TURBO - Was ist das und wie funktioniert es:

Der Turbolader, auch als Turboaggregat oder Turbo bezeichnet, ist ein mechanisches System zur Aufladung des Verbrennungsmotors, das die Abgase nutzt. Er besteht aus der Verbindung einer zentrifugalen Turbine, der sogenannten „heißen“ oder Abgasseite, wo die heißen Abgase eintreffen, und eines Zentrifugalkompressors, der sogenannten „kalten“ oder Ansaugseite, in dem die Luft zum Verdichten angesaugt wird. Der Turbo wird am Motor montiert, wobei die heiße Seite an den Abgaskrümmern befestigt wird, die den Abgasstrom bündeln können und beispielsweise vom Typ 4-in-1 oder 4-2-1 sind. Diese Bezeichnung gibt an, wie die Krümmer gefertigt wurden und insbesondere, wie sich die Krümmerkurven entwickeln. Der Turbo wird in Motoren mit Einspritzsystemen und bei den meisten Vergaseranlagen eingesetzt, und der Vorteil besteht darin, den Kraftstoffverlust entlang der Wände des Kraftstoffsystems zu begrenzen. Im Inneren des Kompressors und der Turbine befinden sich zwei Laufräder, die zwei separate Funktionen erfüllen: Sie sind über eine verbindende Welle fest miteinander verbunden und drehen sich in ihrem schneckenförmigen Gehäuse mit der gleichen Geschwindigkeit. Das Turbinenschaufelrad, das sich im Abgasschneckenhaus aus Gusseisen befindet, wird sowohl durch die Abgase, die von den Kolben aus den Zylindern ausgestoßen werden, als auch durch die Verbrennung des Luft-Benzin-Gemisches in Rotation versetzt, wodurch ein positiver Druck zwischen dem Auslassventil und der Turbine entsteht. Das Kompressorschaufelrad, das sich in der „kalten Seite“ befindet, besteht aus einer leichten Legierung, die es ermöglicht, den Widerstand bei der Beschleunigung zu verringern und beispielsweise den gegenteiligen Effekt eines Schwungrads zu erzielen. Seine Funktion besteht darin, die Luft zu verdichten und sie in den Ansaugkrümmer einzuspeisen, wodurch die Zylinder ein größeres Luftvolumen erhalten, als ein atmosphärischbetriebener Motor in derselben Zeiteinheit ansaugen könnte. Wie bereits erwähnt, sind die beiden Schaufelräder über eine Welle verbunden, die durch das „Core Assy“, das eigentliche Herz des Turbos, verläuft. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Turbine die Energie der Abgase aufnimmt und in mechanische Energie umwandelt, die dazu dient, den Kompressor in Rotation zu versetzen, und somit die Rotation des Abgasschaufelrads gleichzeitig die des Ansaugschaufelrads antreibt, das die einströmende Luft zum Intercooler und zum Drosselklappengehäuse verdichtet. Dieses System ist eine hocheffiziente Komplexität, die die sonst verschwendete Restenergie der Abgase nutzt, um unserem Motor mehr Leistung zu liefern.

Warum leiden Turbomotoren nicht unter dünner Luft?

Dank dieses Systems leiden Turbomotoren nicht unter Änderungen des atmosphärischen Drucks, da sie über Drucksensoren, die als „Wastegate“ bekannt sind, abgestimmt werden, die ständig mit den voreingestellten Werten arbeiten. Bei Straßenfahrzeugen spricht man im Durchschnitt von Werten, die zwischen 0,5 bar und 1 bar positiven Druck variieren, während bei Rennwagen deutlich höhere Drücke erreicht werden können. Es genügt zu bedenken, dass Rennwagen der 80er Jahre Drücke von fast 3 bar erreichten, natürlich alles auf Kosten der Zuverlässigkeit, aber wenn man im Rennen ist, ist das Ergebnis der Erhaltung wichtiger. Das Wastegate hält den angegebenen Druck aufrecht, indem es lediglich die Drehzahl der beiden Schaufelräder variiert, zum Beispiel: Auf Meereshöhe muss ein Turbo 1000 U/min machen, um den Druck bei 1 bar zu halten, in den Bergen wird der Turbo, um denselben Druck zu halten, mit etwa 15000 U/min drehen.

Aber was ist das Wastegate?

Das Wastegate-Ventil ist eine grundlegende Komponente für einen Turbolader. Dieser, der sehr viel kinetische Energie aus den Abgasen erhält, muss beim Erreichen des vom Hersteller voreingestellten Betriebsdrucks stoppen, um diesen Grenzwert nicht zu überschreiten und unerwünschte Schäden zu vermeiden. Dieses Ventil wird durch den positiven Druck gesteuert, der von der kalten Seite erfasst wird und eine Federungmembran drückt und über eine mechanische Welle das Ventil öffnet, wodurch der Druck von den Abgaskrümmern abgelassen wird, was die Drehzahl der Schaufelräder und den Druck des Kompressors reduziert.

Was ist der Unterschied zwischen Turbinen mit fester und variabler Geometrie?

Es gibt fünf Arten von Turbinen auf dem Markt, die wir in diesem Video analysieren werden: Single-Scroll, Twin-Scroll, solche mit fester Geometrie, solche mit variabler Geometrie und elektrische. Turbinen mit fester Geometrie sind diejenigen, die wir zuvor beschrieben haben, und sorgen dafür, dass Turbine und Kompressor ein festes Luftvolumen beibehalten. Solche mit variabler Geometrie haben hingegen „bewegliche Schaufeln“, die um das Turbinenschaufelrad angeordnet sind, mit der Funktion, den Querschnitt der von den Schaufeln selbst begrenzten Kanäle und den Einfallswinkel der Abgase zu variieren. Einfach ausgedrückt bestimmt die Position der Schaufeln die Geschwindigkeit des Rotors des Turboladers. Der Hauptvorteil der variablen Geometrie gegenüber der festen ist die Reduzierung des Turbo-Lags, was die Linearität des Betriebs des aufgeladenen Motors verbessert hat im Vergleich, zum Beispiel, zu dem, was bei den ersten Dieselmotoren mit Turbolader beobachtet werden konnte. Der Turbo-Lag besteht im Verzögerung der Reaktion der Turbine und resultiert daraus, dass der Motor bei niedrigen Drehzahlen einen begrenzten Abgasstrom bietet, der es der festen Turbine nicht ermöglicht, eine ausreichende Rotation auf den Rotor zu übertragen, was es dem Kompressor verhindert, dem Motor die für eine konkrete Erhöhung der Werte von Drehmoment und Leistung nützlichen Drücke anzubieten. Mit der variablen Geometrie wird hingegen eine hohe Winkelrotationsgeschwindigkeit des Kompressors bereits bei niedrigen Drehzahlen garantiert, da die Schaufeln eine Einschränkung des Querschnitts durchführen, in dem die Gase einwirken, was eine schnelle Reaktion auch im Leerlauf garantiert. Mit zunehmender Motordrehzahl gewinnen die Abgase an Geschwindigkeit, was die Drehzahl des Rotors erheblich erhöht, welches eine größere Verdichtung der in den Motor einströmenden Luft garantiert. Dies wiederum wird es ermöglichen, mehr Leistung bereits bei niedrigen Drehzahlen zu liefern, da die Menge des Kraftstoffs, die das Einspritzsystem dem Antrieb bereitstellen kann, aufgrund der Erhöhung des in die Zylinder eingebrachten Sauerstoffs größer sein wird. Wenn man diesen Punkt erreicht hat, wird ein Teufelskreis ausgelöst: Man wird mehr Geschwindigkeit der Abgase haben, was mehr Rotation des Rotors produzieren wird und der Kompressor wird dem Motor verdichttere Luft senden. Mit den alten Turboladern mit fester Geometrie wurde die gegenteilige Situation erreicht: Eine große Masse an Abgasen, die in die Turbine eintreten, produzierte hohe Gegendrücke im Auspuff mit dem Effekt, die Abfuhr dieser zu erschweren, was die Temperatur dieser Gase tatsächlich reduziert. Dieser negative Effekt ist im Fall der Turbolader mit variabler Geometrie sehr begrenzt: Tatsächlich mit zunehmender Motordrehzahl (und damit dem Abgasstrom) variiert die Wirkung der beweglichen Schaufeln. Der Querschnitt des Durchflusses der Abgase erhöht sich durch den Effekt sowohl der „Modulation“ der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine (um ein Überdrehen zu vermeiden) als auch um einen effektiveren Abfluss der Abgase zu ermöglichen, was niedrige Werte des Gegendrucks im Abgaskrümmer garantiert. Die so erzielten Vorteile sind vielfältig: reduzierter Kraftstoffverbrauch und Erhöhung der Effizienz des Motors über den gesamten Betriebsbereich. Um die aufgeführten Vorteile zu erhalten, ist es wichtig, dass die Regulierung der variablen Geometrie sehr präzise ist: Andernfalls wäre der Betrieb des Motors nicht gleichmäßig und könnte einen vorzeitigen Bruch des Turboladers verursachen, der unter Überdrehbedingungen arbeiten würde. Es ist daher entscheidend, dass die Motorsteuerung die Position, die von der variablen Geometrie eingenommen wird, effektiv überwacht. Die variable Geometrie wird von einem Aktuator gesteuert, der sich im Wesentlichen in drei Haupttypen unterteilt: pneumatische Aktuatoren; elektro-pneumatische Aktuatoren; elektronische Aktuatoren.

Single Scroll oder Twin Scroll?

Angesichts des Unterschieds zwischen Turbinen mit fester Geometrie und Turbinen mit variabler Geometrie gehen wir zu einer anderen Lösung über, die zur Reduzierung des Reaktionslags der Turbolader eingesetzt wird, die Twin-Scroll-Turbinen. Bevor wir die Vorteile auflisten, klären wir, was der Begriff bedeutet, stellen Sie sich den traditionellen Turbo mit einem einzigen Abgaskrümmer am Eingang vor, der von den 4-in-1-Krümmern kommt, jetzt stellen Sie sich vor, Sie hätten die 4-2-2-Krümmer, das heißt Krümmer, die paarweise gekoppelt sind und sich nicht bis zum Abgasschaufelrad zusammenfügen, in diesem Fall hätten wir die Twin-Scroll-Krümmer und das Schaufelrad. Aber was bedeutet das? Es bedeutet, den Fluss der Abgase, die aus den Zylindern austreten, zu reinigen, indem der Gegendruck in den Krümmern reduziert wird, da die Zündphasen eines 4-Zylinders in einigen Momenten mit den 4-in-1-Krümmern die Geschwindigkeit der Ströme behindern könnten, was Gegendruck und Temperaturen erhöht. Auf diese Weise erreichen die Abgase das Schaufelrad der heißen Seite viel schneller ohne Störungen, aber das ist noch nicht alles, es gibt weitere Vorteile. Auf diese Weise werden die Ströme, die von jedem einzelnen Zylinder kommen, gut voneinander getrennt sein, was verhindert, dass ihre Pulsationen einander behindern können. Um Ihnen ein Beispiel zu geben, in einem 4-Zylinder-Motor mit der Zündreihenfolge 1-3-4-2 werden die Krümmer 1 mit 4 und 2 mit 3 gruppiert, wobei versucht wird, Krümmer von gleicher Länge zu verwenden, damit nicht unterschiedliche Druckverluste aufgrund der unterschiedlichen Länge der Krümmer entstehen. Im Wesentlichen arbeiten Twin-Scroll also mit mehreren Strömen, indem sie die Impulstheorie nutzen, die bereits sehr nützlich in der Steuerung der Ladung im Zylinder ist. Im Gegensatz dazu arbeitet ein Single-Scroll-Turbolader mit einem einzigen Strom bei konstantem Druck. Das Ergebnis ist ein extrem schneller Turbo, der in der Lage ist, die Effizienzprobleme zu beseitigen, die Single-Scroll-Turbos bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten plagen. Ein weiterer Vorteil der Twin-Scroll ist die Einführung unterschiedlicher Ansaugkrümmer, daher können wir neben saubereren Strömen auch Ströme haben, die unterschiedlich ausgerichtet sind, um den Effekt der Turbos mit variabler Geometrie zu erzeugen. Mit den zwei unterschiedlichen Ansaugkrümmern im Turbo werden wir einen kleineren Krümmer haben, der so ausgerichtet ist, dass er die Rotation des Schaufelrads bei niedrigen Drehzahlen unterstützt, und einen anderen, etwas größeren Krümmer, der so gewinkelt ist, dass er bei hohen Drehzahlen keinen Widerstand für die Abgase erzeugt.