Turbolader - Turbocharger

Aufgeschnittene Ansicht eines Luftfolienlager -geträgerten Turbolader

Ein Turbolader (technisch ein Turbolader ), umgangssprachlich als Turbo bekannt , ist eine turbinengetriebene , erzwungene Ansaugvorrichtung, die die Leistung eines Verbrennungsmotors erhöht, indem zusätzliche komprimierte Luft in die Brennkammer gedrückt wird . Diese Verbesserung gegenüber der Leistungsabgabe eines Saugmotors ist darauf zurückzuführen, dass der Kompressor mehr Luft – und proportional mehr Kraftstoff – in die Brennkammer pressen kann als der Atmosphärendruck (und in diesem Zusammenhang die Staulufteinlässe ) allein.

Hersteller verwenden Turbolader häufig in Lastwagen, Autos, Zügen, Flugzeugen und Baumaschinenmotoren. Sie werden am häufigsten bei Otto - und Diesel - Verbrennungsmotoren verwendet .

Geschichte

Die erzwungene Induktion stammt aus dem späten 19. Jahrhundert, als Gottlieb Daimler 1885 die Technik patentierte, eine zahnradgetriebene Pumpe zu verwenden, um Luft in einen Verbrennungsmotor zu drücken.

Das Patent von 1905 von Alfred Büchi , einem Schweizer Ingenieur bei Gebrüder Sulzer (heute einfach Sulzer genannt) wird oft als Geburtsstunde des Turboladers angesehen. Dieses Patent wurde für eine Verbindung Sternmotor mit einem abgasbetriebenen axialen Strömungsturbine und Verdichter montiert auf einer gemeinsamen Welle. Der erste Prototyp wurde 1915 mit dem Ziel fertiggestellt, den Leistungsverlust von Flugzeugtriebwerken aufgrund der geringeren Luftdichte in großen Höhen zu überwinden. Der Prototyp war jedoch nicht zuverlässig und erreichte nicht die Produktion. Ein weiteres frühes Patent für Turbolader wurde 1916 vom französischen Dampfturbinen-Erfinder Auguste Rateau für deren beabsichtigte Verwendung in den Renault-Motoren französischer Kampfflugzeuge angemeldet. Unabhängig davon zeigten 1917 Tests des American National Advisory Committee for Aeronautics und Sanford Alexander Moss , dass ein Turbolader es einem Triebwerk ermöglichen kann, in einer Höhe von bis zu 4.250 m (13.944 ft .) jeden Leistungsverlust (im Vergleich zur Leistung auf Meereshöhe) zu vermeiden ) Über dem Meeresspiegel. Die Tests wurden am Pikes Peak in den Vereinigten Staaten mit dem V12 Liberty-Flugzeugmotor durchgeführt .

Die erste kommerzielle Anwendung eines Turboladers erfolgte 1925, als Alfred Büchi erfolgreich Turbolader an Zehnzylinder-Dieselmotoren anbaute und die Leistung von 1.300 auf 1.860 Kilowatt (1.750 auf 2.500 PS) steigerte. Dieser Motor wurde vom Bundesverkehrsministerium für zwei große Fahrgastschiffe namens "Preussen" und "Hansestadt Danzig" verwendet. Das Design wurde an mehrere Hersteller lizenziert und Turbolader begannen, in Schiffs-, Triebwagen- und großen stationären Anwendungen eingesetzt zu werden.

Turbolader wurden während des Zweiten Weltkriegs an mehreren Flugzeugtriebwerken verwendet, beginnend mit der Boeing B-17 Flying Fortress im Jahr 1938, die Turbolader von General Electric verwendete. Andere frühe Flugzeuge mit Turbolader waren die B-24 Liberator , P-38 Lightning , P-47 Thunderbolt und die experimentellen Focke-Wulf Fw 190- Prototypen.

Die erste praktische Anwendung für Lkw realisierte der Schweizer Lkw-Hersteller Adolph Saurer AG in den 1930er Jahren. BXD- und BZD-Motoren wurden ab 1931 mit optionaler Turboaufladung hergestellt. Die Schweizer Industrie spielte bei Turboladermotoren eine Vorreiterrolle, wie Sulzer, Saurer und Brown, Boveri & Cie. , ABB heute , bezeugen .

Die Automobilhersteller begannen in den 1950er Jahren mit der Forschung an turboaufgeladenen Motoren, jedoch konnten die Probleme des "Turbolochs" und der sperrigen Größe des Turboladers damals nicht gelöst werden. Die ersten Autos mit Turbolader waren der kurzlebige Chevrolet Corvair Monza und der Oldsmobile Jetfire, der 1962 eingeführt wurde. Nach der Ölkrise von 1973 und den Änderungen des Luftreinhaltungsgesetzes von 1977 wurde die Turboaufladung in Automobilen immer häufiger, um Kraftstoffverbrauch und Abgase zu reduzieren Emissionen.

Turboaufladung versus Aufladung

Turbolader wurden ursprünglich als bekannt Turbolader , da alle Zwangsinduktionsgeräte als Ladern klassifiziert sind. Technisch gesehen sind Turbolader Kompressoren, jedoch wird der Begriff „ Lader “ heute typischerweise nur auf mechanisch angetriebene Zwangseinleitungsvorrichtungen angewendet. Der Hauptunterschied zwischen einem Turbolader und einem herkömmlichen Kompressor besteht darin, dass ein Kompressor mechanisch vom Motor angetrieben wird, oft über einen mit der Kurbelwelle verbundenen Riemen , während ein Turbolader von einer Turbine angetrieben wird, die vom Abgas des Motors angetrieben wird . Im Vergleich zu einem mechanisch angetriebenen Kompressor neigen Turbolader dazu, weniger reaktionsschnell zu sein. Twincharger bezeichnet einen Motor mit Kompressor und Turbolader. Riemen, Ketten, Wellen und Zahnräder sind gängige Methoden zum Antreiben eines Kompressors, wodurch der Motor mechanisch belastet wird. Beim einstufigen, einstufigen, aufgeladenen Rolls-Royce Merlin- Motor beispielsweise verbraucht der Kompressor etwa 150 PS (110 kW). Doch der Nutzen überwiegt die Kosten; für die 150 PS (110 kW) zum Antrieb des Kompressors erzeugt der Motor zusätzlich 400 PS (300 kW), ein Nettogewinn von 250 PS (190 kW). Hier zeigt sich der Hauptnachteil eines Kompressors; Der Motor muss der Nettoleistung des Motors plus der Leistung zum Antrieb des Kompressors standhalten.

Ein weiterer Nachteil einiger Kompressoren ist der geringere adiabatische Wirkungsgrad im Vergleich zu Turboladern (insbesondere Roots-Lader ). Der adiabatische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Fähigkeit eines Kompressors, Luft zu komprimieren, ohne dieser Luft überschüssige Wärme zuzuführen. Auch unter idealen Bedingungen führt der Verdichtungsprozess immer zu einer erhöhten Ausgangstemperatur; effizientere Kompressoren produzieren jedoch weniger überschüssige Wärme. Roots-Kompressoren geben der Luft deutlich mehr Wärme als Turbolader. Somit ist die aufgeladene Luft bei einem gegebenen Volumen und Druck von Luft kühler und infolgedessen dichter, sie enthält mehr Sauerstoffmoleküle und daher mehr potenzielle Leistung als die aufgeladene Luft. In der Praxis kann die Diskrepanz zwischen beiden dramatisch sein, wobei Turbolader oft allein aufgrund der Unterschiede im adiabatischen Wirkungsgrad 15 bis 30 % mehr Leistung produzieren (allerdings tritt aufgrund der Wärmeübertragung vom heißen Abgas eine erhebliche Erwärmung auf). Dies ist jedoch in erster Linie eine Unterscheidung des Verdichtertypen anstatten Kompressorantriebsmechanismus: ein Zentrifugal-Lader - Kompressor ist nahezu identisch mit einem Turboladerverdichter, mit ähnlichen Austrittslufttemperaturen, aber mit dem ähnlichen Nachteile der geringen Verstärkung bei niedrigeren Motordrehzahlen.

