Benutzer:TheMechanist95/LDR
Ladedruck-Regelung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Prinzipbedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller. Je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr antreibt. Letztlich steigt auch die Reibung in den Lagersitzen an und die Verdichterdrehzahl erreicht ein Drehzahlplateau. Auch kann der Verdichter seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors werden überschritten. Die im niedrigen Drehzahlbereich gewünschte Aufladung des Motors kann also in höheren Bereichen problematisch werden. Turbolader ohne Ladedruckregelung müssen also so ausgelegt sein, dass Sie bei Volllast, gerade an ihrer Leistungsgrenze arbeiten. Dadurch entsteht ein sehr großes Turboloch. Die Aufgabe der Ladedruckregelung ist es, dieses zu reduzieren. Sie ermöglicht es, dass der Lader bereits bei niedrigen Abgasströmen seine volle Leistung hat und trotzdem bei hohen Drehzahlen die Belastungsgrenze nicht überschreitet. Diese Regelung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Etabliert hat sich die Regelung über ein Wastegate (besonders bei Ottomotoren verbreitet) oder über verstellbare Leitschaufeln (besonders Diesel).
Gestellt werden beide Aktoren entweder pneumatisch-mechanisch oder elektrisch. Bei der pneumatischen Lösung befindet sich auf der Verdichterseite ein Geber. Ab einem gewissen Ladedruck verstellt sich der Steller um den Ladedruck zu regeln. Bei neueren Motoren wird vermehrt auf elektrische Stellglieder gesetzt. Da diese als Lagerückmeldung nicht nur auf oder zu zurückliefern können, sondern ihre genaue Position ist eine exakte Regelung möglich. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass das Ventil im gesamten Kennfeldbereich unabhängig vom Ladedruck gestellt werden kann. Dadurch kann der Steller kann auf unterschiedliche Anforderungen reagieren (wie Schubabschaltung). Zusätzlich kann der Ladedruck kurzzeitig erhöht werden um einen "Over-Boost" zu ermöglichen. Außerdem besitzen diese eine höhere Stellgeschwindigkeit und höhere Zuhaltekräfte um bei einem Wastegate-Ventil die Leckage zu verringern.
Wastegate[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Eine Variante der Ladedruckregelung ist das Bypassventil (auch Wastegate genannt) im Abgasstrom. Dieses Ventil kann einen Teil des Abgasstroms an der Turbine vorbeileiten um so den Ladedruck zu verstellen. Hierdurch lässt sich ein kleinerer Lader einsetzen, der bereits bei niedrigen Drehzahlen genügend Ladedruck produzieren kann, um so das Turboloch zu verkleinern. Bei höheren Laderdrehzahlen wird der Abgasmassenstrom an der Turbine vorbeigeleitet um den Lader nicht zu überlasten. Es ist üblich, dass das Bypass-Ventil als Klappe direkt im Turbinengehäuse integriert ist (siehe Bild rechts). Diese Methode der Ladedruckregelung hat allerdings den Nachteil, dass bei geöffnetem Wastegate nicht mehr die Energie des gesamten Abgases genutzt wird, sondern nur noch ein kleiner Teil. Das Bypassventil und seine Stellglieder sind aufgrund ihrer Position im heißen Abgasstrom (ca. 1000 °C) thermisch hoch belastet, damit störanfällig und waren einer der Gründe, warum einzelne Motorenbauer von der Turbo-Aufladung von Ottomotoren wieder abkamen und Kompressorsysteme verwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten.
Verstellbare Leitschaufeln (Variable Turbinengeometrie, VTG)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die VTG arbeitet ähnlich wie eine Francis-Turbine. Sie hat verstellbare Leitschaufeln im Abgasstrom vor dem Turbinenrad, mit dem die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen, also an hohe oder niedrige Last besser angepasst werden kann. Sie sind im Turbinengehäuse unmittelbar vor dem Turbineneintritt angeordnet. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln werden dabei so geregelt, dass bei wenig Gasdurchsatz aber hohem Leistungsbedarf das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz durch große Querschnitte die Strömungsgeschwindigkeit verringert werden, was die Leistung des Laders vermindert. Im Gegensatz zum Wastegate-Lader kann somit im gesamten Kennfeldbereich die Energie des gesamten Abgasmassenstroms genutzt werden.
Honda nutzte 1989 seine Erfahrungen mit Turbomotoren aus der Formel 1 und brachte eine Wing turbo genannte Variante des Honda Legend mit einem VTG-Turbo auf den Markt. Die Regelung erfolgte durch einen Digitalrechner. Der 2-Liter-Motor leistete 142 kW (193 PS) bei 6000/min.[1]
Turbolader mit VTG werden seit 1996 auch in Dieselmotoren für PKW eingesetzt. Der TDI-Dieselmotor mit direkter Einspritzung von VW/Audi mit einer maximalen Leistung von 81 kW (110 PS) erreichte durch den Einsatz variabler Turbinengeometrie als erster PKW-Antrieb einen Motor-Wirkungsgrad von über 40 %. Die VTG-Technik hat sich inzwischen bei Dieselmotoren als Standard durchgesetzt.
Porsche setzte im 911 Turbo (997) (Verkaufsstart in Deutschland war im Juni 2006) seinen ersten Ottomotor mit VTG ein. Um den mit bis zu 1000 °C gegenüber Dieselmotoren erheblich höheren Abgastemperaturen standhalten zu können, müssen hochwarmfeste Legierungen (Wolfram-Stähle) eingesetzt werden. Entwickelt wurde der moderne VTG-Turbolader für Ottomotoren in enger Zusammenarbeit mit BorgWarner Turbo Systems. VW setzt mit der Motorisierung „1.5 TSI BlueMotion“ erstmals einen VTG-Lader bei einem Großserien-Ottomotor ein. Da der Motor, bedingt durch Millersche Steuerzeiten, verhältnismäßig niedrige Abgastemperaturen aufweist (~860 °C), ist der Einsatz möglich. Entwickelt wurde der Lader von Honeywell. Ein weiterer bekannter Begriff für Turbolader mit variabler Turbinengeometrie ist auch VNT (Variable Nozzle Turbine). Diese Bezeichnung wird von Honeywell für deren Turbosysteme mit variabler Turbinengeometrie unter dem Markennamen Garrett verwendet.