Wissen Motortuning
Wissenswertes um das Motorentuning und Turboumbauten
Wir möchten Ihnen nicht nur etwas verkaufen, sondern Sie auch richtig dazu beraten. In dem nachfolgenden Text haben wir die wichtigsten technischen Hintergrundinformationen zum Thema Motor und Turbo zusammengestellt, um Ihnen mehr Licht ins Dunkel zu bringen. Damit Sie keine Fehlkäufe machen und das Beste aus Ihrem Projekt holen können. Sollten dennoch Fragen offen sein, können Sie unsere technische Hotline unter +49 (0)30 / 991 94 99 95 erreichen.
Abgasanlage
Sie sollte möglichst große Rohrdurchmesser, Schalldämpfer ohne große Verengungen und wenige aber großzügige Bögen aufweisen, denn die Turbine lebt ja vom Temperaturgefälle, welches bei weniger Abgasgegendruck natürlich höher ist. Beim Geräuschverhalten ist der Turbomotor gegenüber einen Saugmotor bevorteilt, denn die Turbine nimmt einen Teil der Geräusche auf und wirkt so wie ein Schalldämpfer.
Abgaskrümmer
Er ist beim Turbomotor thermisch höher belastet als beim Saugmotor. Zum einen durch den höheren Gegendruck bis zur Turbine und zum anderen muss er noch das Gewicht von Turbo und ggf. Wastegate aufnehmen. Dadurch arbeitet der Krümmer mehr und braucht hochwertige Werkstoffe (auch für Dichtungen, Schrauben, Muttern). Es gibt 2 Arten die Abgasenergie zu nutzen: Stoß- und Stauaufladung, siehe unten.
Abgastemperatur
Diese liegt bei einem Turbo-Benzinmotor bei 850°C bis etwa 950°C unter Volllast, kann kurzzeitig etwas höher sein (je nach Abstimmung), sollte jedoch unter 1050°C bleiben, ansonsten liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein zu mageres Gemisch vor. Bei Turbomotoren sollten die Temperatur im oder nah zum (wenn möglich vor) Turbo gemessen werden.
Ansaugbereich
Durch möglichst kurze Ladeluftleitungen mit wenigen aber großzügigen Bögen und somit geringen Saugrohrvolumen erreicht man ein schnelles Ansprechverhalten mit geringstmöglichen Druck und Drosselverlusten.
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.
Dampfrad, elektronisches / mechanisches Ladedruckregelventil
Dampfräder bieten die Möglichkeit den Ladedruck zu verstellen, ohne etwas an der Grundeinstellung des Wastegates/Druckdose verändern zu müssen. Hier wird die Druckleitung zum Wastegate verengt/manipuliert, so dass das Wastegate Ventil/Klappe bis zu dem gewünschten bzw. eingestellten Druck geschlossen bleibt. So "denkt" das Wastegate der fest eingestellte Wert ist noch nicht erreicht.
Effizienz
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,...).
Katalysator
Im Interesse hoher Leistung sollte bei einem aufgeladenen Motor ein Metallkatalysator verwendet werden, da dieser größere Querschnitte in der Wabenstruktur aufweist als Keramikkats. Und somit zur Reduzierung des Staudrucks in der Abgasanlage beiträgt
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.
Luft-Luft LLK
Er ist die gebräuchlichste Art der LLK. Welcher hier von der durchströmenden Umgebungsluft (Fahrtwind) gekühlt wird. Bei der Platzierung ist es von Vorteil, wenn der Kühler weder vor noch hinter einen anderen Kühler platziert ist, um möglichst frei vom Fahrtwind durchströmt werden zu können. Ist dies aufgrund der baulichen Gegebenheiten (LLK-Größe, kein Platz in der Fahrzeugfront ...) nicht möglich sollte er zumindest als erster Kühler im Fahrtwind stehen. Eine Wirkungsgradverbesserung können auch Kühlluftführungen erzielen. Von der Bauweise ist kühltechnisch eine große Fläche, geringe Kühlnetztiefe (Fahrtwind durchströmt LLK besser) und ein hoher Staudruck der Ladeluft am besten (bei zu großen Verwirbelungen treten jedoch Sperrströmungen auf). Hier ist also der Konflikt zwischen wenig Druckverlust der Ladeluft (hohe Kühlnetztiefe) und hoher Kühlungseffizienz (genügend Turbulenzen). Einen Wirkungsgradvorteil kann man erzielen, indem man Wasser gegen den Kühler sprüht (vor allem an heißen Sommertagen).
