbrennungsmotoren einen äußerst schlechten Wirkungsgrad besitzen. Während max. ein Drittel der als Kraftstoff eingebrachten Energie in Bewegung umgesetzt wurde, verschwand der Rest (ungefähr je zur Hälfte) über Kühlung und Abgas ungenutzt "ins Freie".

Büchi's Idee bestand nun darin, die in Form von Temperatur und Kinetik vorliegende Energie des Abgases zum Antrieb einer Turbine zu nutzen.

Der erste aufgeladene Motor entstand 1910. Es war ein Zweitakt-Umlauf-Motor und wurde von Murray-Willat gebaut. Durch die Aufladung ergab sich die Möglichkeit, bei Flugzeugmotoren die Leistungseinbußen infolge der abnehmenden Luftdichte in größeren Höhen zu kompensieren.

Im Jahre 1938 wurde der erste Nutzfahrzeug-Dieselmotor mit Abgasturboaufladung von der schweizer Maschinenfabrik Saurer gebaut. Erst 1962 wurden von General Motors im Chevrolet Corvair Monza und Oldsmobile Jetfire die ersten Serien-PKWs mit Abgasturboaufladung ausgestattet. Der erste turboaufgeladene PKW-Dieselmotor wurde 1978 von Daimler-Benz im 300 SD eingebaut.

In den USA erfolgten in den 70er Jahren erste Einsätze von Turboladern im PKW durch die Hersteller Chevrolet und Oldsmobile. Diese Anwendungen waren aber vorübergehender Natur, weil trotz des erheblichen technischen Aufwandes die erreichte Zuverlässigkeit nicht Zufrieden stellend war. Durchgesetzt hat sich die Turboaufladung erst nach der großen Ölkrise im Jahre 1973, und zwar zunächst im Nutzfahrzeugsektor, deren Dieselmotore heute fast zu 100 % mit Turboladern ausgerüstet sind.

Durch den Rennsport wurde in den 70er Jahren die Abgasturboaufladung auch für Otto-Motore populär gemacht. Hersteller wie BMW und Saab brachten die ersten Fahrzeuge mit aufgeladenen Benzinmotoren auf den Markt. Auch fast alle anderen Autohersteller folgten diesem Trend. Das Wort "Turbo" wurde zum Status- und Modebegriff.

Die aufgeladenen Benzinmotoren waren zwar sehr leistungsstark, aber nicht unbedingt sparsam. Wegen den noch relativ großen Turboladern mit entsprechendem Trägheitsmoment des Läufers reagierten die Turbomotoren nur verzögert auf Betätigung des Gaspedals. Das so genannte Turboloch bedeutete eine Komforteinbuße, die erst durch die wesentliche Verkleinerung der Turbolader behoben werden konnte. Der eigentliche Durchbruch für die Turbolader in Massenfertigung gelang mit dem aufgeladenen Dieselmotor für den VW Golf und den Turbodiesel 300 SD der Firma Daimler Benz im Jahre 1978.

 

War die Leistungssteigerung früher das Hauptargument für den Turbolader, so sind es heute in erster Linie Energieersparnis, verringerte Emissionen und somit auch der Umweltschutz
In den letzten Jahren gingen auch verstärkt Benzinmotoren mit Abgasturbolader in Serie.

 

 

 


 

2. Abgasturboaufladung

 

 

Bei der Abgasturboaufladung  wird ein Teil der ansonsten verlorenen Abgasenergie zum Antrieb einer Turbine genutzt. Der Verdichter saugt die Verbrennungsluft an und führt sie dem Motor verdichtet zu. Die dafür notwendige Leistung wird von der Turbine erzeugt. Anders als bei der mechanischen Aufladung besteht bei der Abgasturboaufladung keine mechanische Kopplung mit dem Verbrennungsmotor.

Ein großer Vorteil der Abgasturboaufladung ist der geringe Verbrauch des Turbomotors gegenüber dem gleichen Saugmotor, da ein Teil der sonst ungenutzten Abgasenergie zur Motorleistung beiträgt. Außerdem sind die Reibungs- und Leistungsgewichte (in Kilogramm Motorgewicht je Kilowatt Leistung) beim Turbomotor gegenüber dem Saugmotor deutlicher geringer.

