Funktionsweise von Turbolader und Kompressor: Arten der Aufladung

Die Aufladesysteme ermöglichen es, die Leistung eines Motors deutlich zu steigern. Grundsätzlich geht es bei der Aufladung eines Motors darum, mehr Luft in die Zylinder zu bringen, als der Motor bei atmosphärischem Druck von selbst ansaugen kann.

Warum brauchen wir mehr Luft im Brennraum? Ganz einfach gesagt, weil die Leistung eines Motors von der Menge an Sauerstoff abhängt (und damit von der Luft), die wir mit dem Kraftstoff zur Reaktion bringen können, um eine kräftige Explosion – oder je nach Gasmotor bzw. Dieselmotor Verbrennung – zu erzeugen, die den Kolben antreibt.

Dazu muss die Ansaugluft verdichtet werden, und zwar mithilfe eines Aufladungsmechanismus, der in zwei Arten vorliegen kann: als Turbolader (auch Turbokompressor genannt) oder als Kompressor.

Schauen wir uns das Funktionsprinzip von Turbolader und Kompressor an. So können Sie die Vor- und Nachteile in jedem Fall besser nachvollziehen.

Vorab sei daran erinnert, dass weder Kompressor noch Turbolader neue Technologien sind.

Die Aufladung wird im Motorsport seit dem ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts eingesetzt. Bei den Kompressoren wurde ein Mechanismus übernommen, der bereits in anderen industriellen Anwendungen verwendet wurde. Der Turbokompressor wiederum wurde ursprünglich in Flugzeugmotoren entwickelt, um die geringere Luftdichte mit zunehmender Höhe auszugleichen.

So funktioniert ein Turbolader

Ein Turbolader besteht im Wesentlichen aus zwei Turbinen, die starr über eine Welle verbunden sind und sich in einem Gehäuse drehen. Das Funktionsprinzip besteht darin, die kinetische Energie der Abgase des Motors zu nutzen.

Die Abgase werden durch die erste Turbine geleitet und versetzen sie in Drehung. Da die zweite Turbine mit ihr verbunden ist, dreht sich auch diese. Die Bewegung der zweiten Turbine wird genutzt, um Druck zu erzeugen, indem sie die Luft in den Ansaugkrümmer drückt.

Einige wichtige Dinge über Motoren mit Turbolader: Je größer der Turbo, desto mehr Druck kann er erzeugen. Allerdings benötigen die Abgase dann auch mehr Energie, um die Turbine zu beschleunigen, was zu einer verzögerten Reaktion zwischen Gaspedal und tatsächlicher Leistungsabgabe führen kann. Dies ist als Turboloch bekannt.

Weiterhin: Die Turbinen können sich mit sehr hohen Drehzahlen drehen, über 150.000 U/min. Daher ist die richtige Schmierung des Turboladers (insbesondere seiner Welle) entscheidend, um Schäden zu vermeiden. Deshalb sollte man sich die Bedeutung des Motoröls unbedingt bewusst machen.

Der mögliche Überdruck, den der Turbolader erzeugt, wird über ein Abblasventil kontrolliert. Die Einstellung dieses Ventils, das die Luft “entweichen” lässt, bestimmt die Regelung des Ladedrucks bzw. den Abblasdruck des Turboladers.

Um die Leistung zu verbessern, verfügen turbogeladene Motoren außerdem meist über einen als Ladeluftkühler bezeichneten Kühler. Dieser kühlt die Ansaugluft nach dem Durchgang durch den Turbolader ab, die sich beim Verdichten erwärmt und dabei an Sauerstoffdichte verliert.

Abschließend zum Turbokompressor sei erwähnt, dass er ein Aufladesystem ist, das sich besonders gut mit Dieselmotoren verträgt, die das Gemisch durch Verdichtung und nicht durch eine Explosion mittels Zündkerzenfunken zünden.

Benzinmotoren benötigen ein Gemisch mit einem bestimmten Verhältnis von Sauerstoff und Kraftstoff (für Neugierige: man nennt es stöchiometrisches Gemisch), damit die Verbrennung effizient ist, während ein Dieselmotor in der Lage ist, den gesamten Sauerstoff zu verbrennen, den man in den Brennraum einbringen kann.

Tatsächlich gibt es schon lange keine atmosphärischen Dieselmotoren mehr auf dem Markt. Bei Benzinmotoren gewann der Turbolader mit dem Aufkommen der elektronischen Einspritzung an Bedeutung, die eine genauere Gemischregelung als Turbomotoren mit Vergaser ermöglichte. Doch das wäre eine andere Geschichte. Heute gibt es Marken mit hervorragenden Benzinmotoren ohne Turbolader. Ein Beispiel ist der 2.0 Skyactive von Mazda, den wir im CX-30 getestet haben.

Arten von Turboladern

Es gibt verschiedene Arten von Turboladern, je nach Verwendungszweck. Nach ihrer “Geometrie” unterteilt man sie in feste oder variable Turbolader.

• Turbolader mit fester Geometrie. Bei diesem Turboladertyp trifft der Luftstrom auf die von den Abgasen angetriebene Turbine immer auf die gleiche Weise. Die Fertigung ist einfacher, da weniger bewegliche Teile vorhanden sind. Das Problem besteht darin, dass bei niedrigen Motordrehzahlen die Abgasströmung nicht genügend Energie besitzt, um die Turbine schnell zu beschleunigen, was das bereits erwähnte Turboloch bzw. die verzögerte Reaktion des Turboladers verursacht.
• Turbolader mit variabler Geometrie. Diese Bauart ist auch als VGT bekannt (Abkürzung für Variable Geometry Turbocharger). Sie verfügen über pneumatisch oder elektrisch betätigte Leitschaufeln im Turbinenbereich. Damit lässt sich verändern, wie die Abgase auf die Turbine treffen, vor allem um deren Bewegung bei schwachem Gasstrom zu beschleunigen. Sie beseitigen das Ansprechverzögerung des Turboladers größtenteils.
• Twin-Scroll-Turbo: Man nennt sie auch Turbos mit doppeltem Einlass. Sie nutzen die Abgasströme aus den Zylindern und trennen sie, damit im Ansaugkrümmer kein Gegendruck entsteht.

In diesem Video sehen Sie, wie ein Turbolader arbeitet, insbesondere einer mit variabler Geometrie.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

So funktioniert ein Kompressor

Nun zum Kompressor. Das Ziel ist dasselbe wie beim Turbolader: komprimierte Luft in den Brennraum einzubringen. Hier wird jedoch nicht die Energie der Abgase genutzt, sondern der Kompressormechanismus wird vom Motor selbst angetrieben, in der Regel über einen Riemen, der mit der Kurbelwelle verbunden ist.

Auch seine Anwendung reicht bis in die Anfänge des 20. Jahrhunderts zurück, als er in Rennwagen eingesetzt wurde, um hohe Leistungen zu erzielen. Da er nicht von den Abgasen abhängt, gibt es keine Ansprechverzögerung. Bei hohen Drehzahlen bedeutet er jedoch einen großen Leistungsverlust des Motors, was den Wirkungsgrad verringert.

Arten von Kompressoren

Es gibt verschiedene Kompressorbauarten, je nach Konstruktion.

• Roots-Kompressor. Er wird auch als “Lobe-Kompressor” bezeichnet, nach den achtförmigen Rotoren, die sich im Gehäuse gegenläufig drehen und dabei die Luft fördern.
• Eaton-Kompressor. Sie werden auch als “Schraubenkompressoren” bezeichnet. Sie bestehen aus zwei schraubenförmigen Elementen, die ineinandergreifend rotieren, sodass die Luft, die zwischen die beiden sich drehenden Teile gelangt, in einem immer kleiner werdenden Volumen eingeschlossen wird, wodurch der Druck steigt.

Eine weitere Kompressorbauart, die in den 90er-Jahren von Volkswagen ohne Erfolg eingesetzt wurde, ist der G-Kompressor, auch als Scroll-Kompressor bekannt. Er besteht aus einer festen und einer beweglichen inneren Spirale, die bei ihrer Bewegung die Luft verdichten. Sie wurden wegen der aufwendigen Fertigung und ihrer geringen Zuverlässigkeit nicht mehr eingesetzt.

Video Roots-Kompressor

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Video Eaton-Kompressor

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Was ist besser, ein Turbolader oder ein Kompressor?

Wenn Sie bis hierher gelesen haben, können Sie sich selbst ein Urteil bilden, ob ein Turbolader oder ein Kompressor besser ist. Denn auf diese Frage gibt es keine eindeutige Antwort. Es hängt vom Motortyp und von dem ab, was man erreichen möchte. Wie Sie sehen werden, setzen manche Marken sogar beide Systeme gemeinsam ein.

Zusammengefasst: Der Kompressor ermöglicht eine nahezu sofortige Reaktion auf das Gaspedal bereits bei sehr niedriger Drehzahl. Er ist jedoch voluminös, und sein Antrieb kostet den Motor Leistung.

Der Turbokompressor “raubt” dem Motor keine Energie, er nutzt die der Abgase, die sonst verloren gehen würde. Er hat jedoch das Problem der verzögerten Reaktion, wenn nicht genügend Abgase die Turbine antreiben, und zwar umso mehr, je größer der Turbo ist. Deshalb greift man auf Lösungen wie mehrere Turbolader zurück (ein kleiner für niedrige Drehzahlen, ein großer für hohe Leistung bei hohen Drehzahlen); Mercedes-Benz oder BMW haben in einigen ihrer Motoren sogar bis zu drei Turbolader eingesetzt.

Es gibt auch Marken, die auf die doppelte Aufladung setzen, um die Vorteile beider Systeme zu kombinieren, und das nicht nur in Sportmodellen. Um nur ein Beispiel zu nennen: Viele Modelle der Gruppe Volkswagen verwendeten einen Kompressor und einen Turbolader im beliebten 1.4-Vierzylindermotor, der unter anderem im Volkswagen Golf verbaut war.

Die neue Ära der Elektrifizierung hat den elektrisch unterstützten Turboladern den Weg geebnet, etwa dem EPC von Audi, bei dem ein elektrischer Kompressor die Turbine beschleunigt, um das Turboloch bei niedrigen Drehzahlen zu verringern. Eine weitere Lösung, die in den neuesten Sportmodellen von Audi mit TDI-Motor zu finden ist, ist die Kombination aus einem elektrischen Kompressor und einem Turbolader.

Einer der größten Spezialisten für Aufladung, BorgWarner, hat bereits seine Technologie eBooster entwickelt, bei der ein elektrischer Kompressor den von den Abgasen angetriebenen Turbolader unterstützt. In diesem Video können Sie sehen, wie das funktioniert.

https://youtu.be/iEGisoOnewg