Luft-Wasser LLK
Er ist etwas komplizierter als ein Luft/Luft LLK. Denn hier sind eigentlich 2 Kühler vorhanden. Einen der die Ladeluft kühlt, dabei von Wasser ummantelt ist, sowie den dazugehörigen separaten Wasserkühler in der Fahrzeugfront verbaut (i.d.R. kleiner als Luft/Luft LLK). Die Zirkulation des Wassers entsteht durch eine elektrische Pumpe. Für kurze Volllastfahrten (1/4 Meile) gibt es auch artverwandte Trockeneis-LLK, welche im Rennbetrieb einen extrem hohen Wirkungsgrad aufweisen und auch wie die Luft/Wasser LLK zu einer sehr kurzen
Ladeluftleitung beitragen (schnelles Ansprechverhalten).
Motor
Um ihn gegen die erhöhten Temperaturen und Drücke standfest zu machen gibt es folgende Möglichkeiten: hochwertige Lager für Pleuel und Kurbelwelle, Pleuel, Kolben, stärkere Ventilfedern, Bolzen/ Schrauben für Pleuel, Kolben, Zylinderkopf, eine nitrierte Kurbelwelle, sowie eine stabile Zylinderkopfdichtung. Gelegentlich können sogar Dieselblöcke/ -Kurbelwellen (1,8l Benziner/ 1,9l Diesel...) herangezogen werden, da diese auf höhere Verbrennungsdrücke ausgelegt sind. Den erhöhten Temperaturen wirken Zusatzölkühler, Zusatzwasserkühler, Ölspritzkühlung der Kolbenböden, natriumgekühlte Auslassventile, erhöhte Drehzahl und früherer Einschaltpunkt der Ventilatoren.
Natriumgekühlte Auslassventile
Sie sind eine Möglichkeit den erhöhten Temperaturen eines Turbomotors Rechnung zu tragen und bei fast allen serienmäßig aufgeladenen Motoren vorhanden. Während die Einlassventile (300 bis 500°C) durch die einströmenden Gase noch relativ gut gekühlt werden, werden die Auslassventile (bis über 700°C) durch die Abgase wesentlich stärker erhitzt. Durch die Natriumfüllung können die Temperaturen um etwa bis 100°C herabgesetzt werden.
Nockenwellen
Extrem "scharfe" NW mit langen Öffnungszeiten und großen Ventilhüben sind für einen Turbomotor im Gegensatz zum Sauger nicht erforderlich um hohe Leistungen zu erreichen, denn sie können infolge des hohen Drucks im Krümmer bewirken, dass ein hoher Teil des Abgases zurück in den Brennraum gelangt.
Schalldämpfer
Sie sollten besonders bei hohen Ladedrücken keine Kammern und Verengungen aufweisen, da dies zu erhöhten Staudruck führt, was die Leistungsfähigkeit des Turboladers negativ beeinflusst. Die Abgasanlage sollte beim Turbobetrieb im Interesse hoher Leistung, so groß wie möglich ausfallen. Und mit großzügigen Radien ausgestattet sein.
Stauaufladung
Sie nutzt die Wärmeenergie der Abgase, welche durch das Druck- und Temperaturgefälle vor und nach der Turbine entsteht. Hier werden die Abgase vor der Turbine in einen gemeinsamen Sammler geführt, wobei die Druckverhältnisse fast konstant bleiben.
Stoßaufladung
Diese nutzt die Energie der Abgasgeschwindigkeit der einzelnen Motorzylinder, welche hier bis zur Turbine getrennt geführt (Fächerkrümmer) werden. Ist eine Trennung nicht mehr möglich, sollten erst nur die Leitungen der Zylinder mit den größten Zündabständen zusammengelegt werden. Durch die Stoßaufladung entstehen schwankende Druckverhältnisse vor dem Turbinenrad, was Vorteile im Wirkungsgrad und Ansprechverhalten hervorruft.
