Ein Turbolader, umgangssprachlich auch als Turbo bezeichnet, ist eine turbinengetriebene Zwangsansaugvorrichtung, die den Wirkungsgrad und die Leistung eines Verbrennungsmotors erhöht, indem zusätzliche verdichtete Luft in die Brennkammer gedrückt wird. Diese Verbesserung gegenüber der Saugleistung eines Saugmotors beruht auf der Tatsache, dass der Kompressor mehr Luft – und proportional mehr Kraftstoff – in die Verbrennungskammer drücken kann als der atmosphärische Druck (und damit auch Staulufteinlässe) allein.
Turbolader waren ursprünglich als Turbokompressor bekannt, als noch alle Zwangsansaugvorrichtungen als Kompressoren eingestuft wurden. Heute wird der Begriff „Lader“ normalerweise nur für mechanisch angetriebene Zwangsinduktionsvorrichtungen verwendet. Der Hauptunterschied zwischen einem Turbolader und einem herkömmlichen Lader besteht darin, dass ein Lader mechanisch vom Motor angetrieben wird, häufig über einen mit der Kurbelwelle verbundenen Riemen, während ein Turbolader von einer Turbine angetrieben wird, die vom Abgas des Motors angetrieben wird. Verglichen mit einem mechanisch angetriebenen Lader sind Turbolader tendenziell effizienter, verfügen aber über ein schlechteres Ansprechverhalten. Twincharger bezieht sich auf einen Motor mit einem Kompressor und einem Turbolader.
Turbolader werden üblicherweise in LKW-, Auto-, Zug-, Flugzeug- und Baumaschinenmotoren eingesetzt. Sie werden am häufigsten bei Otto- und Dieselmotoren eingesetzt.
Inhalt
1 Geschichte
2 Aufladung gegen Aufladung
3 Arbeitsprinzip
3.1 Druckerhöhung (oder Erhöhung)
3.2 Turboladerverzögerung
3.3 Ladeschwelle
4 Komponenten
4.1 Turbine
4.1.1 Twin-Turbo
4.1.2 Twin-Scroll
4.1.3 Variable Geometrie
4.2 Kompressor
4.3 Zentriergehäuse / Nabe rotierende Baugruppe
5 Zusätzliche Technologien, die üblicherweise in Turboladeranlagen verwendet werden
5.1 Ladeluftkühlung
5.2 Top-Mount (TMIC) vs. Front-Mount-Ladeluftkühler (FMIC)
5.3 Wasserinjektion
5.4 Methanoleinspritzung
5.5 Verhältnis von Kraftstoff und Luft
5.6 Wastegate
5.7 Absperr- / Ablass- / Ausblasventile
5.8 Free Floating
6 Anwendungen
6.1 Benzinfahrzeuge
6.2 Dieselfahrzeuge
6.3 Motorräder
6.4 Lkw
6.5 Flugzeuge
6.6 Dieselturbolader auf See und an Land
7 Marktsituation und Verbreitung
8 Sicherheit
Geschichte
Die Zwangsinduktion stammt aus dem späten 19. Jahrhundert, als Gottlieb Daimler 1885 die Technik der Verwendung einer Zahnradpumpe patentierte, um Luft in einen Verbrennungsmotor zu drängen. Der Turbolader wurde vom Schweizer Ingenieur Alfred Büchi (1879–1959) erfunden, dem Leiter der Dieselmotorenforschung bei Gebrüder Sulzer (jetzt einfach Sulzer genannt), dem Motorenhersteller in Winterthur, der 1905 ein Patent für die Verwendung eines Kompressors erhielt. Durch Abgase angetrieben, um Luft in einen Verbrennungsmotor zu drängen und dadurch die Leistungsabgabe zu erhöhen, dauerte es jedoch weitere 20 Jahre, bis die Idee verwirklicht wurde. Die auf seinem Entwurf basierende Aufladungstechnologie wurde erstmals für große Schiffsmotoren eingesetzt, als das Verkehrsministerium 1923 den Bau der Passagierschiffe „Preussen“ und „Hansestadt Danzig“ in Auftrag gab. Beide Schiffe verfügten über zwei Zehnzylinder-Dieselmotoren, durch die Aufladung stieg die Leistung von 1.750 auf 2.500 PS durch Turbolader, die von Büchi entworfen und unter seiner Aufsicht von Brown Boveri (BBC, jetzt ABB) gebaut wurden. Während des Ersten Weltkrieges installierte der französische Ingenieur Auguste Rateau mit Erfolg Turbolader an Renault-Motoren. Im Jahr 1918 brachte der General Electric-Ingenieur Sanford Alexander Moss einen Turbolader an einem V12-Liberty-Flugzeugtriebwerk an. Der Motor wurde bei Pikes Peak in Colorado in 4.300 Meter Höhe getestet, um zu beweisen, dass er den Leistungsverlust von Verbrennungsmotoren aufgrund eines verringerten Luftdrucks und einer geringeren Dichte in großen Höhen beseitigen kann.
Turbolader wurden in den 1920er-Jahren erstmals in Flugzeugtriebwerken wie dem Napier Lioness eingesetzt, obwohl sie weniger verbreitet als motorgetriebene Radialkompressoren waren. In den 1920er Jahren kamen Schiffe und Lokomotiven auf den Markt, die mit Dieselmotoren mit Turboaufladung ausgestattet waren. Turbolader wurden auch in der Luftfahrt eingesetzt, vor allem in den Vereinigten Staaten. Beispiele für US-Flugzeuge mit Turboladern aus dem Zweiten Weltkrieg sind die B-17 Flying Fortress, der B-24 Liberator, die P-38 Lightning und die P-47 Thunderbolt. Die Technologie wurde auch in Versuchen bei anderen Herstellern eingesetzt, insbesondere bei einer Reihe von experimentellen Inline-Motoren mit Prototypen wie der Focke-Wulf Fw 190, wobei einige Entwicklungen für das Design von der DVL stammten, einem Vorgänger der heutigen DLR-Agentur. Der Bedarf an hochentwickelten Hochtemperaturmetallen in der Turbine, die in Kriegszeiten nicht ohne weiteres für Produktionszwecke zur Verfügung standen, hinderte sie jedoch an einer weitgehenderen Verwendung.
Turbolader werden häufig in Pkw und Nutzfahrzeugen eingesetzt, da sie bei Motoren mit kleinerer Kapazität eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, eine Verringerung der Emissionen, eine höhere Leistung und ein erheblich höheres Drehmoment ermöglichen.
Turbolader versus Kompressor
Im Gegensatz zu Turboladern werden Kompressoren vom Motor mechanisch angetrieben. Riemen, Ketten, Wellen und Zahnräder sind übliche Methoden, um einen Kompressor anzutreiben und den Motor mechanisch zu belasten. Bei dem einstufigen Single-Speed-Kompressor-Motor mit Rolls-Royce-Motor verbraucht der Kompressor beispielsweise etwa 150 PS (110 Kilowatt). Die Vorteile überwiegen jedoch die Kosten. Für die 150 PS (110 kW), die den Kompressor antreiben, leistet der Motor zusätzlich 400 PS, ein Nettogewinn von 250 PS (190 kW). Hier zeigt sich der Hauptnachteil eines Kompressors – der Motor muss der Nettoleistung des Motors und der Leistung zum Antrieb des Kompressors standhalten.
Ein weiterer Nachteil einiger Kompressoren ist der geringere adiabatische Wirkungsgrad im Vergleich zu Turboladern (insbesondere Roots-Kompressoren). Der adiabatische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Fähigkeit eines Kompressors, Luft zu komprimieren, ohne dieser Luft zu viel Wärme zuzuführen. Auch unter idealen Bedingungen führt der Kompressionsprozess immer zu einer erhöhten Ausgangstemperatur. Effizientere Kompressoren erzeugen jedoch weniger überschüssige Wärme. Roots-Kompressoren geben der Luft deutlich mehr Wärme als Turbolader. Für ein gegebenes Luftvolumen und -druck ist die durch Turbotechnik aufgeladene Luft daher kühler und folglich dichter, enthält mehr Sauerstoffmoleküle und mehr potentielle Leistung als durch Kompressoren verdichtete Luft. In der praktischen Anwendung kann die Diskrepanz zwischen den beiden dramatisch sein, wobei Turbolader oft allein aufgrund der Unterschiede im adiabatischen Wirkungsgrad 15% bis 30% mehr Leistung erzeugen (aufgrund der Wärmeübertragung aus dem heißen Abgas tritt jedoch eine erhebliche Erwärmung auf).
Im Vergleich dazu stellt ein Turbolader keine direkte mechanische Belastung des Motors dar, obwohl Turbolader den Gegendruck der Motoren mit Abgasdruck beaufschlagen und die Pumpverluste erhöhen. Dies ist effizienter, da, während der erhöhte Gegendruck den Kolbenhub beaufschlagt, ein Großteil der Energie, die die Turbine antreibt, durch das immer noch expandierende Abgas bereitgestellt wird, das andernfalls als Wärme durch die Abgasanlage verschwinden und damit verschwerndet würde. Im Gegensatz zur Kompressoraufladung ist der Hauptnachteil der Turboaufladung die sogenannte „Verzögerung“ oder „Spulenzeit“. Dies ist die Zeit zwischen der Anforderung von mehr Leistung (die Drosselklappe ist geöffnet) und dem Turbolader, der einen erhöhten Einlassdruck aufgebaut hat und damit eine höhere Leistung bereitstellt.
Eine Drosselverzögerung tritt auf, weil Turbolader auf den Aufbau des Abgasdrucks angewiesen sind, um die Turbine anzutreiben. In Systemen mit variablem Ausgang, wie z.B. Automobilmotoren, reicht der Abgasdruck im Leerlauf, bei niedrigen Motordrehzahlen oder bei niedriger Drossel normalerweise nicht aus, um die Turbine anzutreiben. Erst wenn der Motor eine ausreichende Drehzahl erreicht, wird der Turbinenabschnitt hochgefahren oder schnell genug gedreht, um einen Ansaugdruck über dem Atmosphärendruck zu erzeugen.
Eine Kombination aus einem abgasgetriebenen Turbolader und einem motorgetriebenen Lader (gleich Kompressor) kann die Schwächen beider abschwächen. Diese Technik wird als Doppelladung bezeichnet.
Funktionsweise
Bei Saugmotor-Kolbenmotoren werden Einlassgase in den Motor eingesaugt oder „gedrückt“, indem Atmosphärendruck den volumetrischen Hohlraum füllt, der durch den Abwärtshub des Kolbens verursacht wird (der einen Niederdruckbereich erzeugt), ähnlich wie wenn Flüssigkeit mit einer Spritze aufgezogen wird. Die tatsächlich angesaugte Luftmenge, verglichen mit der theoretischen Menge, wenn der Motor den Atmosphärendruck aufrechterhalten könnte, wird als volumetrischer Wirkungsgrad bezeichnet. Das Ziel eines Turboladers ist es, den volumetrischen Wirkungsgrad eines Motors zu verbessern, indem die Dichte des Einlassgases (normalerweise Luft) erhöht wird, wodurch mehr Leistung pro Motorzyklus ermöglicht wird.
Die Turbine des Turboladers saugt Umgebungsluft an und verdichtet sie, bevor er sie mit erhöhtem Druck in den Einlasskrümmer drückt. Dies führt zu einer größeren Luftmasse, die bei jedem Ansaugtakt in die Zylinder eintritt. Die zum Drehen des Kreiselkompressors benötigte Leistung wird von der kinetischen Energie der Abgase des Motors abgeleitet.
Bei Kraftfahrzeugen bezieht sich der Ladedruck oder auch Boost auf den Betrag, um den der Einlasskrümmerdruck den Atmosphärendruck übersteigt. Dies ist repräsentativ für den zusätzlichen Luftdruck, der über das erreicht wird, was ohne die erzwungene Induktion erreicht würde. Der Ladedruck kann auf einem Manometer angezeigt werden, normalerweise in Bar, Psi oder kPa. Die Steuerung des Ladedrucks hat sich in den mehr als 100 Jahren, in denen Turbolader eingesetzt werden, dramatisch verändert. Moderne Turbolader können Wastegates, Abblasventile (Blowoff) und variable Turbinengeometrien verwenden.
Bei Turboladeranwendungen mit Benzinmotoren ist der Ladedruck begrenzt, um das gesamte Motorsystem einschließlich des Turboladers innerhalb seines thermischen und mechanischen Betriebsbereichs zu halten. Ein Überladen eines Motors führt häufig zu Schäden am Motor, einschließlich Vorzündung, Überhitzung und Überlastung der internen Bauteile des Motors. Um zum Beispiel ein Klopfen des Motors (auch als Detonation bekannt) und den damit verbundenen physischen Schaden am Motor zu vermeiden, darf der Einlasskrümmerdruck nicht zu hoch werden, sodass der Druck am Einlasskrümmer des Motors durch einige Mittel gesteuert werden muss. Durch Öffnen des Wastegates kann die überschüssige Energie, die für die Turbine bestimmt ist, umgangen und direkt zum Abgasrohr geleitet werden, wodurch der Ladedruck reduziert wird. Das Wastegate kann entweder manuell (häufig in Flugzeugen zu sehen) oder von einem Stellglied gesteuert werden (in Kraftfahrzeuganwendungen wird es häufig von der Motorsteuereinheit geregelt).
Druckerhöhung
Ein Turbolader kann auch verwendet werden, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, ohne die Leistung zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem die Abgasenergie des Abgases vom Verbrennungsprozess abgeleitet und in die „heiße“ Einlassseite des Turbos zurückgeführt wird, die die Turbine dreht. Während die heiße Turbinenseite durch die Abgasenergie angetrieben wird, komprimiert die kalte Ansaugturbine, die andere Seite des Turbos, frische Ansaugluft und treibt sie in den Einlass des Motors. Durch die Verwendung dieser sonst vergeudeten Energie zum Erhöhen der Luftmasse wird es einfacher sicherzustellen, dass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, bevor er zu Beginn der Abgasstufe entlüftet wird. Die erhöhte Temperatur aus dem höheren Druck führt zu einer höheren Carnot-Effizienz.
Eine verminderte Dichte der Ansaugluft wird durch den Verlust der atmosphärischen Dichte verursacht, der sich in höheren Lagen zeigt. Eine natürliche Verwendung finden Turbolader daher bei Flugzeugtriebwerken. Wenn ein Flugzeug in größere Höhen steigt, fällt der Druck der umgebenden Luft schnell ab. Bei 5.486 Metern befindet sich die Luft nurnoch auf halbem Druck des Meeresspiegels, was bedeutet, dass der Motor in dieser Höhe weniger als die halbe Leistung produziert. In Flugzeugtriebwerken wird üblicherweise eine Turboladung verwendet, um den Krümmerdruck mit zunehmender Höhe aufrechtzuerhalten (d.h. um Luft mit geringerer Dichte in größeren Höhen zu kompensieren). Da der Luftdruck mit steigendem Flugzeug abnimmt, sinkt die Leistung der Saugmotoren in Abhängigkeit von der Höhe. Systeme, die einen Turbolader verwenden, um die Motorleistung auf Triebwerksniveau aufrechtzuerhalten, werden als turbonormalisierte Systeme bezeichnet. Im Allgemeinen versucht ein turbo-normalisiertes System, einen Krümmerdruck von 29,5 Zoll Quecksilber (100 kPa) aufrechtzuerhalten.
Turbo-Lag
Turbo-Lag (Turbolader-Verzögerung) ist die Zeit, die erforderlich ist, um die Leistungsabgabe als Reaktion auf eine Drosselklappenänderung zu ändern, die als Zögern oder Verlangsamung der Drosselklappe beim Beschleunigen im Vergleich zu einem Saugmotor wahrgenommen wird. Dies ist auf die Zeit zurückzuführen, die benötigt wird, damit das Abgassystem und der Turbolader die erforderliche Aufladung erzeugen, die auch als Spooling bezeichnet wird. Trägheit, Reibung und Turbinenlast sind die Hauptfaktoren für die Verzögerung des Turboladers. Für Kompressoren besteht dieses Problem nicht, da aufgrund des direkten Antriebs des Kompressors durch den Motor keine Turbine nötwendig ist.
Turboladeranwendungen können in solche unterteilt werden, die Änderungen der Ausgangsleistung erfordern (z.B. Kraftfahrzeuge) und solche, die dies nicht erfordern (z.B. Schiffe, Flugzeuge, gewerbliche Kraftfahrzeuge, Industrieanlagen, Triebwerksgeneratoren und Lokomotiven). Die Turboladerverzögerung ist zwar in unterschiedlichem Maße wichtig, jedoch am problematischsten in Anwendungen, die schnelle Änderungen der Leistungsabgabe erfordern. Motordesigns reduzieren die Verzögerung auf verschiedene Weise:
– Verringern der Rotationsträgheit des Turboladers durch Verwendung von Teilen mit geringerem Radius geringem Gewicht, wie Keramik und anderen leichten Materialien
– Ändern des Seitenverhältnisses der Turbine
– Erhöhung des Upperdeck-Luftdrucks (Verdichterauslass) und Verbesserung der Reaktion des Wastegates
– Verringerung der Reibungsverluste des Lagers, z.B. Verwendung eines Folienlagers anstelle eines herkömmlichen Öllagers
– Verwendung von Turboladern mit variabler Düse oder Twin-Scroll-Ladern
– Verringern des Volumens der Upperdeck-Verrohrung
– mehrere Turbolader nacheinander oder parallel verwenden
– Verwenden eines Antilag-Systems
– Verwendung eines Turbolader-Spool-Ventils, um die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zur (Twin-Scroll-)Turbine zu erhöhen
Manchmal wird das Turboloch mit Motordrehzahlen verwechselt, die unterhalb der Ladeschwelle liegen. Wenn die Motordrehzahl unter der Ladedruckdrehzahl eines Turboladers liegt, könnte die Zeit, die das Fahrzeug benötigt, um Geschwindigkeit und Drehzahl aufzubauen, beträchtlich sein, möglicherweise sogar einige zehn Sekunden für ein schweres Fahrzeug, das bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit in einem hohen Gang startet. Dieses Warten auf eine Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit ist kein Turboloch, es ist eine falsche Gangwahl für die Ladedrucknachfrage. Sobald das Fahrzeug eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht hat, um die erforderliche Drehzahl zum Erreichen des Ladedruckschwellenwerts bereitzustellen, wird die Verzögerung viel kürzer sein, während der Turbo selbst Rotationsenergie aufbaut und in einen positiven Ladedruck übergeht. Nur der letzte Teil der Verzögerung beim Erreichen des positiven Ladedrucks ist das Turboloch.
Boost-Schwelle
Die Verstärkungsschwelle eines Turboladersystems ist die untere Grenze des Bereichs, in dem der Verdichter arbeitet. Unterhalb einer bestimmten Flussrate erzeugt ein Verdichter einen unbedeutenden Schub. Dies begrenzt den Ladedruck bei einer bestimmten Drehzahl unabhängig vom Abgasdruck. Neuere Turbolader- und Motorentwicklungen haben die Ladedruckschwellen stetig gesenkt.
Elektrische Verstärkung („E-Boosting“) ist eine neue Technologie, die sich in der Entwicklung befindet. Mit einem Elektromotor wird der Turbolader schneller als mit den verfügbaren Abgasen auf Betriebsgeschwindigkeit gebracht. Eine Alternative zum E-Boosting besteht darin, die Turbine und den Verdichter vollständig in einen Turbinengenerator und einen elektrischen Kompressor zu trennen, wie beim Hybrid-Turbolader. Dies macht die Verdichterdrehzahl unabhängig von der Turbinendrehzahl. 1981 beschleunigte ein ähnliches System, bei dem ein hydraulisches Antriebssystem und eine Überdrehzahlkupplungsanordnung verwendet wurden, den Turbolader des MV Canadian Pioneer (Doxford 76J4CR-Motor).
Turbolader erzeugen erst dann einen Schub, wenn sich in den Abgasen eine gewisse kinetische Energie befindet. Ohne einen ausreichenden Abgasstrom zum Drehen der Turbinenschaufeln kann der Turbolader nicht die notwendige Kraft erzeugen, um die in den Motor eintretende Luft zu komprimieren. Die Verstärkungsschwelle wird durch den Hubraum des Motors, die Motordrehzahl, die Drosselklappenöffnung und die Größe des Turboladers bestimmt. Die Betriebsdrehzahl (U/min), bei der genügend Abgasmoment vorhanden ist, um die in den Motor eintretende Luft zu komprimieren, wird „Ladedruckschwelle U/min“ genannt. Das Verringern der Drehzahl der Boost-Schwelle kann die Gasannahme verbessern.
Schlüsselkomponenten
Der Turbolader besteht aus drei Hauptkomponenten:
– Die Turbine, die fast immer eine radiale Einlaufturbine ist (aber bei großen Dieselmotoren fast immer eine einstufige axiale Einlaufturbine ist)
– Der Kompressor, der fast immer ein Radialkompressor ist
– Die zentrale Gehäuse-/Naben-Drehbaugruppe
Viele Turbolader-Systeme verwenden zusätzlich Technologien wie Wastegates, Ladeluftkühlung und Abblaseventile.
Turbine
Die für die Turbinenarbeit bereitgestellte Energie wird aus der Enthalpie und der kinetischen Energie des Gases umgewandelt. Das Turbinengehäuse leitet den Abgasstrom durch die Turbine, welche mit bis zu 250.000 U/min dreht. Die Größe und Form können die Leistung des gesamten Turboladers bestimmen. Häufig ist vom Hersteller die gleiche Basis-Turbolader-Baugruppe mit mehreren Gehäuseoptionen für die Turbine und manchmal auch die Kompressorabdeckung erhältlich. Dadurch kann die Balance zwischen Leistung, Ansprechverhalten und Effizienz auf den Anwendungsbereich zugeschnitten werden.
Die Turbinen- und Flügelradgrößen bestimmen auch die Luft- oder Abgasmenge, die durch das System strömen kann, und den relativen Wirkungsgrad, mit dem sie arbeiten. Im Allgemeinen ist die Strömungskapazität umso größer, je größer das Turbinenrad und das Verdichterrad sind. Maße und Formen können variieren sowie Krümmung und Anzahl der Schaufeln auf den Rädern.
Die Leistung eines Turboladers hängt stark von seiner Größe ab. Große Turbolader benötigen mehr Wärme und Druck, um die Turbine anzutreiben, was bei niedriger Drehzahl zu Verzögerungen führt. Kleine Turbolader drehen sich schnell, haben aber bei hoher Beschleunigung möglicherweise nicht die gleiche Leistung. Um die Vorteile von großen und kleinen Rädern effizient zu kombinieren, werden fortschrittliche Systeme wie Twin-Turbolader, Twin-Scroll-Turbolader oder Turbolader mit variabler Geometrie verwendet.
Bi-Turbo / Twin-Turbo
Twin-Turbo- oder Bi-Turbo-Konstruktionen haben zwei separate Turbolader, die entweder sequenziell oder parallel arbeiten. In einer parallelen Konfiguration werden beiden Turboladern die Hälfte der Motorabgase zugeführt. Bei einem sequentiellen Setup läuft ein Turbolader mit niedrigen Drehzahlen und der zweite schaltet sich ab einer vorbestimmten Motordrehzahl oder -last dazu. Sequentielle Turbolader reduzieren den Turbo-Lag weiter, erfordern jedoch eine komplizierte Anbindung, um beide Turbolader richtig zu speisen.
Zweistufige variable Doppelturbos verwenden einen kleinen Turbolader bei niedrigen und einen großen bei höheren Geschwindigkeiten. Sie sind in Reihe geschaltet, so dass der Ladedruck eines Turboladers mit einem anderen multipliziert wird, daher der Name zweistufig. Die Verteilung des Abgases ist kontinuierlich variabel, so dass der Übergang vom kleinen Turbolader zum großen Turbolader schrittweise erfolgen kann. Doppelturbolader werden hauptsächlich in Dieselmotoren eingesetzt. In Opel-Bi-Turbo-Dieseln arbeitet zum Beispiel nur der kleinere Turbolader mit niedriger Drehzahl und liefert ein hohes Drehmoment bei 1.500 bis 1.700 U/min. Beide Turbolader arbeiten im mittleren Bereich zusammen, wobei der größere die Luft vorkomprimiert und der kleinere weiter komprimiert. Ein Bypassventil reguliert den Abgasstrom zu jedem Turbolader. Bei höherer Drehzahl (2.500 bis 3.000 U/min) läuft nur der größere Turbolader.
Kleinere Turbolader haben weniger Turboverzögerung als größere Turbolader. Daher werden oft zwei kleine Turbolader anstelle eines großen Turboladers verwendet. Diese Konfiguration ist bei Motoren über 2.500cm sowie bei V-Form- oder Boxermotoren beliebt.
Twin-Scroll
Twin-Scroll- oder geteilte Turbolader verfügen über zwei Abgaseinlässe und zwei Düsen, eine kleinere, schärfer gewinkelte für eine schnelle Reaktion und eine größere, weniger geneigte für Spitzenleistung.
Bei der Hochleistungs-Nockenwellenverstellung können Auslassventile in verschiedenen Zylindern gleichzeitig geöffnet sein und sich am Ende des Arbeitstakts in einem Zylinder und am Ende des Auslasstakts in einem anderen überlappen. Bei Twin-Scroll-Konstruktionen trennt der Abgaskrümmer die Kanäle für Zylinder, die sich gegenseitig stören können, so dass die pulsierenden Abgase durch separate Scrolls strömen. Bei der üblichen Zündreihenfolge 1-3-4-2 sind zwei Scrolls mit ungleich langen Paaren der Zylinder 1-4 und 3-2 vorhanden. Dadurch kann der Motor effizient Abgasreinigungsverfahren einsetzen, wodurch die Abgastemperaturen und NOx-Emissionen gesenkt werden, der Turbinenwirkungsgrad verbessert und der Turbo-Lag bei niedrigen Motordrehzahlen deutlich reduziert wird.
Variable Geometrie
Turbolader mit variabler Geometrie oder mit variabler Düse verwenden bewegliche Flügel, um den Luftstrom zur Turbine anzupassen, wobei ein Turbolader mit optimaler Größe über die gesamte Leistungskurve simuliert wird. Die Flügel werden wie ein Satz leicht überlappender Wände direkt vor der Turbine platziert. Ihr Winkel wird durch ein Stellglied eingestellt, um den Luftstrom zur Turbine zu blockieren oder zu erhöhen. Diese Variabilität gewährleistet eine vergleichbare Abgasgeschwindigkeit und einen vergleichbaren Gegendruck im gesamten Drehzahlbereich des Motors. Das Ergebnis ist, dass der Turbolader die Kraftstoffeffizienz des Motors verbessert, ohne dass der Turbolader verzögert wird.
Kompressor
Der Kompressor erhöht die Ansaugluftmasse, die in die Brennkammer eintritt. Der Kompressor besteht aus einem Flügelrad, einem Diffusor und einem Spiralgehäuse.
Der Strömungsbereich eines Turboladerkompressors kann vergrößert werden, indem Luft aus einem Lochring oder einer kreisförmigen Nut um den Kompressor an einem Punkt etwas stromabwärts vom Kompressoreinlass (aber weit näher am Einlass als am Auslass) abgelassen wird.
Die „Ported Shroud“-Technologie erzeugt eine Leistungsverbesserung, die es dem Kompressor ermöglicht, mit wesentlich geringeren Durchflüssen zu arbeiten. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Simulation des Laufradstillstands zwangsweise kontinuierlich erfolgt. Wenn an dieser Stelle etwas Luft entweichen kann, wird der Beginn eines Druckstoßes verhindert und der Betriebsbereich erweitert. Während Spitzenwirkungsgrade abnehmen können, kann ein hoher Wirkungsgrad über einen größeren Bereich von Motordrehzahlen erreicht werden. Erhöhte Kompressoreffizienz führt zu etwas kühlerer (dichterer) Ansaugluft, was die Leistung verbessert. Dies ist ein passives System, das ständig offen ist (im Gegensatz zu Kompressor-Ausblasventilen, die mechanisch oder elektronisch gesteuert werden). Die Fähigkeit des Kompressors, bei niedriger Drehzahl einen hohen Ladedruck bereitzustellen, kann auch geringfügig erhöht werden (da der Kompressor in der Nähe von Drosselzuständen Luft durch den Entlüftungspfad nach innen zieht). Ported Shrouds werden von vielen Herstellern von Turboladern verwendet.
Center housing / um die Nabe rotierende Baugruppe
Die zentrale Naben-Drehbaugruppe (CHRA) beherbergt die Welle, die das Verdichterrad und die Turbine verbindet. Es muss auch ein Lagersystem enthalten, um die Welle aufzuhängen, damit sie sich mit sehr hoher Geschwindigkeit und minimaler Reibung drehen kann. Zum Beispiel verwendet der CHRA in Automobilanwendungen typischerweise ein Drucklager oder ein Kugellager, das durch eine konstante Zufuhr von unter Druck stehendem Motoröl geschmiert wird. Die CHRA kann auch als „wassergekühlt“ angesehen werden, indem sie einen Eintritts- und Austrittspunkt für Motorkühlmittel besitzt. Wassergekühlte Modelle verwenden Motorkühlmittel, um das Schmieröl kühler zu halten und mögliche Verkokung (zerstörende Destillation von Motoröl) durch die extreme Hitze in der Turbine zu vermeiden. Die Entwicklung von Luftfolienlagern beseitigte dieses Risiko.
Kugellager, die für hohe Drehzahlen und Temperaturen ausgelegt sind, werden manchmal anstelle von Fluidlagern zur Lagerung der Turbinenwelle verwendet. Dies hilft dem Turbolader, schneller zu beschleunigen und den Turbo-Lag zu reduzieren. Einige Turbolader mit variabler Turbinengeometrie verwenden einen elektrischen Drehantrieb, der die Flügel direkt über einen Schrittmotor öffnet und schließt, und nicht pneumatische Steuerungen, die auf Luftdruck basieren.
Zusätzliche Technologien, die üblicherweise in Turboladeranlagen verwendet werden
Wenn der Druck der Ansaugluft des Motors erhöht wird, steigt auch seine Temperatur. Dies kann durch das Gay-Lussac-Gesetz erklärt werden, das besagt, dass der Druck einer bestimmten Gasmenge, die auf einem konstanten Volumen gehalten wird, direkt proportional zur Kelvin-Temperatur ist. Wenn dem Motor durch den Turbolader mehr Druck zugeführt wird, steigt auch die Gesamttemperatur des Motors an. Zusätzlich wird durch die Wärmeeinwirkung aus den heißen Abgasen, die die Turbine drehen, auch die Ansaugluft erwärmt. Je wärmer die Ansaugluft ist, desto ist die Verdichtung und desto weniger Sauerstoff steht für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung, wodurch die volumetrische Effizienz verringert wird. Eine übermäßige Ansauglufttemperatur verringert nicht nur den Wirkungsgrad, sondern führt auch zum Klopfen bzw. zur Selbstentzündung des Benzin-Luftgemisches, was schädlich für die Motoren ist.
Um den Temperaturanstieg zu kompensieren, verwenden Turboladersysteme häufig einen Ladeluftkühler zwischen aufeinanderfolgenden Ladestufen, um die Ansaugluft abzukühlen. Ein Ladeluftkühler ist ein Luftkühler zwischen den Ladedruckstufen und dem Motor.
Top-Mount (TMIC) versus Front-Mount-Ladeluftkühler (FMIC)
Es gibt zwei Bereiche, in denen Ladeluftkühler üblicherweise montiert werden. Sie können entweder oben, parallel zum Motor oder nahe der unteren Fahrzeugfront montiert werden. Die Montage von Ladeluftkühlern auf der Oberseite führt zu einer Abnahme der Turboverzögerung, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass der Ladeluftkühler viel näher am Turboladerauslass und am Drosselklappengehäuse liegt. Diese Annäherung verringert die Zeit, die die Luft benötigt, um durch das System zu strömen, und erzeugt früher Energie, im Vergleich zu der eines Front-Ladeluftkühlers, bei dem die Luft mehr Weg überbrücken muss, um den Auslass und die Drosselklappe zu erreichen.
Front-Mount-Ladeluftkühler können im Vergleich zu Top-Mount eine bessere Kühlung bieten. Der Bereich, in dem ein obenliegender Ladeluftkühler montiert ist, befindet sich in der Nähe eines der heißesten Bereiche eines Autos, nämlich direkt über dem Motor. Aus diesem Grund verwenden die meisten Hersteller große Motorhaubenschaufeln, um den Ladeluftkühler während der Fahrt mit Luft zu versorgen. Im Leerlauf bietet die Motorhaubenschaufel jedoch wenig oder gar keinen Nutzen. Selbst wenn sich die atmosphärischen Temperaturen zu erhöhen beginnen, neigen Top-Mount-Ladeluftkühler dazu, im Vergleich zu einem Front-Mount-Ladeluftkühler eine schlechtere Kühlleistung zu erreichen. Mit einer größeren Distanz zwischen Turbolader und Drosselklappe kann die umgewälzte Luft mehr Zeit zum Kühlen bekommen und ist nicht in der Nähe von Hochtemperaturpunkten des Autos montiert. Frontkühler bieten somit eine günstigere Kühlung als ein Topkühler.
Wasser-Einspritzung
Eine Alternative zur Zwischenkühlung ist das Einspritzen von Wasser in die Ansaugluft, um die Temperatur zu senken. Diese Methode wurde in Automobil- und Luftfahrzeuganwendungen eingesetzt.
