Variable-Turbinengeometrie-Lader

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, 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 (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.

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  Turbolader eines PKW
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  Abgasseite mit Leit­schaufel­verstellung
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  Ladeluftseite
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  Lagerung der Turbowelle
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  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

• http://www.honeywell.com/sites/ts/tt/turbofactsbenifits_VNTbenifits.htm
• http://www.technologie-entwicklung.de/Gasturbinen/VNT15-Turbo/vnt15-turbo.html