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Der Turbo im Detail: Geballte Ladung

Ist die Rede von Verbrauch und Leistung, denkt man an ihn zuletzt. Und doch spielt der Turbolader gerade in diesem Zusammenhang eine zentrale Rolle.

Zwar ist der Diesel ein Muster an Effizienz – weit über 40 Prozent beträgt sein Wirkungsgrad –, doch heißt das umgekehrt: Eine Menge ungenutzter Energie verlässt den Motor in Form von heißen Abgasen.

Genau hier setzt der Turbolader an. Er nutzt den Abgasstrom, um dem Motor mehr Frischluft zuzuführen. Das wiederum verschafft der Maschine mehr Muckis und zügelt zugleich ihren Dieseldurst.

­1905: Al­fred J. Büchi erfindert den Turbo

Schon 1905 wurde die Idee geboren, die Aufladung des Motors durch eine Abgas­turbine zu bewerkstelligen. Der Schweizer ­Al­fred J. Büchi hatte diesen Geistesblitz. Selbst die Ladeluftkühlung erwähnt er schon in seinen Grundpatenten. Allerdings dauerte es dann noch bis zum Jahr 1938, als Saurer im schweizerischen Arbon einen Turbodieselmotor für Lastkraftwagen vorstellte. Weitere 13 Jahre gingen ins Land, bis in Gestalt eines 750 TL 1 der erste deutsche Turbo-Lkw auf der IAA 1951 zu bestaunen war. Mittels Abgas-Turboaufladung war die Power des Motors von 130 auf 175 PS gestiegen. Drei Jahre später zog Volvo nach und brachte mit dem Modell L 395 Titan einen weiteren Lkw mit Turbo. "Mehr Leistung, geringerer ­Verbrauch", lautete das erste Resultat der neuen Technik.

Dass ein solchermaßen aufgeladener Motor nebenbei auch weniger Schadstoffe und Geräusche von sich gibt, machte den Lader schließlich in den 90er-Jahren im Lkw unentbehrlich. Der Turbo (lateinisch für "Wirbel") folgt einem einfachen Prinzip: Den heißen ausströmenden Abgasen entnimmt eine Turbine Energie und dreht dabei im ­Extremfall mit bis zu 165.000 U/min. Das Turbinenrad sitzt auf der gleichen Welle wie sein Gegenüber alias Lader- oder Verdichterrad, das mit gleicher Drehzahl läuft. Dessen Aufgabe besteht darin, Frischluft anzusaugen und verdichtet in die Zylinder zu drücken.

Höherer Ladedruck führt zu Wärmebelastung des Motors

Genauso kommt der Motor zu mehr Sauerstoff und kann entsprechend mehr Diesel verbrennen. Allerdings erhöht sich mit steigendem Ladedruck die Temperatur der Ladeluft. Sie enthält dann weniger verbrennungsfördernden Sauerstoff und die Wärmebelastung des Motors nimmt zu.

Die Abhilfe: Ladeluftkühlung – gerade bei hoch aufgeladenen Motoren lohnt sich das Verfahren. Auf dem Weg vom Verdichter zum Motor findet das Ganze statt. DAF begann schon 1973 auf breiter Front mit dieser Technik, für die auch der Name Intercooler steht. Turboaufladung und Ladeluftkühlung sind heute Standard im Lkw.

Drei Faktoren bestimmen den Ladedruck: der Strömungsquerschnitt auf der Antriebsseite des Laders, die Höhe der Motordrehzahl und die Verbrennungstemperatur. Kleine Lader mit geringem Querschnitt haben den Vorteil, dass sie schnell Druck aufbauen und schon auf geringe Abgasmengen ansprechen. Voluminösere Turbinen mit größerem Strömungsquerschnitt arbeiten im unteren Drehzahlbereich oft etwas phleg­matisch, verschonen den Motor bei höheren Drehzahlen aber vor zu hohen Drücken.

Zu hohe Drehzahlen sind nicht gut für den Motor

Bei den kleineren Varianten erreicht der Ladedruck in höheren Drehzahlbereichen unter Umständen Werte, die dem Motor auf Dauer nicht bekömmlich sind. Abhilfe schafft eine sogenannte Ladedruckregelung, die überschüssigen Druck per Wastegate-Ventil in den Auspuff schickt und damit in ungefährliche Bahnen lenkt.

Noch mehr Effizienz, wie sie spätestens mit Euro 6 gefragt ist, bieten Turbolader mit einer variablen Geometrie des Schaufelrads. Das ermöglicht einen verstellbaren Eintrittsquerschnitt und macht das Wastegate überflüssig. Die Cursor-Motoren von Iveco waren Vorreiter bei dieser Technik, derer sich mittlerweile auch Scania ausgiebig bedient. Bei ihnen kann die Winkelstellung der Laderschaufeln in Abhängigkeit vom Abgasdurchsatz variiert werden.

DAF hat angekündigt, für Euro 6 ebenfalls Turbolader mit variabler Geometrie einzusetzen. Das hat allerdings seinen Preis: Ein VGT-Lader ist fast doppelt so teuer wie ein Wastegate-Lader. Variable Turbos der zweiten Generation kommen jedoch nicht mehr ganz so aufwendig daher wie die ersten: Statt separat verstellbaren Turbinenschaufeln wie zu Beginn gibt es dort nun einen Schaufelkranz, der auf einem Gleitkolben sitzt und je nach gewünschtem Ladedruck hin- und herfährt. Das ist das simplere Prinzip mit etwas weniger Teilen und somit auch geringeren Kosten.

Zweistufige Aufladung sorgt für Flexibilität beim Ladedruck

Noch einfacher bewerkstelligt eine zweistufige Aufladung die zunehmend geforderte Flexibilität beim Ladedruck. Dabei sind ein kleiner sowie ein großer Lader hinter­einandergeschaltet und teilen sich die Arbeit. Bei niedrigen Drehzahlen sowie Lasten hat der große Lader  Pause und der kleine voll zu tun. Bei hoher Last und Drehzahl übernimmt dann zunehmend der große Lader das Regiment. Ein Wastegate-Bypassventil reguliert die Verteilung. Praktiziert wird diese Technik derzeit zum Beispiel bei MAN in den kleinen Vierzylindern der D08-Baueihe.

Eine weitere und besonders einfach aufgebaute Variante zum Thema variabler Ladedruck steuert schließlich Daimler in Gestalt des asymmetrischen Turbos bei. Die neuen Weltmotoren mit der Bezeichnung OM 471 sowie OM 470 verfügen jeweils über einen Lader mit fester Geometrie, aber asym­metrischer Luftverteilung: Bei dieser Turbine gelangt das Abgas der ersten drei Zylinder direkt und ohne Verluste durch die ­Abgasrückführung in die Turbine. Das spürt der Fahrer direkt am spontanen Ansprech­verhalten.

Die anderen drei Zylinder wiederum sind bei den neuen Daimler-Aggregaten mit dem Abgas­rück­führkanal verbunden und werden auf einem höheren Druckniveau zur Rück­führung der Abgase gehalten. Das schafft ein sogenanntes positives Spülgefälle, was den Motor eben trotz Abgasrückführung schön genügsam laufen lässt.

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24. August 2012
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