Methanol-Einspritzung
Methanol-/Wasser-Einspritzung gibt es seit den 1920er Jahren, wurde jedoch erst im Zweiten Weltkrieg eingesetzt. Die Einspritzung in den Ansaugtrakt von turbogeladenen Motoren senkte die Betriebstemperaturen und erhöhte die Leistung. Turbomotoren haben heutzutage einen hohen Ladedruck und hohe Motortemperaturen. Beim Einspritzen des Gemisches in den Ansaugtrakt wird die Luft gekühlt, während die Flüssigkeiten verdampfen. Innerhalb des Brennraums verlangsamt es die Entzündung und wirkt ähnlich wie Kraftstoff mit höherer Oktanzahl. Methanol-/Wasser-Gemisch ermöglicht eine höhere Kompression aufgrund der weniger zur Selbstentzündung neigenden und somit sichereren Verbrennung im Motor.
Verhältnis von Kraftstoff und Luft
Neben der Verwendung von Ladeluftkühlern ist es allgemein üblich, der Einlassluft (bekannt als „Motor läuft fett“) zusätzlichen Kraftstoff zur Kühlung zuzuführen. Die Menge an zusätzlichem Kraftstoff variiert, verringert jedoch typischerweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf 11 bis 13 anstelle der stöchiometrischen 14,7 (bei Benzinmotoren). Der zusätzliche Kraftstoff wird nicht verbrannt (da nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um die chemische Reaktion abzuschließen). Stattdessen geht der überschüssige Kraftstoff von einem flüssigem zu einem gasförmigem Aggregatzustand über. Diese Phasenänderung absorbiert Wärme, und die hinzugefügte Masse des zusätzlichen Kraftstoffs verringert die durchschnittliche Wärmeenergie der Ladung und des Abgases. Selbst wenn ein Katalysator verwendet wird, erhöht die Praxis eines fetten Motors die Abgasemissionen.
Wastegate
Ein Wastegate reguliert den Abgasstrom, der in die abgasseitige Antriebsturbine eintritt, und damit den Lufteinlass in den Krümmer und den Aufladegrad. Die meisten Serienfahrzeuge verwenden eine einzelne, federbelastete Vakuumschlauchbefestigungsmembran, die einzeln geöffnet werden kann. Somit wird der Overboost durch genau den Abgasdruck begrenzt, welcher nötig ist, um das Wastegate zu öffnen.
Blowoff-Ventil
Bei Turbomotoren, die bei Volllast und hoher Drehzahl arbeiten, ist eine große Luftmasse erforderlich, um zwischen dem Turbolader und dem Einlass des Motors strömen zu können. Wenn die Drosselklappe geschlossen ist, strömt Druckluft ohne Ausgang zur Drosselklappe (d.h. die Luft kann nirgendwohin entweichen).
In dieser Situation kann der Ladedruck den Systemdruck auf ein Niveau anheben, das Schäden verursachen kann. Dies liegt daran, dass wenn der Druck hoch genug ansteigt, ein Abwürgen des Kompressors auftritt – gespeicherte Druckluft dekomprimiert sich rückwärts über das Flügelrad und aus dem Einlass heraus. Durch den umgekehrten Rückstrom über den Turbolader wird die Drehzahl der Turbinenwelle abgebremst, was den Turbolader möglicherweise beschädigt.
Um dies zu verhindern, wird zwischen Turbolader und Einlass ein Ventil eingebaut, das den Überdruck abbläst. Diese sind als Bypass, Turbo-Überdruckventil, Blowoff-Ventil (BOV) oder Ablassventil bekannt.
Dieses Ventil dient hauptsächlich dazu, das Hochdrehen des Turboladers aufrecht zu erhalten. Die Luft wird normalerweise in den Turbolader-Einlass zurückgeführt (Umlenk- oder Bypass-Ventile), kann aber auch in die Atmosphäre abgelassen werden (Blowoff-Ventil). Die Rückführung in den Turbolader-Einlass ist bei einem Motor erforderlich, der ein Einspritzsystem mit Luftmassenstrom verwendet, da das Ablassen der überschüssigen Luft stromabwärts des Luftmassenstromsensors ein übermäßig fettes Kraftstoffgemisch verursacht, da der Luftmassenmesser bereits die zusätzliche Luft berücksichtigt hat, die nun nicht mehr verwendet wird. Ventile, die die Luft zurückführen, verkürzen auch die Zeit, die erforderlich ist, um den Turbolader nach einer plötzlichen Motorverzögerung wieder zu beschleunigen, da die Belastung des Turboladers bei aktivem Ventil viel geringer ist, als wenn die Luftladung in die Atmosphäre entweicht.
Free Floating
Ein Free floating-Turbolader ist der einfachste Turbolader. Diese Konfiguration hat kein Wastegate und kann ihre eigenen Ladedruckstufen nicht steuern. Free floating-Lader sind normalerweise so ausgelegt, dass sie bei Vollgas den maximalen Schub erreichen. Sie erzeugen mehr Leistung, weil sie weniger Gegendruck haben, sind aber in Performance-Setups ohne externes Wastegate nicht fahrbar.
Anwendungen
Autos mit Benzinantrieb
Der erste PKW mit Turbolader war die Oldsmobile Jetfire-Option des 1962-1963 F85/Cutlass, bei der ein Turbolader verwendet wurde, der am 215cu-V8 aus Aluminium mit 3,52 Liter Hubraum montiert war. Ebenfalls 1962 führte Chevrolet eine spezielle Serie von Corvairs mit zusätzlichem Turbolader für die luftgekühlten Sechszylindermotoren ein. Ursprünglich hießen die Modelle Monza Spyder (1962–1964) und wurden später in Corsa (1965–1966) umbenannt. Dieses Modell machte den Turbolader in Nordamerika populär – und bereitete die Bühne für spätere Modelle mit Turbolader von Porsche (mit dem 911/930 von 1975), Saab (Saab 99 Turbo von 1978–1984) und dem sehr beliebten Buick Regal/T-Typ von 1978–1987/Grand National. Heute ist die Aufladung von Diesel- und Benzinfahrzeugen üblich. Die Aufladung kann die Leistungsabgabe für eine gegebene Kapazität erhöhen oder die Kraftstoffeffizienz erhöhen, indem ein Motor mit kleinerem Hubraum verbaut wird. Der „Motor des Jahres 2011“ war ein Motor, der in einem Fiat 500 verwendet wurde und mit einem MHI-Turbolader ausgestattet war. Dieser Motor hatte 10% an Gewicht verloren, wodurch der Kraftstoffverbrauch um bis zu 30% gesenkt werden konnte, während er dieselbe Leistung (105 PS) wie ein 1,4-Liter-Motor lieferte.
Dieselbetriebene Autos
Der erste Serien-Turbolader-Diesel-Pkw war der 1978 eingeführte Mercedes 300SD mit einem Garrett-Turbolader. Heute sind die meisten Automobildiesel mit Turboaufladung ausgestattet, da die Effizienz, das Fahrverhalten und die Leistung hierdurch deutlich verbessert und somit die Popularität von Dieselfahrzeugen stark gesteigert wurde. Der Audi R10 mit Dieselmotor gewann 2006, 2007 und 2008 sogar das 24-Stunden-Rennen von Le Mans.
Motorräder
Das erste Beispiel eines Motorrades mit Turbolader ist die Kawasaki Z1R TC von 1978. Mehrere japanische Unternehmen stellten Anfang der 80er Jahre turboaufgeladene Hochleistungs-Motorräder her, beispielsweise die CX500 Turbo von Honda – ein quer montierter, flüssigkeitsgekühlter V-Twin, der auch als reiner Sauger erhältlich war. Seitdem wurden nur wenige aufgeladene Motorräder produziert. Dies ist zum Teil auf das enorme Angebot von Saugmotoren zurückzuführen, die die Drehmoment- und Leistungsvorteile eines Motors mit kleinerem Hubraum mit Turbolader bieten, jedoch die lineare Leistungsentfaltung der Sauger liefern. Der niederländische Hersteller EVA Motorcycles baut eine kleine Serie von Dieselmotorrädern mit einem turboaufgeladenen 800-cm³-CDI-Motor.
Lastwagen
Der erste aufgeladene Diesel-Lkw wurde 1938 von der Schweizer Maschinenfabrik Saurer produziert.
Flugzeug
Eine natürliche Verwendung des Turboladers – und seine früheste bekannte Verwendung für Verbrennungsmotoren, beginnend mit experimentellen Installationen in den 1920er Jahren – liegt bei Flugzeugtriebwerken. Wenn ein Flugzeug in größere Höhen steigt, fällt der Druck der umgebenden Luft schnell ab. Auf 5.486 Metern Höhe befindet sich die Luft auf halbem Druck des Meeresspiegels und die Flugzeugzelle erfährt nur den halben aerodynamischen Luftwiderstand. Da jedoch die Ladung in den Zylindern durch den vorhandenen Luftdruck hineingedrückt wird, erzeugt der Motor bei Vollgas in dieser Höhe normalerweise nur die halbe Leistung. Piloten möchten den niedrigen Luftwiderstand in großen Höhen nutzen, um schneller zu fliegen, aber ein Saugmotor erzeugt in derselben Höhe nicht genug Leistung, um dies zu erreichen.
Ein Turbolader behebt dieses Problem, indem er die Luft zurück auf Meeresspiegel-Druck (Turbonormalisierung) oder sogar höher (Turboladedruck) komprimiert, um die Nennleistung auch in großer Höhe zu erzeugen. Da die Größe des Turboladers so gewählt wird, dass er einen bestimmten Druck in großer Höhe erzeugt, ist der Turbolader für geringe Höhe übergroß. Die Geschwindigkeit des Turboladers wird durch ein Wastegate gesteuert. Frühe Systeme verwendeten ein festes Wastegate, was zu einem Turbolader führte, der fast wie ein Kompressor funktionierte. Spätere Systeme verwendeten ein einstellbares Wastegate, das entweder manuell vom Piloten oder von einem automatischen Hydraulik- oder Elektrosystem gesteuert wurde. Wenn sich das Flugzeug in geringer Höhe befindet, ist das Wastegate in der Regel vollständig geöffnet und entlüftet alle Abgase über Bord. Wenn das Flugzeug steigt und die Luftdichte abnimmt, muss das Wastegate kontinuierlich in kleinen Schritten geschlossen werden, um die volle Leistung aufrechtzuerhalten. Die Höhe, bei der das Wastegate vollständig schließt und der Motor immer noch volle Leistung erzeugt, ist die kritische Höhe. Wenn das Flugzeug über die kritische Höhe steigt, nimmt die Motorleistung mit zunehmender Höhe ab, genau wie dies bei einem Saugmotor der Fall wäre.
Bei älteren aufgeladenen Flugzeugen ohne Automatic Boost Control muss der Pilot die Drossel kontinuierlich einstellen, um den erforderlichen Krümmerdruck während des Auf- oder Abstiegs aufrechtzuerhalten. Der Pilot muss auch darauf achten, den Motor nicht zu stark zu belasten und Schäden vorzubeugen. Im Gegensatz dazu verwenden moderne Turboladersysteme ein automatisches Wastegate, das den Krümmerdruck innerhalb der vom Hersteller vorgegebenen Parameter regelt. Solange das Steuersystem ordnungsgemäß funktioniert und die Steuerbefehle des Piloten sanft und vorsätzlich ablaufen, kann ein Turbolader bei diesen Systemen den Motor nicht überladen und beschädigen.
Bei den meisten Triebwerken des Zweiten Weltkrieges wurden jedoch Kompressoren verwendet, da sie gegenüber den Turboladern, die größer waren, drei wesentliche Fertigungsvorteile aufwiesen, zusätzliche Rohrleitungen aufwiesen und im Turbinen- und Vorturbinenbereich der Abgasanlage exotische Hochtemperaturwerkstoffe benötigten. Allein die Größe der Rohrleitungen ist ein ernstes Problem. Die amerikanischen Kämpfer Vought F4U und Republic P-47 verwendeten den gleichen Motor, aber der riesige, fassartige Rumpf des letzteren war teilweise erforderlich, um die Rohrleitungen zum und vom Turbolader im Heck des Flugzeugs zu halten. Kolbenmotoren mit Turbolader unterliegen auch vielen der gleichen Betriebsbeschränkungen wie Gasturbinentriebwerke. Piloten müssen sanfte, langsame Gaseinstellungen vornehmen, um ein Übersteuern des Krümmerdrucks des Ziels zu vermeiden. Das Kraftstoff / Luft-Gemisch muss häufig weit auf die fette Seite der stöchiometrischen Verbrennung eingestellt werden, um eine Vorzündung oder Detonation im Motor zu vermeiden, wenn mit hohen Leistungseinstellungen gearbeitet wird. Bei Systemen, die ein manuell betriebenes Wastegate verwenden, muss der Pilot darauf achten, dass die maximale Drehzahl des Turboladers nicht überschritten wird. Die zusätzlichen Systeme und Rohrleitungen erhöhen die Größe, das Gewicht, die Komplexität und die Kosten eines Flugzeugmotors. Ein turbogeladenes Flugzeugtriebwerk kostet mehr Wartung als ein vergleichbarer Saugmotor. Die große Mehrheit der amerikanischen schweren Bomber des Zweiten Weltkriegs, die von den USAAF eingesetzt wurden, insbesondere die mit B-17 Flying Fortress von Wright R-1820 Cyclone-9 angetriebene Bombe und Pratt & Whitney R-1830 von Twin Wasp, die B-24-Liberator-Viermotor-Bomber beide verwendeten ähnliche Modelle von von General Electric entworfenen Turboladern im Einsatz, ebenso wie der zweimotorige Lockheed P-38 Lightning American Kämpfer von Allison V-1710 während der Kriegsjahre.
Es ist zu beachten, dass alle oben genannten Flugzeugmotoren aus dem Zweiten Weltkrieg mechanisch angetriebene Zentrifugal-Kompressoren hatten, wie sie von Anfang an entworfen wurden, und die Turbolader (mit Intercoolers) wurden hinzugefügt, um die gewünschte Höhenleistung zu erreichen.
Heutzutage werden die meisten mit Luftmotoren betriebenen Flugmotoren mit Luftmotoren natürlich angesaugt. Moderne Luftfahrtkolbenmotoren, die für den Betrieb in großen Höhen ausgelegt sind, umfassen normalerweise einen Turbolader (entweder Hochdruck oder Turbonormalisierung) und nicht einen Kompressor. Denken ist weitgehend auf die Wirtschaft zurückzuführen. Das Flugbenzin war einst reichlich und billig und bevorzugte den einfachen, aber spritfressenden Kompressor. Mit steigenden Kraftstoffkosten geriet der Kompressor in Ungnade.
Turbolader nehmen häufig einen Leistungsbereich ein, der zwischen demjenigen von Kolbenmotoren mit normalem Saugmotor und Turbinenflugzeugen liegt. Trotz der negativen Punkte fliegen turboaufgeladene Flugzeuge höher, um die Effizienz zu steigern. Ein hoher Reiseflug bietet auch mehr Zeit für die Beurteilung von Problemen, bevor eine Notlandung durchgeführt werden muss.
Wenn Flugzeuge mit Turbolader jedoch steigen, kann der Pilot (oder Autopilot) das Wastegate schließen, wodurch mehr Abgas durch die Laderturbine gedrückt wird, wodurch der Krümmerdruck während des Steigfluges aufrechterhalten wird, zumindest bis die kritische Druckhöhe erreicht ist (Wastegate ist vollständig geschlossen), woraufhin der Krümmerdruck abfällt. Mit solchen Systemen können moderne Hochleistungs-Kolbenmotorflugzeuge in bis zu 7.600 Metern Höhe fliegen (oberhalb dieser Höhe wäre eine RVSM-Zertifizierung erforderlich) und die geringe Luftdichte und den resultierenden niedrigeren Luftwiderstand nutzen um höhere Fluggeschwindigkeiten zu erreichen. Zusätzlich erlaubt des dem Piloten, „über dem Wetter“ zu fliegen und Luftdruckschwankungen zu minimieren. Bei manuell gesteuerten Wastegate-Systemen muss der Pilot darauf achten, den Motor nicht zuviel Druck zu geben, was wiederum zur Selbstentzündung und zu Motorschäden führen kann.
Marine- und Landdieselturbolader
Genau wie bei Dieselmotoren in Automobilen, Lastkraftwagen, Traktoren und Booten ist auch bei schweren Maschinen wie Lokomotiven, Schiffen und Hilfsenergieerzeugung Turboaufladung üblich.
Die Aufladung kann die spezifische Leistung und das Leistungsgewicht eines Motors drastisch verbessern, Eigenschaften, die normalerweise bei Dieselmotoren ohne Turboaufladung normalerweise eher schlecht dastehen.
Dieselmotoren arbeiten ohne Fremdzündung, da Dieselkraftstoff kurz vor oder am Ende des Verdichtungshubs eingespritzt und nur durch die Kompressionswärme der Ladeluft gezündet wird. Aus diesem Grund können Dieselmotoren einen viel höheren Ladedruck verwenden als Ottomotoren, die nur durch die Fähigkeit des Motors begrenzt sind, der zusätzlichen Wärme und dem zusätzlichen Druck standzuhalten.
Turbolader werden auch in bestimmten Zweitakt-Dieselmotoren eingesetzt, die normalerweise ein Roots-Gebläse zum Ansaugen benötigen. Bei dieser speziellen Anwendung, hauptsächlich bei Elektro-Dieselmotoren (EMD) der Serien 567, 645 und 710, wird der Turbolader anfangs von der Kurbelwelle des Motors über einen Getriebezug und eine Überholkupplung angetrieben, um Verbrennungsluft bereitzustellen. Nach dem Verbrennungsvorgang und nachdem die Abgase eine ausreichende Wärmeenergie erreicht haben, wird die Überholkupplung automatisch gelöst und der Turbokompressor wird ausschließlich durch die Abgase angetrieben. In EMD-Anwendungen fungiert der Turbolader sowohl als Verdichter für das normale Ansaugen während des Startens und für niedrige Leistungen als auch für die echte Aufladung bei mittleren und hohen Leistungen. Dies ist besonders in großen Höhen von Vorteil, wie man sie oft Eisenbahnen im Westen der USA findet. Es ist möglich, dass der Turbolader bei Bedarf, z.b. für einen starken Anstieg der Motorleistung, vorübergehend in den Verdichtermodus zurückkehrt.
Marktsituation und Verbreitung
Honeywell Turbo Technologies, Borg Warner und Mitsubishi Turbocharger sind die größten Hersteller in Europa und den Vereinigten Staaten. Es wird erwartet, dass mehrere Faktoren zu einer breiteren Akzeptanz von Turboladern durch die Verbraucher beitragen, insbesondere in den USA:
– neue Vorgaben durch Regierungen für Kraftstoffverbrauch und Emissionen
– steigende Ölpreise, Fokus von Verbrauchern auf Kraftstoffeffizienz
– höhere Temperaturtoleranzen für Ottomotoren, Kugellager in der Turbinenwelle und eine variable Geometrie haben die Bedenken hinsichtlich der Fahrbarkeit und dem Praxisnutzen reduziert
Im Jahr 2014 waren 21 Prozent der in Nordamerika verkauften Fahrzeuge mit Turboladern ausgestattet. Bis 2019 wird ein Wachstum auf 38 Prozent erwartet. In Europa wurden im Jahr 2014 67 Prozent aller Fahrzeuge mit Turboladern ausgestattet, bis 2019 sollen es 69 Prozent sein. In der Vergangenheit waren mehr als 90 Prozent der Turbolader-Fahrzeuge Diesel, jedoch nimmt die Akzeptanz bei Benzinern zu.
Die US-Koalition für Advanced Diesel Cars setzt sich für eine technologieneutrale Politik der staatlichen Subventionen für umweltfreundliche Automobiltechnologie ein. Bei Erfolg stützen sich die staatlichen Subventionen auf die CAFE-Standards (Corporate Average Fuel Economy), anstatt bestimmte Technologien wie Elektroautos zu unterstützen. Politische Verschiebungen könnten die Adoptionsprognosen drastisch verändern. Die Turbolader-Verkäufe in den Vereinigten Staaten stiegen, als die Bundesregierung die durchschnittlichen Kraftstoffeinsparungsziele der Unternehmen bis 2016 auf 6,3 Liter pro 100 Kilometer senkte.
Sicherheit
Turboladerausfälle und daraus resultierende hohe Abgastemperaturen zählen zu den anerkannten Ursachen für Fahrzeugbrände.
