Aufbau und Funktionsweise eines Turbloaders: Regelung

Seit Alfred Büchi haben sich die Grundfunktionen eines Abgasturboladers nicht mehr wesentlich geändert. Ein Abgasturbolader besteht aus einem Verdichter und einer Turbine, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. Die Turbine liefert, angetrieben von den Abgasen des Motors, die Antriebsenergie für den Verdichter. Für Turbolader werden in den meisten Fällen Radialverdichter und Zentripetalturbinen eingesetzt.

Turbolader: Aufbau und Funktionsweise

Ziel und Funktion

An die Fahrbarkeit von Pkw-Turbomotoren werden die gleichen hohen Anforderungen gestellt, wie dies bei leistungsgleichen Saugmotoren der Fall ist. Daher soll der volle Laderuck bereits bei niedrigen Motordrehzahlen zur Verfügung stehen. Diese Forderung ist nur in Verbindung mit einer turbinenseitigen Regelung des Ladedruckes erreichbar.

Regelung mittels turbinenseitigem Bypass

Die einfachste Form der Ladedruckregelung ist der turbinenseitige Bypass. Die Turbine wird dabei so klein gewählt, dass die Anforderungen an das Drehmomentverhalten bei niedrigen Drehzahlen erfüllt werden und eine gute Fahrbarkeit des Motors erreicht wird. Bei einer solchen Auslegung wird der Turbine kurz vor Erreichen des maximalen Drehmomentes mehr Abgas zugeführt, als für die Erzeugung des Ladedruckes notwendig ist. Deshalb wird nach dem Erreichen des erforderlichen Ladedruckes ein Teil der Abgasmenge durch einen Bypass hindurch um die Turbine herum geleitet. Die Ladedruckregelklappe, die den Bypass öffnet und schließt, wird in Abhängigkeit vom Ladedruck durch eine federbelastete Membrane angesteuert. Ab einer bestimmten Motordrehzahl steigt der Ladedruck nicht mehr an.

In modernen Diesel- und Ottomotoren für Pkws werden heute elektronische Ladedruckregelverfahren eingesetzt. Gegenüber der rein pneumatischen Regelung, die nur als eine Begrenzung des Volllastladedruckes wirken kann, wird durch eine flexible Ladedruckregelung auch die Einstellung des optimalen Ladedruckes bei Teillast ermöglicht. Der Ladedruck kann dabei in Abhängigkeit einer Vielzahl von Parametern wie z.B. der Ladelufttemperatur, des Zündwinkels bzw. der Einspritzparameter und der Kraftstoffqualität optimal eingestellt werden.

Ladedruckregelung eines turbogeladenen Benzinmotors

Ladedruckregelung eines turbogeladenen Benzinmotors

Die Betätigung der Klappe erfolgt wie bei der vorher beschriebenen selbstregelnden Ladedruckregelung. Anstelle des Ladedruckes wird die Membrane der Steuerdose mit einem modulierten Steuerdruck beaufschlagt. Dieser Steuerdruck ist niedriger als der Ladedruck und wird mit einem Taktventil erzeugt. Das Taktventil beaufschlagt die Membrane mit dem Ladedruck und dem Druck am Verdichtereintritt zu unterschiedlichen Zeitanteilen. Das Taktventil wird von der Motorelektronik angesteuert. Für Dieselmotoren wird die elektronische Ladedruckregelung auch mit Unterdruck durchgeführt.

Verstellbare Turbinengeometrie

Die verstellbare Turbinengeometrie ermöglicht es, den Strömungsquerschnitt der Turbine in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes zu verstellen. Dadurch wird die gesamte Abgasenergie genutzt, und der Strömungsquerschnitt der Turbine kann für jeden Betriebspunkt optimal eingestellt werden, sodass gegenüber der Bypassregelung der Wirkungsgrad des Turboladers und damit der des Motors verbessert wird.

Turbolader für LKWs mit verstellbarer Turbinengeometrie (VTG)

Turbolader für LKWs mit verstellbarer Turbinengeometrie (VTG)

Verstellung des Strömungsquerschnittes durch drehbare Leitschaufeln: VTG

Die drehbar gelagerten Leitschaufeln zwischen dem Spiralgehäuse und dem Turbinenrad verändern das Aufstauverhalten und damit die Leistung der Turbine. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird der Strömungsquerschitt der Turbine durch Schließen der Leitschaufeln verkleinert. Der Ladedruck und folglich das Drehmoment des Motors steigen in Folge des höheren Druckgefälles zwischen Turbineneintritt und -austritt an. Bei hohen Motordrehzahlen öffnen die Schaufeln. Der gewünschte Ladedruck wird bei einem niedrigen Turbinendruckverhältnis erreicht, der Verbrauch des Motors wird verringert. Während der Fahrzeugbeschleunigung aus niedrigen Drehzahlen werden die Leitschaufeln geschlossen, um die maximale Energie aus dem Abgas zu gewinnen. Mit zunehmender Drehzahl öffnen die Schaufeln und passen sich an den jeweiligen Betriebspunkt an.

Die Abgastemperatur moderner Hochleistungs-Dieselmotoren beträgt heute bis zu 830 °C. Das exakte und zuverlässige Bewegen der Leitschaufeln im heißen Abgasstrom stellt hohe Anforderungen an die Werkstoffe und erfordert eine sehr sorgfältige Abstimmung der Toleranzen innerhalb der Turbine. Die Leitschaufeln benötigen unabhängig von der Größe des Laders ein Mindestmaß an Spiel, um während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeuges zuverlässig zu arbeiten.