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Turbolader Wissen

Technikwissen über den Turbolader

Ein Turbo ist ein recht kleines Bauteil. Zumindest sind die Lader meistens klein. Jedoch steckt in solch einem kleinen Präzisionsteil eine Menge Technik und KnowHow sowie Fachbegriffe. Wir möchten Ihnen einige dieser Begriffe rund um den Turbolader erklären um etwas Licht ins Dunkel zu bringen.
Sollten dennoch Fragen offen sein, können Sie unsere Hotline unter +49 (0)30 / 991 94 99 74 erreichen.



A/R Verhältnis

Die Turbinengröße des Turboladers beeinflusst zu einem großen Teil die Menge des Volumenstroms. Das A/R Verhältnis ist eine Methode des Feintunings zwischen den Größen, das A beschreibt den Turbineneintrittsquerschnitt. Das A beeinflusst die Geschwindigkeit mit welcher die Gase auf das Turbinenrad treffen, ein kleinerer Querschnitt bewirkt also höhere Gasgeschwindigkeiten. Das R beschreibt den Auftrittswinkel der Gase auf das Turbinenrad. Ist er klein entstehen höhere Turbinendrehzahlen. Ein kleines A/R Verhältnis steht also für schnelles Ansprechverhalten/ Hochlaufen, ein großes für mehr Leistung und weniger Gegendruck bei hohen Drehzahlen.



Effiziens

Der Abgasturbolader hat eine Effizienz von etwa 75%, welche desto höher ist je weniger ein Aufheizeffekt der Luft stattfindet, das heißt umso höher der Wirkungsgrad, desto geringer die Temperatur die der Turbo in den Ansaugbereich abgibt (auf der Verdichterseite) und je weniger Gegendruck (Hitze) auf der Abgasseite. Dieser Gegendruck verursacht hohe Temperaturen zwischen Turbine und Brennraum, welchen ggf. entgegengewirkt werden muss (natriumgekühlte Ventile, größere Abgasanlage, Öl- und Wasserkühler….).



Kennfeld

Die Kennfelder des Verdichters und der Turbine sind ihre Leistungsdiagramme. Welche Rückschlüsse auf ihr Wirkungsgrad und Verhalten zulassen. Das Verdichterkennfeld stellt das Druckverhältnis dem Volumenstrom (Drehzahl/Durchsatz) gegenüber. Die linksseitige Begrenzung der Wirkungsgradmuscheln stellt die Pumpgrenze dar, hier findet kein Durchsatz mehr statt, da an den Verdichterschaufeln die Luftströmung abreißt. Dies geschieht beispielsweise bei geschlossener Drosselklappe, wenn sich ein hoher Druck aufbaut, doch der Volumenstrom klein ist. Rückwärts gekrümmte Schaufelenden , sowie ein Umluftventil können ein Rückströmen der Gase verhindern und so die Grenze positiv verschieben. Rechtsseitig erreichen die Wirkungsgradmuscheln die Stopfgrenze, hier ist der Durchsatz bei hohen Volumenströmen begrenzt. Bei dieser Grenze ist der Verdichter am Limit seiner Fördermenge, was geschieht wenn am Verdichterrad Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Indem jede zweite Verdichterradschaufel zurückversetzt wird, erreichen die Hersteller eine Hinauszögerung der Stopfgrenze. Das Turbinenkennfeld stellt das Turbinendruckverhältnis dem -durchsatz gegenüber. Das Verhalten der Turbine wird durch das Temperatur- und Druckgefälle vor und nach dem Schaufelrad bestimmt.



Ladeluftkühler (LLK)

Neben der Dichtesteigerung (Ladedruckaufbau) erfolgt im Turbolader auch eine unerwünschte Temperatursteigerung der Ladeluft, welche eine höhere Motorbelastung darstellt (Klopfgrenze, Brennraumtemperatur, -druck, .....). Des weiteren hat Luft je wärmer sie ist, umso weniger Dichte, d. h. weniger Sauerstoff und weniger Motorleistung. Das Ziel ist also die Luft zu kühlen, was der LLK besorgt. Seine Vorteile sind: mehr Leistung, Drehmoment, Verdichtung, Standfestigkeit, Vorzündung, sowie weniger Ladedruck bei gleicher Leistung, Verbrauch und Oktanzahlbedarf. Die Größe des LLK hängt von der durchzusetzenden Luftmenge und der Ladelufttemperatur ab. Siehe Luft/Luft LLK und Wasser/Luft LLK .



