Grundlagen - Turbotechnik

Flamy · **Verfasst:** Di Mai 27, 2008 7:40 pm

Wie ein Turbo System funktioniert
Leistung ist proportional zur Kraftstoff- und Sauerstoffmenge die ein die Zylinder gelangt. Wenn alles gleich bleibt kommt man nur über eine "Vergrößereung" des Motors zu mehr Leistung. Wenn man nun kleineren Motoren auf die Leistung von großen Motoren bringen, oder einfach große Motoren zu noch mehr Leistung verhelfen möchte hat man lediglich die Möglichkeit mehr Luft als üblich in die Zylinder zu befördern. Ein Turbolader, der genau dies verrichtet ist in der Lage die Motorleistung um einen erheblichen Teil zu steigern.

Also wie schafft es ein Turbolader die Zylinderfüllung zu erhöhen? Lasst uns dazu erst einmal auf den schematischen Aufbau eines aufgeladenen Motors blicken:

1 - Verdichter Einlass
2 - Verdichter Auslass
3 - Ladeluftkühler
4 - Einlassventil
5 - Auslassventil
6 - Turbine Einlass
7 - Turbine Auslass

Die Komponenten aus denen ein Turbolader-System üblicherweise besteht sind folgende:

Der Luftfilter (Nicht abgebildet) filtert die angesaugte Luft.
Der Verdichter, erhöht die Dichte der Ansaugluft (2).
Der Ladeluftkühler kühlt die Ansaugluft herunter. Diese heizt sich durch den Komprimierungsvorgang enorm auf, wodurch es zu einer ungewollten Selbstentzündung des Gemisches kommen kann. Zusätzlich bedeutet eine kühlere Ausauglufttemperatur eine höhere Luftdichte und somit eine noch größere Zylinderfüllung.
Nachdem die Luft den Ansaugkrümmer passiert hat gelangt sie in die Zylinder, welche ein festes Volumen haben. Bis die angesaugte Luft verdichtet wird, nimmt jeder Zylinder durch die Aufladung eine höhere Luftmasse als ein Saugmotor auf. Die erhöhte Luftmasse ermöglicht das Einspritzen einer größeren Menge an Kraftstoff bei unveränderten Luft-/Kraftstoffgemisch. Wird mehr Kraftstoff bei gleichbleibendem Hubraum verbrannt, so ergibt sich eine erhöhte Leistung.
Nachdem der Kraftstoff im Zylinder verbrannt ist werden die Abgase durch entsprechende Kanäle in den Abgaskrümmer geleitet.
Die heißen Abgase wander dann weiter zur Turbine (6).
Das Turbinenrad (7) erfährt ein Druck- und Temperaturgefälle und nutzt die Energie des Abgases um über eine Welle das Verdichterrad anzutreiben.

Blow-Off (Bypass) Ventile
Das Blow-Off Ventil (BOV) ist eine Druckablassvorrichtung in der Druckseite der Ladeluftverrohrung um zu verhindern, dass der Turbolader bei geschlossener Drosselklappe durch eine Druckwelle abgebremst wird. Das BOV sollte zwischen Verdichterauslass und Drosselklappe installiert werden - vorzugsweise hinter dem Ladeluftkühler (falls montiert). Schließt die Drosselklappe schnell, wird der Luftfluss ebenfalls schnell reduziert. Dies führt zu einem instabilen Fluss und Druckschwankungen. Diese schnell wechselnden Druckschwankungen sind die Ursache der Druckwelle.

BOV's benutzen eine Kombination aus Saugrohrdruck und Federkraft um das Schließen der Drosselklappe zu erkennen. Wird die Drosselklappe geschlossen, so öffnet das BOV und lässt den überschüssigen Druck in die Atmosphäre ab. Dies verhindert das Problem einer Druckwelle.

Wastegates
Auf der Abgasseite gibt einem das Wastegate die Möglichkeit den Abgasdruck des Motors zu regulieren. Einige kommerzielle Diesel-Motoren benutzen kein Wastegate. Diese Variante wird als "free-float"-Variante bezeichnet.

Trotzdessen benötigt die Vielzahl der turbogeladenen Benzinmotoren ein Wastegate. Es gibt zwei verschiedene Bauarten eines Wastegates - intern oder extern. Beide Varianten geben die Möglichkeit den Abgasstrom am Turbinenrad vorbeizuleiten. Das Umleiten der Abgase reduziert die Kraft auf das Turbinenrad so weit bis ein Grad erreicht ist um einen bestimmten Ladedruck zu erreichen. Gleich mit einem BOV benutzt ein Wastegate den Ladedruck, sowie Federkraft um den Bypass zu regulieren

Interne Wastegates sind im Turbinengehäuse integriert und bestehen aus einem "Klappen"-Ventil, einer Regelstange, einem Gelenkkopf und einer Druckdose. Es ist wichtig die Druckdose nur an den Ladedruck anzuschließen. Diese ist nicht für Unterduck konzipiert.

Externe Wastegates werden direkt am Krümmer montiert. Der Vorteil eines externen Wastegates liegt darin, dass die überschüssigen Abgase weiter hinter der Turbine in das Hosenrohr eingeleitet werden können. Dies führt zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Turbine. Zu Rennzwecken können die Abgase auch direkt in die Atmosphäre abgelassen werden. Im Straßenverkehr ist dies jedoch nicht gestattet.

Öl- & Wasser-Leitungen

Oftmals werden die Öl- und Wasser-Leitungen vernachlässigt.

