Aufladung von Verbrennungsmotoren
Supercharging, Turbocharging
5.5.2008
D.I.Gottfried Haider
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Der Autor legt aber großen Wert auf den Status "Unabhängiger Technischer Berater". Es gibt daher keine geschäftlichen Verbindungen zu Copyright-Nutzern.
Es werden häufig verwendete Begriffe im Bereich der Aufladung mit mechanischem Lader, aber auch mit Abgasturbolader näher beschrieben.
Weitere Infos finden über Aufladung Sie auch in meinem Taschenbuch :
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Warum Mechanische Aufladung mit Kompressor?
Bauarten der Mechan. Aufladung
Abgasturboaufladung?
Motortuning mit Aufladung
Turbodiesel Modellbezeichnung
Wassereinspritzung?
Bauarten der Ladeluftkühlung
Nach welchen Kriterien sucht man den Kompressor aus?
Welche Lebensdauer haben Turbolader?
Wie ist derTurbolader aufgebaut?
Kombinierte Aufladung? Resonanzaufladung?
Mixed Flow Turbolader?
Verdichtungsverhältnis
beim Ladermotor?
Motorliefergrad, Luftaufwand?
Kompressor Bike
Problem beim Turbolader
zweistufige Aufladung-Registeraufladung?
Lachgaseinspritzung?
Turbolader
mit elektromotorischer Unterstützung?
Kugelgelagerte Turbolader?
Umluftventil?
Rauchentwicklung beim
Turbodieselmotor
Dieselmotor
mit drei Turboladern ?
Twin Scroll
Turbolader ?
Turbolader
macht den Motor leiser?
Zweistufige
Aufladung mit Kompressor und Turbo ?
Ölwechselintervalle
beim Turbodiesel ?
Wie wirkt
sich der Druckverlust im LLK aus?
Neue Rootsladergeneration von
Eaton
Abgasturbolader oder Kompressor ?
Zweistufige
Abgasturboaufladung setzt sich durch !
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A u f l a
d e s y s t e m e:
Einteilung:
Schwingrohraufladung,
Abgasturboaufladung, kombinierte
Aufladung oder Resonanzaufladung,
mechanische Aufladung
, Druckwellenaufladung oder Comprexaufladung,
Pulseconverter, Impulsaufladung.
Man
unterscheidet auch zwischen Selbstaufladung
(z.B. Schwingrohraufladung)
und der Fremdaufladung mit einem Zusatzaggregat.
Bild
Neu
ist die Impulsaufladung:
Hier wird die Dynamik der angesaugten Luftsäule
im Saugrohr und Einlasskanal genutzt,
indem man das Saugrohrende mit einem Magnetventil
kurz verschließt und nach dem Aufbau eines Unterdruckes
rasch wieder aufmacht. Der erreichte Impuls verbessert
das Beschleunigungsverhalten von Motor und Fahrzeug.
Die Impulsaufladung hilft auch das "Turboloch"
zu verhindern.
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Welche Namen werden für die Aufladegeräte
verwendet?
Der gebräuchlichste im deutschsprachigen
Raum ist Kompressor,
aber auch mechanischer
Lader.
Im englischen Sprachraum
wird primär der Begriff Supercharger, gerne wird
auch Blower verwendet.
Je nach
der Bauart wird verwendet:
Schraubenlader, Verdrängerlader,
Strömungsverdichterlader, Drehkolbenlader,
Flügellader, Spirallader,
Rootslader, Rootsblower, electrical
supercharger, booster, twin screw supercharger,
screw compressor, centrifugal
supercharger, Twincharger
Im Englischen ist Turbocharger üblich. Es wird aber auch Supercharger für den Abgasturbolader und Mechanical Supercharger für den Kompressor verwendet
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W o z u braucht man A
u f l a d u n g ?
Bei der
Aufladung wird durch Vergrößerung
der Ladung (Dichteerhöhung der Ansaugluft),
die Füllung verbessert und die Leistungswerte
des Verbrennungsmotors angehoben. Diese Verdichtung
der Ansaugluft hat jedoch eine unerwünschte Temperaturerhöhung
zur Folge.
Mit
einem L a d e l u f t k ü h
l e r vor dem Eintritt in den Motor, kann
eine weitere Steigerung der Zylinderladung erreicht
werden.
Mit
Aufladung wird eine bedeutende Drehmomentanhebung
, und Leistungssteigerung
erreicht.
Der,
im Vergleich zum Basis-Saugmotor
leistungsgleiche Ladermotor kann mit kleinerem
Hubraum und daher geringerem Gewicht
ausgelegt werden.
Mit die Aufladung
können die gesetzlich vorgeschriebenen
Abgasemissionsgrenzwerte besser eingehalten
werden.
Das neue Entwicklungsziel der Motorenentwickler
ist das Downsizing,
eine Verminderung des Hubraumes und
der Zylinderzahl, ohne Einbuße an Leistung.
Neben der Verbesserung bei der Ventilsteuerung
und der Verminderung der Ladungswechselverluste
bietet die Aufladetechnik
ein sehr wirksames Mittel zur Erreichung
dieser Entwicklungsziele.
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W a r u m m e c h
a n i s c h e
Aufladung ?
Besonders beim Ottomotor
ergeben sich Vorteile gegenüber
dem ATL, weil die abgasführenden Teile nicht
aus hochwarmfesten, teuren, Material hergestellt
werden müssen. Die luftführenden
Teile in genügend großem Abstand
zu heißen Teilen angebracht werden können
und dadurch nicht aufgeheizt werden können. Die
Abgasturbine soll aus Wirkungsgradgründen
möglichst nahe am Auspuffkrümmer
angebracht werden. Das verursacht thermische Probleme
für die übrigen angrenzten Motorteile
und stellt große Anforderung an die Abgasabdichtungen.
Die Abgasführung des Kompressormotors
kann jedoch strömungsgünstig
und kostengünstig gestaltet werden.
Der
Einbau des Katalysators kann an optimaler Stelle
durchgeführt werden.
Marinemotoren beispielsweise müssen
zur Reduzierung der Oberflächentemperatur
(Verminderung der Brandgefahr) mit wassergekühlten
Abgasturbinengehäusen ausgestattet
werden.
Mechanische
Lader können hingegen ohne
diesen Zusatzaufwand eingebaut werden.
Als
Zusatzladegerät in Serie zum
ATL ist jedoch ein kompakter mechanischer
Lader auch beim PKW-Motor sinnvoll einsetzbar.
Es gibt aber auch Marinedieselmotoren mit vorgeschaltenem Kompressor.
Auch
bei Dieselmotoren mit Rußfiltern
ergeben sich Vorteile für den mechanischen
Lader, da auf den wirkungsgradgünstigen Anbau
der Abgasturbine nicht Rücksicht genommen werden
muss. Der Abgasstrang kann optimal gestaltet werden.
Eine Sekundärluftpumpe kann eingespart
werden, da
die Überschussluft
des Kompressors auch für die Abgasentgiftung
genutzt werden kann.
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B a u a r t
e n der mechanischen Aufladung
(Kompressoraufladung):
Für
die mechanische Aufladung von Verbrennungsmotoren
werden überwiegend
Drehkolbenmaschinen in
einwelliger und
zweiwelliger Ausführung
verwendet.
Wie
bei den Zahnradgetrieben (Außenverzahnung
und Innenverzahnung) unterscheidet man
bei den zweiwelligen Maschinen zwischen
außenachsigen
und innenachsigen
Ausführungen.
In
der einfachsten Form besteht der Rotor aus einem
Kreiszylinder, das Gehäuse aus
einem kreiszylindrischen Rohr,
und das Trennelement zwischen Saugraum
und Druckraum aus einem federbelasteten
Flach-Schieber.
Die
einwellige Bauart läßt
sich gut und kompakt in den Verbrennungsmotor einbauen.
Der Antrieb kann auch ohne Riemen
oder Zahnräder erfolgen, wenn man den
Rotor direkt mit dem Kurbelwellenende antreibt.
Durch das zentralsymmetrische Aneinanderreihen
von mehreren Rotoren hintereinander
wird ein pulsationsarmer gleichmäßiger
Förderverlauf erreicht.
Es
ist aber die zweiwellige, außenachsige,
verschraubte Bauart nach Roots,
die derzeit am häufigsten in
Serie eingesetzt wird.
Die Schraubenverdichter sind im Kommen.
Im
Aftermarketbereich wird zusätzlich der
mechanisch und elektrisch
getriebene Radialverdichter
und der
Schraubenverdichter 
eingesetzt.
Beim mechanisch getriebenen Radialverdichter
wird ein kompaktes, reibungsarmes
und geräuscharmes Getriebe,
z.B.ein Zahnradgetriebe, Reibradgetriebe oder ein
Zahnriementrieb 
verwendet.
Ein
mechanisch getriebener Axialverdichter ist in Entwicklung
Beim Electrical Supercharger wird
ein hochdrehender Elektromotor mit langer
Lebensdauer eingesetzt.
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A b g a s t u r b o a u f l a d u n g :
Die Abgasturboaufladung
nutzt das abgeblasene Abgas aus dem
Motor für den Antrieb eines Kompressors.
Es wird auf dem Auspuffkrümmer
eine Abgasturbine angeschraubt, die
über einer gemeinsamen Welle einen Strömungsverdichter
antreibt.
Der Nutzen ist umso größer,
je heißer die Abgase auf das
Turbinenrad treffen.
Zur Begrenzung des Ladedruckes wird
der Abgasstrom an der Turbine vorbeigeleitet
oder gedrosselt.
Warum
ist die Abgasturboladung besonders
bei Dieselmotoren so stark verbreitet?
Im
Vergleich zum Ottomotor machen das
niedrige Drehzahlniveau und die geringeren Abgastemperaturen
die Anpassung des Abgasturboladers an das
Motorkennfeld einfacher, die Materialauswahl kostengünstiger.
Der Dieselmotor kann
ohne Turbolader in der Leistung mit dem
Benzinmotor nicht mithalten.
Die neuen
kompakten Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie
(VTG ™) sind hinsichtlich des Beschleunigungsverhaltens
stark verbessert. Die Rauchentwicklung
durch verzögertes Ansprechen
der Abgasturbine ist mit diesen neuen Geräten
stark vermindert.
Es wird hier der Eintrittsquerschnitt und der
Anströmwinkel auf die Abgasturbinenschaufeln in
Abhängigkeit von Motorparametern verändert. Dies
wird meist mit verstellbaren Leitschaufeln erreicht
- oder mit einem Schieber der den Eintrittsquerschnitt
mehr oder weniger abdeckt.
Es
gibt aber auch schon serienreife Abgasturbolader
mit Hilfs-Elektroservomotor, der das Laufzeug
zusätzlich beschleunigt und so das "Turboloch"
(kurzzeitiger Luftmangel durch Förderverzögerung
des Laders bedingt, durch die Massenträgheit
des Laufzeuges) verhindert.
