„Variable-Turbinengeometrie-Lader“ – Versionsunterschied

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[[Bild:Fankel Francisturbine 01.jpg|miniatur|Schnittbild durch eine [[Francisturbine]] mit verstellbaren Leitschaufeln, der das Verfahren ''Variable-Turbinengeometrie-Lader'' entlehnt wurde]]
[[Bild:Fankel Francisturbine 01.jpg|miniatur|Schnittbild durch eine [[Francisturbine]] mit verstellbaren Leitschaufeln, der das Verfahren ''Variable-Turbinengeometrie-Lader'' entlehnt wurde]]


Ein '''Variable-Turbinengeometrie-Lader''' (VTG-Lader), in Englisch '''Variable Nozzle Turbocharger''' (VNT), ist ein [[Abgasturbolader]], der sich von herkömmlichen Turboladern durch verstellbare [[Leitschaufel]]n am Turbineneingang unterscheidet. Er hat wie herkömmliche Lader einen [[Turbine|Turbinen-]] und ein [[Verdichter]]rad, die auf einer Welle miteinander verbunden sind.
Ein '''Variable-Turbinengeometrie-Lader''' (VTG-Lader), in Englisch '''Variable Nozzle Turbocharger''' (VNT), ist ein [[Abgasturbolader]], der sich von herkömmlichen Turboladern durch verstellbare [[Leitschaufel]]n am Turbineneingang und das Fehlen eines [[Turbolader#Wastegate|Wastegates]] unterscheidet. Er hat wie herkömmliche Lader einen [[Turbine|Turbinen-]] und ein [[Verdichter]]rad, die auf einer Welle miteinander verbunden sind.


Die schwenkbaren Leitschaufeln sind mit ihren Wellen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Wellen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, der in einen Verstell-Ring greift. Die Leitschaufeln werden gleichzeitig über den Verstell-Ring verdreht. Der Verstell-Ring wird entweder von einem [[Stellmotor]] oder durch eine [[Unterdruckdose]] bewegt.
Die verstellbaren Leitschaufeln sind mit ihren Wellen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Wellen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, der in einen Verstellring greift. Die Leitschaufeln werden gleichzeitig über den Verstellring verdreht. Der Verstellring wird entweder von einem [[Stellmotor]] oder durch eine [[Unterdruckdose]] bewegt. Diese Verstellmechanik ermöglicht es, die Leitschaufeln stufenlos zwischen einer flachen und einer steilen Leitschaufelstellung zu verstellen.


Durch die Verstellung der Leitschaufeln kann zum einen der effektive Turbinenquerschnitt verändert werden. Stehen die Leitschaufeln in der flachen Stellung, verengt sich der Eintrittsquerschnitt, es stellt sich ein [[Düseneffekt]] ein und die Anströmgeschwindigkeit auf die Turbinenradschaufeln steigt. Dies lässt die Leistung und Drehzahl der Turbine steigen<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Helmut Pucher, Karl Arthur Zinner |Titel=Aufladung von Verbrennungsmotoren: Grundlagen, Berechnungen, Ausführungen |Auflage=4. Aufl |Verlag=Springer Vieweg |Ort=Berlin |Datum=2012 |Reihe=SpringerLink |ISBN=978-3-642-28990-3 |Abruf=2023-11-14}}</ref>, der Ladedruck steigt folglich. Verstellt man die Leitschaufeln steiler, erhöht sich der Eintrittsquerschnitt und der Düseneffekt nimmt ab. Die Leistung und Drehzahl sinken, wodurch eine Überschreitung des maximal zulässigen Ladedruckes vermieden werden kann. Gleichzeitig verbessert sich das Aufstauverhalten der Turbine durch den größeren Eintrittsquerschnitt. Daraufhin verringert sich der Abgasgegendruck und es kann eine höhere Abgasmenge abgeführt werden.
Beim größten Unterdruck an der – außen am Turbolader befestigten – Druckdose erreichen die Leitschaufeln ihre flachste Stellung.