Das Höhenverhalten des abgasturboaufgeladenen Motors ist deutlich besser. Allerdings verschlechtert sich das Anfahrverhalten, d.h. das „Turboloch“ vergrößert sich. Ein Saugmotor verliert in großen Höhen infolge des verringerten Luftdrucks beträchtlich an Leistung. Bei dem Turbomotor steigt die Turbinenleistung aufgrund des größeren Druckgefälles zwischen nahezu konstantem Druck vor Turbineneintritt und niedrigerem Umgebungsdruck nach Turbine deutlich an. Die geringe Luftdichte vor Verdichter wird so zum größten Teil wieder ausgeglichen. Theoretisch verliert der Motor kaum an Leistung. Die gleiche Nennleistung wie auf Meereshöhe kann allerdings nicht erreicht werden, da die Maximale Turboladerdrehzahl bauteilbedingt begrenzt ist.    

 

 

2.1. Stoßaufladung

 

Um bei kleinen Motordrehzahlen ein großes Motordrehmoment zu bekommen bedient man sich der Stoßaufladung. Hierbei werden die Abgase der Zylinder in einzelnen Rohrleitungen zur Turbine geleitet. Durch kleine Rohrdurchmesser wird die kinetische Energie der Abgaspulsation ausgenutzt. Der Druck in den Leitungen ist nicht konstant. Es dürfen nur Zylinder zusammengefasst werden, die sich beim Ladungswechsel nicht beeinflussen. Die Abgasleitungen werden auch innerhalb der Turbine getrennt bis zum Laufrad geführt. Dies wird mit mehrflutigen Gehäusen erreicht. Je nach Aufwand werden auch die Abgase jedes einzelnen Zylinders zur Turbine geführt. Die Pulsation in den einzelnen Abgasrohren regt die Turbinenschaufeln zu Schwingungen an. Die stoßweise und wechselnde Teilbeaufschlagung verschlechtert den Wirkungsgrad der Turbine.

 

2.2. Stauaufladung

 

 

Bei Stauaufladung werden die durch das Ausschieben bedingten Druckpulsationen der einzelnen Zylinder in einem einzigen Abgassammelbehälter geglättet. Die Turbine kann dadurch im Bereich hoher Motordrehzahlen bei geringem Druck mehr Abgas durchsetzen. Da der Motor gegen einen geringeren Abgasgegendruck ausschieben kann, verbessert sich der Kraftstoffverbrauch des Motors in diesem Betriebsbereich. Nachteilig wirkt sich das geringere Motordrehmoment bei kleinen Drehzahlen aus. Das Verfahren wird bei Motoren eingesetzt, die keinen großen Drehmomentüberschuss zur Fahrzeugbeschleunigung benötigen (z.B. Schiffs- und Generatormotoren). Die Turbine des Laders wird gleichmäßig beaufschlagt.

3. Funktionsweise eines Turboladers

Beim Verlassen des Zylinders haben die heißen Abgase (Temperatur ca. 1100° C) eine hohe Restenergie und damit die Möglichkeit, Arbeit zu leisten. Über den Einlassbereich des Turbinengehäuses strömen die Abgase auf das Turbinenrad. Der sich verengende Querschnitt des Turbinengehäuses sorgt dafür, dass die thermische Energie der Abgase in kinetische Energie umgewandelt wird. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Abgase versetzt dann das Turbinenrad in Drehung, d.h. die kinetische Abgasenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Entsprechend sinken der Druck und die Temperatur im Abgas. Das Turbinenrad ist mit dem Verdichterrad durch eine Welle fest verbunden. Vom Verdichter wird Frischluft aus der Atmosphäre angesaugt, verdichtet und mit dem entsprechenden Druck dem Motor zugeführt. Dem Motor wird also die Saugarbeit abgenommen. Mit der erhöhten Kraftstoffmenge für die Vorverdichtete Luft kann der Motor eine höhere Leistung abgeben. Der wirtschaftliche Gesamtwirkungsgrad des Motors wird verbessert, d. h. er arbeitet, bezogen auf die Leistung, insgesamt kostengünstiger.