Die
neuen PKW-HighTechDiesel in V-Bauweise
werden auch mit "DoppelTurbo"
oder "TwinTurbo" ausgeführt.
Zwei
kleine ATL´s für je eine
Zylinderreihe ergeben ein sehr gutes Ansprechverhalten
und damit
gute, weitgehend rauchfreie Fahrzeugbeschleunigung.
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Motortuning
mit Aufladung:
Das Tunen (Verbesserung von
Leistung und Drehmoment von Serienmotoren)
mit Abgasturbolader und Kompressor (Supercharger)
ist sehr beliebt und wirkungsvoll. Die einfachste
Möglichkeit ist die "milde" Aufladung
mit mechanisch getriebenen, dauergeschmierten
Ladern bis max. 0,3bar Ladedruck.
Durch den Verzicht auf höhere Ladedrücke
und damit höhere Leistungswerte kann
gegebenenfalls der Ladeluftkühler, Ölkühler
und der Lader-Motorschmierölanschluß
eingespart werden.
Der Umbau damit einfach gehalten werden.
Auch die Lebensdauer von Lader und Motor
wird höher sein.
Das
Tunen mit dem Abgasturbolader hat größeren
Einfluss auf den Motor als das Tunen mit dem Kompressor.
An den Motorteilen
Abgaskrümmer, Auspuffanlage,
und an der Motorschmierung sind bei der Abgasturboaufladung in
jeden Fall Umbauten notwendig.
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Turbodiesel:
Da bei den
neuesten PKW - Dieselmotoren der Abgasturbolader
die Standardausführung ist (nur mehr wenige
Saugdiesel werden angeboten), wird dieser Begriff
immer weniger in der Fahrzeugbeschreibung
und -bezeichnung verwendet.
Auch
das früher so oft in der Abkürzung
verwendete "T" für "Turbo" wird nur
mehr selten verwendet.
So
kann man bei der Bezeichnung Common Rail
Dieselmotor (CDI oder CR...) fast immer davon
ausgehen das ein Dieselmotor mit Abgasturbolader
(Turbodiesel) im Fahrzeug eingebaut ist.
Also ein Turbodiesel mit dem neuen Einspritzsystem
Common Rail.
Auch beim schlichten "D" für Diesel
(früher die Bezeichnung für
Saugdiesel) muss man mit einem Abgasturbolader
rechnen.
Besonders
dann, wenn die Literleistung über
30KW/Liter Hubraum (ca.41PS/Liter) beträgt.
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Wassereinspritzung
beim aufgeladenen
Motor?
Die
meist nur für getunte Motoren und
Rennmotoren angewandte Wassereinspritzung
nutzt die hohe Verdampfungswärme
von Wasser.
Auf den Ladeluftkühler, oder nach
dem Lader in die heiße Luft gesprüht,
entzieht es dem Gehäuse und der Ladeluft
beim Verdampfen Wärme
und bewirkt eine Abkühlung. Die Dichte der
Ladeluft wird durch diese "Zusatzladeluftkühlung" weiter vergrößert.
Das
bringt nicht nur einen Leistungsgewinn,
sondern auch (bei normaler Fahrweise)
Verbrauchsvorteile und Abgasverbesserung
(NOx).
Mehr
darüber in der Printausgabe:
Die mechanische Aufladung
- Kap.9.1
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Bauarten der Ladeluftkühlung:
Im Fahrzeugbereich (PKW,
LKW) wird überwiegend die
Luft(Fahrtwind) - Luft(Ladeluft)-Kühlung
angewendet.
Der "kühle",
Fahrtwind wird auf einen Wärmetauscher
aus Rippen und Rohren geleitet und kühlt
diese ab.
In den Rohren strömt die Ladeluft und kühlt
an den "kalten" Rohrwänden ab.
Stark im Kommen ist aber
der doch aufwendige
Wasser (Motorkühlwasser)
- Luft (Ladeluft) Kühler.
Zwischen Zylinderkopf (V-Motor) und
Ladegerät wird ein wassergekühltes
Wärmetauscherelement
eingebaut. Auf den Lader wird dann noch ein
Luftsammler mit Drosselklappen aufgesetzt.
Eine effektive
Kühlung kann dabei nur erreicht werden,
wenn auch das Motorkühlwasser vor dem
Eintritt
in den Ladeluftkühler
mit einem Zusatzkühler unter das
Motorkühlwasserniveau abgekühlt wird.
Dafür
ist aber ein zweiter Kühlmittelkreislauf
mit Wasserpumpe notwendig.
Die Bauarten werden auch nach dem verwendeten
Kühlmittel unterschieden. Schema
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Welche Auswahlkriterien gelten für
mechanische Aufladegeräte
(Kompressor)?
Die
Kriterien ergeben sich aus der Beantwortung von folgenden
Fragen:
- Erreicht der ausgewählte Lader den gewünschten maximalen Ladedruck, und den maximalen Durchsatz?
- Welcher Gesamtwirkungsgrad wird dabei erreicht. (Beim Kompressor muss der Wirkungsgrad des Ladergetriebes mit berücksichtigt werden.)
- Wie ist der Druckaufbau beim Beschleunigen und bei Lastwechsel?
- Wie groß ist der Einbauraum? (Besonders wichtig ist der Querschnitt - In Motorlängsrichtung ist meist mehr Platz)
- Wie sieht der Antrieb des Laders oder das Getriebe im Lader aus? (Ist ein Zusatzgetriebe notwendig, um die günstige hohe Radialverdichterdrehzahl zu erreichen, oder genügt ein einfacher Zahnriemen von der Kurbelwelle?)