Im Vergleich dazu belastet ein Turbolader den Motor nicht direkt, obwohl Turbolader den Motor mit Abgasgegendruck belasten, was die Pumpverluste erhöht. Dies ist effizienter, da der erhöhte Gegendruck zwar den Kolbenauspuffhub belastet, ein Großteil der die Turbine antreibenden Energie jedoch durch das sich noch ausdehnende Abgas bereitgestellt wird, das ansonsten als Wärme durch das Endrohr verschwendet würde. Im Gegensatz zur Aufladung ist der Hauptnachteil der Turboaufladung die sogenannte „Lag“ oder „Spool Time“. Dies ist die Zeit zwischen der Anforderung einer Leistungssteigerung (das Öffnen der Drosselklappe) und dem (den) Turbolader(n), die einen erhöhten Ansaugdruck und damit eine erhöhte Leistung bereitstellen.

Eine Drosselverzögerung tritt auf, weil Turbolader auf den Aufbau von Abgasdruck angewiesen sind, um die Turbine anzutreiben. In Systemen mit variabler Ausgangsleistung, wie beispielsweise 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 (U/min) erreicht, beginnt die Turbinensektion hochzuspulen oder schnell genug zu drehen, um einen Ansaugdruck über dem Atmosphärendruck zu erzeugen.

Eine Kombination aus einem abgasbetriebenen Turbolader und einem motorbetriebenen Kompressor kann die Schwächen beider mildern. Diese Technik wird Zwillingsladung genannt .

Bei den Zweitaktmotoren von Electro-Motive Diesel handelt es sich bei dem mechanisch unterstützten Turbolader nicht speziell um einen Doppellader, da der Motor die mechanische Unterstützung zum Aufladen der Luft nur bei niedrigeren Motordrehzahlen und beim Start nutzt. Über der Kerbe # 5 verwendet der Motor echte Turboaufladung. Dies unterscheidet sich von einem Turbolader, der den Verdichterteil des Turboverdichters nur beim Starten nutzt und da Zweitaktmotoren nicht selbst ansaugen können, und nach SAE-Definitionen von einem Zweitaktmotor mit mechanisch unterstütztem Verdichter im Leerlauf und bei niedriger Drehzahl Gas wird als Saugmotor betrachtet.

Neuere Kompressoren werden elektrisch angetrieben, was den Einsatz nur bei niedrigen Drehzahlen erleichtert, wenn das Turboloch ein Problem darstellt. Turbolader, die einen Elektroantrieb für den langsamen Betrieb beinhalten, werden ebenfalls kommerzialisiert.

Funktionsprinzip

Bei Kolbenmotoren mit Saugmotor werden Ansauggase durch atmosphärischen Druck in den Motor gezogen oder "gedrückt", um den durch den Abwärtshub des Kolbens verursachten volumetrischen Hohlraum (der einen Niederdruckbereich erzeugt) zu füllen, ähnlich wie beim Ziehen von Flüssigkeit mit einer Spritze. Die tatsächlich angesaugte Luftmenge im Vergleich zur theoretischen Menge, wenn der Motor den Atmosphärendruck aufrechterhalten könnte, wird als volumetrischer Wirkungsgrad bezeichnet . Das Ziel eines Turboladers besteht darin, den volumetrischen Wirkungsgrad eines Motors zu verbessern, indem der Druck des Ansauggases (normalerweise Luft) erhöht wird, wodurch mehr Leistung pro Motorzyklus ermöglicht wird.

Der Verdichter des Turboladers saugt Umgebungsluft an und verdichtet sie, bevor sie mit erhöhtem Druck in das Saugrohr eintritt . Dies führt dazu, dass bei jedem Ansaugtakt eine größere Luftmasse in die Zylinder eintritt. Die zum Drehen des Radialverdichters benötigte Leistung wird aus der kinetischen Energie der Abgase des Motors gewonnen.

In Automobilanwendungen bezieht sich „Boost“ auf den Betrag, um den der Ansaugkrümmerdruck den atmosphärischen Druck auf Meereshöhe übersteigt . Dies ist repräsentativ für den zusätzlichen Luftdruck, der gegenüber dem erreicht wird, was ohne die erzwungene Induktion erreicht würde. Der Ladedruck kann auf einem Manometer angezeigt werden, normalerweise in bar , psi oder möglicherweise kPa. Die Steuerung des Turbolader-Boosts hat sich in den mehr als 100 Jahren ihres Einsatzes dramatisch verändert. Moderne Turbolader können Wastegates , Blow-Off-Ventile und eine variable Geometrie verwenden, wie in späteren Abschnitten beschrieben.

Bei Turboladeranwendungen mit Ottomotoren wird der Ladedruck begrenzt, um das gesamte Motorsystem, einschließlich des Turboladers, innerhalb seines thermischen und mechanischen Auslegungsbetriebsbereichs zu halten . Ein zu starkes Aufladen eines Motors verursacht häufig auf verschiedene Weise Schäden am Motor, einschließlich Frühzündung, Überhitzung und Überbeanspruchung der internen Hardware des Motors. Um beispielsweise ein Motorklopfen (auch als Detonation bezeichnet) und die damit verbundene physische Beschädigung des Motors zu vermeiden , darf der Saugrohrdruck nicht zu hoch werden, daher muss der Druck am Saugrohr des Motors auf irgendeine Weise geregelt werden. Durch das Öffnen des Wastegates kann die überschüssige Energie, die für die Turbine bestimmt ist, umgeleitet und direkt in das Abgasrohr geleitet werden, wodurch der Ladedruck reduziert wird. Das Wastegate kann entweder manuell gesteuert werden (häufig in Flugzeugen verwendet) oder durch einen Aktuator (in Automobilanwendungen wird es oft durch das Motorsteuergerät gesteuert ).

Druckerhöhung (oder Boost)

Ein Turbolader kann auch verwendet werden, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, ohne die Leistung zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem Abgasenergie aus dem Verbrennungsprozess abgeleitet und in die "heiße" Ansaugseite des Turbos zurückgeführt wird, die die Turbine dreht. Da die heiße Turbinenseite durch die Abgasenergie angetrieben wird, komprimiert die kalte Einlassturbine (die andere Seite des Turbos) frische Ansaugluft und treibt sie in den Einlass des Motors. Durch die Verwendung dieser ansonsten verschwendeten Energie zur Erhöhung der Luftmasse wird es einfacher sicherzustellen, dass der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, bevor er zu Beginn der Abgasstufe entlüftet wird. Die erhöhte Temperatur durch den höheren Druck ergibt eine höhere Carnot- Effizienz.

Eine verringerte Dichte der Ansaugluft wird durch den Verlust der atmosphärischen Dichte verursacht, der in größeren Höhen beobachtet wird. Somit ist eine natürliche Verwendung des Turboladers bei Flugzeugtriebwerken . Steigt ein Flugzeug in größere Höhen, sinkt der Druck der umgebenden Luft schnell ab. Auf 18.000 Fuß (5.500 m) hat die Luft den halben Druck des Meeresspiegels, was bedeutet, dass der Motor in dieser Höhe weniger als die halbe Leistung erzeugt. In Flugzeugtriebwerken wird Turboaufladung üblicherweise verwendet, um den Krümmerdruck bei steigender Höhe aufrechtzuerhalten (dh um Luft mit geringerer Dichte in höheren Höhen auszugleichen). Da der Atmosphärendruck beim Steigen des Flugzeugs abnimmt, sinkt die Leistung bei Saugmotoren in Abhängigkeit von der Höhe. Systeme, die einen Turbolader verwenden, um die Leistung eines Motors auf Meereshöhe aufrechtzuerhalten, werden als turbonormalisierte Systeme bezeichnet. Im Allgemeinen versucht ein turbonormalisiertes System, einen Krümmerdruck von 29,5 inHg (100 kPa) aufrechtzuerhalten.

Turboladerverzögerung

Turboladerverzögerung ( Turboloch ) ist die Zeit, die erforderlich ist, um die Leistungsabgabe als Reaktion auf eine Drosselklappenänderung zu ändern, was als Verzögerung oder verlangsamte Drosselklappenreaktion beim Beschleunigen im Vergleich zu einem Saugmotor wahrgenommen wird . Dies liegt an der Zeit, die Abgasanlage und Turbolader benötigen, um den erforderlichen Ladedruck zu erzeugen, der auch als Spooling bezeichnet wird. Trägheit, Reibung und Kompressorlast sind die Hauptursachen für die Verzögerung des Turboladers. Kompressoren haben dieses Problem nicht, da die Turbine entfällt, da der Kompressor direkt vom Motor angetrieben wird.

Turboladeranwendungen können in solche eingeteilt werden, die Änderungen der Ausgangsleistung erfordern (z. B. Automobil) und solche, die dies nicht tun (z. B. Schifffahrt, Flugzeug, Nutzfahrzeuge, Industrie, Motorgeneratoren und Lokomotiven). Obwohl sie in unterschiedlichem Maße wichtig ist, ist die Turboladerverzögerung am problematischsten bei Anwendungen, die schnelle Änderungen der Leistungsabgabe erfordern. Motorkonstruktionen reduzieren die Verzögerung auf verschiedene Weise:

  • Verringerung der Rotationsträgheit des Turboladers durch Verwendung von Teilen mit geringerem Radius und Keramik und anderen leichteren Materialien
  • Seitenverhältnis der Turbine ändern
  • Erhöhung des Luftdrucks im Oberdeck (Kompressorauslass) und Verbesserung der Wastegate-Reaktion
  • Reduzierung der Lagerreibungsverluste, z. B. durch Verwendung eines Folienlagers anstelle eines herkömmlichen Öllagers
  • Verwendung von Turboladern mit variabler Düse oder Twin-Scroll
  • Verringern des Volumens der Oberdeckverrohrung
  • Verwendung mehrerer Turbolader nacheinander oder parallel
  • Verwenden eines Anti-Lag-Systems
  • Verwendung eines Turbolader-Schieberventils zur Erhöhung der Abgasströmungsgeschwindigkeit zur (Twin-Scroll-)Turbine
  • Verwenden einer Drosselklappe , um Abgas durch einen kleineren Durchgang im Turboeinlass zu drücken

Manchmal wird das Turboloch mit Motordrehzahlen verwechselt, die unter dem Boost-Schwellenwert liegen. Wenn die Motordrehzahl unter der Ladeschwellen-U/min eines Turboladers liegt, kann die Zeit, die das Fahrzeug benötigt, um Geschwindigkeit und U/min aufzubauen, beträchtlich sein, vielleicht sogar mehrere zehn Sekunden für ein schweres Fahrzeug, das bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit in einem hohen Gang startet. Dieses Warten auf die Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit ist kein Turboloch, es ist eine falsche Gangwahl für die Ladeanforderung. Sobald das Fahrzeug eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht hat, um die erforderliche Drehzahl zum Erreichen des Boost-Schwellenwerts bereitzustellen, gibt es eine viel kürzere Verzögerung, während der Turbo selbst Rotationsenergie aufbaut und in einen positiven Boost übergeht. Nur dieser letzte Teil der Verzögerung beim Erreichen eines positiven Boosts ist der Turbo Verzögerung.

Boost-Schwelle

Die Ladeschwelle eines Turboladersystems ist die untere Grenze des Bereichs, in dem der Kompressor arbeitet. Unterhalb einer bestimmten Durchflussmenge erzeugt ein Kompressor einen unbedeutenden Schub. Dadurch wird der Ladedruck bei einer bestimmten Drehzahl unabhängig vom Abgasdruck begrenzt. Neuere Turbolader- und Motorentwicklungen haben die Ladeschwellen stetig reduziert.

Elektrisches Boosten ("E-Boosting") ist eine neue Technologie in der Entwicklung. Er bringt den Turbolader über einen Elektromotor schneller auf Betriebsdrehzahl, als dies mit den verfügbaren Abgasen möglich ist. Eine Alternative zum E-Boosting ist die vollständige Trennung von Turbine und Verdichter in Turbinen-Generator und Elektroverdichter wie beim Hybrid-Turbolader . Dies macht die Verdichterdrehzahl unabhängig von der Turbinendrehzahl.

Turbolader beginnen erst dann mit der Aufladung, wenn eine bestimmte Menge kinetischer Energie in den Abgasen vorhanden ist. Ohne einen angemessenen Abgasstrom zum Drehen der Turbinenschaufeln kann der Turbolader nicht die erforderliche Kraft erzeugen, die zum Komprimieren der in den Motor eintretenden Luft erforderlich ist. Die Ladedruckschwelle wird durch den Hubraum des Motors , die Motordrehzahl, die Drosselklappenöffnung und die Größe des Turboladers bestimmt. Die Betriebsdrehzahl (U/min), bei der genügend Abgasimpuls vorhanden ist, um die in den Motor eintretende Luft zu komprimieren, wird als "Boost-Schwellendrehzahl" bezeichnet. Eine Verringerung der "Boost-Schwellendrehzahl" kann die Gasannahme verbessern.

Schlüsselkomponenten

Der Turbolader besteht aus drei Hauptkomponenten:

  1. Die Turbine, die fast immer eine radiale Einströmturbine ist (bei großen Dieselmotoren jedoch fast immer eine einstufige axiale Einströmturbine )
  2. Der Kompressor, der fast immer ein Kreiselkompressor ist
  3. Die rotierende Baugruppe des mittleren Gehäuses/der Nabe

Viele Turboladerinstallationen verwenden zusätzliche Technologien wie Wastegates, Ladeluftkühlung und Blow-Off-Ventile.

Turbine

Links der Ölablassanschluss aus Messing. Auf der rechten Seite befinden sich die geflochtenen Anschlüsse der Ölversorgungsleitung und der Wasserkühlmittelleitung.
Verdichterlaufradseite mit abgenommener Abdeckung.
Turbinenseitiges Gehäuse entfernt.

Die für die Turbinenarbeit bereitgestellte Energie wird aus der Enthalpie und der kinetischen Energie des Gases umgewandelt. Die Turbinengehäuse leiten den Gasstrom durch die Turbine, die sich mit bis zu 250.000 U/min dreht. Die Größe und Form können einige Leistungsmerkmale des gesamten Turboladers diktieren. Oft ist die gleiche Turbolader-Grundbaugruppe vom Hersteller mit mehreren Gehäusevarianten für die Turbine und manchmal auch für die Verdichterabdeckung erhältlich. Dadurch kann die Balance zwischen Leistung, Ansprechverhalten und Effizienz auf die Anwendung zugeschnitten werden.

Die Turbinen- und Laufradgrößen bestimmen auch die Luft- oder Abgasmenge, die durch das System strömen kann, und den relativen Wirkungsgrad, mit dem sie arbeiten. Im Allgemeinen gilt: Je größer das Turbinenrad und das Verdichterrad, desto größer die Durchflusskapazität. Maße und Formen können variieren, ebenso Krümmung und Anzahl der Schaufeln an den Rädern.

Die Leistung eines Turboladers ist eng mit seiner Größe verbunden. Große Turbolader benötigen mehr Wärme und Druck, um die Turbine zu drehen, was bei niedriger Drehzahl zu Verzögerungen führt. Kleine Turbolader drehen 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 Doppelturbolader, Twin-Scroll-Turbolader oder Turbolader mit variabler Geometrie verwendet.

Twin-Turbo

Twin-Turbo- oder Bi-Turbo- Designs haben zwei separate Turbolader, die entweder nacheinander oder parallel arbeiten. In einer parallelen Konfiguration wird beiden Turboladern die Hälfte des Abgases des Motors zugeführt. In einem sequentiellen Setup läuft ein Turbolader mit niedrigen Drehzahlen und der zweite schaltet sich bei einer vorbestimmten Motordrehzahl oder -last ein. Sequentielle Turbolader reduzieren das Turboloch weiter, erfordern jedoch einen komplizierten Satz von Rohren, um beide Turbolader richtig zu versorgen.

Zweistufige variable Biturbos verwenden einen kleinen Turbolader bei niedrigen Drehzahlen und einen großen bei höheren Drehzahlen. Sie sind in Reihe geschaltet, so dass der Ladedruck eines Turboladers mit einem anderen multipliziert wird, daher der Name "2-stufig". Die Abgasverteilung ist stufenlos regelbar, sodass der Übergang vom kleinen zum großen Turbolader schrittweise erfolgen kann. Doppelturbolader werden hauptsächlich in Dieselmotoren eingesetzt. Beim Opel Bi-Turbo-Diesel arbeitet beispielsweise nur der kleinere Turbolader bei niedriger Drehzahl und bietet ein hohes Drehmoment bei 1.500–1.700 U/min. Beide Turbolader arbeiten im mittleren Bereich zusammen, wobei der kleinere die Luft vorverdichtet, die der größere weiter verdichtet. Ein Bypassventil regelt den Abgasstrom zu jedem Turbolader. Bei höherer Drehzahl (2.500 bis 3.000 U/min) läuft nur der größere Turbolader.

Kleinere Turbolader haben weniger Turboloch als größere, daher werden oft zwei kleine Turbolader anstelle eines großen verwendet. Diese Konfiguration ist bei Motoren über 2,5 Liter und bei V-förmigen oder Boxermotoren beliebt.

Doppel-Scroll

Twin-Scroll- oder geteilte Turbolader haben zwei Abgaseinlässe und zwei Düsen, einen kleineren, spitzeren Winkel für schnelles Ansprechverhalten und einen größeren, weniger gewinkelt für Spitzenleistung.

Mit Hochleistungs-Nockenwellensteuerung können Auslassventile in verschiedenen Zylindern gleichzeitig geöffnet werden, wobei 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, physisch, so dass die pulsierenden Abgase durch separate Spiralen (Scrolls) strömen. Mit gemeinsamem Zündfolge 1-3-4-2, zwei Spiralen von ungleichen Länge Paar Zylindern 1 und 4 bzw. 3 und 2. Auf diese Weise können der Motor effizient Abgas verwendet Scavenging - Techniken, die Abgastemperaturen und verringert NO
x
-Emissionen, verbessert den Turbinenwirkungsgrad und reduziert das bei niedrigen Motordrehzahlen sichtbare Turboloch.

Variable-Geometrie

Garrett Turbolader mit variabler Geometrie am DV6TED4-Motor

Turbolader mit variabler Geometrie oder variabler Düse verwenden bewegliche Leitschaufeln, um den Luftstrom zur Turbine anzupassen, wodurch ein Turbolader der optimalen Größe über die gesamte Leistungskurve imitiert wird. Die Leitschaufeln sind wie ein Satz leicht überlappender Wände direkt vor dem Turbinenrad platziert. Ihr Winkel wird von einem Stellglied eingestellt, um den Luftstrom zur Turbine zu blockieren oder zu erhöhen. Diese Variabilität hält eine vergleichbare Abgasgeschwindigkeit und einen vergleichbaren Gegendruck über den gesamten Drehzahlbereich des Motors aufrecht. Das Ergebnis ist, dass der Turbolader die Kraftstoffeffizienz ohne merkliche Turboladerverzögerung verbessert. Ein VGT-Turbolader kann auch als Auspuffbremse wirken, indem er den Auspuff vollständig absperrt, zum Beispiel bei den RAM HD Pickup Trucks, die mit dem Cummins-Dieselmotor ausgestattet sind.

E-Turbo-Technologie

Die E-Turbo-Technologie wird immer praktikabler und praktischer für viele verschiedene Anwendungen und Zwecke. Ein E-Turbo ist ein Turbolader, der sowohl durch Abgase, wie ein herkömmlicher Turbo, als auch durch elektrische Energie angetrieben wird, um die Turbinen zu drehen und einen positiven Luftdruck (Boost) zu erzeugen. Die elektrische Energie wird an zwei Motoren gespeist, die bei extremen Temperaturen von 1.000 °C (1.800 °F) oder höher mit Drehzahlen von 200.000 U/min laufen können. Der Antrieb der Turbinen durch zwei Stromquellen ist ein großer Vorteil für den Durchschnittsfahrer, den gewerblichen Einsatz und im Motorsport. Für den durchschnittlichen Pendler wird der E-Turbo die elektrische Leistung nutzen, damit der Motor effizienter läuft. Diese elektrische Leistung wird verwendet, um den Turbo zu spulen, wenn nicht genügend Abgas vorhanden ist, dieses Gefühl wird allgemein als "Turboverzögerung" bezeichnet. Da E-Turbos die mit herkömmlichen Turbos verbundene Verzögerung beseitigen können, kann die Gesamtgröße des Motors reduziert werden und die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Der Turbo ist nicht mehr vollständig auf Energie angewiesen, die aus den Abgasen kommt. Zwischen der kleineren Motorgröße und der Fähigkeit des elektrischen Turbos, bei Lambda 1 zu arbeiten (im Gegensatz zu herkömmlichen Abgasturboladern), können sie alle Emissionen eines Motors erheblich senken. Ein weiterer Vorteil von E-Turbos ist, dass sie eine kontinuierlichere Drehmomentabgabe bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten sowie ein viermal besseres Einschwingverhalten als ein normaler Turbolader ermöglichen, was in einer kommerziellen Umgebung sehr hilfreich sein könnte. Herkömmlicherweise erreichten Turbolader die Spitzenleistung oft näher am oberen Ende eines Motordrehzahlbereichs als am unteren. Der E-Turbo ermöglicht es dem Fahrer, über den gesamten Drehzahlbereich die gleiche Menge oder das gleiche Drehmoment zur Verfügung zu haben. E-Turbos haben auch den Vorteil, die verschwendete Abgasenergie des Autos zu nutzen und wieder in elektrische Energie umzuwandeln, die später genutzt werden kann. Wie dies genau geschehen soll, ist noch unklar. Garret, das Unternehmen, das diese E-Turbo-Technologie entwickelt, hat der Öffentlichkeit nur wenige Informationen darüber veröffentlicht. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Motoren im Inneren des Turbos als Generatoren fungieren, wenn sie nicht zum Drehen der Turbinen benötigt werden.

Kompressorseite

Der Kompressor saugt Luft aus der Atmosphäre an und komprimiert sie auf über dem Atmosphärendruck. Diese Druckluft wird dann dem Motor zugeführt. Der Verdichter besteht aus einem Laufrad, einem Diffusor und einem Spiralgehäuse.

Der Arbeitsbereich eines Verdichters wird durch das „Verdichterkennfeld“ beschrieben.

Heiß-/Auspuffseite

Die Abgasseite des Turbos, von der die Rotationskraft für die Kompressorturbine kommt. Auf der Abgasseite wird eine Turbine durch das verbrauchte Abgas, das vom Motor produziert wird, gedreht. Diese Turbine ist durch die Mitte eines Turbos durch eine rotierende Welle verbunden. Nachdem der Auspuff die Turbine gedreht hat, geht es weiter in den Auspuff und aus dem Fahrzeug heraus.

Tragbares Leichentuch

Der Durchflussbereich eines Turboladerkompressors kann vergrößert werden, indem Luft aus einem Ring von Löchern oder einer kreisförmigen Nut um den Kompressor an einer Stelle leicht stromabwärts des Kompressoreinlasses (jedoch viel näher am Einlass als am Auslass) entweichen lässt.

Die mit Öffnungen versehene Ummantelung ist eine Leistungssteigerung, die es dem Kompressor ermöglicht, mit deutlich geringeren Durchflussmengen zu arbeiten. Dies wird erreicht, indem eine Simulation des Laufradabrisses erzwungen wird, die kontinuierlich auftritt. Das Entweichen von etwas Luft an dieser Stelle verhindert das Einsetzen von Druckstößen und erweitert den Betriebsbereich. Während Spitzenwirkungsgrade abnehmen können, kann eine hohe Effizienz über einen größeren Bereich von Motordrehzahlen erreicht werden. Eine Erhöhung der Kompressoreffizienz führt zu einer etwas kühleren (dichteren) Ansaugluft, was die Leistung verbessert. Dies ist eine passive Struktur, die ständig geöffnet ist (im Gegensatz zu Kompressorabblaseventilen, die mechanisch oder elektronisch gesteuert werden). Die Fähigkeit des Kompressors, bei niedrigen Drehzahlen einen hohen Ladedruck bereitzustellen, kann ebenfalls geringfügig erhöht werden (da der Kompressor in der Nähe von Drosselbedingungen Luft durch den Entlüftungspfad nach innen saugt). Portierte Ummantelungen werden von vielen Turboladerherstellern verwendet.

Zentralgehäuse/Nabe rotierende Baugruppe

Die Center Nabe Rotating Assembly (CHRA) beherbergt die Welle, die das Verdichterrad und die Turbine verbindet. Es muss auch ein Lagersystem enthalten, um die Welle aufzuhängen, damit sie mit sehr hoher Geschwindigkeit mit minimaler Reibung rotieren kann. Zum Beispiel verwendet das CHRA in Automobilanwendungen typischerweise ein Axiallager oder ein Kugellager, das durch eine konstante Zufuhr von unter Druck stehendem Motoröl geschmiert wird. Der CHRA kann auch als "wassergekühlt" angesehen werden, da er einen Eintritts- und Austrittspunkt für Motorkühlmittel hat. Wassergekühlte Modelle verwenden Motorkühlmittel, um das Schmieröl kühler zu halten und eine mögliche Ölverkokung (zerstörende Destillation von Motoröl) durch die extreme Hitze in der Turbine zu vermeiden . Die Entwicklung von Klimafolienlager entfernt dieses Risiko.

Kugellager, die für hohe Drehzahlen und Temperaturen ausgelegt sind, werden manchmal anstelle von Flüssigkeitslagern verwendet, um die Turbinenwelle zu stützen. Dadurch beschleunigt der Turbolader schneller und reduziert das Turboloch. Einige Turbolader mit variabler Düse verwenden einen rotierenden elektrischen Aktuator, der einen direkten Schrittmotor verwendet, um die Leitschaufeln zu öffnen und zu schließen, anstatt pneumatische Controller, die basierend auf Luftdruck arbeiten.

Zusätzliche Technologien, die üblicherweise in Turboladerinstallationen verwendet werden

Illustration eines typischen Komponentenlayouts in einem Serien-Turbo-Benzinmotor.

Ladeluftkühlung

Position des Luftkühlers bei einem Zweitaktmotor
Position des Luftkühlers bei einem Viertaktmotor
Abbildung der Position des Ladeluftkühlers bei Zwei- und Viertaktmotoren

Wenn der Druck der Ansaugluft des Motors erhöht wird, steigt auch seine Temperatur. Dieses Ereignis kann durch das Gesetz von Gay-Lussac erklärt werden , das besagt, dass der Druck einer bestimmten Gasmenge, die bei konstantem Volumen gehalten wird, direkt proportional zur Kelvin-Temperatur ist. Wenn dem Motor durch den Turbolader mehr Druck zugeführt wird, steigen auch die Gesamttemperaturen des Motors. Darüber hinaus wird die Ansaugluft durch die Abwärme der heißen Abgase, die die Turbine drehen, ebenfalls erwärmt. Je wärmer die Ansaugluft, desto weniger dicht und desto weniger Sauerstoff steht für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung, was den volumetrischen Wirkungsgrad verringert. Eine zu hohe Ansauglufttemperatur verringert nicht nur die Effizienz, sondern führt auch zu Motorklopfen oder Detonation , die für Motoren destruktiv ist.

Um den Temperaturanstieg zu kompensieren, verwenden Turboladereinheiten häufig einen Ladeluftkühler zwischen aufeinanderfolgenden Ladestufen, um die Ansaugluft abzukühlen. Ein Ladeluftkühler ist ein Luftkühler zwischen der/den Ladestufe(n) und dem Gerät, das die Ladeluft verbraucht.

Top-Mount (TMIC) vs. Front-Mount-Ladeluftkühler (FMIC)

Es gibt zwei Bereiche, an denen Ladeluftkühler üblicherweise montiert werden. Es kann entweder oben, parallel zum Motor oder in der Nähe der unteren Front des Fahrzeugs montiert werden. Top-Mount-Ladeluftkühler-Setups führen zu einer Verringerung des Turbolochs, was teilweise darauf zurückzuführen ist, dass der Ladeluftkühler viel näher am Turboladerauslass und am Drosselklappengehäuse liegt. Diese größere Nähe reduziert die Zeit, die die Luft braucht, um durch das System zu strömen, und erzeugt schneller Strom, verglichen mit einem Front-Mount-Ladeluftkühler, der eine größere Entfernung für die Luft hat, um den Auslass und die Drosselklappe zu erreichen.

Front-Mount-Ladeluftkühler können im Vergleich zu Top-Mount-Ladeluftkühlern eine bessere Kühlung bieten. Der Bereich, in dem sich ein oben montierter Ladeluftkühler befindet, befindet sich in der Nähe eines der heißesten Bereiche eines Autos, direkt über dem Motor. Aus diesem Grund bieten die meisten Hersteller große Motorhaubenhutzen an, um dem Ladeluftkühler während der Fahrt Luft zuzuführen, aber im Leerlauf bietet die Motorhaubenhutze wenig bis gar keinen Nutzen. Selbst während der Fahrt, wenn die atmosphärischen Temperaturen zu steigen beginnen, neigen Top-Mount-Ladeluftkühler dazu, im Vergleich zu Front-Mount-Ladeluftkühlern schlechter zu funktionieren. Je länger die Fahrtstrecke ist, desto mehr Zeit hat die Luft, die durch einen Front-Mount-Ladeluftkühler zirkuliert, zum Abkühlen.

Methanol/Wasser-Einspritzung

Die Methanol /Wasser-Einspritzung gibt es seit den 1920er Jahren, wurde aber erst im Zweiten Weltkrieg eingesetzt. Das Hinzufügen des Gemischs zum Einlass der Turbomotoren senkte die Betriebstemperaturen und erhöhte die Leistung. Turboaufgeladene Motoren laufen heute mit hohem Ladedruck und entsprechend hohen Motortemperaturen. Beim Einspritzen des Gemisches in den Ansaugstrom wird die Luft abgekühlt, während die Flüssigkeiten verdampfen. In der Brennkammer verlangsamt es die Flamme und wirkt ähnlich wie Kraftstoff mit höherer Oktanzahl. Das Methanol-Wasser-Gemisch ermöglicht eine höhere Verdichtung durch die weniger detonationsanfällige und damit sicherere Verbrennung im Motor.

Kraftstoff-Luft-Gemischverhältnis

Neben der Verwendung von Ladeluftkühlern ist es gängige Praxis, der Ansaugluft zum alleinigen Zweck der Kühlung zusätzlichen Kraftstoff hinzuzufügen (bekannt als "Motor fett laufen"). Die Menge an zusätzlichem Kraftstoff variiert, reduziert jedoch typischerweise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf zwischen 11 und 13 anstelle der stöchiometrischen 14,7 (bei Benzinmotoren). Der zusätzliche Brennstoff wird nicht verbrannt (da nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um die chemische Reaktion abzuschließen), sondern erfährt eine Phasenänderung von zerstäubt (flüssig) zu gasförmig. Dieser Phasenwechsel absorbiert Wärme und die zusätzliche Masse des zusätzlichen Kraftstoffs reduziert die durchschnittliche Wärmeenergie der Ladung und des Abgases. Selbst wenn ein Katalysator verwendet wird, erhöht die Praxis, einen Motor fett zu betreiben, die Abgasemissionen.

Wastegate

Ein Wastegate regelt den in die abgasseitige Antriebsturbine eintretenden Abgasstrom und damit den Lufteintritt in den Krümmer und den Aufladungsgrad. Es kann durch eine ladedruckunterstützte, im Allgemeinen Vakuumschlauch-Befestigungspunkt-Membran gesteuert werden (für Vakuum und Überdruck, um häufig ölverschmutzte Abfälle in das Abgassystem zurückzuführen), um die federbelastete Membran zu zwingen, geschlossen zu bleiben, bis der Überladepunkt erfasst wird von der ECU oder einem Magnetventil, das von der elektronischen Steuereinheit des Motors oder einem Boost-Controller betrieben wird .

Anti-Surge/Dump/Blow-Off-Ventile

Ein Überspannungsschutzventil des Umlauftyps

Turboaufgeladene Motoren, die bei weit geöffneter Drosselklappe und hohen Drehzahlen betrieben werden, erfordern ein großes Luftvolumen, um zwischen dem Turbolader und dem Einlass des Motors zu strömen. Bei geschlossener Drosselklappe strömt Druckluft ohne Austritt zur Drosselklappe (dh die Luft kann nirgendwo hin).

In dieser Situation kann der Druckstoß den Luftdruck auf ein Niveau anheben, das Schäden verursachen kann. Dies liegt daran, dass, wenn der Druck hoch genug ansteigt, ein Verdichterstillstand auftritt – gespeicherte Druckluft wird über das Laufrad nach hinten und aus dem Einlass heraus dekomprimiert. Die Rückströmung über den Turbolader führt dazu, dass die Drehzahl der Turbinenwelle schneller verringert wird, als dies natürlich der Fall wäre, wodurch möglicherweise der Turbolader beschädigt wird.

Um dies zu verhindern, ist zwischen Turbolader und Einlass ein Ventil eingebaut, das den Luftüberdruck ableitet. Diese sind als Anti-Pump-, Diverter-, Bypass-, Turbo-Entlastungsventil, Blow-Off-Ventil (BOV) oder Ablassventil bekannt . Es ist ein Überdruckventil und wird normalerweise durch den Unterdruck aus dem Ansaugkrümmer betätigt.

Die primäre Verwendung dieses Ventils besteht darin, das Durchdrehen des Turboladers bei einer hohen Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Die Luft wird in der Regel wieder in den Turboladereinlass zurückgeführt (Umlenk- oder Bypassventile), kann aber auch in die Atmosphäre entlüftet werden (Blow-Off-Ventil). Eine Rückführung in den Turboladereinlass ist bei einem Motor mit einem Luftmasseneinspritzsystem erforderlich, da das Ablassen der überschüssigen Luft stromabwärts des Luftmassenmessers über Bord zu einem übermäßig fetten Kraftstoffgemisch führt, da der Luftmassenmesser bereits berücksichtigt hat die zusätzliche Luft, die nicht mehr verwendet wird. Ventile, die die Luft recyceln, verkürzen auch die Zeit, die zum Umspulen des Turboladers nach einer plötzlichen Motorverzögerung benötigt wird, da die Belastung des Turboladers bei aktivem Ventil viel geringer ist, als wenn die Luftladung in die Atmosphäre entlüftet wird.

Frei schwebend

Im 100-Liter-Motor dieses Caterpillar-Bergbaufahrzeugs kommt ein frei schwebender Turbolader zum Einsatz.

Ein frei schwebender Turbolader ist die einfachste Art von Turbolader. Diese Konfiguration hat kein Wastegate und kann ihre eigenen Boost-Stufen nicht steuern. Sie sind in der Regel so ausgelegt, dass sie bei Vollgas maximalen Schub erzielen. Frei schwebende Turbolader produzieren mehr PS, weil sie weniger Gegendruck haben, sind aber in Leistungsanwendungen ohne externes Wastegate nicht fahrbar.

Anwendungen

Benzinbetriebene Autos

Der erste Personenwagen mit Turbolader war die Oldsmobile Jetfire-Option auf dem 1962-1963 F85/Cutlass , die einen Turbolader verwendete, der an einem 215 cu in (3,52 L) Vollaluminium-V8 montiert war. Ebenfalls 1962 führte Chevrolet eine spezielle Serie von turboaufgeladenen Corvairs ein , die zunächst als Monza Spyder (1962-1964) und später in Corsa (1965-1966) umbenannt wurde und einen Turbolader an seinen luftgekühlten Sechszylinder-Boxermotor anbaute. Dies machte die Nordamerikaner mit Turboladern vertraut und bereitete die Bühne für spätere turboaufgeladene Modelle von BMW auf dem 1973 2002 Turbo , Porsche auf dem 1975-up 911/930 , Saab auf dem 1978-1984 Saab 99 Turbo und dem 1978-1987 Buick Regal/ T-Typ/Grand National . Heute ist Turboaufladung sowohl bei Diesel- als auch bei benzinbetriebenen Autos üblich. Die Turboaufladung kann die Leistungsabgabe für eine gegebene Kapazität erhöhen oder die Kraftstoffeffizienz erhöhen, indem ein Motor mit kleinerem Hubraum ermöglicht wird. Der „Motor des Jahres 2011“ ist ein Motor, der in einem Fiat 500 verwendet wird, der mit einem MHI-Turbolader ausgestattet ist. Dieser Motor verlor 10 % an Gewicht, sparte bis zu 30 % Kraftstoff und lieferte gleichzeitig die gleiche Spitzenleistung (105) wie ein 1,4-Liter-Motor.

Dieselbetriebene Autos

Der erste Serien-Turbolader-Diesel-Pkw war der 1978 eingeführte Garrett-Turbolader Mercedes 300SD . Heutzutage sind die meisten Automobildiesel turboaufgeladen, da die Verwendung von Turboladern die Effizienz, das Fahrverhalten und die Leistung von Dieselmotoren verbessert und ihre Popularität stark erhöht. 2006, 2007 und 2008 gewann der Audi R10 mit Dieselmotor sogar das 24-Stunden-Rennen von Le Mans.

Motorräder

Das erste Beispiel für ein Turbomotorrad ist die Kawasaki Z1R TC von 1978 . Mehrere japanische Firmen produzierten Anfang der 1980er-Jahre turboaufgeladene Hochleistungsmotorräder wie den CX500 Turbo von Honda – einen quer eingebauten, flüssigkeitsgekühlten V-Twin, der auch als Saugmotor erhältlich ist. Seitdem wurden nur wenige Motorräder mit Turbolader produziert. Dies ist teilweise auf eine Fülle von Saugmotoren mit größerem Hubraum zurückzuführen, die die Drehmoment- und Leistungsvorteile eines Motors mit kleinerem Hubraum mit Turbolader bieten, jedoch eine linearere Leistungscharakteristik aufweisen. Die niederländischen Hersteller EVA Motorräder bauen eine kleine Serie von Turbo - Diesel-Motorrad mit einem 800er Smart CDI - Motor.

LKW

Der erste Diesel-Turbo-Lkw wurde 1938 von der Schweizer Maschinenfabrik Saurer hergestellt .

Flugzeug

Eine natürliche Verwendung des Turboladers – und seine früheste bekannte Verwendung für einen Verbrennungsmotor, beginnend mit experimentellen Installationen in den 1920er Jahren – ist bei Flugzeugtriebwerken . Wenn ein Flugzeug in größere Höhen aufsteigt, fällt der Druck der umgebenden Luft schnell ab. Auf 5.486 m (18.000 ft) hat die Luft den halben Druck des Meeresspiegels und die Flugzeugzelle erfährt nur den halben Luftwiderstand . Da aber durch diesen Luftdruck die Ladung in die Zylinder gedrückt wird, produziert der Motor in dieser Höhe bei Vollgas normalerweise nur die halbe Leistung. Piloten möchten den geringen Luftwiderstand in großen Höhen ausnutzen, um schneller zu fahren, aber ein Saugmotor produziert in der gleichen Höhe nicht genug Leistung dafür.

Die folgende Tabelle wird verwendet, um das breite Spektrum der aufgetretenen Bedingungen zu demonstrieren. Wie in der folgenden Tabelle zu sehen ist, gibt es einen erheblichen Spielraum für eine erzwungene Induktion , um Umgebungen mit geringerer Dichte zu kompensieren.

Daytona Beach Denver Todes-Tal Colorado State Highway 5 La Rinconada, Peru ,
Elevation 0 m / 0 ft 1.609 m −86 m / −282 Fuß 4.347 m 5.100 m
Geldautomat 1.000 0,823 1.010 0,581 0,526
Bar 1.013 0,834 1.024 0,589 0,533
psia 14.696 12.100 14.846 8.543 7.731
kPa 101,3 83.40 102,4 58,90 53,30

Ein Turbolader löst dieses Problem, indem er die Luft wieder auf Meereshöhe (Turbo-Normalisierung) oder sogar noch viel höher (Turbo-Aufladung) komprimiert, um in großer Höhe Nennleistung zu erzeugen. Da die Größe des Turboladers so gewählt wird, dass in großer Höhe ein gegebener Druck erzeugt wird, ist der Turbolader für niedrige Höhe überdimensioniert. Die Drehzahl des Turboladers wird über ein Wastegate geregelt. Frühe Systeme verwendeten ein festes Wastegate, was zu einem Turbolader führte, der ähnlich wie ein Kompressor funktionierte. Spätere Systeme verwendeten ein einstellbares Wastegate, das entweder manuell vom Piloten oder durch ein automatisches hydraulisches oder elektrisches System gesteuert wurde. Wenn sich das Flugzeug in geringer Höhe befindet, ist das Wastegate normalerweise vollständig geöffnet und leitet alle Abgase über Bord ab. Wenn das Flugzeug steigt und die Luftdichte sinkt, muss sich das Wastegate kontinuierlich in kleinen Schritten schließen, um die volle Leistung aufrechtzuerhalten. Die kritische Höhe ist die Höhe, bei der das Wastegate vollständig schließt und der Motor noch die volle Leistung bringt . Steigt das Flugzeug über die kritische Höhe, nimmt die Motorleistung mit zunehmender Höhe ab, genau wie bei einem Saugmotor.

Bei älteren aufgeladenen Flugzeugen ohne Automatic Boost Control muss der Pilot den Gashebel ständig anpassen, um den erforderlichen Krümmerdruck während des Auf- oder Abstiegs aufrechtzuerhalten. Der Pilot muss auch darauf achten, dass der Motor nicht zu stark aufgeladen wird und Schäden verursacht werden. Im Gegensatz dazu verwenden moderne Turboladersysteme ein automatisches Wastegate, das den Saugrohrdruck innerhalb der vom Hersteller voreingestellten Parameter regelt. Bei diesen Systemen kann ein Turbolader den Motor nicht überladen und beschädigen, solange das Steuersystem ordnungsgemäß funktioniert und die Steuerbefehle des Piloten sanft und gezielt erfolgen.

Die meisten Motoren des Zweiten Weltkriegs verwendeten jedoch Kompressoren, da sie gegenüber Turboladern, die größer waren, drei wesentliche Fertigungsvorteile beibehielten, zusätzliche Rohrleitungen erforderten und exotische Hochtemperaturmaterialien im Turbinen- und Vorturbinenabschnitt des Abgassystems erforderten. Allein die Größe der Rohrleitungen ist ein ernstes Problem; Die amerikanischen Jagdflugzeuge Vought F4U und Republic P-47 verwendeten den gleichen Motor, aber der riesige, tonnenförmige Rumpf des letzteren wurde teilweise benötigt, um die Rohrleitungen zum und vom Turbolader im Heck des Flugzeugs zu halten. Turboaufgeladene Kolbenmotoren unterliegen auch vielen der gleichen Betriebsbeschränkungen wie Gasturbinenmotoren. Die Piloten müssen langsam Drossel Anpassungen glätten, machen zu vermeiden , ihr Ziel überschieß Krümmerdruck . Das Kraftstoff-Luft-Gemisch muss oft weit auf die fette Seite der stöchiometrischen Verbrennung eingestellt werden, um Vorzündungen oder Klopfen im Motor bei hohen Leistungseinstellungen zu vermeiden. Bei Systemen mit manuell betätigtem Wastegate muss der Pilot darauf achten, die maximale Drehzahl des Turboladers nicht zu überschreiten. Die zusätzlichen Systeme und Rohrleitungen erhöhen die Größe, das Gewicht, die Komplexität und die Kosten eines Flugzeugtriebwerks. Ein Flugzeugtriebwerk mit Turbolader kostet mehr Wartung als ein vergleichbares Saugtriebwerk. Die große Mehrheit der amerikanischen schweren Bomber des Zweiten Weltkriegs, die von der USAAF eingesetzt wurden , insbesondere die von Wright R-1820 Cyclone-9 angetriebenen B-17 Flying Fortress und Pratt & Whitney R-1830 Twin Wasp angetriebene Consolidated B-24 Liberator viermotorige Bomber beide verwendeten ähnliche Modelle von General Electric- entworfenen Turboladern im Dienst, ebenso wie der zweimotorige Allison V-1710- Motor Lockheed P-38 Lightning American Fighter während der Kriegsjahre.

Turboaufgeladene Flugzeuge nehmen oft einen Leistungsbereich zwischen dem von normal angesaugten kolbengetriebenen Flugzeugen und turbinengetriebenen Flugzeugen ein. Trotz der negativen Punkte fliegen Flugzeuge mit Turbolader für mehr Effizienz höher. Hoher Reiseflug bietet auch mehr Zeit, um Probleme zu bewerten, bevor eine Notlandung durchgeführt werden muss.

Wenn das Flugzeug mit Turbolader steigt, kann der Pilot (oder das automatisierte System) jedoch das Wastegate schließen, wodurch mehr Abgas durch die Turboladerturbine gedrückt wird, wodurch der Krümmerdruck während des Steigflugs zumindest bis zum Erreichen der kritischen Druckhöhe (wenn das Wastegate vollständig geschlossen ist), wonach der Saugrohrdruck abfällt. Mit solchen Systemen können moderne Hochleistungsflugzeuge mit Kolbenmotor in Höhen von bis zu 25.000 Fuß fliegen (über denen eine RVSM- Zertifizierung erforderlich wäre), wobei eine geringe Luftdichte zu einem geringeren Luftwiderstand und höheren tatsächlichen Fluggeschwindigkeiten führt. Dies ermöglicht das Fliegen "über dem Wetter". Bei manuell gesteuerten Wastegate-Systemen muss der Pilot darauf achten, das Triebwerk nicht zu stark zu belasten, was zu einer Detonation und damit zu Triebwerksschäden führt.

Schiffs- und landgestützte Dieselturbolader

Ein mittelgroßer Sechszylinder-Schiffsdieselmotor mit Turbolader und Auspuff im Vordergrund

Turboaufladung, die bei Dieselmotoren in Automobilen, Lastwagen, Traktoren und Booten üblich ist, ist auch bei schweren Maschinen wie Lokomotiven, Schiffen und Hilfsenergieerzeugung üblich.

  • Die Turboaufladung kann die spezifische Leistung und das Leistungsgewicht eines Motors dramatisch verbessern , Leistungsmerkmale, die normalerweise bei Dieselmotoren ohne Turbolader schlecht sind.
  • Dieselmotoren haben keine Detonation, da Dieselkraftstoff am oder gegen Ende des Verdichtungstaktes eingespritzt wird und allein durch die Verdichtungswärme der Ladeluft gezündet wird. Aus diesem Grund können Dieselmotoren einen viel höheren Ladedruck verwenden als Ottomotoren, begrenzt nur durch die Fähigkeit des Motors, der zusätzlichen Hitze und dem zusätzlichen Druck standzuhalten.

Turbolader werden auch in bestimmten Zweitakt-Dieselmotoren verwendet, die normalerweise ein Roots-Gebläse zum Ansaugen erfordern würden . Bei dieser speziellen Anwendung, hauptsächlich bei Elektromotoren der Baureihen 567 , 645 und 710 für Elektromotoren (EMD) , wird der Turbolader zunächst von der Kurbelwelle des Motors über einen Getriebezug und eine Freilaufkupplung angetrieben , wodurch ein Ansaugen für die Verbrennung bereitgestellt wird. Nach erfolgter Verbrennung und nachdem die Abgase genügend Wärmeenergie erreicht haben, wird die Freilaufkupplung automatisch geöffnet und der Turbokompressor danach ausschließlich durch die Abgase angetrieben. In der EMD-Anwendung fungiert der Turbolader als Kompressor für normales Ansaugen beim Starten und bei niedrigen Leistungseinstellungen und wird für echte Turboaufladung bei mittleren und hohen Leistungseinstellungen verwendet. Dies ist besonders in großen Höhen von Vorteil, wie sie bei westlichen US-Eisenbahnen häufig anzutreffen sind. Es ist möglich, dass der Turbolader während Befehlen für große Erhöhungen der Motorleistung kurzzeitig in den Kompressormodus zurückkehrt.

Geschäft und Annahme

Garrett Motion (ehemals Honeywell Turbo Technologies), BorgWarner und Mitsubishi Turbocharger sind die größten Hersteller in Europa und den USA. Es wird erwartet, dass mehrere Faktoren zu einer breiteren Verbraucherakzeptanz von Turboladern beitragen, insbesondere in den USA:

  • Neue staatliche Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsziele.
  • Steigende Ölpreise und ein Verbraucherfokus auf Kraftstoffeffizienz.
  • Nur 10 Prozent der in den Vereinigten Staaten verkauften Light Vehicles sind mit Turboladern ausgestattet, was die Vereinigten Staaten zu einem aufstrebenden Markt macht, verglichen mit 50 Prozent der Fahrzeuge in Europa, die mit Turbodiesel und 27 Prozent mit Benzin betrieben werden.
  • Höhere Temperaturtoleranzen für Benzinmotoren, Kugellager in der Turbinenwelle und variable Geometrie haben die Bedenken hinsichtlich der Fahrbarkeit reduziert.

2017 waren 27 % der in den USA verkauften Fahrzeuge mit Turboladern ausgestattet. In Europa waren im Jahr 2014 67 % aller Fahrzeuge mit Turboladern ausgestattet, bis 2019 wird ein Anstieg auf 69 % erwartet. Historisch gesehen waren mehr als 90 % der Turbolader Diesel, doch die Verbreitung in Benzinmotoren nimmt zu.

Die US Coalition for Advanced Diesel Cars drängt auf eine technologieneutrale Politik der staatlichen Förderung umweltfreundlicher Automobiltechnik. Im Erfolgsfall würden die staatlichen Subventionen auf den Standards des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs des Unternehmens (CAFE) basieren, anstatt bestimmte Technologien wie Elektroautos zu unterstützen. Politische Verschiebungen könnten die Adoptionsprognosen drastisch verändern. Der Verkauf von Turboladern in den Vereinigten Staaten stieg, als die Bundesregierung die durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchsziele des Unternehmens bis 2016 auf 35,5 mpg anhob.

Sicherheit

Ausfälle von Turboladern und daraus resultierende hohe Abgastemperaturen gehören zu den Ursachen von Autobränden.

Siehe auch

Verweise

Externe Links