 


 

3.1. Ölversorgung

 

 

Die Schmierung und Kühlung des Turboladers erfolgt über den Schmierölkreislauf des Motors. Das Lager- oder Mittelgehäuse bildet die Verbindung zwischen Turbine und Verdichter. Die Turbinenwelle dreht sich im Mittelgehäuse.

Das Schmieröl strömt mit ca. 4 bar in den Turbolader. Der Ölablauf erfolgt nahezu drucklos. Die Leitung muss daher wesentlich größer im Durchmesser sein als der Ölzulauf. Das Lager soll möglichst senkrecht von oben nach unten durchströmt und der Ölablauf oberhalb des Motorölspiegels in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden. Wird der Ölablauf behindert, kommt es zu einem Ölrückstau in der Lagerung. Das Öl strömt dann durch die Dichtringe in den Verdichter und in die Turbine.

 

 

3.2. Kühlung

 

 

Für Ottomotoren, bei denen die Abgastemperatur um 200 bis 300 °C höher liegt als bei Dieselmotoren, werden meist wassergekühlte Lagergehäuse eingesetzt. Während des Motorbetriebes ist das Lagergehäuse in den Kühlkreislauf des Motors integriert. Nach dem Abstellen wird die Stauwärme mittels eines kleinen Kühlkreislaufes abgeführt, der von einer thermostatisch geregelten elektrischen Wasserpumpe angetrieben wird. 

 

 

3.3. Schwimmendes Lagersystem

 

 

Die Turbinenwelle rotiert in einem schwimmenden Lagerungssystem, das aus einem oder zwei Radiallagern besteht. Von der Ölpumpe des Motors wird das Motoröl über verschiedene Kanäle zwischen das Lagergehäuse und die Lager, aber auch zwischen die Lager und Welle gepresst. Bei den meisten Turboladern drehen sich die Radiallager halb so schnell wie die Welle. Aber es gibt auch neuere Versionen, bei denen das Radiallager fest montiert ist.
Die Turbinenwelle schwimmt gewissermaßen in einem Ölbad. Das Öl dient nicht nur zur Schmierung der Welle, sondern erfüllt auch eine wichtige Funktion als Kühlmittel für die Lager, die Welle und das Lagergehäuse.

Um ein Übertreten des Motoröls in das Verdichter- bzw. Turbinengehäuse zu verhindern muss das Lagergehäuse nach beiden Seiten abgedichtet werden. Hierzu werden bei der dynamischen Abdichtung Kolbenringe verwendet. Diese Kolbenringe tragen zwar dazu bei, Ölleckagen zu verhindern, garantieren aber keine absolute Abdichtung. Eigentlich müsste man sie als eine Art Labyrinthdichtung bezeichnen, durch die der Gas- und Luftstrom von der Turbine bzw. vom Verdichter zum Lagergehäuse und umgekehrt erschwert wird. Wenn ein Turbolader normal arbeitet, sind die Drücke in der Turbine und im Verdichter höher als im Lagergehäuse und dies führt im Betrieb zu einer weiteren Ölabdichtung des Lagergehäuses. Die Gase aus der Turbine und die verdichtete Luft aus dem Verdichter werden teilweise auch in das Lagergehäuse geblasen und entweichen zusammen mit dem Öl über das Ölablaufrohr in das Kurbelgehäuse. Dies ist das Grundprinzip für die Abdichtung eines Turboladers.

