Turbolader: Aufbau und Funktionsweise
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.
Der Läufer eines Turboladers dreht mit bis zu 300 000 Umdrehungen pro Minute. Die Lebensdauer des Laders soll dabei der des Motors entsprechen, welche für ein Nutzfahrzeug mit bis zu einer Million Kilometer angesetzt wird. Nur speziell für Turbolader entwickelte Gleitlagerungen sind heute in der Lage, diese hohen Anforderungen kostengünstig zu erfüllen.
Lagerungssystem eines Turboladers (Schnittbild)
Radiallagerung
Bei einer Gleitlagerung dreht sich die Welle verschleißfrei auf einem Ölfilm innerhalb der Gleitlagerbuchse. Im Fall des Turboladers erfolgt die Ölversorgung aus dem Motorölkreislauf. Die Lagerung ist so aufgebaut, dass sich zwischen dem stehenden Lagergehäuse und der drehenden Welle eine mit etwa halber Wellendrehzahl mitrotierende Schwimmbuchse aus Messing befindet. Dadurch ist es möglich, die Lagerung dieser schnell drehenden Wellen so abzustimmen, dass es in keinem Betriebspunkt zu einer Festkörperberührung zwischen Welle und Lagerung kommt.
Der Ölfilm in den Lagerspalten hat neben der Schmierfunktion auch eine Dämpfungsfunktion, die zu einer stabilen Wellenbahn des Läufers beiträgt. Durch die Spaltbreiten werden die hydrodynamische Tragfähigkeit und das Dämpfungsverhalten der Lagerung optimiert. Die Schmierfilmdicke in den Innenspalten wird dazu unter dem Gesichtspunkt der Tragfunktion ausgelegt, während die Außenspalte im Hinblick auf die Dämpfung der Lagerung ausgelegt wird. Die Lagerspalte betragen nur wenige Hundertstelmillimeter. Mit zunehmender Spaltbreite wird die Dämpfung weicher und die Tragfähigkeit geringer.
Eine besondere Form der Gleitlagerung stellt die Einbuchsenlagerung dar. Die Welle dreht sich innerhalb einer stehenden Buchse, die von außen mit Öl umspült wird. Dabei kann der äußere Spalt speziell auf die Lagerdämpfung ausgelegt werden, da keine Drehbewegung stattfindet. Der so mögliche geringere Lagerabstand führt zu einer kompakten Bauweise des Turboladers.
Axiallagerung
Weder die Schwimmbuchsenlagerung noch die Einbuchsenlagerung nehmen Kräfte in axialer Richtung auf. Durch die unterschiedlich hohen Gaskräfte, die auf das Verdichterrad und das Turbinenrad in axialer Richtung wirken, würde der Läufer in axialer Richtung verschoben. Das Axiallager, ein Keilflächen-Gleitlager, nimmt diese Kräfte auf. Als Anlaufflächen dienen zwei kleine Scheiben, die fest auf der Welle verspannt sind. Das Axiallager ist im Lagergehäuse fixiert. Ein Ölabweisblech verhindert, dass Öl in die Nähe der Wellenabdichtung gelangt.
Ölablauf
Das Schmieröl strömt mit ca. 4 bar in den Turbolader. Der Ölablauf erfolgt nahezu drucklos. Die Leitung muss daher wesentlich größer im Durchmesser sein als der Ölzulauf. Das Lager soll möglichst senkrecht von oben nach unten durchströmt und der Ölablauf oberhalb des Motorölspiegels in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden. Wird der Ölablauf behindert, kommt es zu einem Ölrückstau in der Lagerung. Das Öl strömt dann durch die Dichtringe in den Verdichter und in die Turbine.
Abdichtung
Das Lagergehäuse ist gegen die heißen Abgase der Turbine, die sonst in das Lagergehäuse strömen könnten, und gegen Ölverlust aus dem Lagergehäuse abzudichten. Turbinen- und verdichterseitig befindet sich je ein Kolbenring in einer Nut auf der Läuferwelle. Diese Kolbenringe drehen sich nicht mit, sondern sind im Lagergehäuse fest verspannt. Diese berührungslose Art der Abdichtung, eine Art von Labyrinthdichtung, erschwert die Ölleckage durch die vielen Strömungsumlenkungen und bewirkt, dass nur geringe Abgasmengen in das Kurbelgehäuse gelangen.
Wasserkühlung
Turbolader mit Wassergekühltem Lagergehäuse
Für Ottomotoren, bei denen die Abgastemperaturen noch 200 bis 300 Kelvin höher liegen als bei Dieselmotoren, werden meist wassergekühlte Lagergehäuse eingesetzt (siehe Abb. 21). Während des Motorbetriebes ist das Lagergehäuse in den Kühlkreislauf des Motors integriert. Nach dem Abstellen wird die Stauwärme mittels eines kleinen Kühlkreislaufes abgeführt, der von einer thermostatisch geregelten elektrischen Wasserpumpe angetrieben wird.