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Abgasturbolader / Turbolader

Der Turbolader - Aufbau, Funktion, Wartung, Tipps, Defekte, VTG-Lader, Geschichte,

Lesen Sie auch: Aufladung | Ladedruckregelung |

Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt im Wesentlichen von der Luftmenge ab, die für seine Verbrennung zur Verfügung steht. Will man die Leistung steigern, kommt häufig der Abgasturbolader zum Einsatz: Der Turbolader nutzt die Abgasenergie, um die Ansaugluft vorzuverdichten und dem Motor zur effizienteren Verbrennung eine größere Luftmasse – und damit mehr Sauerstoff zuzuführen.

Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung (bei konstantem Arbeitsvolumen) bzw. die Erhöhung des Mitteldrucks, ohne vom Motor mechanische Antriebsleistung abzufordern, wie dies bei mechanischer Aufladung z. B. durch einen Kompressor geschieht. Will man die Leistung beibehalten, kann man die Leistungssteigerung durch den Turbolader nutzen, um einen leistungsstärkeren Motor mit annähernd gleichen Abmessungen wie das Ursprungsaggregat einzusetzen. Oder – und dazu geht der Trend – um Downsizing-Konzepte zu realisieren, durch die der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen ohne Leistungseinbußen gesenkt werden können.


Bugatti Veyron W 16
Bugatti Veyron W16 besitzt zur Leistungssteigerung 4 Turbolader

Die Abgasturboaufladung nutzt das abgeblasene Abgas aus dem Motor für den Antrieb eines Vorverdichters. Es wird auf dem Auspuffkrümmer eine Abgasturbine angeschraubt, die mit einer gemeinsamen Welle den Strömungsverdichter antreibt. Der Nutzen ist umso besser, je schneller die Abgase auf das Turbinenrad treffen. Zur Begrenzung des Ladedruckes wird  der Abgasstrom an der Turbine vorbei geleitet oder gedrosselt.

Aufbau und Funktion des Turboladers

Angetrieben wird der Abgasturbolader von den Motorabgasen, die mit hoher Geschwindigkeit und hohen Temperaturen von bis zu 950 °C auf die Turbinenschaufeln bzw. das Turbinenrad geleitet werden (rot).

Das Turbinenrad treibt wiederum das montierte Verdichterrad an, das auf der gleichen Läuferwelle gelagert ist. Während der daraus resultierenden Rotation saugt das Verdichterrad durch den Ansaugtrakt Umgebungsluft an und wird von dort weiter zu den Zylindern geleitet (blau).

Die gelbe Markierung zeigt den Ölkreislauf – vom Eintritt bis zum Rücklauf.
in Kürze:
  • die Energie des Abgases drückt Frischgase in den Zylinder
  • Ladewirkung erst ab mittlerer Drehzahl
  • Trägheit der Gassäule bewirkt Turboloch
  • Ladeluftkühlung sinnvoll (wegen thermischer Belastung, außerdem mehr Luftmasse)
  • Ladedruckregelung mech.-pneum. oder elektronisch
  • mit Ladeluftkühlung ca.  0,5 - 2,2 bar
  • ohne ca. 0,2 - 1,8 bar
Turbolader im Schnitt
Turbolader im Schnitt

Video Turbolader


Das TurboZentrum Berlin stellt hier einen Turbolader der neuen Borg Warner EFR-Serie vor.


VTG-Lader

VTG = Variable, d.h. verstellbare Turbinengeometrie

Der VTG Lader mit seinen drehbaren Leitschaufeln ist heute bei modernen PKW Dieselmotoren Stand der  Technik. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird der Strömungsquerschnitt der Turbine durch Schließen der Leitschaufeln verkleinert. Bei hohen Motordrehzahlen öffnen sich die Leitschaufeln um den gewünschten Ladedruck nicht zu überschreiten. Ein Bypassventil entfällt.

Vorteile: • Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen • Hoher Wirkungsgrad • Gutes Ansprechverhalten



Video zum Turbolader mit variabler Geometrie (VTG-Lader)
VTG Lader
VTG Lader


 

VTG-Lader Schaufelstellung
Drehzahl niedrig: Leitschaufeln auf enger Querschnittsstellung - hohe Geschwindigkeit des Abgasstroms und äußerer Rand der Turbinenschaufel = Hebelwirkung groß, Ladedruck steigt
VTG Lader - Schaufelstellung
Drehzahl hoch: Leitschaufeln großer Einlassquerschnitt - große Abgasmenge kann einströmen, benötigter Ladedruck wird erreicht


Stufenaufladung

Relativ neu beim Pkw ist auch die gestaffelte Anordnung von 2 Turbos (ein kleiner und ein großer), die sich die Arbeit sinnvoll  teilen und sich bei den entsprechenden Drehzahlen ergänzen. Bei der 2-stufig geregelten Aufladung (Registeraufladung)werden zwei Turbolader in Serie geschaltet: ein kleiner Hochdrucklader und ein größerer Niederdrucklader. 

Ein Turboloch wird weitestgehend vermieden.
Borg Warner Registeraufladung
Registeraufladung mit 2 Turbos von Borg Warner Turbo Systems

Ziel der 2-stufig geregelten Aufladung ist ein erhöhtes Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl. Bei ca. 1000 1/min erfolgt der Druckaufbau über den Hochdrucklader. Im mittleren Drehzahlbereich arbeiten beide Lader in Serie. Bei maximaler Motordrehzahl erfolgt der Druckaufbau überwiegend über den Niederdrucklader.

Warum ist die Abgasturboladung besonders bei Dieselmotoren so stark verbreitet?

Im Vergleich zum Ottomotor machen das niedrige Drehzahlniveau und die geringeren Abgastemperaturen die Anpassung des Abgasturboladers an das Motorkennfeld einfacher, die Materialauswahl kostengünstiger. Der Dieselmotor kann ohne Turbolader  in der Leistung mit dem Benzinmotor nicht mithalten. Die neuen kompakten Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) sind hinsichtlich des Beschleunigungsverhaltens (Rauchentwicklung durch verzögertes Ansprechen der Abgasturbine) stark verbessert. Es wird hier der Eintrittsquerschnitt und der Anströmwinkel auf die Abgasturbinenschaufeln in Abhängigkeit von Motorparametern verändert. Dies wird meist mit verstellbaren Leitschaufeln erreicht - oder mit einem Schieber der den Eintrittsquerschnitt mehr oder weniger abdeckt.


Es gibt aber auch schon Abgasturbolader mit Hilfs-Elektroservomotor, oder mit Hilfsölturbine, der das Laufzeug zusätzlich beschleunigt und so das "Turboloch" (kurzzeitiger Luftmangel durch Förderverzögerung des Laders bedingt durch die Massenträgheit des Laufzeuges) verhindert.

Die neuen PKW-HighTech Diesel in V-Bauweise werden auch mit "DoppelTurbo" ausgeführt. Zwei kleine ATL´s für je eine Zylinderreihe ergeben ein sehr gutes Ansprechverhalten und damit gute, weitgehend rauchfreie Fahrzeugbeschleunigung.

Tipps für Werkstätten

Was beim Umgang mit Turboladern beachtet werden sollte

Der Turbolader ist ein technisch komplexes Bauteil mit exakt aufeinander abgestimmten Komponenten. Wichtig für den Umgang ist deshalb:

Geschultes Werkstattpersonal

Turbolader erreichen Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min, ihre Einzelteile werden mit minimalen Fertigungstoleranzen hergestellt. Wartung und Austausch sollten deshalb nur von entsprechend qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Wichtig dabei ist auch die Verwendung von Spezialwerkzeugen und -maschinen, beispielsweise zur Wuchtung.

Nichts am Turbolader verändern

Turbolader sind ab Werk optimal auf den jeweiligen Motorentyp ausgelegt, deshalb sollte an ihnen keine Einstellung verändert werden. Wird beispielsweise der Ladedruck erhöht, kann der Motor heiß laufen mit der Folge, dass Kolben, Zylinderkopf oder Motorlager beschädigt werden.

Das richtige Motoröl verwenden

Wichtig beim Ölwechsel: Verwenden Sie nur das vom Hersteller vorgegebene Motoröl. Abweichungen beispielsweise in der Viskosität können zu einer falschen Schmierung führen und den Turbolader beschädigen.

Die Zulassung beachten

Beim Austausch sollten unbedingt nur Teile und technische Hilfsmittel verwendet werden, die den Anforderungen der Fahrzeug- und Motorenhersteller entsprechen. Ansonsten drohen Leistungsverluste oder gar Motorschäden - und ein Erlöschen von Garantie, Fahrzeugzulassung und Versicherungsschutz.

Tipps für Endkunden

Was kompetente Werkstätten ihren Kunden mit auf den Weg geben

Hier ein paar Tipps für die Werkstattkunden, die dazu beitragen, eine einwandfreie Funktion des Turboladers sicherzustellen.

Den Turbolader bei der geringsten Anomalität überprüfen lassen

Bei ungewöhnlichen Geräuschen des Turboladers, Öllecks oder Vibrationen muss der Motor sofort abgestellt und überprüft werden. Der Turbolader darf auf keinen Fall weiter beansprucht werden, denn durch die hohen Drehzahlen der rotierenden Teile werden selbst kleine Defekte auf andere Bauteile übertragen und beschädigen diese.

Den Motor nicht sofort auf volle Drehzahlen bringen

Nach dem Anlassen des Motors dauert es etwa 30 Sekunden, bis der volle Ölkreislauf aufgebaut ist. Erst dann darf der Motor auf höhere Drehzahl gebracht werden.

Den Motor nicht gleich abstellen

Ein Motor darf nicht abgestellt werden, wenn er unmittelbar davor mit hoher Drehzahl gelaufen ist. Denn der Turbolader arbeitet dann noch weiter, ohne dass eine ausreichende Schmierung sichergestellt ist. Ein wichtiger Tipp zur Weitergabe an die Werkstattkunden: Bevor der Motor abgestellt wird, sollte er noch ca. 20 Sekunden bei niedriger Drehzahl laufen.

Wartung und Pflege

Der Turbolader ist so konstruiert, dass er die Lebensdauer des Motors erreicht. Die notwendige Überwachung beschränkt sich auf wenige periodische Kontrollen, die bei jeder Motoreninspektion vorgenommen werden sollten. Voraussetzung für die Langlebigkeit ist jedoch, dass die Servicevorschriften der Motorenhersteller – z. B. Ölwechselintervalle, Ölfilteranlagen-Wartung, Öldruckkontrolle sowie Reinigung aller Filteranlagen und regelmäßiger, fachgerechter Filterwechsel – genau befolgt werden. Wichtig bei Wartungsarbeiten insbesondere am Luftfiltersystem: Es darf kein Fremdkörper in den Turbolader gelangen!

Leistungsverluste und Störungen – die Ursachen liegen oftmals nicht im Turbolader


Leistungsverluste und Störungen des Motors werden oftmals auf einen defekten Turbolader zurückgeführt, obwohl dieser noch voll funktionsfähig ist.

Wodurch Turboladerschaden entstehen

Defekte am Turbolader haben zumeist eine dieser Ursachen:

Unzureichende Schmierung

Bei mangelnder Schmierung fallen meist die Lager aus, wodurch das Verdichter- und das Turbinenrad an ihren Gehäusen schleifen.

Verschmutztes Öl

Verschmutztes Schmieröl führt zur Riefenbildung an den Wellenzapfen und der Lagerung. Ölbohrungen und Abdichtungen setzen sich zu und verursachen hohe Ölverluste.

Eindringen von Fremdkörpern

Fremdkörper, die beispielsweise über einen defekten Luftfilter eintreten, zerstören das Turbinen- oder Verdichterrad. Die daraus resultierende Unwucht beschädigt die Lagerung des Turboladers.

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Kleine Geschichte zum Turbolader

Erfinder: Alfred Büchi

Der Schweizer erhielt am 16. November 1905 das kaiserliche Patent des Deutschen Reichs für seine Erfindung des Turboladers. Genauer gesagt für eine „Verbrennungskraftmaschinenanlage, bestehend aus einem Kompressor (Turbinenkompressor), einem Kolbenmotor und einer dahinter geschaltenen Turbine“ . Der Turbolader war geboren.

Büchi hatte allerdings seine Erfindung nur auf dem Papier, da ihm damals keine geeigneten Werkstoffe zur Verfügung standen. Auguste Rateau stattete 1913 ein Flugzeug mit einem Turbolader aus. Büchi baute 1915 bei der Firma Sulzer in Winterthur den ersten Prototypen eines Dieselmotors mit Turboaufladung für ein Schiff.




Quelle: Borg Warner Turbo Systems, Mahle, Bugatti, BTS,

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Autor: Johannes Wiesinger
bearbeitet: 19.02.2015

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