 

 

3.4. Das Turbinengehäuse

 

 

Die Abgase werden vom Motor, über den Auspuffkrümmer zum Turbinengehäuse geleitet, dessen Strömungskanal zunehmend enger wird. Bei gleich bleibenden Abgasvolumen erhöht sich hierdurch die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase. Über das spiralartige, schneckenhausförmige Turbinengehäuse werden die Gase auf das Turbinenrad geführt, welches dadurch zu drehen beginnt.
Der engste Querschnitt des Turbinengehäuses bestimmt die Geschwindigkeit der Turbine, vergleichbar mit einem Gartenschlauch; je enger man dessen Ende zusammendrückt, desto weiter spritzt das Wasser. Die Dimensionierung des Turbinengehäuses hinsichtlich Größe und engstem Querschnitt ist vom Gasvolumen, d.h. Zylinderhubraum, von der Drehzahl und von der erwünschten Motorleistung abhängig.
Sowohl im Nutzfahrzeug als auch PKW-Sektor werden in den letzten Jahren verstärkt die so genannten VTG- (KKK) oder VNT- (Garrett) Turbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Die momentan verwendete variable Steuerung in Turbinengehäusen, so z.B. im VW Golf TDI, verringert die sonst übliche Turbolader-Verzögerung ("Turboloch") auf ein Minimum. Ferner sorgt der Mechanismus, durch Verstellen des Anströmwinkels des Abgases auf den Turbinenläufer, für ein nahezu optimales Drehmoment in allen Last- und Drehzahlbereichen des Motors.
Turbinengehäuse werden aus einer qualitativ hohen, warmfesten Stahl-Legierung gegossen.

 

 

3.5. Das Turbinenrad

 

 

Das Turbinenrad selbst besteht aus einer hochwertigen Eisen-Nickel-Legierung, die im Vakuum erschmolzen und vergossen wird. Die dazu benötigten keramischen Schalenformen werden nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Der Bereich der Turbinenschaufeln, an dem die Abgase einströmen, wird Gaseintrittskante, und der Abschnitt, der die Abgase zum Auspuffrohr leitet, wird Gasaustrittskante genannt. Die Welle ist mit dem Turbinenrad verschweißt und bildet somit eine starre Verbindung zum Verdichterrad. Sie ist aus einer geringerwertigeren Legierung als das Turbinenrad gefertigt. Für das Verschweißen wird ein spezielles Verfahren (Reibungsschweißen) angewendet, bei dem die Welle und ein Schwungrad auf eine Drehzahl von mehr als 1000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt werden. Dann wird der Schwungradantrieb ausgekuppelt und die Welle definiert gegen das Turbinenrad gepresst. Durch die Reibung erhitzen sich beide Teile an der Schweißstelle so stark, dass sie sich verbinden. Nach dem Reibschweißen erfolgen das Spannungsfreiglühen und die Bearbeitung der Welle. Nach dem Härten der Lagerstellen wird der Turbinenrotor nochmals einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Bearbeitung der Welle auf die endgültigen Abmessungen erfolgt durch Schleifen. In diesem Fertigungsprozess werden besonders hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und den Rundlauf der Welle gestellt. Das Toleranzband beträgt nur wenige Tausendstelmillimeter. Weiterhin wird die Turbinenradkontur geschliffen, der Einstich für den Kolbenring eingebracht und das Gewinde gerollt. Der fertig bearbeitete Rotor wird auf speziellen Maschinen ausgewuchtet. (Mittlerweile wird auch das Lichtbogenschweißverfahren verwendet.)

 


 

3.6. Das Verdichterrad

 

Das Verdichterrad wird auf das dünnere Wellenende im Presssitz aufgeschoben. Das Wellenende ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter zur Sicherung des Verdichterrades auf den Läufer (Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad) geschraubt wird. Die Verdichterräder werden im Aluminiumdruckguss hergestellt. Durch Druck wird geschmolzenes Aluminium in einer zuvor hergestellte Gipsform gefördert. Nach dem Erkalten des Metalls wird der Gips mechanisch entfernt und das Verdichterrad gehärtet. Als letzter Arbeitsgang wird der Läufer präzise ausgewuchtet, bevor er in das Lagergehäuse eingebaut wird.