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.
Umluft- / Bypassventil (Blow Off)
Sie werden in die Ladeluftleitung vor der Drosselklappe integriert. Es bewirkt das bei Gangwechseln und plötzlichen Gas wegnehmen, also ruckartigem/schnellen schließen der Drosselklappe keine Rückströmungen der bereits geförderten Ladeluft auf das Verdichterrad treffen. Sollten solch hohe Druckschwingungen auftreten, kann dies sogar zur Beschädigung des Verdichterrades führen. Das Umluftventil „erkennt“ also wenn der Druck ruckartig ansteigt, und gibt die überschüssige Ladeluft wieder vor der Verdichterseite in den Ansaugbereich ab, womit sogar noch das Verdichterrad länger auf hoher Drehzahl bleibt. Das Blow-Off-Ventil funktioniert genauso, bis auf das es die überschüssige Luft einfach in die Umgebung (Motorraum) abgibt.
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 optimalerweise im Volumenstrom von allen Zylindern liegen, in einem flachen Winkel vom Hauptmassenstrom abgehend (kein rechter Winkel) und symmetrisch mit dem Turbinengehäuse angeströmt sein.
Wassereinspritzung
Die Wassereinspritzung bzw. Wasser-Ethanol-Einspritzung ist eine Optimierungsmöglichkeit für Turbomotoren. Dies hört sich zunächst kurios an, doch kann man hinter dem Ladeluftkühler eine W. installieren. Dieses Wasser wird nun in geringen Mengen dem Motor zugeführt und auf seinen Weg in den Brennraum verdampft es aufgrund der relativ hohen Temperaturen. Hierbei erzielt es den positiven Effekt der Temperatursenkung der Ladeluft (geringere Temp.= mehr Sauerstoff= mehr Motorleistung....).
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.
Verdichtung
Das Verdichtungsverhältnis bestimmt die Wirtschaftlichkeit, Leistung bei bestimmten Ladedruck, das Turboloch, die benötigte Oktanzahl des Kraftstoffs und Ladeluftkühlereffizienz. Es muss aber beim Turbomotor aufgrund der höheren Temperaturen und Drücke gegenüber einem Saugmotor herabgesetzt werden. Üblich sind etwa 7 bis 8,5:1.
Zwischenplatte
Die Verdichtungsreduzierung mittels Zwischenplatte ist die einfachste Methode das Verdichtungsverhältnis auf ein turboübliches Maß abzusenken, wobei meistens die anderen Motorkomponenten beibehalten werden. Beim VR6 zum Beispiel muß hier eine Distanzhülse für den Kettenspanner mitverwendet werden. Einhergehend werden die Steuerzeiten Richtung früh verlagert. Bei der Leistungssteigerung von Turbomotoren mit geringen Verdichtungen von Hause aus, erreicht man eine weitere Reduzierung durch dickere Zylinderkopfdichtungen.
Zylinderkopfbearbeitung
Sie sollte nicht allzu stark ausfallen. Wenn jedoch sollte in den Auslasskanälen möglichst nur eine Glättung bzw. sehr geringfügige Kanalerweiterung vorgenommen werden. Den Brennräumen und Einlasskanälen kann man eine großzügigere Bearbeitung "gönnen". Jedoch sollte auch hier aufgrund der höheren Temperaturen und Drücke beim Turbobetrieb eher etwas weniger bearbeitet werden. Große Aufmerksamkeit sollte man den Übergängen von Ansaugbrücke-Zylinderkopf, Zylinderkopf-Abgaskrümmer und Abgaskrümmer-Abgaslader widmen. In einer professionellen Bearbeitung werden auch Sitzringe für Ventile und deren Schaft vergrößert. Geänderte Ventile vorausgesetzt.
Vielen Dank für die Unterstützung an Stefan Pieper (VW-Heideseen).
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