Die Funktionsweise von Turboladern

Der Dieselmotor hatte es nicht leicht, sich am Markt durchzusetzen. Nicht nur das nervige Vorglühen verleidete den Spaß am Fahren, frühere Modelle waren auch deutlich behäbiger als Autos mit Benzinmotoren. Das Aufkommen der Turbolader führte dazu, dass Dieselfahrzeuge wesentlich agiler und damit immer beliebter wurden.

In diesem Ratgeber erfahren Sie etwas über die Funktionsweise von Turboladern, sowie die verschiedenen Arten der Aufladung und der Ladedruck-Regelungen!

Aufgabe des Turboladers

Stauaufladung und Stoßaufladung

Ladedruck-Regelungen

Aufgabe des Turboladers

Aufriss- Funktion des Turboladers
Ein Motor bezieht seine Kraft aus der Verbrennung eines Kraft-Luft-Gemisches. Je mehr davon dem Motor zugeführt wird, desto höher ist seine Leistung.

Dies lässt sich über eine Vergrößerung der Zylinder (Hubraum) oder durch das Hinzufügen von Zylindern (z. B. sechs statt vier) erreichen. Ebenso ist es möglich, mehr Luft in die vorhandenen Zylinder hineinzupressen.

Das ist die Aufgabe des Turboladers.

Saugen herkömmliche Motoren lediglich Frischluft an, die sie dem Verbrennungsprozess zuführen, ist der Turbolader in seiner Funktion darauf ausgelegt, zusätzlich die Abgasluft zum Antreiben einer Turbine zu nutzen. Diese jagt die Luft durch einen Verdichter, der sie komprimiert, sodass deutlich mehr Luft in die Zylinder gelangt als ohne Aufladung.

Stauaufladung und Stoßaufladung

Die Beaufschlagung der Turbine geschieht per Stau- oder Stoßaufladung.

Stauaufladung

Turbolader mit StauaufladungBei der Stauaufladung ist die Turbine vorrangig auf die Nutzung des Druckunterschieds zwischen Abgassammelrohr und Auspuffleitung ausgelegt. Die Abgase werden zunächst in einem Abgassammelbehälter zusammengeführt und anschließend an die Abgasturbine weitergegeben. Auf diese Weise werden die durch das Ausschieben verursachten Druckpulsationen der einzelnen Zylinder geglättet, sodass die Turbine nahezu gleichmäßig angeströmt wird und bei hohen Motordrehzahlen bei niedrigem Druck mehr Abgas durchsetzen kann.
Der Motor arbeitet durch die Ausnutzung dieser Turbolader Funktion gegen einen geringeren Abgasgegendruck und verbraucht dadurch weniger Kraftstoff. Da sich das kleinere Motordrehmoment bei niedrigeren Drehzahlen nachteilig auswirkt, kommt dieses Verfahren insbesondere bei Motoren zum Einsatz, die zur Fahrzeugbeschleunigung keinen großen Drehmomentüberschuss benötigen.

Stoßaufladung

Bei der Stoßaufladung nutzt die Turbine die kinetische Energie der ausgestoßenen Abgase zur Aufladung. Bei dieser Variante der Turbolader Funktion gelangen die Abgase der Zylinder über einzelne Rohrleitungen zur Turbine. Durch kleine Rohrdurchmesser wird die Bewegungsenergie der Abgaspulsation optimal ausgenutzt.

Bei Mehrzylindermaschinen strömen die Abgase durch mehrere Leitungen und gelangen über eine Düsengruppe in die Turbine. Dabei müssen die Abgasleitungen so zusammengeführt werden, dass die jeweils angeschlossenen Zylinder ihre Abgase nicht zur gleichen Zeit ausstoßen und sich nicht gegenseitig beeinflussen. Auch innerhalb der Turbine werden die Leitungen bis zum Laufrad getrennt geführt. Dies gelingt mithilfe mehrflutiger Gehäuse.

Je nach Aufwand ist es außerdem möglich, die Abgase der einzelnen Zylinder separat zur Turbine zu führen.Stoßaufladungskrümmer

Der Druck am Auslassventil steigt bei der Stoßaufladung anfänglich stark an. Durch die Massenträgheit der ausgestoßenen Gase sinkt sie jedoch schnell unter den Spüldruck ab, wodurch der Gaswechsel begünstigt wird. Die beschleunigte Gasmasse gelangt zur Turbine und treibt diese an.

Prädestiniert für diese Form der Aufladung sind 6-Zylinder-Motoren, da sich bei diesen der Abgasmassenstrom von je drei Zylindern zusammenfassen lässt. Üblicherweise kommt die Stoßaufladung bei Turboladern ohne variable Turbinengeometrie zur Anwendung.

Ladedruck-Regelungen

Pkw-Turbomotoren sollen dieselben hohen Anforderungen erfüllen wie leistungsgleiche Saugmotoren. Der volle Ladedruck muss daher bereits bei geringen Motordrehzahlen verfügbar sein. Realisieren lässt sich dies über eine turbinenseitige Regelung des Ladedrucks. Für diese Turbolader Funktion gibt es verschiedene Vorgehensweisen.

Steuerung/Regelung des Turboladers mittels turbinenseitigem Bypass

Turbinenseitiger Bypasss Wastegate
Beim turbinenseitigen Bypass wird ab einem bestimmten Ladedruck ein Ventil auf der Verdichterseite geöffnet. Über dieses gelangen die Abgase an der Turbine vorbei ungenutzt in den Auspuff, wodurch ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl verhindert wird.
Problematisch ist hierbei die Platzierung des Bypassventils und seiner Stellglieder im heißen Abgasstrom. Die hohe thermische Belastung führt zu einem relativ starken Verschleiß und einer erhöhten Störanfälligkeit. Darüber hinaus ist die aus Gummi bestehende Steuerleitung anfällig für eine Beschädigung durch Marderbisse. Sobald Löcher in der Leitung sind, kann der Ladedruck entweichen. Das Ventil öffnet nicht mehr und der Turbolader dreht unbegrenzt hoch.

Selbstregelnde Ladedruckregelung

Turbine mit Wastegate
Diese Art der Steuerung/Regelung des Turboladers arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie die Bypass-Variante. Über eine Steuerleitung wird eine Steuerdose mit dem anliegenden Ladedruck angesteuert. Bei maximalem Ladedruck öffnet sie sich komplett und sorgt für eine Aufteilung des Abgasstroms. Sinkt der Ladedruck, schließt die Klappe, sodass der gesamte Abgasstrom zur Turbine gelangt. Der Vorteil dieser Bauform liegt in der Positionierung der Steuerdose am thermisch weniger beanspruchten Verdichtergehäuse.

Elektronische Ladedruckregelung

Moderne Benziner arbeiten mit elektronischen Ladedruckregelverfahren, die eine optimale Einstellung des Ladedrucks auch bei Teillast ermöglichen. Der Ladedruck lässt sich dabei in Abhängigkeit verschiedener Parameter regulieren. Hierzu zählen beispielsweise:

  • die Ladelufttemperatur,
  • der Zündwinkel bzw. die Einspritzparameter und
  • die Kraftstoffqualität.

Eine zeitweise Überhöhung des Ladedrucks während des Beschleunigens (Overboost) ist ebenfalls möglich.
Das Ansteuern der Klappe erfolgt auf dieselbe Weise wie bei der selbstregelnden Ladedruckregelung, allerdings mit einem modulierten Steuerdruck. Dieser ist niedriger als der Ladedruck und wirt mithilfe eines Taktventils erzeugt, das mit einer Taktfrequenz von zehn bis fünfzehn Hertz arbeitet. Gegenüber der herkömmlichen Steuerung ist die Federvorspannung deutlich geringer, sodass eine Regelung auch bei Teillastbetrieb des Motors, das heißt, bei weitaus kleineren Ladedrücken, möglich ist.

VTG-Lader für Dieselmotoren

VGT - TurboladerBei modernen Dieselfahrzeugen ist mittlerweile der VTG-Lader (Variable-Turbinengeometrie-Lader) Standard. Bei VGT-Ladern befinden sich im Abgasstrom vor dem Turbinenrad nicht rotierende verstellbare Leitschaufeln, mit denen sich das Ansprechverhalten und die Leistungsabgabe besser an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen, also an niedrige oder hohe Last, anpassen lassen.

Bei wenig Gasdurchsatz und hohem Leistungsbedarf werden die Anstellwinkel der Leitschaufeln so geregelt, dass das Abgas durch kleinere Strömungsquerschnitte beschleunigt wird. Dadurch erhöht sich die Drehzahl der Turbine und damit auch die Leistung des Verdichters. Bei hohem Gasdurchsatz kann die Strömungsgeschwindigkeit durch eine Vergrößerung der Querschnitte verringert und so die Leistung des Laders vermindert werden.

VGT - Turbolader Funktion

Durch den VTG-Lader lässt sich das für den Wastegate-Turbolader typische „Turboloch“ verhindern. Dieses machte sich dadurch bemerkbar, dass die Leistungssteigerung durch den Turbolader erst dann spürbar einsetzte, nachdem der Motor eine ausreichend hohe Drehzahl erreicht hatte.

Weitere Vorteile des VTG-Laders sind:

  • regelbar im gesamten Drehzahlbereich,
  • Verringerung der Schadstoffemission über den gesamten Drehzahlbereich sowie ein
  • großes Motordrehmoment sowohl im unteren als auch im oberen Drehzahlbereich.

Über lange Zeit war die VTG-Technik den Dieselmotoren vorbehalten, da deren Abgastemperaturen niedriger sind. Mittlerweile sind die Werkstoffe des Verstellmechanismus, zum Teil durch Flüssigkeitskühlung, auch auf die höheren Temperaturen der Benzin-Abgase ausgelegt. Daher können inzwischen auch diese Motoren von dieser Technologie profitieren.