 

3.7. Die Turbine (Turbinengehäuse und Turbinenrad mit Welle)

 

 

Das Turbinengehäuse bildet zusammen mit dem Turbinenrad die Turbine.
Über den Auspuffkrümmer werden die Abgase zum Turbinengehäuse geleitet. Der Strömungskanal im Turbinengehäuse wird zunehmend enger, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase erhöht. Der Grund für die Beschleunigung des Gasstromes ist, dass dasselbe Gasvolumen durch einen immer kleiner werdenden Querschnitt strömen muss. Über das spiralartige schneckenhausförmige Turbinengehäuse werden die Gase auf das Turbinenrad geführt, welches sich dadurch zu drehen beginnt.
Der engste Querschnitt des Turbinengehäuses bestimmt die Geschwindigkeit der Turbine. Die Auswahl von Größe und engstem Querschnitt des Turbinengehäuses ist vom Gasstrom, d.h. Zylinderhubraum, von der Drehzahl und von der erwünschten Motorleistung abhängig.
Je nach Anwendungsgebiet weisen Turbinengehäuse große Unterschiede auf. Bei Lkw-Turboladern finden wir oft ein zweiflutiges Turbinengehäuse, in dem beide Gasströme erst kurz vor der Beaufschlagung des Turbinenrades vereinigt werden.
Mit einem solchen Gehäuse wird eine Stoßdruckaufladung (Impulsaufladung) möglich. Dabei wird außer der Temperatur auch die kinetische Energie der Abgase genutzt. Dies erfordert getrennte Abgasleitungen. Beim zweiflutigen Turbinengehäuse wird jeder Strom über den gesamten Umfang des Turbinenrades geführt. Eine andere Bauweise, die die Stoßdruckaufladung nutzt, stellt das Doppelstrom-Gehäuse dar. Hierbei wird von jedem Strom der halbe Umfang des Turbinenrades beaufschlagt. Im Gegensatz dazu wird bei der Staudruckaufladung (mitunter auch Gleichdrucksystem genannt) nur die Form von Temperatur der Abgase vorliegende Energie genutzt. Hierzu kann man einflutige Turbinengehäuse verwenden. Diese Bauweise hat sich vor allem bei wassergekühlten Turbinengehäusen für Schiffsmaschinen einen Platz erworben. In Turboladern für große Motoren ist vor dem Turbinenrad mitunter ein Düsenring (Turbinenleitkranz) angeordnet. Mit dem Düsenring wird eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung des Turbinenrads und eine Feinregelung des Volumenstroms durch die Turbine ermöglicht.
Bei den neuen Fahrzeugen werden sowohl im Nutzfahrzeug als auch PKW-Sektor die so genannten VTG- (KKK) oder VNT- (Garrett) Turbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt. Veränderbare Strömungsquerschnitte im Turbinengehäuse zu schaffen, wäre ein Idealzustand, der schon 1958 von Chrysler bei Gasturbinen in PKW angestrebt wurde. Die derzeitige variable Steuerung in Turbinengehäusen so z.B. im VW Golf TDI verringert die sonst übliche Turbolader-Verzögerung auf ein Mindestmaß, da mit steigendem Abgas auch der Volumen im Gehäuse vergrößert wird und die Turbine bei höheren Drehzahlen oder Volllast dennoch optimal arbeitet.
Das Turbinengehäuse wird aus einer hoch warmfesten Stahllegierung gegossen. Das Turbinenrad selbst besteht aus einer hochwertigen Eisen-Nickel-Legierung. Der Bereich der Turbinenschaufeln, an dem die Abgase einströmen, wird Gaseintrittkante, und der Abschnitt, der die Abgase zum Auspuffrohr leitet, wird Gasaustrittkante genannt.
Die Welle ist mit dem Turbinenrad verschweißt und bildet somit eine starre Verbindung zum Verdichterrad. Sie ist aus einer geringwertigeren Legierung als das Turbinenrad gefertigt. Für das Verschweißen wird ein spezielles Verfahren (Reibungsschweißen) angewendet, bei dem Welle und Turbinenrad in eine gegenläufige schnelle Umdrehung versetzt und aneinandergepresst werden. Infolge der Reibungswärme verschmelzen beide Materialien an der Berührungsfläche und bilden danach eine Einheit.
In Höhe der Verschweißung befindet sich in der Welle ein Zwischenraum, der als Wärmeübertragung vom Turbinenrad zur Welle hemmen soll. An der Turbinenseite der Welle befindet sich eine Nut, in die ein Kolbenring zur Abdichtung eingesetzt wird. Die Lauffläche der Radiallager wird gehärtet und feingeschliffen. Der Druckring für das Axiallager muss absolut senkrecht zur Wellenachse stehen und präzise bearbeitet sein. Das Verdichterrad wird auf das dünnere Wellenende im Presssitz aufgeschoben. Das Wellenende ist mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter zur Sicherung des Verdichterrades auf den Läufer (Turbinenrad mit Welle und Verdichterrad) geschraubt wird. Als letzter Arbeitsgang wird der Läufer sehr genau ausgewuchtet, bevor er in das Lagergehäuse eingebaut wird.