- Wie hoch ist das Geräusch (Schallpegel, unangenehmes Geräusch)
- Wieviel will ich ausgeben? - Preis?
- Welche Schmierung ist vorgesehen? (mit Motordruckölschmierung, oder Dauerschmierung?)
Es ist daher immer vorher festzulegen welche Anforderungen für den jeweiligen Anwendungsfall die wichtigsten sind.
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Lebensdauer von Ladegeräten:
Die, am höchsten beanspruchten Ladegeräte sind die Abgasturbolader für Hochleistungs-Benzinmotoren.
Besonders die kleinen Turbolader von Motoren unter 2Liter Hubraum sind noch zusätzlich durch die extrem hohen Drehzahlen belastet.
Der Turbolader ist beim Benzinmotor durch Abgastemperaturen mit über 1000°C belastet.
Das Temperaturniveau ist daher um einiges höher als beim Turbodiesel.
Das wird teilweise durch die Anwendung von hitzefestem Material bei den Abgasteilen inklusive Turbolader ausgeglichen.
Ein wassergekühltes Lagergehäuse und eine elektrische Nachlauf-Wasserpumpe verbessern die Gefahr der Verkokung noch weiter.
Diese erwähnte Pumpe läuft auch bei abgestelltem Motor automatisch einige Minuten nach - wie z.B. der Elektrolüfter beim Wasserkühler - und ist auch im Nachrüsthandel (Tuning) erhältlich. Mit diesem Zusatzaufwand kann man, bei vernünftiger Fahrweise und der Einhaltung der erwähnten Verhaltensregeln beim Abstellen, mit der gleich guten Lebensdauer für moderne Turbolader an Ottomotoren und an Dieselmotoren rechnen.
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Wie ist ein Abgasturbolader aufgebaut?
Der PKW-Abgasturbolader besteht aus einer mit dem Motorabgas beaufschlagten Kleinst-Radialturbine und einem kompakt aufgebauten Radialverdichter .
Die Rotoren der Strömungsmaschinen sind mit einer gemeinsamen Welle verbunden.
Der Zusammenbau von Turbinenrad -Welle-Verdichterrad bildet das Laufzeug.
Um hohe Drehzahlen mit wenig Reibung beim Hochfahren zu erzeugen, ist dieses Laufzeug mit geringem Trägheitsmoment ausgeführt.
Die Lagerung erfolgt mit schwimmenden Gleitlagerbüchsen, oder mit Kugellagern. Es werden aber auch "Hybridlader" mit Gleitlagerbüchse und Keramikkugellager zusammengebaut.
Für die Schmierung der Lager und für den Abtransport der Hitze wird diese Lagerung mit Motordrucköl versorgt.
Wichtig ist es für Lagerung und Geräuschentwicklung, das dieses Laufzeug sehr gut ausgewuchtet wird.
Für die Regelung des Ladedruckes wird Abgas, über eine Ventil, am Turbinenrad mehr oder weniger vorbeigeleitet und die Drehzahl des Laufzeuges dadurch verändert. Dieses Ventil wird Abblaseventil oder in einer neueren Ausführung auch Abblaseklappenventil genannt. Bei der neueren Regelungs-Methode (VTG - der variablen Turbinengeometrie) wird der Anströmwinkel und der Durchströmquerschnitt vor dem Laufradeintritt der Abgasturbine verändert. Für den unteren Drehzahlbereich wird dadurch ein kleines Turbinengehäuse angenähert, das besonders gute Hochlaufeigenschaften des Laufzeuges im instätionären Betriebsbereich (Beschleunigung) ermöglicht.
Durch einen Wassermantel im Lagergehäuse kann Motor-Kühlwasser geleitet werden und damit die Lager-Temperatur bedeutend gesenkt werden. Besonders bei Benzinturbomotoren wird damit die Verkokungsgefahr der Lagerung deutlich vermindert.
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Was versteht man unter einer "Kombinierten Aufladung"?
Dr. Cser (HU) hat schon vor vielen Jahren eine kombinierte Aufladung mit Resonanzrohren entwickelt, die in einem Resonanzbehälter münden.
Beim 6Zylindermotor gibt es 2 Resonanzrohre und 2 Sammelbehälter, wobei beide Enden der Resonanzrohre offen sind.
Von diesen Sammelbehältern gehen dann 3 Einzelrohre zu den Ansaugkanälen. Kombiniert wird dieses System mit einem ATL .
Die Wirkung gegenüber einer einfachen Schwingrohraufladung (bei der die Rohre nur einseitig offen sind) wird verstärkt.
Unter Resonanzaufladung versteht man eine Aufladung mit Druckschwingungen in beidseitig offenen Ansaugrohren.
Bei der Resonanzdrehzahl stimmt die Frequenz der Anregung (Motordrehzahl) mit der Frequenz der Luftsäule im Rohr überein.
Es ergibt sich eine Druckerhöhung für diese Drehzahl, die üblicherweise bei d e r Drehzahl auftritt, wo das maximale Drehmoment des Motors liegen soll.
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Mixed Flow Turbine beim Abgasturbolader?
Eine Mixed - Flow Abgasturbine ist eine Zwischenlösung für Radialturbine und Axialturbine.
Wie der Name schon sagt, wird das Radialturbinenrad - radial (Eintrittskante parallel zur Rotationsachse) angeströmt.
Eignet sich gut für kleine Durchsätze wie beim PKW und LKW.
Das Axialturbinenrad wird hingegen in axialer Richtung angeströmt und ist für größere Durchsätze etwa für Großmotoren geeignet.
(Eintrittskante 90 Grad zur Rotationsachse)
Nun gibt es auch die Mixed Flow Turbinen, die eine schräge Eintrittskante aufweisen und für manche LKW-Größen besser geeignet sind.
Vorteil:
Es kann auch ein kleineres Laufrad verwendet werden, weil auch eine "axialer" Laufradteil dazu kommt, der ja ideal für größere Durchsätze ist.
Der Vorteil der Radialturbine (wie besseres Ansprechverhalten instationär) wird kombiniert mit dem Vorteil (besserer Wirkungsgrad) des axialen Teiles, im oberen Drehzahlbereich.
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Warum muss das Verdichtungsverhältnis beim Nachrüsten des Saugmotors mit einem Aufladegerät reduziert werden?
Mit dem höheren Verdichtungsdruck des aufgeladenen Motors steigt die Verdichtungsendtemperatur deutlich über das Niveau des Saugmotors an.
Besonders beim Benzinmotor erhöht sich die Klopfgefahr dramatisch.
In der einfachsten Form erreicht man durch Beilegen einer zweiten Zylinderkopfdichtung eine ausreichende Verkleinerung des Verdichtungsverhältnisses.
Da aber beim Motor mit deutlich erhöhter Leistung, ohnehin verstärkte, gekühlte Kolben zu empfehlen sind, kann man bei der Bestellung die reduzierte Kolbenhöhe gleich berücksichtigen.
Bei geringen Veränderungen kann auch der Brennraum und oder der Kolben nachgearbeitet werden.
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Motorliefergrad - Luftaufwand
Der Motorliefergrad
ist von großer Bedeutung für
die Drehmoment-, und Leistungsausbeute des Motors.
Er berücksichtigt die Strömungsverluste
beim Einströmen der Ladung
in den Zylinderkopf.Ältere 2-Ventilmotoren haben einen geringeren Liefergrad als die neuen 4-Ventilmotoren.
Zum Teil aufwendige Saugrohrkonstruktionen mit Klappensystemen können den Liefergradverlauf über der Drehzahl günstig beeinflussen.
Die Folge ist eine gute Drehmomentüberhöhung schon bei niedrigeren Drehzahlen.
Aufgeladene Motoren erreichen diesen Effekt mit elektronischer Ladedruckregelung und variabler Geometrie.
Der Liefergrad der Ladermotoren ist wesentlich größer als der von Saugmotoren.
Beim aufgeladenen Motor wird der Liefergrad auf den Zustand vor dem Einlassventil bezogen und als Luftaufwand bezeichnet.
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Kompressor Motorrad
In den 30er Jahren wurden oftmals im Rennsport Motorräder mit Kompressor verwendet.
Vor allem Rootslader und Flügellader waren in 2Takt und 4Takt-Motoren eingebaut.
Für Serienmotorräder reichte die Lebensdauer der Lader offenbar nicht aus.
Neben Kleinst-Turboladern wurden auch Rootslader und Schraubenlader an getunten Motorrädern verbaut.
Diese Blower werden mit Zahnriemen, aber auch über Zahnradgetriebe vom Motor direkt angetrieben.
Auf eine BypassRegelung wird meist verzichtet.
Die erhöhten Leistungswerte werden zwar mit herkömmlichem Tuning vielfach auch erreicht.
Aber den guten Drehmomentverlauf von "unten heraus" kann man am besten mit einem Kompressor erreichen.
Neu sind mechanisch getriebene Radialverdichterlader,
die weit über 100.000U/min Rotordrehzahl erreichen und besonders kompakte Abmessungen aufweisen.
Serienanwendung für den Kompressormotor gibt es für einen Peugeot -Scooter mit Benzineinspritzung.
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Abgasturbolader Probleme
Neben Schadensursachen im Gerät selbst, müssen auch einige Fehlerursachen geprüft werden, die mit dem Motor zusammenhängen:
Kurbelgehäuseentlüftung:
Mit hoher Laufdauer des Motors tritt, durch den unvermeidbaren Kolbenringverschleiß, ein größeres Durchblasen ("blow by") von Brenngas am Kolben vorbei auf. Der Druck im Kurbelgehäuse wird größer und beschäftigt die Kurbelgehäuseentlüftung zusätzlich.
Eine schlecht funktionierende Kurbelgehäusentlüftung kann zu Abdichtproblemen an Verdichter und Turbinenseite führen, da das Lagergehäuse über den Ölrücklauf mit der Ölwanne in Verbindung steht.
Luftfilter:
Der Luftfilter bei Turbomotoren ist unbedingt nach Wartungsvorschrift zu wechseln.
Mit zunehmender Verschmutzung erhöht sich der Unterdruck im Verdichter derart, das auch Öl vom Lagergehäuse in den Luftfilter gesaugt wird.
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Was versteht man unter einer zweistufigen Aufladung und einer Registeraufladung?
Bei mittelschnelllaufenden Marinemotoren ist die zweistufige Aufladung und die Registeraufladung schon lange bekannt.
Hier ist auch genug Einbauraum vorhanden und die Kosten der zusätzlichen Aggregate fallen nicht so gravierend ins Gewicht.
