Prinzip der Aufladung

Zum einfacheren Verständnis der Aufladetechnik soll zunächst die Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors betrachtet werden. Die meisten Pkws und Nutzfahrzeuge werden heute von Viertakt-Hubkolbenmotoren angetrieben. Zur Steuerung werden Einlass- und Auslassventile verwendet. Ein Arbeitsspiel umfasst vier Takte, die während zweier Kurbelwellenumdrehungen ablaufen:

  • Ansaugen (Ladungswechseltakt)
    Die Luft (Dieselmotor oder direkteinspritzender Ottomotor) bzw. das Luft-Benzin-Gemisch (Ottomotor) werden infolge der Kolbenabwärtsbewegung durch das Einlassventil angesaugt.
  • Verdichten (Arbeitstakt)
    Der Zylinderinhalt wird verdichtet.
  • Expandieren (Arbeitstakt)
    Beim Ottomotor wird die Verbrennung des Luft-Benzin-Gemisches durch einen Zündfunken eingeleitet. Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff mit Hochdruck eingespritzt. Das Gemisch entz ündet sich von selbst.
  • Ausschieben (Ladungswechseltakt)
    Die Abgase werden durch die Kolbenaufw ärtsbewegung ausgeschoben.

Für die Erhöhung der Leistung ergeben sich aus diesem einfachen Ablaufschema verschiedene Ansätze:

Hubraumvergrößerung

Eine Erhöhung des Hubvolumens führt zu einer Leistungssteigerung, da in einem vergrößerten Brennraum infolge der größeren vorhandenen Luftmenge mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Die Hubraumvergrößerung lässt sich erreichen, indem man die Anzahl der Zylinder oder das Volumen eines jeden einzelnen Zylinders erhöht. In der Regel resultieren daraus großvolumigere und schwerere Motoren. Betreffend des Verbrauchs und der Schadstoffemissionen sind keine wesentlichen Vorteile zu erzielen.

Drehzahlerhöhung

Eine weitere Möglichkeit, die Leistung eines Motors zu erhöhen, ist die Drehzahlsteigerung. Dabei wird die Anzahl von Arbeitstakten pro Zeiteinheit erhöht. Dieser Form der Leistungsverbesserung sind wegen der mechanischen Standfestigkeit allerdings Grenzen gesetzt. Mit zunehmender Drehzahl steigen außerdem die Reibungs- und Strömungsverluste überproportional an und der Wirkungsgrad des Motors sinkt.

Aufladung

Bei den zwei bisher betrachteten Verfahren zur Leistungssteigerung arbeitet der Motor als Saugmotor. Die Verbrennungsluft wird während des Ansaugtaktes durch einen Luftfilter aus der Umgebung angesaugt. Bei aufgeladenen Motoren wird die Verbrennungsluft bereits vorverdichtet dem Motor zugeführt. Der Motor saugt das gleiche Luftvolumen an, aber durch den höheren Druck gelangt eine größere Luftmasse in den Brennraum. Dadurch kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, sodass die Leistung des Motors bei gleicher Drehzahl und gleichem Hubvolumen ansteigt.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen mechanisch aufgeladenen Motoren und abgasturboaufgeladenen Motoren.

Mechanische Aufladung

Bei der mechanischen Aufladung wird die Verbrennungsluft durch einen Kompressor vorverdichtet, der vom Motor angetrieben wird. Die erreichte Leistungssteigerung wird dabei zum Teil durch die hohe Antriebsleistung des Kompressors wieder aufgezehrt. Die Leistungsaufnahme eines mechanischen Laders beträgt bis zu 15 % der Motorleistung. Der Kraftstoffverbrauch ist daher gegenüber dem leistungsgleichen Saugmotor höher.

Abgasturboaufladung

Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der an sich verlorenen Abgasenergie zum Antrieb einer Turbine genutzt. Auf der Welle der Turbine sitzt auch ein Verdichter, der die Verbrennungsluft ansaugt und sie dem Motor verdichtet zuführt. Eine mechanische Kopplung mit dem Motor besteht nicht. Durch die Abgasturboaufladung werden folgende Vorteile erreicht: