Grundlagen der Turboaufladung

Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt von der Luft- und der entsprechenden Kraftstoffmenge ab, die für die Verbrennung im Motor zur Verfügung stehen. Um 1 kg Kraftstoff vollständig zu verbrennen, benötigt der Motor ca. 14 kg Luft (Lambda = 1). Soll die Leistung des Motors erhöht werden, muss mehr Luft und Kraftstoff zugeführt werden. Mehr Kraftstoff macht aber nur Sinn, wenn eine ausreichende Menge Sauerstoff für die Verbrennung vorhanden ist, ansonsten würde nur unnötig Kraftstoff verbraucht.

Bei einem Saugmotor lässt sich die Leistung im Wesentlichen dadurch steigern, dass man den Hubraum oder die Drehzahl erhöht. Mit einem größeren Zylindervolumen erhält man aber größere, schwerere und somit auch teurere Motoren. Die Erhöhung der Drehzahl zieht eine Reihe von Problemen, z.B. höheren Verschleiß, nach sich. Steigert man sie dennoch, besteht die Gefahr der Überbeanspruchung einzelner Motorbauteile.
Die eleganteste Lösung zur Steigerung der Motorleistung besteht deshalb in der Vorverdichtung der Ansaugluft, d.h. dem Motor wird die Saugarbeit abgenommen. Wenn die Arbeit der Vorverdichtung aus der Nutzung der Restenergie in den Abgasen bewirkt wird, spricht man von Aufladung im modernen Sinn, wie sie z. B. durch Abgas-Turbolader oder Druckwellen-Lader verwirklicht werden.

Mechanisch angetriebene Kompressoren zur Aufladung entziehen dem Motor Nutzleistung, d.h. der wirtschaftliche Gesamtwirkungsgrad ist schlechter als bei einer Abgasturboaufladung.

Aufbau eines Turboladers

Funktionsweise des Turboladers

Beim Verlassen des Zylinders haben die heißen Abgase (Temperatur ca. 1100° C) eine hohe Restenergie und damit die Möglichkeit, Arbeit zu leisten. Über den Einlassbereich des Turbinengehäuses strömen die Abgase auf das Turbinenrad. Der sich verengende Querschnitt des Turbinengehäuses sorgt dafür, dass die thermische Energie der Abgase in kinetische Energie umgewandelt wird.

Die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Abgase versetzt dann das Turbinenrad in Drehung, d.h. die kinetische Abgasenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Entsprechend sinken der Druck und die Temperatur im Abgas. Das Turbinenrad ist mit dem Verdichterrad durch eine Welle fest verbunden. Vom Verdichter wird Frischluft aus der Atmosphäre angesaugt, verdichtet und mit dem entsprechenden Druck dem Motor zugeführt. Dem Motor wird also die Saugarbeit abgenommen. Mit der erhöhten Kraftstoffmenge für die vorverdichtete Luft kann der Motor eine höhere Leistung abgeben. Der wirtschaftliche Gesamtwirkungsgrad des Motors wird verbessert, d. h. er arbeitet, bezogen auf die Leistung, insgesamt kostengünstiger.

Animation: Funktionsweise des Turboladers

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