 

 

3.8. Die Drehzahl des Turboladers

 

 

Der Turbolader ist strömungstechnisch ausschließlich durch die Ladeluft und den Mengenstrom der Abgase mit dem Motor verbunden. Seine Drehzahl ist nicht von der Motordrehzahl abhängig, sondern von der Leistung, die der Motor abgibt. Wenn man dem Motor mehr Kraftstoff zuführt, wird die Energie in den Abgasen erhöht, wodurch sich die Läuferwelle des Turboladers schneller dreht und der Ladedruck steigt. Dadurch wird mehr Luft in die einzelnen Zylinder des Motors gepumpt, so dass wiederum mehr Kraftstoff zugefügt werden kann.

Durch eine weitere Verkleinerung der Turbolader können heute auch Motore mit einem Hubraum unter 1,0 Liter für PKWs oder sogar Motorräder aufgeladen werden. 
So z. B. im Smart, dessen Turbolader mit Drehzahlen bis zu 290.000 U/min läuft.

 

 

3.11. Umluftventil

 

 

Bei aufgeladenen Ottomotoren ist die Drosselklappe, mit der die Motorlast vorgegeben wird, hinter dem Verdichter im Luftsammler angebracht. Bei einer plötzlichen Gaswegnahme würde sich die Drosselklappe schließen und der Verdichter infolge seiner Massenträgheit Luft gegen ein nahezu geschlossenes Volumen fördern. Dies hätte zur Folge, dass der Verdichter anfangen würde zu pumpen. Die Drehzahl des Turboladers würde sehr schnell abnehmen

Im Umluftventil öffnet ab einem bestimmten Unterdruck ein federbelastetes Ventil, das die Luft zum Verdichtereintritt zurückführt. Die Drehzahl des Turboladers bleibt auf hohem Niveau, und bei einem anschließenden Beschleunigungsvorgang steht sofort wieder Ladedruck zur Verfügung


 

4. Ladedruckregelung und Ansprechverhalten

 

 

Das Leistungsgleichgewicht zwischen Verdichter (Luftseite) und Turbine (Abgasseite) eines Turboladers ohne Ladedruckregelung führt zu einem Ladedruck, der sich proportional zur Abgasenergie des Motors verhält. In Motoren, die über einen sehr großen Drehzahlbereich arbeiten, wie z.B. Personenkraftwagen, ist ein möglichst hoher Ladedruck bereits bei niedrigen Drehzahlen wünschenswert. Abgasturbolader mit Ladedruckregelung bieten hier eine Lösung. Indem man ein Turbinengehäuse mit engem Querschnitt wählt, kommt die Turbine bzw. das Turbinenrad schon bei einer geringen Abgasmenge auf Drehzahl und der gewünschte Ladedruck wird schnell erreicht.

 

 

4.1. Betätigungs-Membran für Überdruckventil

 

 

Das Überdruckventil begrenzt den weiteren Druckanstieg, obwohl die Motorleistung weiter erhöht wird. Bei Turboladern mit einem großen Turbinengehäuse baut sich in der Regel der Ladedruck erst sehr spät auf und der höchste Ladedruck wird erst bei hoher Motordrehzahl erreicht.