Zum anderen kann durch die Veränderung der Leitschaufelstellung der Anströmwinkel der Turbinenradschaufeln beeinflusst werden. Da der ideale Anströmwinkel proportional zum Turbinenwirkungsgrad ist, kann dieser über die Leitschaufelstellung beeinflusst werden<ref name=":0" /> (der ideale Anströmwinkel ist von Abgasgeschwindigkeit und Turbinenraddrehzahl abhängig und damit veränderlich).
Bei niedrigem Unterdruck an der Druckdose werden die Leitschaufeln durch eine Feder in der Druckdose steiler gestellt. Die Verstellung bewirkt, dass das Turbinenrad auch bei geringen Abgasmengen, also bei niedriger Last und geringer Motordrehzahl, weiter mit hoher Umfangsgeschwindigkeit durch das Abgas angeströmt wird und so die Verluste an den Schaufeln durch den Eintrittsstoß gering bleiben. Bei kleiner Abgasmenge werden die Leitschaufeln flach gestellt, wodurch sich für die Abgase ein geringerer Querschnitt in den Schaufeln ergibt. Damit in derselben Zeit trotzdem die gleiche Abgasmenge durch die Leitschaufeln strömen kann, müssen die wenigen Abgase schneller strömen. Dadurch ist die Drehzahl des Laders bei diesem Betriebszustand höher und bei einem Lastwechsel, beispielsweise bei einem plötzlichen erhöhen der Geschwindigkeit, baut der Lader schneller Druck auf, da er nicht erst höhere Umdrehungen erreichen muss. Hierdurch wird das sogenannte „[[Turboloch]]“ verringert.


Bei einem Ausfall der Leitschaufelverstellung, sollte sichergestellt werden, dass die Leitschaufel in die steilste Position drehen. Nur so kann ein zu hoher Ladedruck oder das Überdrehen des Turboladers vermieden werden.
Mit zunehmender Abgasmenge steigt die radiale Geschwindigkeit des Abgases, die Leitschaufeln werden steiler gestellt, der Querschnitt vergrößert sich, die Umfangsgeschwindigkeit des Gases ändert sich weniger und der Ladedruck sowie die Turbinenleistung bleiben annähernd konstant.


Vorteile:
Da ein VTG-Lader meist mit Unterdruck oder elektrisch gesteuert wird, muss er – im Gegensatz zu Wastegateladern, die sich mit eigenem Überdruck steuern – ständig geregelt werden. Die steilste Stellung der Leitschaufeln und somit der größtmögliche Eintrittsquerschnitt ist gleichzeitig die Notlaufstellung des VTG-Laders bei Ausfall der Regelung. Diese Stellung ermöglicht meist einen vernachlässigbaren Ladedruck und verhindert so eine unkontrollierte zu starke Aufladung des Motors.


* Vermeidung des [[Turboloch|Turbolochs]] bzw. ein besseres Ansprechverhalten des Turboladers bei niedriger Motorlast oder Motordrehzahl durch eine flache Leitschaufeleinstellung.
Vorteile des VTG-Laders:
* Niedrigerer Abgasgegendruck als Wastegate Turbolader und damit höhere Motoreffizienz.
* Verringerung oder gar Vermeidung des [[Turboloch]]s

* regelbar im gesamten Drehzahlbereich (etwa Motorbremse im Schubbetrieb)
Nachteile:
* großes [[Drehmoment|Motordrehmoment]] im unteren und oberen [[Drehzahl]]bereich

* Verringerung der [[Schadstoff]]anteile im Abgas über den gesamten Drehzahlbereich
* Teurer und störanfälliger als Wastegate-Turbolader, da der Verstellmechanismus dem Abgas und den wechselnden thermischen Bedingungen im Abgasstrang ausgesetzt ist.


Nachteile des VTG-Laders:
* Bei falscher Motoreinstellung ist eine Verunreinigung der VTG-Verstellung durch Abgasrückstände möglich, häufig bei Kurzstreckenbetrieb oder zu „gemütlicher“ Fahrweise.
* Die beweglichen Teile im heißen Abgasstrom können störanfällig sein
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Tubolader.JPG|Turbolader eines PKW
Tubolader.JPG|Turbolader eines PKW
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* John D. Humphries: ''Automobiltechnisches Handbuch für Turbolader und Kompressormotoren.'' 1. Auflage, Schrader Verlag GmbH, Suderburg-Hösseringen 1993, ISBN 3-921796-05-9.
* John D. Humphries: ''Automobiltechnisches Handbuch für Turbolader und Kompressormotoren.'' 1. Auflage, Schrader Verlag GmbH, Suderburg-Hösseringen 1993, ISBN 3-921796-05-9.
* Gert Hack, Iris Langkabel: ''Turbo- und Kompressormotoren.'' 1. Auflage, Motorbuch Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-613-01950-7.
* Gert Hack, Iris Langkabel: ''Turbo- und Kompressormotoren.'' 1. Auflage, Motorbuch Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-613-01950-7.
* Richard van Basshuysen und Fred Schäfer: ''Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven.'' Vieweg+Teubner Verlag, 2009.
* Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: ''Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven.'' Vieweg+Teubner Verlag, 2009.
* Helmut Pucher, Karl Zinner: Aufladung von Verbrennungsmotoren: Grundlagen, Berechnungen, Ausführungen 4. Auflage, Heidelberg Springer Vieweg, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-28990-3