Spaltmaß

Es beschreibt das Maß zwischen Gehäuse und Turbinen-/Verdichterrad. Ein Teil der Luft entweicht durch diese Spalte, was für den Wirkungsgrad natürlich schlecht ist. Das S. sollte möglichst klein sein. Doch groß genug um dem Rad ein genügendes Spiel in radialer und axialer Richtung zu gewährleisten. Diese Toleranzen braucht das Rad um die Hebelwirkungen und Biegeschwingungen auszugleichen.



Turbolader

Er besteht im wesentlichen aus dem mittigen Lagergehäuse und an den Enden einem Turbinen- und Verdichtergehäuse, in denen sich jeweils ein Schaufelrad befindet, welche mit einer Welle (im Lagergehäuse) starr verbunden sind. Das Turbinengehäuse ist direkt am Abgaskrümmer montiert. Und das Turbinenrad wird mit den Abgasen des Motors angetrieben. Da beide Räder starr verbunden sind dreht sich nun das Verdichterrad mit und saugt seinerseits Frischluft an. Bei genügend hohen Drehzahlen entsteht jetzt ein Druckaufbau, wodurch dem Motor wesentlich mehr Sauerstoff zugeführt werden kann als er selbst Ansaugen könnte, wodurch wiederum mit genügend Kraftstoff vorausgesetzt, eine höhere Motorleistung entsteht. Das Lagergehäuse sollte Wassergekühlt sein, denn dadurch wird das Risiko der Verkokung des Öls drastisch herabgesetzt.



Turbine

Die Aufgabe der Turbinenseite ist es das Verdichterrad mit Energie zu versorgen, so dass es schnell genug den benötigten Luftstrom und Druck liefert. Bei gleichen Abgasverhältnissen spricht eine kleine Turbine schneller als eine große an, bietet dafür aber einen höheren Abgasgegendruck bei hohen Drehzahlen, was die Schwierigkeit bei der Auswahl der Turbinengröße darstellt.



Trim

Beschreibt das Verhältnis zwischen dem Eintritts- und Austrittsdurchmesser auf den jeweiligen Turboseiten. Die Radgeometrie ist dabei besonders wichtig, denn es bewirken schon kleinste Unterschiede große Differenzen bei den Durchmessern. Auf der Turbinenseite bewirkt ein großer Trim weniger Gegendruck nach der Turbine (hoher Wirkungsgrad), auf der Verdichterseite steht ein großer Trim für höheren Durchsatz auch schon bei geringen Druck.



Wastegate

Die Ladedruckregelung mittels Wastegate / Druckdose ist die verbreitetste und beste Art. Hierbei wird ein Teil der Abgase um das Turbinenrad geleitet, sobald der gewünschte Ladedruck erreicht ist. Die Regelung mittels WG ist die bestmögliche, dennoch verschwendet es wertvolle Abgasenergie. Denn das Ventil / Klappe öffnet schon bevor der Turbo den gewünschten Druck erreicht um bei Druckmaximum genügend Abgas umleiten zu können, diese Energie könnte also noch zur Beschleunigung des Turbinenrades genutzt werden bevor dieses die Solldrehzahl erreicht hat. Das interne WG / Druckdose ist im / am Turbo selbst installiert. Ein Nachteil dieses Systems ist das das umgeleitete Abgas i.d.R. direkt hinter dem Turbinenrad noch vor dem Abgasrohr (Hosenrohr) wieder mit dem Abgas welches das Turbinenrad antrieb zusammenkommt, wodurch dort hohe Turbulenzen entstehen. Beim externen WG werden / sollten diese beiden Abgasströme wesentlich später an einen frei wählbaren Ort zusammengeführt werden (Mindestabstand vom Turbinenausgang sollte ca. 50 cm betragen), wo z.B. auch eine Querschnittserweiterung erfolgen kann. Dieses externe WG hat wiederum den Nachteil dass es bei nicht optimaler Anordnung Wirbel schon vor der Turbine bilden kann, welche den Hauptmassenstrom stören. Der WG-Abgang im Abgaskrümmer sollte optimaler weise im Volumenstrom von allen Zylindern liegen, in einem flachen Winkel vom Hauptmassenstrom abgehend (kein rechter Winkel) und symmetrisch mit dem Turbinengehäuse angeströmt sein.



Verdichter

Ein guter Wirkungsgrad der Verdichterseite wird vom Druckverhältnis und dem Volumenstrom bestimmt. Bei der optimalen Größe muß das Wirkungsgradoptimum (etwa 75%) in einem oft genutzten Drehzahlbereich positioniert sein. Je geringer die Effizienz, desto höher die Temperaturen, d.h. der Wirkungsgrad sollte über das ganze Drehzahlband möglichst hoch gehalten werden.



Vielen Dank für die Unterstützung an Stefan Pieper (VW-Heideseen).