Der Turbolader und seine Entwicklungsgeschichte

Die Geschichte der aufgeladenen Motoren ist fast so alt wie die der
Verbrennungsmotoren selbst. Bereits 1905 gab es ein Patent auf einen
Verbundmotor, bei dem der Lader und die Turbine
mechanisch an den Motor gekoppelt waren. Kurz darauf (1915), eine neue Erfindung
für die erste freilaufende Abgasturboladergruppe. Dieser Erfindung liegen
Erfahrungen von 1905 zugrunde.

Der erste aufgeladene Motor entstand 1910. Es war ein Zweitakt-Umlauf-Motor
und wurde von Murray-Willat gebaut. Durch die Aufladung ergab sich die
Möglichkeit, bei Flugzeugmotoren die Leistungseinbußen infolge der abnehmenden
Luftdichte in größeren Höhen zu kompensieren.

Im Jahre 1921 baute Daimler den ersten serienmäßigen Kompressorwagen. Die
Aufladung erfolgte mittels eines mechanisch angetriebenen Roots-Gebläse. Wegen
der Klopfgefahr erfolgte der Antrieb über eine Kupplung, die das Roots-Gebläse
erst bei höheren Motordrehzahlen zuschaltete. Die ersten Einsätze von
Kompressorwagen erfolgten bei Automobilrennen. Durch ihre vielen Rennerfolge,
insbesondere in den 20er und 30er Jahren, wurden die aufgeladenen Motoren
weltweit berühmt.

Im Jahre 1938 wurde der erste Nutzfahrzeug-Dieselmotor mit
Abgasturboaufladung von der Schweizer Maschinenfabrik "Saurer" gebaut. Erst
1962 wurde von "General Motors" im "Chevrolet Corvair Monza" und "Oldsmobile
Jetfire" die ersten Serien-PKW´s mit Abgasturboaufladung ausgestattet. Der erste
turboaufgeladene PKW-Dieselmotor wurde 1978 von "Daimler-Benz" im "300 SD"
eingebaut.

Durch die Abgasturboaufladung werden die Schwächen der Dieselmotoren wie
träger Drehzahlaufbau und geringe Leistung bei kleinem Hubraum beseitigt. Der
Dieselmotor wird durch die Turboaufladung für den PKW-Bau immer
interessanter. Gründe hierfür sind Leistungssteigerung und ein geringer
spezifischer Kraftstoffverbrauch. In den letzten Jahren kamen auch verstärkt
Benzinmotoren mit Abgasturbo in Serie auf den Markt.

Auch hier überwiegen die Vorteile:

- hohe Leistung bei kleinem Hubraum
- geringe Baugröße für enge Einbaubedingungen
- größeres Drehmoment bei geringen Drehzahlen
- geringere Geräuschentwicklung
- spezifisch günstiger Kraftstoffverbrauch

Hinzu kommen die ökologisch günstigeren Abgas-Emissionswerte.

In Zukunft werden vermehrt Turbolader entwickelt, die eine variable
Turbinen-Geometrie besitzen, wodurch der Drehmomentverlauf und das
Ansprechverhalten noch weiter verbessert werden. Des weiteren werden die
Geleitlager, die in heutigen Turboladern Verwendung finden, durch neuentwickelte
Kugellager ersetzt, durch die ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden wird.



Die Funktion des Turboladers

Mit einem Turbolader sollen hohe Drehmomente und somit höhere Motorleistungen erzielt werden. Dies gelingt, indem die angesaugte Luft verdichtet wird. Durch die erhöhte Dichte kann somit bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangen. Mit dem höheren Sauerstoffgehalt ist eine bessere Verbrennung möglich - die Leistung steigt.
Die Wärme- und Bewegungsenergie des Motorabgases werden genutzt, um die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben. Die Abgasturbine betreibt den Verdichter. Dieser presst die angesaugte Luft zusammen, wodurch sie sich erwärmt. Im Ladeluftkühler wird sie wieder abgekühlt.

Problembereiche des Turboladers:

Im oberen Drehzahlbereich ergibt sich eine hohe Turbinendrehzahl wodurch die Luft stärker komprimiert wird als nötig.

Im unteren Drehzahlbereich erreicht die Turbine nicht die notwendige Drehzahl. Die Luft wird nicht ausreichend komprimiert. Der Motor erreicht nicht die gewünschte Leistung (Turboloch).





Der "verstellbare" Turbolader

Er bringt im Gegensatz zum normalen Turbolader die notwendige Verdichtung über den gesamten Drehzahlbereich. Dies wird durch verstellbare Leitschaufeln möglich, die den Abgasstrom über das Turbinenrad führen.


Motordrehzahl niedrig und hoher Ladedruck gewünscht

Der Querschnitt des Abgasstromes wird vor dem Turbinenrad mit Hilfe von Leitschaufeln verengt. Da das Abgas durch den verengten Querschnitt schneller strömen muss, wird das Turbinenrad schneller gedreht. Dadurch wird auch bei niedriger Motordrehzahl der benötigte Ladedruck erzielt.

Motordrehzahl hoch:

Der Querschnitt des Turboladers ist dem Abgasstrom angepasst. Die Leitschaufeln geben einen größeren Eintrittsquerschnitt frei, um den benötigten Ladedruck nicht zu überschreiten.




Was bringt die Zukunft?

Hier scheiden sich die Geister. Wohin geht die Forschung?
Welche Art von Turbolader wird in Zukunft benötigt?
Die Automobilindustrie ist immer mehr auf der Suche nach Möglichkeiten, die vom Gesetzgeber vorgegebenen Emmisionswerte (Abgaswerte) einzuhalten. Des weiteren verlangt die Industrie nach kostengünstigen Lösungen.
Was bedeutet das aber für den Turbolader? Nun ja, Turbolader werden kleiner, einfacher und noch wesentlich effizienter. So werden schon heute bei einer Vielzahl von Turboladern neue Techniken verwendet, die es ermöglicht mit extrem wenigen und kleinen Einzelteilen auszukommen. Neue Verfahren, die es ermöglichen, kleinste Bauteile des Turboladers bei Betriebsdrehzahlen zu balancieren, werden immer komplexer und erfordern immer höhere Präzision. Betriebsdrehzahlen von bis zu 300.000 RPM werden keine Seltenheit mehr sein. Neue Materialien, wie Keramik, werden immer häufiger eingesetzt. Die noch immer gebräuchliche Gleitlagerung wird neuen Techniken wie Kugel- und Luftlagerung weichen.
Neue Einsatzgebiete werden für den Turbolader hinzukommen. Bereits heute werden bei den namhaften Automobilherstellern Turbolader in Verbindung mit Brennstoffzellen getestet.