== Quellen ==
== Quellen ==

Version vom 14. November 2023, 21:20 Uhr

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Schnittbild durch eine Francisturbine mit verstellbaren Leitschaufeln, der das Verfahren Variable-Turbinengeometrie-Lader entlehnt wurde

Ein Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG-Lader), in Englisch Variable Nozzle Turbocharger (VNT), ist ein Abgasturbolader, der sich von herkömmlichen Turboladern durch verstellbare Leitschaufeln am Turbineneingang und das Fehlen eines Wastegates unterscheidet. Er hat wie herkömmliche Lader einen Turbinen- und ein Verdichterrad, die auf einer Welle miteinander verbunden sind.

Die verstellbaren Leitschaufeln sind mit ihren Wellen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Wellen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, der in einen Verstellring greift. Die Leitschaufeln werden gleichzeitig über den Verstellring verdreht. Der Verstellring wird entweder von einem Stellmotor oder durch eine Unterdruckdose bewegt. Diese Verstellmechanik ermöglicht es, die Leitschaufeln stufenlos zwischen einer flachen und einer steilen Leitschaufelstellung zu verstellen.

Durch die Verstellung der Leitschaufeln kann zum einen der effektive Turbinenquerschnitt verändert werden. Stehen die Leitschaufeln in der flachen Stellung, verengt sich der Eintrittsquerschnitt, es stellt sich ein Düseneffekt ein und die Anströmgeschwindigkeit auf die Turbinenradschaufeln steigt. Dies lässt die Leistung und Drehzahl der Turbine steigen[1], der Ladedruck steigt folglich. Verstellt man die Leitschaufeln steiler, erhöht sich der Eintrittsquerschnitt und der Düseneffekt nimmt ab. Die Leistung und Drehzahl sinken, wodurch eine Überschreitung des maximal zulässigen Ladedruckes vermieden werden kann. Gleichzeitig verbessert sich das Aufstauverhalten der Turbine durch den größeren Eintrittsquerschnitt. Daraufhin verringert sich der Abgasgegendruck und es kann eine höhere Abgasmenge abgeführt werden.

Zum anderen kann durch die Veränderung der Leitschaufelstellung der Anströmwinkel der Turbinenradschaufeln beeinflusst werden. Da der ideale Anströmwinkel proportional zum Turbinenwirkungsgrad ist, kann dieser über die Leitschaufelstellung beeinflusst werden[1] (der ideale Anströmwinkel ist von Abgasgeschwindigkeit und Turbinenraddrehzahl abhängig und damit veränderlich).

Bei einem Ausfall der Leitschaufelverstellung, sollte sichergestellt werden, dass die Leitschaufel in die steilste Position drehen. Nur so kann ein zu hoher Ladedruck oder das Überdrehen des Turboladers vermieden werden.

Vorteile:

  • Vermeidung des Turbolochs bzw. ein besseres Ansprechverhalten des Turboladers bei niedriger Motorlast oder Motordrehzahl durch eine flache Leitschaufeleinstellung.
  • Niedrigerer Abgasgegendruck als Wastegate Turbolader und damit höhere Motoreffizienz.

Nachteile:

  • Teurer und störanfälliger als Wastegate-Turbolader, da der Verstellmechanismus dem Abgas und den wechselnden thermischen Bedingungen im Abgasstrang ausgesetzt ist.
  • Turbolader eines PKW
    Turbolader eines PKW
  • Abgasseite mit Leitschaufelverstellung
    Abgasseite mit Leitschaufelverstellung
  • Ladeluftseite
    Ladeluftseite
  • Lagerung der Turbowelle
    Lagerung der Turbowelle
  • Lagerung der Turbowelle
    Lagerung der Turbowelle

Literatur

  • John D. Humphries: Automobiltechnisches Handbuch für Turbolader und Kompressormotoren. 1. Auflage, Schrader Verlag GmbH, Suderburg-Hösseringen 1993, ISBN 3-921796-05-9.
  • Gert Hack, Iris Langkabel: Turbo- und Kompressormotoren. 1. Auflage, Motorbuch Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-613-01950-7.
  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. Vieweg+Teubner Verlag, 2009.
  • Helmut Pucher, Karl Zinner: Aufladung von Verbrennungsmotoren: Grundlagen, Berechnungen, Ausführungen 4. Auflage, Heidelberg Springer Vieweg, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-28990-3

Quellen

  1. ↑ a b Helmut Pucher, Karl Arthur Zinner: Aufladung von Verbrennungsmotoren: Grundlagen, Berechnungen, Ausführungen (= SpringerLink). 4. Auflage. Springer Vieweg, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-28990-3.
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