Turbolader

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Themenbereich: Was ist was?
Turbolader:
Bei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) wird beim Ansaugen von Luft durch die Kolben ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt. Der Unterdruck steigt mit wachsender Drehzahl an und begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Eine der Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken, ist die Aufladung der Zylinder mittels eines Turboladers.
Der Abgasturbolader besteht eigentlich nur aus zwei nebeneinander liegenden Gehäusen, in denen sich jeweils ein Turbinenrad dreht. Beide Räder sind auf einer Welle starr miteinander verbunden. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so das Verdichter-Schaufelrad an, das Luft ansaugt.
Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe erhöht. Wegen der größeren Gasmenge ist bei Otto-Turbomotoren eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses gegenüber vergleichbaren Saugmotoren nötig, da es sonst durch zu hohe Drücke und daraus resultierende hohe Temperatur zur unkontrollierten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann (Klopfen). Um diesem Klopfen vorzubeugen, wird bei zahlreichen aufgeladenen Motoren im Bereich hoher Last und hoher Drehzahl zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt, um dessen Kühlwirkung beim Verdunsten auszunutzen. Einige im Rennsport verwendete aufgeladene Motoren besitzen deshalb zusätzlich eine Wassereinspritzung.
Die Energie für die Aufladung wird durch die Abgasturbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch den Auspuff verloren ginge, wird somit zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch die Aufladung steigt grundsätzlich der Gesamtwirkungsgrad einer Maschinenanlage. Die effektive Wirkungsgradsteigerung durch den Einbau eines Turboladers ist bestimmt durch passende Auslegung des Laders (Größe des Verdichters, Größe der Turbine) und evtl. nötige Anpassungen des Motors.
Durch Turbolader können Motoren mit gleicher Baugröße gegenüber unaufgeladenen Motoren größere Leistungen erzielen, ohne dass grundsätzlich andere Maschinenparameter geändert werden müssen. Meist erfordern der gegenüber der nicht aufgeladenen Version deutlich höhere Spitzendruck im Verbrennungsraum sowie das entsprechend höhere Motor-Drehmoment jedoch stärkere Dimensionierungen z. B. von Lagern (Kurbelwelle) und/oder Wandstärken (Kolbenboden).
Die Zuführung einer größeren Menge von Verbrennungsluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft dadurch bis über 200 °C erwärmt werden. Neben der zusätzlichen Temperaturbelastung des Motors verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Füllungsgrad des Motors verschlechtert. Der Grund dafür ist die geringere Dichte der heißen Luft, wodurch dem Motor eine geringere Sauerstoffmenge zugeführt wird. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den Ladedruck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkühlung größer als ca. 50 Grad sein, um eine wirksame Leistungssteigerung zu erzielen. Bei Motoren, bei denen eine möglichst hohe Leistungsabgabe Vorrang vor der Lebensdauer hat, kann die Ladeluft auch durch zusätzliches Einspritzen von Wasser oder eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden. Bei hoch aufgeladenen Motoren ermöglicht diese Maßnahme eine weitere Steigerung der Leistung.
Aufbau:
Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sind. Aus dem Wort Turbine wurde der Name Turbo abgeleitet. Die Turbine wird durch den Abgasstrom angetrieben und treibt den Verdichter an, der seinerseits die angesaugte Luft verdichtet und in den Motor leitet. Im Inneren der beiden Gehäuse dreht sich jeweils ein Flügelrad bzw. Schaufelrad, das die Strömungsenergie in eine Drehbewegung umsetzt bzw. beim Lader umgekehrt die Drehbewegung in Strömungsarbeit. Ein Turbolader kann Drehzahlen bis zu 290.000 1/min erreichen (z. B. smart Dreizylinder-Turbodiesel). Diese enorm hohen Drehzahlen können nur erreicht werden, weil die Turboladerwelle in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert ist. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf für Kühlzwecke. Durch die Entwicklung von keramischen Kugellagern werden die Turbolader robuster und haltbarer. Dabei gibt es ein oder zwei Keramiklager zusätzlich zur Gleitlagerung. Kugelgelagerte Turbolader haben eine geringere Gleitreibfläche, was sie schneller ansprechen lässt. Dadurch erfolgt ein schnellerer Drehzahlanstieg des Laders und ein früher einsetzender Ladedruck.
Vorteile der Turboaufladung:
Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung (bei konstantem Arbeitsvolumen) bzw. des Mitteldrucks, ohne vom Motor mechanische Antriebsleistung abzufordern, wie dies bei mechanischer Aufladung z. B. durch einen Kompressor geschieht. Diese Steigerung erlaubt entweder den Einsatz eines leistungsstärkeren Motors mit annähernd gleichen Abmessungen wie beim Ursprungsaggregat, oder ermöglicht ein sogenanntes Downsizing des Motors, also das Erzielen einer vergleichbaren Leistung aus einer kleineren und ggf. leichteren Maschine.
Nachteile der Turboaufladung:
Durch den Einsatz eines Turboladers erhöht sich das Drehmoment und die thermische Belastung des Motors, weswegen Motorkomponenten (z. B. Motorblock, Zylinderkopf, Zylinderkopfdichtung, Lager, Zylinder, Pleuel, Ventile, Kolben, Kolbenringe) und Antriebsstrang für diese zusätzliche Beanspruchung ausgelegt sein müssen. Die höhere Leistung erfordert auch ein entsprechend größer dimensioniertes Kühlsystem.
Vor allem bei aufgeladenen Ottomotoren, deren Abgasturbinen rot glühend heiß (bis zu 1400 °C) werden können, empfehlen manche Hersteller, den Motor nach Fahrten unter hoher Last nicht sofort abzustellen, sondern den Motor einige zehn Sekunden mit Standgas laufen zu lassen, um den Lader abkühlen zu lassen. Geschieht das nicht, kann es zu Ölverkokungen an der empfindlichen Lagerung der Welle kommen, welche diese auf Dauer irreparabel beschädigen.
Ein sehr einfaches System um diesen Mangel vorzubeugen ist der sogenannte Turbo Timer. Diesen kann man auf eine bestimmte Zeit oder Temperatur einstellen, bis zu welcher den Motor, nach Abschalten der Zündung, nachläuft. Hierbei ist zu beachten dass manche Versicherungsgesellschaften das Fahrzeug dann nicht mehr versichern, da der Schlüssel abgezogen werden kann, und der Motor weiterläuft. Versicherungstechnisch unbedenklich wäre eine elektrisch betriebene Ölpumpe.
Vor allem in Kraftfahrzeugen ist eine erhebliche Regelungstechnik rund um den Turbolader notwendig, die allerdings auch die Störanfälligkeit steigert. Die Schadensdiagnose kann sich durch den Einsatz von Turboladern erheblich komplizieren. Moderne vollelektronische Diagnosesysteme wirken hier jedoch unterstützend. Insgesamt sind Ausfälle durch defekte Turbolader inzwischen sehr selten.
Im Teil „Aufbau des Turboladers“ wird beschrieben, dass die Lagerung in den Motorölkreislauf einbezogen ist. Die Gleitlager der Turbolader werden von einer motorgetriebenen Ölpumpe versorgt. Während des Beschleunigungsvorgangs (transientes Betriebsverhalten) erzeugt der Turbolader nicht ausreichend Ladedruck, sodass im Ansaugsystem ein kurzzeitiger Unterdruck entsteht, welcher Öl aus dem Turbolader-Lager ansaugen kann und den Verbrennungsräumen zuleitet. Je nach Fahrintervall liegen Schätzungen vor, dass 30 bis 40 % des Motorölverbrauchs aus der Lagerung des Turboladers kommen. Dieses Motoröl erzeugt Rußpartikel, die ohne Filterung teilweise – falls nicht verbrannt – ausgeleitet werden.
Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen fehlte vor allem älteren Turbomotoren für Kfz zunächst die richtige Abgasmenge, um den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Erst, wenn bei steigender Drehzahl ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung stand, setzte die Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man als Turboloch. Auch generell setzt die Aufladung bei plötzlichem Gasgeben verzögert ein, da sich erst ein ausreichender Abgasstrom einstellen muss. Diese Eigenheiten konnte man durch Regelsysteme und den Einsatz kleinerer Lader oder speziell geformter Kanäle im Zylinderkopf zu einem großen Teil kompensieren. Konstruktionsbedingt ist es hier so, dass bei verschieden großen Ladern ein kleiner Lader über ein schnelleres Ansprechverhalten aufgrund geringerer Masse verfügt, bei einem größeren Lader kann hingegen eine größere Leistung aus demselben Hubraum erzielt werden.
Ladedruck-Regelung:
Prinzipbedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller, und je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr antreibt. Letztlich steigt auch die Reibung in den Lagersitzen an und die Verdichterdrehzahl erreicht ein Drehzahlplateau. Auch kann der Verdichter seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors werden überschritten. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten, also die Aufladung des Motors zu begrenzen, bedarf es einer Einrichtung, die im allgemeinen Sprachgebrauch „Ladedruckregelung“ genannt wird. Diese Regelung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die einfachste Ladedruckregelung wird durch Abblasen überschüssiger komprimierter Luft auf der Verdichterseite durch ein Überdruckventil, Pop-Off Ventil, realisiert. Solche Überdruckventile dienen bei heutigen Serienmotoren nur noch als Sicherheitsventile im Fall des Versagens anderer Bauteile, denn das Abblasen der verdichteten Luft hat schwerwiegende Nachteile: es wird Energie (Druck) ungenutzt entlassen. Der Turbolader erreicht noch höhere Drehzahlen, weil der Druck auf der Verdichterseite absinkt.
Eine bessere Variante der Ladedruckregelung ist das Bypassventil (auch Wastegate genannt) im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Ventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann Abgas an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbindet. Das Bypassventil und seine Stellglieder sind aufgrund ihrer Position im heißen Abgasstrom thermisch hoch belastet, damit störanfällig und waren einer der Gründe, warum einzelne Motorenbauer von der Turbo-Aufladung von Otto-Motoren wieder abkamen und Kompressorsysteme verwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten.
Umluftventil:
Wirkungsweise ohne Umluftventil:
Wenn die Drosselklappe bei Benzinmotoren geschlossen wird, stößt die in Bewegung befindliche Luftsäule auf die Klappe. Die Luftsäule (Drucksäule) kehrt um, läuft vor das sich drehende Verdichterrad des Turboladers und bremst dieses stark ab, was bei hohem Ladedruck auf Dauer zur Zerstörung des Turboladers führen kann (ohne oder bei einem defekten Umluftventil). Außerdem sind starke Strömungsgeräusche hörbar, hierbei wird der Verdichter ins Pumpen gedrückt.
Wirkungsweise mit Umluftventil:
Um dieses uneffektive Abbremsen zu verhindern, wird die Luftsäule mittels des Umluftventils abgelassen. So kann sich der Lader frei weiterdrehen, ein erneuter Druckaufbau wird verkürzt und ein schnelleres Beschleunigen des Turboladers, zugunsten eines besseren Ansprechverhaltens nach dem Schaltvorgang, erzielt.
Universelle (meist als offene Systeme vorgesehen) aus dem Zubehörmarkt lassen sich fast immer in einem festgelegten Bereich auf das Ansprechen bei einer bestimmten Druckschwelle einstellen, werksseitige verfügen seltener über diese Möglichkeit, um unsachgemäße Veränderungen der Werkseinstellung zu verhindern.
Umluftventile sind heutzutage in fast allen Turboladermotoren eingebaut.
Offene/Geschlossene Systeme:
Beim offenen Umluftventil wird die überschüssige Luft nicht zurück in den Ansaugkanal (geschlossenes Umluftventil / System), sondern abrupt nach außen abgeleitet. Der Anbau an einen Motor mit Luftmengen- oder Luftmassenmesser kann problematisch sein, da die Luft, die ins Freie statt in den Ansaugtrakt gelangt, bereits vom Motorsteuergerät erfasst wurde und die Kraftstoffmenge zur richtigen Gemischbildung darauf angepasst wird. Als Folge der fehlenden Luft kommt es zu einer Überfettung des Gemisches, die Motorleistung sinkt, der Motor kann stottern, die Lambdasonde und der Katalysator können durch in den Auspuff gelangendes Benzin, welches sich entzündet, zerstört werden. Daher ist von einem Umbau auf ein offenes System (ohne Neuprogrammierung des Motorsteuergerätes) dringend abzuraten. Außerdem erlischt die „Allgemeine Betriebserlaubnis“ (ABE) des Fahrzeuges, da ungefilterte, ölhaltige Abgase (durch die Ölschmierung des Turboladers und der evtl. Kurbelgehäuseentlüftung, die in das Ansaugsystem führt) in die Umwelt abgelassen werden.
Ventilarten:
Beim Umluftventil sind zwei Ventilarten gängig, Membran oder Kolben. Der Kolben spricht feinfühliger an und schließt schneller, jedoch besteht die Gefahr eines Kolbenklemmers und damit einer Fehlfunktion (bleibt offen oder öffnet nicht).
Eine Sonderform stellen die elektronisch gesteuerten (sonst rein druckgesteuerten) Ventile dar. Über ein Steuergerät oder eine einfache elektrische Schaltung wird das elektrische Ventil geöffnet oder geschlossen und kann damit auch unabhängig vom Druck beliebig gesteuert werden. Dabei ist auch die Nutzung in einem Dieselmotor, da ohne Drosselklappe, möglich, dort hat es jedoch keinen technischen Sinn und dient lediglich dem Showeffekt durch das je nach Ladedruck laute Abblasgeräusch bei einem offenen System.
Das charakteristische Geräusch bei Membranventilen ist ein hell pfeifendes Zischen, wogegen Kolbenventile bei hohem Ladedruck nur laut Zischen, und bei niedrigem Ladedruck die Eigenschaft haben zu "flattern". Jedoch variieren die Ablassgeräusche auch stark je nach Bauart und Hersteller dieser Ventile.
Unterschiede - Turbolader im Roadster:
Abgas-Turbolader 45 kW (auch For2 -BR450 mit 45 kW)
- Smart Teilnummer: 012473 V001 0000 00
- Mercedes Teilenummer A160 096 0999
- Lufteintritt: 25mm
- Abgasaustritt: 34mm
Abgas-Turbolader 60 kW (auch For2 -BR450 mit 55 kW)
- Smart Teilenummer: 0010550 V001 0000 00
- Mercedes Teilenummer: A 160 096 1099
- Lufteintritt: 29mm
- Abgasaustritt: 40mm
Abgas-Turbolader 74 kW
- Smart Teilenummer: 0017617 V001 0000 00
- Mercedes Teilenummer: A160 096 1199
- Lufteintritt: ?
- Abgasaustritt: ?
Bedingt durch den größeren Lufteintritt wurde im 60 kw - Lader ein größeres Verdichterrad (Kompressorrad) sowie Turbinenrad verbaut.
Hier ein Bild eines glühenden Roadster-Turboladers bei einer Leistungsmessung auf einem Rollenprüfstand. Nach 3 bis 4 Kilometern Vollast auf der Autobahn, sieht es wohl in jedem Roadster so aus.
Turbolader-Defekte:
Ist ein Turbolader defekt, zieht dies meistens einen totalen Motorschaden nach sich. Wie kommt es dazu?
Wenn der Turbolader mit seinen sehr hohen Umdrehungen von bis zu 300.000 pro Minute arbeitet, verschleißt er natürlich auch und das mittig gelegene Lager geht irgendwann kaputt. Dadurch läuft die Welle immer unrunder, die Lamellen an den Enden der Welle können an die Innenwände des Turbos anschlagen und werden evtl. beschädigt. Teile brechen ab und der unrunde Lauf mit weiterer schnellerer Lagerschädigung nimmt zu. Letztlich bricht die gesamte Welle und freie Metallteile werden vom Motor angesaugt und verursachen in den Zylinderräumen Motorschäden durch Beschädigungen an Kolben, Zylinderwänden, Ventilen und Einspritzdüsen. Einige dieser Metallteile bleiben zunächst in den engen Windungen des Ladeluftkühlers hängen, lösen sich durch Fahrzeugvibrationen, rutschten weiter und werden nach Tagen oder Wochen erst vom Motor angesaugt und verursachen dann neue Motorschäden oder erst jetzt Motorschäden.
Das heißt, dass man nach einem Turboladerschaden IMMER den Ladeluftkühler erneuern muss. Denn man kann die in den engen Windungen verklemmten Metallsplitter nicht rauswaschen oder blasen. Die Ladeluftkühler nicht zu erneuern wäre sparen am falschen Ende und provoziert neue Motorschäden.
Was auch passieren kann, ist das plötzliche Freisetzen von sehr viel Motoröl, wenn das Turboladerlager schon sehr undicht und kaputt ist. Ein Benzinmotor überlebt dies meist, weil das angesaugte Motoröl mangels Kompression kaum verbrannt wird und es nur fürchterlich aus dem Auspuff qualmt. Anders sieht es aus bei Hochleistungsmotoren wie bei den Smarts aus. Um aus nur 600 ccm oder 700 ccm normalen Fahrspaß raus zu holen, arbeitet der Motor mit erhöhten Kompressionswerten. Somit verbrennt der Benzin-Smart im Falle eines ölenden Turboladers sein Motoröl zusätzlich zum Benzinluftgemisch, wodurch die Verbrennungstemperatur so heiß wird, das Ventile ausglühen, brechen und der totale Motorschaden eintritt. Wenn man die beiden Zündkerzen aus einem solch betroffenen Zylinder herausdreht, sind diese an der Spitze sogar zerschmolzen.

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