Das Turbolader Handbuch 

  Die Technik    ⇧

Verbrenungsmotoren    ⇧

Verbrennungsmotoren liefern eine gewisse Energie. Die Leistung eines solchen Motors ergibt sich aus der Menge des zugeführten Kraftstoff-Luftgemisches. Wird die Menge des Gemisches verändert, so verändert sich die Leistung. Um die Leistung eines Verbrennungsmotors zu steigern, muss die Zylinderfüllung erhöht werden. Dieses erreichte man in vergangener Zeit durch Vergrößerung und Optimierung von Ansaug- und Auslasskanälen des Zylinderkopfes sowie eine Hubraumvergrößerung des gesamten Motors.
 

Druckfüllung    ⇧

Eine andere Möglichkeit, die Zylinderfüllung zu erhöhen, erreichte man durch Einbringen von vorverdichteter Luft. Hierfür gab es verschiedene Möglichkeiten, wie mechanisch angetriebene Kompressoren in den verschiedensten Bauarten und Abgasturbolader.
 

Mechanische Druckfüllung    ⇧

Bei der mechanischen Druckfüllung reden wir von mechanisch angetriebenen Kompressoren, die den Motor aufladen. Diese Aufladung sorgt für eine auffallend frühe und konstante Leistungsabgabe des Motors. Nachteil dieser Aufladung ist der mechanische Antrieb durch die Kurbelwelle, welcher einen Teil der gewonnenen Leistung wieder verbraucht. Bekannt geworden ist diese Technik durch den heutigen Mercedes SLK.
 

Abgasladedruck    ⇧

Ein durch Abgas angetriebener Turbolader hat ebenfalls die Aufgabe, die Zylinderfüllung zu erhöhen. Dieser Antrieb erfolgt durch das schon vorhandene und entweichende Abgas. Wesentlicher Nachteil dieser Aufladung ist die Abhängigkeit vom Abgas. Der Turbolader erzeugt erst Ladedruck, wenn genügend Abgas für den Antrieb der Turbine vorhanden ist. Wir sprechen vom so genannten Turboloch.
 

Registeraufladung    ⇧

Eine der neuesten Entwicklungen auf dem Fahrzeugmarkt sind Motoren mit Registeraufladung. Hierbei übernimmt ein kleiner Turbolader das frühe und schnelle Ansprechen bei niedriger Motordrehzahl und ein großer, nachgeschalteter Turbolader die maximale Aufladung für maximale Leistung in hohen Motordrehzahlen.

  Der Turbolader    ⇧

Je mehr Abgas nun in den Turbolader gedrückt wird, desto mehr Ladedruck wird produziert. Ist der maximale Ladedruck dann erreicht, öffnet eine Druckdose das Beipassventil im Turbinengehäuse und der Ladedruck baut sich nicht weiter auf. Durch den Einsatz dieser geregelten Turbolader wurde es möglich, kleinere Turbinen zu verwenden, die ein früheres Ansprechen ermöglichten, da der Abgasüberschuss durch das Beipassventil abgelassen werden konnte.

Vor - und Nachteile    ⇧

Turbo-aufgeladene Motoren bieten gegenüber Saugmotoren erhebliche Vorteile. Trotz der Vorteile gibt es noch immer Fahrzeughersteller, die die alte bewährte Saugmotorentechnik (SDI) in ihre Fahrzeuge einbauen. Die Verwendung von Abgasturboladern an Verbrennungsmotoren brachte aber auch eine Reihe von Nachteilen. Diese wurden allerdings im Laufe der letzten Jahre durch eine intensive Weiterentwicklung der Turbotechnik verbessert.

Aufbau der verschiedenen baugruppen    ⇧

Ein Abgasturbolader ist aus drei Baugruppen zusammengestellt: Dem Kompressor, der Rumpfgruppe und der Turbine mit einer angebauten Ladedruckregelung.

Der Kompressor    ⇧

Das aus einer Aluminiumlegierung hergestellte Verdichtergehäuse und Verdichterrad bilden den Kompressor. Das Verdichterrad arbeitet mit einem minimalen Spaltmaß in der Kontur des Verdichtergehäuses. Der Ausgang des Kompressors ist kreisförmig wie ein Schneckenhaus angeordnet. Durch Drehen des Verdichterrades im Gehäuse wird Frischluft vom Luftfilter angesaugt und verdichtet zum Motor gedrückt.
 
Die Größe, Drehzahl und Form der Verdichterteile sind abhängig von der benötigten Ladeluftmenge eines Verbrennungsmotors.
Drehzahlen von bis zu 180 000 U/min stellen besondere Ansprüche an Form und Materialien dieser Teile. So besteht das Verdichterrad aus einer Aluminiumlegierung, die ein Verbiegen der Fahne ohne zu brechen ermöglicht. Des Weiteren änderte sich aus Stabilitätsgründen die Rückseite der Verdichterräder (Bild links) in so genannte Superback Räder (Bild mitte).Die letzte Entwicklungsstufe sind Verdichterräder mit integriertem Befestigungsgewinde, wie im Bild rechts zu sehen ist. Diese Räder bezeichnet man als Boreless Superback Verdichterrad.