Mittlerweile werden Turbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie (VNT / VTG) eingesetzt die fast über der gesamten Motordrehzahl den besten Ladedruck erzielen; auf ein Überdruckventil zur Ladedruckregelung kann also verzichtet werden.

 

 

4.2. Elektronische Ladedruckregelung

 

 

Die elektronische Ladedruckregelung ermöglicht es, den Ladedruck über den gesamten Drehzahlbereich auf einen gewünschten, im Kennfeld gespeicherten Wert zu regeln. Besonders im unteren Drehzahlbereich ist es wichtig, einen schnellen Ladedruckanstieg zu erzielen. Das drückt sich direkt im Drehmoment und damit in den Durchzugsvermögen des Motors aus. Das kennfeldgesteuerte Absenken des Ladedrucks in Verbindung mit einer Zündverstellung ist eine wirkungsvolle Maßnahme für die Klopfregelung.

Gegenüber der rein pneumatischen Regelung, die nur als eine Begrenzung des Volllastdruckes wirken kann, wird durch eine flexible Ladedruckreglung auch die Einstellung des optimalen Ladedruckes bei Teillast ermöglicht. Der Ladedruck kann dabei in Abhängigkeit einer Vielzahl von Parametern wie z. B. der Ladelufttemperatur, des Zündwinkels bzw. der Einspritzparameter und der Kraftstoffqualität optimal eingestellt werden. Auch eine zeitweilige Überhöhung des Ladedruckes beim Beschleunigen (Overboost) ist möglich.

Die Betätigung der Klappe erfolgt wie bei der vorher beschriebenen selbstregelnden Ladedruckreglung. Anstelle des Ladedruckes wird die Membrane der Steuerdose mit einem modulierten Steuerdruck beaufschlagt. Dieser Steuerdruck ist niedriger als der Ladedruck und wird mit einem Taktventil erzeugt. Das Taktventil beaufschlägt die Membrane mit dem Ladedruck und dem Druck am Verdichtereintritt zu unterschiedlichen Zeitanteilen. Das Taktventil wird von der Motorelektronik angesteuert und arbeitet mit einer Taktfrequenz von 10 bis 15 Hz. Die Federvorspannung ist gegenüber der herkömmlichen Steuerung wesentlich geringer, um auch bei Teillastbetrieb des Motors, also bei weitaus geringerem Ladedrücken, regeln zu können. Für Dieselmotoren wird die elektronische Ladedruckreglung auch mit Unterdruck durchgeführt.


 

5. VTG-Lader (Verstellbare Turbinengeometrie)

 

Unterdruckdose

Verdichtergehäuse

Verdichterrad

Leitschaufel

Turbinenrad

Turbinengehäuse

Verstellhebel

Verstellring

 

 

 


 

 

 

 

Die bisher dargestellten Ladedruckregelverfahren regeln die Turbinenleistung, indem ein Teil der Abgasmenge um die Turbine herum geleitet wird. Die verstellbare Turbinengeometrie ermöglicht es, den Strömungsquerschnitt der Turbine in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes zu verstellen. Dadurch wird die gesamte Abgasenergie genutzt, und der Strömungsquerschnitt der Turbine kann für jeden Betriebspunkt optimal eingestellt werden, sodass gegenüber der Bypassreglung der Wirkungsgrad des Turboladers und damit der des Motors verbessert werden.

Die verstellbare Turbinengeometrie (VTG) mit drehbaren Leitschaufeln ist heute bei modernen PKW-Dieselmotoren Stand der Technik. Die ständige Anpassung des Turbinenquerschnittes auf den Fahrzustand des Motors bewirkt eine Verminderung des Verbrauches und der Emissionen. Das bereits bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmoment des Motors und eine sorgfältig abgestimmte Regelstrategie bewirken eine spürbare Verbesserung des dynamischen Fahrverhaltens.