Durch den Einsatz von Klappen oder Ventilen für die teilweise oder vollständige Abschaltung von Turboladereinheiten wird die zweistufige Aufladung zur Registeraufladung. Eigentlich wäre es sinnvoll, erst bei mehr als 2 Turboladern von Registeraufladung zu sprechen.
So sind z.B. bei MTU 4 zweistufige Turboladereinheiten zu einer zweistufigen (jeweils kleiner und großer Turbolader) Registeraufladung zusammengeschalten.
Das ergibt 8Turbolader für den V12.
Die Bezeichnung Register dürfte vom Orgelbau stammen, hier werden auch in Tonhöhe (Ladedruck) und Klangfarbe (Durchsatz) verschiedene "Pfeifen-Register" zu oder abgeschalten.
Der Trend nach höheren Ladedrücken und besserem Hochlaufverhalten der Turbolader brachte auch dieses System in den Serien-Nutzfahrzeugmotoren und PKW-Motoren Anwendungsbereich. Es werden zwei Turbolader mit unterschiedlicher Größe verwendet. Ein kleiner Turbolader für den unteren Drehzahlbereich und ein größerer für den oberen Drehzahlbereich mit hohen Luftdurchsätzen.
Die beiden Turbolader sind abgasseitig und luftseitig in Serienschaltung miteinander verbunden und werden mit BypassKlappen dem jeweiligen Drehzahl- und Lastbereich des Motors angepasst. Je nach Ladedruckniveau können ein bis zwei Ladeluftkühler notwendig werden.
Die Konstruktion des Laderanbaues für einen PKW-Motor mit bekannt knappen Einbauraum im Motorraum des Fahrzeuges, stellt neue Anforderungen an den Entwicklungsingenieur.
Doch der Aufwand scheint sich zu lohnen. Ladedruckniveau und Performance sind deutlich besser.
Ein 3Liter 6Zylinder CR-Dieselmotor mit zweistufiger Aufladung (Registeraufladung mit zwei Turboladern) ist schon in Serie.
Der 2Liter 4Zylinder CR Dieselmotor ging 2007 in Serie.
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Lachgaseinspritzung?
Stark abgekühltes flüssiges Lachgas N2O wird bei offener Drosselklappe in den Lader gespritzt.
Es tritt eine kurzzeitige starke Leistungserhöhung durch Erhöhung des Sauerstoffanteiles und einer Abkühlung durch den Wärmeentzug beim Verdampfen der Ladung ein. Auch Nitrous Einspritzung oder Nitro Blowing genannt.
Nur für den Rennsport geeignet.
Turbolader mit elektromotorischer Unterstützung?
Im Bereich des Lagergehäuses wird ein schnelllaufender Elektromotor eingebaut, der in Hochlaufphasen beim Beschleunigen kurzfristig zugeschalten wird. Besonders bei größeren Ladern tritt beim Hochlaufen eine Verzögerung durch den trägen Aufbau des Abgasdruckes auf.
Die Abgasturbine erreicht nicht rasch genug die notwendige Drehzahl für den Verdichterantrieb.
Die Folge ist eine kurzfristiger Luftmangel beim Beschleunigen.------> Das "Turboloch"
Der kleine Elektromotor ist da wesentlich schneller und hilft der Turbine beim Hochlaufen.
Nachteil: 1.Das Turboladerlaufzeug wird auch schwerer, und das fällt bei ausgeschaltenem Elektromotor ins Gewicht.
2.Das elektrische Energieversorgungssystem muss verstärkt werden.
Eine zweite Möglichkeit bietet sich durch den Antrieb eines Zusatz-Verdichters mit einem Elektromotor.
Der "electrical supercharger" unterstützt den "normalen" Turbolader nur in Beschleunigungsphasen.
Wozu kugelgelagerte Abgas -Turbolader?
Die sogenannten " Ballbearing Turbocharger " haben statt der üblichen Gleitlagerung mit schwimmenden Lagerbüchsen, ein für höchste Drehzahlen geeignetes Kugellager eingebaut. Das bringt Vorteile beim Hochfahren des Turboladers, also besseren Ladedruckaufbau beim Beschleunigen. Beim Benzinmotor wird diese Lagerung für mittlere und große Turbolader angeboten.
Beim Dieselmotor gibt es aber auch schon Serienanwendung für Kleinstturbolader.
Umluftventil bei Turbolader oder Kompressor?
Ist eine wirksames Regelglied im Lastwechselbereich. Der Verdichter (Kompressor) wird kurzgeschlossen und die wertvolle Ladeluft von der Verdichteraustrittsseite über dieses Bypassventil in die Saugöffnung zurückgeleitet. Der Turbolader-Verdichter wird auf Drehzahl gehalten und verbraucht weniger Leistung bis der nächste Beschleunigungsstoß vom Fahrer erfolgt.
Turbodiesel mit Rauchentwicklung?
Für die Rauchentwicklung beim Dieselmotor kann es viele Ursachen geben. Ein häufiger Defekt wird oft übersehen und hat fatale Wirkung auf den Turbolader.
Die undichte Steuerdruckleitung für die Ladedruckregelung.
Wird der Schlauch für den Steuerdruck vom Verdichter zur Druckdose der Ladedruckregelung undicht oder ist die Schlauchschelle schlecht angezogen, so wirkt ein geringerer Steuerdruck auf die Membran und die Stellung eng der Leitschaufeln wird überhaupt nicht oder nur verzögert geöffnet.
Der notwendige Luftdurchsatz bei höheren Drehzahlen kann daher nicht mehr vom Turbo geliefert werden, weil der Querschnitt eng bleibt. Für den oberen Drehzahlbereich müssen die Leitschaufeln immer mehr öffnen.
