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: