Turbolader

Ein Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich Turbo, dient der Leistungs- oder Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine, die ihre Energie aus dem Restdruck der Abgase bezieht, und einem von der Turbine angetriebenen Verdichter für die Ansaugluft des Motors, der den Luftdurchsatz erhöht und die Ansaugarbeit der Kolben vermindert. Turbolader können den Druck (Stauaufladung) und die Bewegungsenergie der Abgase (Stoßaufladung) nutzen. Mit einem zusätzlichen Ladeluftkühler kann ein höherer Arbeitsdruck bei gleicher Temperatur im Zylinder erreicht werden.

Prinzip und Aufbau

Bei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) erzeugen die Kolben einen Unterdruck im Ansaugtrakt, in den die unter Atmosphärendruck stehende Luft (oder Kraftstoff-Luft-Gemisch) einströmt. Der Druckunterschied ist immer kleiner als der Atmosphärendruck, der Motor könnte als Unterdruck ja maximal ein (Grob-)Vakuum erzeugen. Bei niedriger Drehzahl wird der Hubraum des Kolben knapp bis zum Umgebungsdruck gefüllt. Mit wachsender Drehzahl öffnet das Einlassventil kürzer, die Geschwindigkeit der Luft im Ansaugrohr und damit der Druckverlust ist größer, es gelangt weniger Frischgas in den Brennraum. Das begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Um dem entgegenzuwirken, kann man zum einen den Ansaugquerschnitt an seiner engsten Stelle – der Ventilöffnung – durch ein zweites Ventil vergrößern. Zum anderen kann der Druckunterschied erhöht werden, so dass mehr Frischluft in den Zylinder gelangt – er wird mit Überdruck befüllt. Dies ist die Aufladung, die mit Turboladern oder Kompressoren erreicht werden kann.

Abgasturbolader im Schnitt; links die Turbinenseite, rechts der Verdichter

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die als Schaufelräder ausgebildet und auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Der Abgasstrom versetzt das Turbinenrad in Rotation. Dessen Drehmoment wird über die gemeinsame Welle auf das Verdichterrad im Ansaugtrakt übertragen. Solange genügend Abgas anströmt, reicht die Drehzahl aus, um auf der Ansaugseite einen Überdruck zu erzeugen. Dieser Zustand wird aber erst bei höherem Gasdurchsatz ab Motordrehzahlen von etwa 1500 bis 2000 min−1 erreicht, so dass Turbomotoren im unteren Drehzahlbereich nur als Saugmotoren arbeiten und auch beim plötzlichen Gasgeben bei höheren Drehzahlen verzögert reagieren (siehe Turboloch).

Die an der Kurbelwelle messbare Leistungssteigerung beruht zu einem kleinen Teil auf einem verbesserten Wirkungsgrad, zum größten Teil aber darauf, dass in der größeren Menge Sauerstoff im Zylinder mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Dies führt zu einer Steigerung des Motor-Mitteldrucks und des Drehmoments und erhöht die Leistungsabgabe. Bei Otto-Turbomotoren muss oft gegenüber einem Saugmotor das Verdichtungsverhältnis verringert werden, da es ansonsten infolge zu hohen Gesamtdrucks und daraus resultierender hoher Temperatur zur unkontrollierten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann (Klopfen).

Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die angesaugte Luft infolge des Unterdrucks adiabatisch im Ansaugtakt abkühlt, führt die Kompression zu einer deutlichen Erwärmung der Luft auf bis zu 150 °C.[3] Weil warme Luft eine geringere Dichte hat, lässt sich die Füllung und damit die Leistung des Motors noch weiter steigern, indem die Ladeluft nach der Kompression durch einen Ladeluftkühler gekühlt wird. Ladeluftkühlung wird bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren angewandt. Da der Ladeluftkühler einen Strömungswiderstand hat und so den vom Verdichter erzeugten Druck wieder etwas vermindert, sollte er eine Abkühlung um mehr als 50 K[3]bewirken, um die erwünschte Leistungssteigerung gegenüber einem Motor ohne Ladeluftkühlung zu erzielen.

Bei Motoren, bei denen eine möglichst hohe Leistungsabgabe Vorrang vor der Lebensdauer hat, kann die Ladeluft auch durch eine zusätzliche Wassereinspritzung oder Einspritzung eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden, was eine weitere Steigerung der Leistung ermöglicht.

Einfache ungeregelte Turbolader haben – wie alle Turbinen – einen engen Betriebsbereich mit bestem Wirkungsgrad, der sich nur schwer auf das Motorkennfeld abstimmen lässt. Bei niedrigem Gasdurchsatz kann sogar ein Ansaugdruckverlust auftreten, weil das langsame Verdichterrad der Strömung beim Ansaugen im Wege steht. Dagegen wurden verschiedene Konzepte entwickelt (siehe unten), beispielsweise verstellbare Leitschaufeln an der Turbine oder Registeraufladung. Ein Arbeiten oberhalb dieses Bereiches wird vermieden, indem dann ein Teil des Abgases an der Turbine vorbei geleitet wird (Bypass, Wastegate).

Turbine und Verdichter arbeiten mit Flügel- bzw. Schaufelrädern, um Strömungsenergie in eine Drehbewegung umzusetzen und umgekehrt. Moderne Turbolader können Drehzahlen bis zu 290.000 Umdrehungen pro Minute erreichen (zum Beispiel smart Dreizylinder-Turbodiesel). Für so hohe Drehzahlen muss die Turboladerwelle in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert werden. Einige Turbolader haben außer den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse für den Kühlwasserkreislauf.

Mittlerweile werden zusätzlich zu den Gleitlagern ein oder zwei keramische Kugellager eingesetzt. Kugelgelagerte Turbolader haben einen geringeren Rollwiderstandskoeffizienten, was sie schneller ansprechen lässt. Das beschleunigt den Drehzahlanstieg des Laders und lässt den Ladedruck früher einsetzen.