Es entsteht Ruß infolge "Luftmangels". Und dieser setzt sich nicht nur im Bereich des Auspuffaustrittes auf dem Fahrzeug ab, sondern auch massiv im Turbinengehäuse, den Lagerabdichtungen und dem Verstellmechanismus für die Ladedruckregelung. Das ist mit reichlich unverbranntem Dieselöl durchsetzter Ruß der kleben bleibt und durch die hohen Bauteiltemperaturen, richtig festbackt wie der Kuchen der zu lange im Rohr war.
Auch die empfindliche Lagerung mit engsten Toleranzen wird durch Rußschichten beinflusst, weil die Ringabdichtung durch notwendige Spiele nicht 100% dicht sein kann. Auch der Verstellmechanismus der variablen Geometrie wird mit jedem Kilometer mehr bedeckt und blockiert nun endgültig.
Steckt man nun einen neuen Schlauch auf, dann bewegt sich dieser Mechanismus wieder und es lösen sich einzelne Partikeln, die dann Schaden an dem Turbinenrad und der Lagerung verursachen können. Da nutzt keine Reinigung von außen in das Turbinengehäuse. Es muss der Lader beim Spezialisten zerlegt, gereinigt und überholt werden.
Dieselmotor mit drei Abgasturboladern?
Bei V-Motoren ist der Einbau einer zweistufigen Turboaufladung besonders kompakt verwirklichbar.
Je ein kleiner Turbolader für die linke und rechte Zylinderbank und ein großer mittig angeordneter Turbolader für beide Zylindereihen.
Die gute Beschleunigung mit Rekorddrehmoment geht hauptsächlich von den kleinen Hochdruckladern aus.
Und die Höchstleistung wird mit dem zugeschaltenen Big Turbo erzeugt, der mit zunehmender Drehzahl immer mehr durchströmt wird.
In Genfer Automobilsalon 2005 war schon eine seriennahe Studie von diesem System zu sehen.
Twin Scroll Turbolader ?
Da die variable Geometrie, wie sie beim Dieselmotor heute schon Standard ist, beim Ottomotor wegen der höheren Abgastemperaturen Probleme bereitet, geht man andere Wege um das Ansprechverhalten der Turbine im instationären Betrieb zu verbessern. Durch die zweiflutige Ausführung des Turbinengehäuses, wird die Trennung der beiden Auspuffkrümmerfluten bis vor dem Turbineneintritt weitergeführt. Durch die Verkleinerung der Oberflächenrauhigkeit der Turbinenkanäle konnte der Strömungsverlust (aufgrund der zusätzlichen Trennwand beim Twin Scroll) kompensiert werden. Die Vorteile der vollständigen Fluttrennung besser genutzt werden.
Bisherige Turbinengehäuse waren bei PKW Turboladern überwiegend einflutig ausgeführt, d.h. der Eintrittsquerschnitt in die Turbine hatte keine Trennwand in der Mitte. Über diesen gemeinsamen Eintrittsbereich im Turbineneintritt konnte daher eine Störung der Stoßenergie auf die benachbarte Flut im Auspuffkrümmer stattfinden und der Antrieb der Turbinenschaufel geschwächt werden.
Macht der Turbolader den Motor leiser ?
Beim Abgasturbolader wird Abgas in eine Turbine geleitet. Dort wird die Energie auf das Laufzeug übertragen und der Verdichter angetrieben. Dabei sinkt der Abgasdruck von p3 auf p4 und der Druck der Ladeluft steigt von p1 auf p2. Abgasdruckschwingungen werden abgebaut und das Druckniveau wird deutlich gesenkt.
Das ergibt eine verminderte Geräuschentwicklung durch den Abgasturbolader mit Ausnahme des Turbopfeifens, das bei einem gut abgestimmten und gewuchteten System eigentlich nicht auftreten soll. Aber bei tauschreifen Turbos mit hoher Laufleistung doch oft vorkommt.
Turbolader mit Kompressorunterstützung ?
Das System ist nicht neu -------- Rallyemotoren, Marinemotoren, Flugmotoren, aber auch NfZ-Motoren hatten und haben dieses System erfolgreich eingesezt.
Die Trägheit des Turboladers wird mit einem Zusatzkompressor kompensiert. Zusätzlich kann der Durchsatz und der Ladedruckverlauf deutlich angehoben werden.
Man kann den Kompressor vor oder nach dem Abgasturbolader einbauen, wobei die Anpassung und die Regelung der beiden unterschiedlich reagierenden Ladegeräte von großem Einfluss auf den Erfolg dieses Systemes ist. Jüngste Serienanwendung ist ein Downsizingmotor mit 1,4Liter von VW. Der Eatonkompressor ist hier vor dem Turbolader angeordnet und liefert verdichtete Luft in den Verdichtereinlass des ATLs. Im oberen Drehzahlbereich wird er abgekuppelt.
Ölwechselintervalle beim Turbodiesel ?
Die Ölwechselintervalle und Motorserviceintervalle werden bei den modernen Motoren immer länger.
Im Schnitt alle 30.000km oder alle 2Jahre das Öl mit Filter gewechselt werden.
Dennoch bleibe ich bei der "alten" Vorschrift, besonders bei Turbodieselmotoren,
der JÄHRLICHE Motorölwechsel mit Filter.
Fährt man viel, ist es ohnehin sehr anzuraten.