Die Rumpfgruppe    ⇧

Als Rumpfgruppe bezeichnet man den gesamten Mittelteil eines Turboladers incl. Turbinenrad, Welle, Lagerung und Verdichterrad. Es verbindet die äußeren Gehäuse miteinander. Das mittlere Gehäuse, auch Lagergehäuse genannt, versorgt Welle und Lagerung mit der notwendigen Schmierung. Des Weiteren wird das Lagergehäuse in einigen Fällen von Kühlwasser umströmt, welches für die Abführung der enormen Hitze, die bei Ottomotoren durch die Abgase in den Turbolader gelangt, verantwortlich ist.

Die Schmierung eines Turboladers erfolgt durch den Motor. Mit Leitungen verbunden, gelangt das Motoröl zum Lagergehäuse des Turboladers. Kleine Kanäle und Bohrungen leiten es weiter zu den einzelnen Lagerstellen. Besonderheit einer Turbolagerung ist das auffallend große Spiel. Verursacht wird dieses Spiel dadurch, dass nicht nur die Turbinenwelle mit Motoröl umspült wird, sondern auch die gesamten Lagerbuchsen im Öl schwimmen.

Die Turbine    ⇧

Turbinengehäuse und Turbinenrad, welches fest mit der Welle verbunden ist, ergeben die Turbine. Als Gehäusematerial wird ein Grauguss verwendet, um Temperaturen von über 800°C Stand zu halten.

Vom Motor produzierte Abgase strömen durch den Auspuffkrümmer in das Turbinengehäuse des Turboladers. Da der Abgaseintritt in das Turbinenrad wie ein Schneckenhaus konstruiert ist und sich sehr schnell verengt, steigt die Strömungsgeschwindigkeit rasant an. Diese sehr schnell strömenden Abgase müssen jetzt durch das Turbinenrad, um weiter in den Auspuff zu gelangen. Hierdurch erreichen wir einen enormen Antrieb unseres Kompressors.

Eine große Schwierigkeit dieses Antriebs ist nach wie vor die hohe Temperatur, die mit dem Abgas auf das Turbinenrad geleitet wird. Um hier ein Überhitzen der mit Motoröl geschmierten Welle zu vermeiden, ist das Turbinenrad im Übergang zur Welle mit einem Hohlraum versehen, angeschweißt.

  Entwicklungsstufen    ⇧

Die Weiterentwicklung der Turbotechnik beschränkte sich in der Vergangenheit nicht nur auf den Turbolader selbst, sondern auch auf die Leistungsoptimierung und das Ansprechverhalten.

  Weiterentwicklungen    ⇧

Durch aufwendig gegossene Turbinengehäuse, moderne Kompressoren und eine deutlich verbesserte Haltbarkeit findet die Turbotechnik heute fast an jedem Dieselmotor Verwendung. Neue Technologien bei der Produktion ermöglichen spektakuläre Neuentwicklungen.

Turboaufladung ist eine Technik, die besonders Dieselmotoren von Lastkraftwagen einen wirtschaftlichen Vorteil verschafft. Diese Motoren zeichnen sich durch eine kleine und leichte Bauweise, aber auch durch ein großes Drehmoment und viel Leistung aus. Im gewerblichen Bereich ist das Gewicht eines LKW unmittelbar verbunden mit der möglichen Zuladung.

Die Erwartungen an die Autoindustrie steigen unaufhaltsam. Zunehmende Sparsamkeit, Sauberkeit und Sicherheit, verbunden mit mehr Leistung und Komfort, verlangt man von modernen Fahrzeugen. Diese nicht zusammenpassenden Eigenschaften lassen sich nur mit aller größter Mühe realisieren. Optimal miteinander arbeitende Komponenten, wie Elektronik und Technik lassen die Konstrukteure immer weitere Ziele erreichen. Auffallend ist die Entwicklung der Dieselmotoren, die in den vergangenen Jahren bei ähnlichem Verbrauch ihre durchschnittliche Leistung verdoppelt haben.

Variable Ladedruckregelung    ⇧

Ein seit langer Zeit bekanntes Problem des Turbomotors ist das so genannte „Turboloch“ (fehlender Ladedruck bei niedrigen Motordrehzahlen). Um diese Einschränkung zu verringern, haben die Fahrzeughersteller in den letzten Jahren immer kleinere, leistungsstarke Turbolader verbaut. Da die Größe eines Turboladers aber auch den Abgasdurchsatz bestimmt, war der Verringerung des Turboloches eine Grenze gesetzt. Um diese natürliche Grenze zu umgehen, musste eine Turbine geschaffen werden, die einen vorgegebenen Abgasdurchsatz zuließ, aber auch mit wenig Abgas betrieben werden konnte. Wir sprechen vom so genannten VNT–Turbolader (Variablenozzle turbines).

Durch den Hersteller Garrett wurde der VNT – Turbolader 1989 erstmals verbaut. Es war bemerkenswert, wie früh der Ladedruck sich aufbaute und der Motor sein Drehmoment präsentierte. Eine Weiterentwicklung mit mehr Turbinenleitfahnen im Gehäuse wird bis heute in fast jedem Pkw mit TDI – Motor verbaut.

Der VNTOP    ⇧

Als zweite Variante entwickelte Garrett den VNTOP – Turbolader (variable nozzle turbines one piece). Diese Entwicklung nennt man auch Slidevane und ist eine technisch einfachere Ausführung des variablen Turboladers. Im Vergleich zum bekannten VNT Lader erfolgt die Ladedruckregelung nicht durch die Turbinenleitfahnen, sondern durch einen Ring, der den Abgaseintritt des Turbinenrades oder den Turbinenausgang freigibt. Diese Turbolader werden überwiegend von französischen Fahrzeugherstellern verwendet.