Kugelgelagerte Garrett Turbolader benötigen weniger Öl als herkömmliche gleitgelagerte Turbolader. Deshalb wird bei einem Öldruck von mehr als 4Bar dringend die Verwendung eines Restriktors zur Reduzierung des Drucks empfohlen. Die Leitung des Ölauslass sollte oberhalb des Ölstands in die Ölwanne münden (Bei Nass-Sumpf-Systemen). Weiterhin ist darauf zu achten, dass der Ölrücklauf von der Gravitation abhängig ist und somit der Ölauslass nach untenzeigt. Ebenfalls ist darauf zu achten, dass die Ölrücklaufleitung mit einem stetigem Gefälle verlegt wird.

Kommt ein Turbolader im heißen Zustand zum Stillstand (Abschalten des Motors nach Hochlastbetrieb), so gelangt die Hitze aus Zylinderkopf, Abgaskrümmer und Turbinengehäuse in die Rumpfgruppe des Turboladers. Diese extremen Temperaturen verursachen ein Verkoken des Laufzeugs durch das Öl.

Um diesen Effekt zu minimieren wurde für die Rumpfgruppen eine zusätzliche Wassergekühlung integriert. Es wird hierfür das normale Kühlwasser des Motors verwendet. Nach Abstellen des Motors entsteht ein physikalischer Effekt (thermal siphon effect), durch den auch danach noch Hitze aus der Rumpfgruppe abgeführt wird. Erforderlich ist dafür, dass auch der Wasserzulauf möglichst mit einer kontinuierlichen Steigung verlegt wird. Der Anschluss sollte sich von der Position her an der Unterseite der Rumpfgruppe befinden.

Welcher Turbolader ist der Richtige für mich?
Die Auswahl des richtigen Turboladers für die speziellen Anwendungen eines jeden Einzelnen erfordern eine ganze Menge an Informationen über das System in welchem der Turbolader eingesetzt wird.

Das erste was von Bedeutung ist, ist die gewünschte Zielleistung. Diese sollte sich allerdings in einem für den entsprechenden Motor realistischen Rahmen befinden. Man sollte in Erinnerung behalten, dass sich die Leistung des eines Motors generell proportional zur Luft- und Krafstoff-Masse verhält. Hat man seine Wunschleistung festgelegt beginnt man mit der Suche eines passenden Turboladers. Die Wahl eines passenden Turboladers hängt von der erforderlichen Luftmasse ab.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist das Einsatzgebiet. Autocross-Fahrzeuge benötigen Beispielsweise ein schnelles Ansprechen in niedrigem Drehzahlbereich. In diesem Fall wäre eine kleine Abgasseite von Vorteil. Von Nachteil ist in diesem Fall jedoch, dass mit einer kleinen Abgasseite keine hohe Spitzenleistung erreicht werden kann.

Ein anderes Beispiel wären Viertelmeilen-Fahrzeuge. Bei denen liegt die Priorität auf einer hohen Spitzenleistung. Diese kann durch die Verwendung einer großen Abgasseite erreicht werden. Jedoch verliert man damit im unteren Drehzahlbereich an Ansprechverhalten, da dort der nötige Abgasstrom fehlt.

Die Auswahl des Richtigen Turboladers ist letzten Endes nicht nur davon Abhändig, wieviel Ladedruck man Fahren möchte. Weitere Faktoren wie das o.g. Ansprechverhalten fließen mit in die Auswahl ein.

Gleitlager vs. Kugellager
Gleitlager waren lange Zeit das Maß der Dinge. Mittlerweile sind Kugellager-Einsätze jedoch eine erschwingliche Alternative geworden, die einen signifikanten Leistungsvorteil mit sich bringen.

Die Entwicklung der Kugellager-Einsätze begann aus der Zusammenarbeit mit Garrett Motorsports Group über mehrere Rennserien hinweg. Diese Kugellagereinsätze bestehen aus zwei Radialschräglagern, je eines an einem Ende des Einsatzes. Die bisherigen Einsätze besaßen zwei Gleit- und ein Stütz-Lager.

Gleitlager

Kugellager

Ansprechverhalten des Turboladers:
Fahrzeuge mit einem kugelgelagertem Turbolader reagieren sehr knackig und kraftvoll auf das öffnen der Drosselklappe. Kugelgelagerte Garrett Turbolader sprechen ca.15% schneller als herkömmliche gleitgelagerte Turbolader an. Dies erzeugt ein schnelleres Ansprechverhalten, was sich unter anderem in der Zeit zum Beschleunigen von 0-100km/h deutlich macht. Teilweise wird davon berichtet, dass sich ein Motor mit kugelgelagertem Turbolader ähnlich wie ein unaufgeladener, hubraumgrößerer Motor verhalt.

Reduzierter Ölfluss:´
Die verwendeten Kugellager reduzieren die benötigte Menge an Öl, die benötigt wird um eine ausreichende Schmierung zu erreichen. Diese Reduzierte Menge verringert die Gefahr einer Undichtigkeit. Des Weiteren sind Kugellager Gleitlagern gegenüber unempfindlicher in bezug auf kurzfristig ausbleibende Schmierung und verringern die Gefahr eines Turboladerschadens durch einen "heiß" abgestellten Motor.

Verbesserte Rotordynamik und Haltbarkeit:
Die Kugellager-Einsätze geben der Rumpfgruppe eine Besser Kontrolle über das Laufzeug und ermöglichen eine längere Haltbarkeit sowohl für den täglichen Einsatz, als auch für den Einsatz in extremen Situationen. Zudem kann im Vergleich zu herkömmlichen gleitgelagerten Turboladern auf das Axiallager verzichtet werden, welches eine deutliche Schwachstelle darstellt.

===========================================================

Quelle: TurboByGarrett - Turbo Tech101

Dieser Text ist des besseren Verständnisses wegen frei übersetzt.