Die drehbar gelagerten Leitschaufeln zwischen dem Spiralgehäuse und dem Turbinenrad verändern das Aufstauverhalten und damit die Leistung der Turbine. Dabei kann der Durchsatzbereich der Turbine im Verhältnis von 1:3 bei gutem Wirkungsgrad variiert werden. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird der Strömungsquerschnitt der Turbine durch schließen der Leitschaufeln verkleinert. Der Ladedruck und folglich das Drehmoment des Motors steigen in Folge des höheren Druckgefälle zwischen Turbineneintritt und Turbinenaustritt an. Bei hohen Motordrehzahlen öffnen die Schaufeln. Der gewünschte Ladedruck wird bei einem niedrigen Turbinendruckverhältnis erreicht, der Verbrauch des Motors wird verringert. Während der Fahrzeugbeschleunigung aus niedrigen Drehzahlen werden die Leitschaufeln geschlossen, um die maximale Energie aus dem Abgas zu gewinnen. Mit zunehmender Drehzahl öffnen die Schaufeln und passen sich an den jeweiligen Betriebspunkt an.

Die Ansteuerung der Leitschaufeln erfolgt heute noch meist elektronisch mit Unterdrucksteuerdosen und Taktventilen. Zukünftig werden vermehrt elektrischen Aktuatoren mit Positionsrückmeldung verwendet werden, die eine exakte und äußerst flexible Regelung des Ladedrucks ermöglichen.

Die Abgastemperatur moderner Hochleistungs-Dieselmotoren beträgt heute bis zu 830 °C. das exakte und zuverlässige Bewegen der Leitschaufeln im heißen Abgasstrom stellt hohe Anforderungen an die Werkstoffe und erfordert eine sehr sorgfältige Abstimmung der Toleranzen innerhalb der Turbine. Die Leitschaufeln benötigen unabhängig von der Größe des Laders ein Mindestmaß an Spiel, um während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeuges zuverlässig zu arbeiten. Mit kleiner werdenden Turboladern steigen folglich die Strömungsverluste in der Turbine an und der Wirkungsgrad sinkt. Entwicklungsziel ist es daher, diese Einsatzgrenzen der VTG so weit wie möglich zu kleinen Turbolader zu verschieben.

 

 

6. VST-Lader (Verstellung des Strömungsquerschnitts mittels Schiebehülse)

 

 

Der einfache Aufbau der VST und die Integration einer Reihe von Funktionen in wenige Bauteile ist besonders vorteilhaft für kleine Turbinen oder falls hohe Abgastemperaturen gefordert sind. Die VST eignet sich besonders für kleine Dieselmotoren unter 1,4 Liter Hubraum, und zwar im Hinblick auf den Wirkungsgrad, die Kosten und den Bauraum. Für Ottomotoren mit den bekannten hohen Abgastemperaturen eröffnet sich durch die VST eine zuverlässige Möglichkeit der Ladedruckreglung mittels einer variablen Turbine. Der robuste VST-Mechanismus hält den hohen Abgastemperaturen deutlich besser stand als die sehr feingliedrige VTG. Der für Ottomotoren wegen dem großen Durchsatz auch bei variabler Turbine erforderlicher Bypass wird in die Verstellung integriert.

Das Turbinengehäuse ähnelt dem einer Zwillingsstromturbine. Die Tennwand reicht jedoch nicht bis zum Eintrittsflansch, sondern beginnt erst in der Spirale. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist nur ein Kanal geöffnet. Eine auf der Konturhülse gleitende Schiebehülse verschließt den zweiten Kanal. Mit zunehmender Drehzahl wird der zweite Kanal kontinuierlich geöffnet. Anschließend gibt sie Schiebehülse einen Bypasskanal fei, der entlang der Außenkontur der Schiebehülse vom Turbinenaustritt führt. Hierdurch wird der Durchsatzbereich der Turbine zusätzlich vergrößert.

Für die Verstellung des Strömungsquerschnittes und die Freigabe des Bypasskanals wird nur ein Aktuator benötigt. Die Verstellung kann pneumatisch mittels einer Steuerdose oder eines elektrischen Aktuators erfolgen.