Turbolader 

 

Entwicklungsgeschichte

Die Geschichte der aufgeladenen Motoren ist fast so alt wie die der Verbrennungsmotoren selbst. Der Schweizer Ingenieur Alfred Buchi erhielt 1905 ein Patent auf einen Verbundmotor, bei dem der Lader und die Turbine mechanisch an den Motor gekoppelt waren. Er bekam 1915 ein weiteres Patent für die erste freilaufende Abgasturboladergruppe. Dieser Erfindung liegen Erfahrungen von 1905 zugrunde.

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 1921 baute Daimler den ersten serienmäßigen Kompressorwagen. Die Aufladung erfolgte mittels eines mechanisch angetriebenen Roots-Gebläse. Wegen der Klopfgefahr erfolgte der Antrieb über eine Kupplung, die das Roots-Gebläse erst bei höheren Motordrehzahlen zuschaltete. Die ersten Einsätze von Kompressorwagen erfolgten bei Automobilrennen. Durch ihre vielen Rennerfolge, insbesondere in den 20er und 30er Jahren, wurden die aufgeladenen Motoren weltweit berühmt.

Im Jahre 1938 wurde der erste Nutzfahrzeug-Dieselmotor mit Abgasturboaufladung von der Schweizer Maschinenfabrik "Saurer" gebaut. Erst 1962 wurde 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.

Durch die Abgasturboaufladung werden die Schwächen der Dieselmotoren wie träger Drehzahlaufbau und geringe Leistung bei kleinem Hubraum beseitigt. Der Dieselmotor wird durch die Turboaufladung für den PKW-Bau immer interessanter. Gründe hierfür sind Leistungssteigerung und ein geringer spezifischer Kraftstoffverbrauch. In den letzten Jahren kamen auch verstärkt Benzinmotoren mit Abgasturbo in Serie auf den Markt.

Auch hier überwiegen die Vorteile:

hohe Leistung bei kleinem Hubraum geringe Baugröße für enge Einbaubedingungen größeres Drehmoment bei geringen Drehzahlen geringere Geräuschentwicklung spezifisch günstiger Kraftstoffverbrauch

Hinzu kommen die ökologisch günstigeren Abgas-Emissionswerte.

In Zukunft werden vermehrt Turbolader entwickelt, die eine variable Turbinen-Geometrie besitzen, wodurch der Drehmomentverlauf und das Ansprechverhalten noch weiter verbessert werden. Desweiteren werden die Geleitlager, die in heutigen Turboladern Verwendung finden, durch neuentwickelte Kugellager ersetzt, durch die ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden wird.


Abgasturbolader

So einfach der mechanische Aufbau eines Abgasturboladers, der aus wenigen Hauptteilen besteht, auch erscheinen mag, so schwierig erweist sich die Beherrschung dieser Strömungsmaschine. Ihre Kopplung mit dem Motor ist nicht mehr mechanisch, sondern verläuft rein thermisch. Man unterscheidet zwischen zwei Aufladungsarten, je nach Nutzung der Abgasenergie in der Turbine:

  • Stoßaufladung (zusätzliche Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase, enge Leitungen zur Abgasturbine, Prinzip Fächerkrümmer).
In PKWs wird hauptsächlich das Prinzip der Stauaufladung angewandt.

 

 

Aufbau

Der Verdichter ist in Radialbauweise ausgeführt und verdichtet in der Regel nur Luft. Um hohe Druckverhältnisse zu erreichen, kommt in den meisten Fällen eine Zentripetalturbine zur Anwendung. Axialturbinen werden nur in großen Aggregaten eingesetzt. Abgasturbolader haben eine sehr hohe Läuferdrehzahl (über 200.000 min-1 bei PKW-Motoren). Die Turbinenwelle ist auf axialen Schwimmlagern gelagert, die sich in relativer Bewegung befinden, wodurch sich die hohe Turbinendrehzahl gegenüber dem Gehäuse aufteilt. Das Lagergehäuse, die Turbine und das Turbinengehäuse sind wegen der extremen Temperaturen aus hochwertigem Grauguß gefertigt, Kompressorgehäuse und Kompressorrad hingegen sind aus hochfestem Leichtmetall.

Aufbau eines Abgasturboladers im Schnitt

Ladedruckregelung

In modernen PKWs und LKWs erfolgt die Ladedruckregelung durch ein vom Ladedruck gesteuertes Abgasabblasventil (wastegate). Durch dieses Regelventil strömen die heißen Abgase ohne Ausnutzung ihrer Arbeitsenergie an der Turbine vorbei in den Auspuff.

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