Turbolader

Ein Turbolader oder auch Abgasturbolader (ATL), umgangsprachl. Turbo, dient zur Leistungssteigerung von Benzin- und Dieselmotoren durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes.

Problem

Ein Verbrennungsmotor ohne Turbolader ist in seiner Leistungsfähigkeit dahin begrenzt, daß nur eine gewisse Menge Luft (respektive Sauerstoff) für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung steht, nämlich das Volumen des Hubraums. Zur Leistungssteigerung gibt es entweder die Möglichkeit, den Hubraum zu vergrößern, oder die Luft nicht durch die Kolben ansaugen zu lassen (Saugmotor) sondern sie komprimiert (Kompressor) in die Brennkammer zu pumpen. Da nun mehr Luft (Sauerstoff) zur Verbrennung zur Verfügung steht, kann auch die Menge an Kraftstoff pro Takt erhöht werden, was eine Leistungssteigerung zur Folge hat.

Funktion

Eine Abgasturbine im Abgasstrom treibt einen Verdichter an, der im Ansaugtrakt liegt. So ist es möglich, die Zylinder mit komprimierter Luft zu füllen und so mehr Verbrennungsluft pro Arbeitstakt zur Verfügung zu stellen.

Diesen Prozess nennt man Aufladen. Die durch die Verdichtung erwärmte Luft kann zusätzlich vor dem Zylinder gekühlt werden. Dies geschieht durch einen Ladeluftkühler (LLK), (en: Intercooler). Sinn ist, den Füllungsgrad zu erhöhen, da kühle Luft eine größere Dichte aufweist. Somit steht mehr Sauerstoff für den Verbrennungsvorgang/Arbeitstakt zur Verfügung.

Bauteile

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sind. Die Turbine wird durch den Abgasstrom angetrieben und treibt den Verdichter an, der seinerseits die Angesaugt Luft verdichtet und in den Motor leitet. Im inneren der beiden Gehäuse dreht sich eine Art Flügelrad bzw. Schaufelrad, das die Strömungsenergie in eine Drehbewegung umsetzt. Ein Turbolader erreicht Drehzahlen bis zu 100.000 U/min. Die meisten Turbolader besitzen zur Kühlung Anschlüsse für den Öl- und/oder Wasserkreislauf.

Anwendungen

Im europäischen Raum haben Diesel-Turboladermotoren mit Ladeluftkühler seit Beginn der 1990er Jahre auch im Personenkraftwagen eine sehr große Bedeutung erlangt. Bei den großen Nutzfahrzeugen werden sie seit den 1960er Jahren bei einem sehr hohen Anteil der ausgelieferten Fahrzeuge eingesetzt. In Kombination mit einem Benzinmotor werden Turbolader fast ausschließlich bei Sportwagen eingesetzt.

Auch Motorräder wurden Anfang der achtziger Jahre vereinzelt ohne großen Markterfolg mit Turboladern versehen.

Anwendung bei Ottomotor

Bei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung ist der Ladedruck durch die entstehende Verdichtungswärme des Treibstoff-Luftgemisches im 2. Takt begrenzt. Eine Überschreitung bedeutet ungesteuerte Selbstentzündung und damit Motorklopfen oder Motorklingeln.

Anwendung bei Dieselmotor

Da Dieselmotoren keine Drosselklappe besitzen und dementsprechend immer ein Abgasstrom am Turbolader anliegt, ist die Dieseltechnik wie geschaffen für den wirkungsvollen Einsatz des Turboladers. Da Dieselmotoren auch einen höheren Wirkungsgrad, niedrigere Drehzahlen und dementsprechend eine geringere Abgastemperatur erreichen, ist das Material des Turboladers nicht den extremen Belastungen eines Turboladers für Ottomotoren ausgesetzt. Audi machte den Turbolader wieder salonfähig, als es 1989 einen 2.5 Liter TDI Motor einführte. Den Turbodiesel mit Direkteinspritzung. Davor gab es zumeist eine Wirbelkammereinspritzung, die mit einem Turbolader leistungsgesteigert wurde.

Wastegate

Das "Wastegate" ist ein Ablassventil um überschüssiges Abgas das den Turbo überlasten würde, in einem Nebenkanal des Auspuffstranges am Turbo vorbeizuführen.

Weitere Bauarten

Biturbo

Als Biturbo bezeichnet man die parallele Verwendung von zwei oder mehr Ladern. Bei einem 4-Zylinder-Biturbo-Motor muss jeder Turbolader nur zwei Zylinder befüllen.

Twinturbo

Als Twinturbo bezeichnet man die serielle Verwendung von Turboladern. Dabei wird ein kleinerer Lader, der aufgrund der geringen Massenträgheit schnell hochdreht, für niedrige Drehzahlen verwendet. Ab einer bestimmten Drehzahl wird auf einen großen Turbolader umgeschaltet, der dann genügend Druck für den enormen Druck und das hohe Luftvolumen höherer Drehzahlen bereitstellt. Die verschiedenen Turbolader können optimal auf ihren Wirkungsbereich abgestimmt werden und der kleine Lader eliminiert das sogenannte Turboloch: Bei niedrigen Drehzahlen war der zumeist große Lader nicht in der Lage, eine gewisse Drehzahl zu erreichen um damit einen Überdruck Im Ansaugbereich aufzubauen. Unter dieser kritischen Marke arbeitet ein Turbomotor wie ein Saugmotor.

Vorteile

Durch Turbos können mit Motoren gleicher Baugröße gegenüber unaufgeladenen Motoren größere Leistungen erzielt werden, ohne dass andere Maschinenparameter geändert werden müssen.

Da die Abgase im Turbolader weiter entspannt werden steigt der Gesamtwirkungsgrad einer Maschinenanlage durch den Einbau eines korrekt ausgelegten Turboladers, insbesondere durch die Verringerung der Ansaugverluste. Im Extremfall wird bereits während des Ansaugtaktes Leistung von der Maschine (4-Takt) abgegeben.

Nachteile

Es treten jedoch höhere Belastungen der Einzelkomponenten (Motorblock, Zylinderkopf, Zylinderkopfdichtung, Lager, Zylinder, Pleuel...) auf. Die höhere Leistung erforder oft auch ein größer dimensioniertes Kühlsystem. Turbomotoren müssen unter Umständen, bevor sie abgeschaltet werden, auf eine bestimmte Temperatur heruntergekühlt werden, damit es durch Temperaturschwankungen nicht zu Spannungen im Material des Turboladers kommt. Spannungen können zu einer Beschädigung des Turboladers führen. Dies wird durch Nachlaufen des Motors ohne Belastung erreicht.