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.
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
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)
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.