Fährt man wenig und steht das Fahrzeug daher viel herum, dann ist es wegen Ablagerungen und Verklumpungen ebenfalls empfehlenswert zu wechseln.
Besonders nach einer wetterbedingten Zwangspause (z.B. Fahrzeug über ein Monat eingeschneit)
Im Vergleich zu den hohen Treibstoffkosten, ist der Ölwechsel noch günstig.
Beim Ölwechsel nicht sparen, Markenöl und Leichtlauföle sind zu empfehlen.
Sie werden sicher nach jedem Ölwechsel einen postiven Unterschied merken.
Und der ist nicht nur subjektiv.
Es ergibt sich auch ein günstigerer Verbrauch und eine längere Lebendauer des Motors und des hochbeanpruchten Turboladers.
Wie wirkt sich der Druckverlust im LLK aus?
Die Ladeluftkühlung wirkt sich sehr positiv auf den aufgeladenen Motor aus. Ist man jedoch wenig sorgsam bei der Auswahl der Kühlergröße und der Ausführung der Versorgungsleitungen, so ergibt sich ein hoher Druckverlust der das Ladedruckniveau um bis zu 18% mindert. Der Verdichter liefert beispielsweise 1bar Ladedruck, der Motor erhält jedoch nur mehr 0,82bar. Will man diesen Leistungsverlust durch höheren Ladedruck ausgleichen, so muss man mindestens auf 1,2bar erhöhen. Das bedeutet aber wieder eine höhere Ladelufttemperatur. Daher müsste auch die Kühlwirkung verbessert werden.
Es ist daher viel wirkungsvoller den Druckverlust zu vermindern, anstatt den Ladedruck zu erhöhen.
Auf die Optimierung der Strömungsverhältnisse beim Eintritt in den Ladeluftkühlerblock ist besonders zu achten. Aber auch die Länge und Krümmungen der Leitungen haben großen Einfluss auf den Gesamtdruckverlust vor dem Eintritt in den Motor.
Moderne Aufladung bei Traktorenmotoren:
Die Traktormotoren für die landwirtschaftliche Nutzung sollen drehmomentstark, sparsam, von hoher Lebensdauer, abgasarm und geräuscharm sein. Für dieses Anforderungsprofil kommt nur der Turbodieselmotor zur Anwendung. Der Einsatz von Ladeluftkühlung und von Ladern mit Ladedruckregelung erfolgte hier etwas später als bei PKW und LKW Anwendung. Mangels ausreichendem Fahrwind für die Ladeluftkühlung aufgrund der niedrigen Fahrgeschwindigkeit, hat hier der Motorlüfter (Gebläse) hohen Einfluss auf Leistungsausbeute und Verbrauch. Auch wassergekühlte Ladeluftkühler mit Rückkühlung des Kühlmediums sind in Anwendung. Da nun auch elektronische Einspritzsysteme und Turboladerregelungen in der Traktormotorenentwicklung Einzug gefunden haben sind auch die variable Turbinengeometrie und die Overbooststeuerung des Turboladers in der Branche nicht mehr unbekannt. Die neue Turboladergeneration ermöglicht eine deutliche Anhebung des Drehmomentes bei noch geringen Drehzahlen und eine Nenn-Leistungsteigerung die es ermöglicht die Nenndrehzahl ohne Leistungseinbussen zu senken.
Neue Rootsladergeneration von EATON:
Die TVS (Twin Vortices Series) Lader haben zwei vierflügelige um 160Grad verschraubte Rotoren und verbesserte Einlass- und Auslasskanäle.
Ein deutlicher Schritt in Richtung Schraubenverdichter.
Der Wirkungsgrad des neuen Laders ist daher stark verbessert. Auch die Abmessungen sind kompakter.
Abgasturbolader oder Kompressor ?
Der Turbolader ist nun auch beim Benzinmotor stark im Kommen. Optimierte Radialverdichter mit breiten Kennfeldern, die hohe Ladedrücke schon bei niedrigen Durchsätzen erlauben ohne die Pumpgrenze zu überschreiten. Und ein stark vergrößertes Angebot an Verdichter- und Turbinengrößen mit zahlreichen Feinabstimmungen im Trim und A/R erlauben eine genauere Anpassung des Turboladers an den Motor. Verbessertes Anprechverhalten durch variable Geometrie, zweistufige Turboaufladung, Twin Scroll Ausführungen, und neue Materialien.
Der Kompressor ist aber noch lange nicht tot. Neue, im Wirkungsgrad und Geräuschverhalten verbesserte Geräte mit verbreiterter Geräteauswahlpalette.
Besonders Twin Supercharger Motoren sind im Kommen. Bei V8, V10 und V12 Motoren ist der Twin-Kompressor im Vergleich zum Twin-Turbo besonders einfach anzubauen.
Zweistufige Aufladung setzt sich durch!
Nach ersten Serienanwendungen in Marinedieselmotoren, BMW PKW-Dieselmotoren setzt sich das geregelte zweistufige Abgasturboladersystem bei PKW, Transporter und auch LKW durch. Der doch erhebliche Mehraufwand lohnt sich, da damit die Verbrauchs-, und C02- Problematik besser gelöst werden kann. Und zwar mit zusätzlich verbesserter Fahrdynamik!
Neu ist auch die Kombination von variabler Turbinengeometrie und zweistufiger geregelter Aufladung im Ford Power Stroke 6,4L V8 Dieselmotor. Dieser neue Motor ist mit einem Borg Warner Aufladesystem ausgerüstet.
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Stand 5.5.2008