Bei der Aufladung wird
- die Ladungsmenge vergrößert, also die Dichte der Ansaugluft erhöht,
- somit der Füllungsverlust verkleinert und
- der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert.
- Dies hat jedoch auch eine Temperaturerhöhung zur Folge.
Mit
einem Ladeluftkühler vor dem
Eintritt in den Motor, kann eine weitere Steigerung der Ladungsmenge im
Zylinder erreicht werden.
Mit
Aufladung kann eine bedeutende Drehmomentanhebung
(mehr Arbeitsdruck) und Leistungssteigerung
erreicht werden.
Der im Vergleich zum Basis-Saugmotor leistungsgleiche Ladermotor kann mit kleinerem Hubraum und daher geringerem Gewicht ausgelegt werden (Downsizing). Durch die Aufladung können die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasemissionsgrenzwerte besser eingehalten werden.
Laut Siemens sind mit Downsizing, also statt vier nur drei Zylinder und statt dessen dafür mit Direkteinspritzung und Turboaufladung Einsparungen von 15% realistisch.
Siemens VDO
bei Diesel:
- hohe Verdichtung + Aufladung = sehr hohe Arbeitsdrücke
-
hohes Drehmoment + niedriger Verbrauch
- Systeme:
Schwingrohraufladung, - Abgasturboaufladung,
- kombinierte Aufladung oder Resonanzaufladung,
- mechanische Aufladung (Kompressor),
- Druckwellenaufladung oder Comprexaufladung,
- Pulseconverter.
Man unterscheidet auch zwischen Selbstaufladung (z.B. Schwingrohraufladung) und der Fremdaufladung mit einem Zusatzaggregat.
- 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
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.
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Ladedruckdiagramm AUDI-Motoren
Ladedruckregelung
Eine Aufladung soll natürlich auch bereits bei mittleren Drehzahlen und niedriger Abgasströmung stattfinden. Deshalb wird häufig die Baugröße des Turboladers verringert. Dies hat aber wiederum zur Folge, dass bei hohen Drehzahlen der Ladedruck unzulässig hoch wird, bzw. die Laderdrehzahlen zu hoch werden. Es besteht die Gefahr einer Motorzerstörung. Dies macht eine Ladedruckregelung unabdingbar.
Mechanisch-pneumatische Regelung:
zu hoher Ladedruck öffnet ein Ladedrucksteuerventil gegen eine Federkraft. Die Abgase strömen über eine Bypassleitung zurück in den Auspuff. Statt eines Ventils wird häufig auch eine Bypass-Klappe verwendet.
Elektronische Ladedruckregelung:
Den optimalen Ladedruck erreicht man nur elektronisch. Haupteingangssignale für das Ladedrucksteuergerät sind Ladedruck, Drosselklappenstellung und Klopfneigung. Korrektursignale sind: Ansauglufttemperatur, Motortemperatur, Drehzahl, Umgebungsdruck. Das Ladedrucksteuergerät steuert ein Taktventil an, dass wiederum das Ladedruckregelventil öffnet bzw. schließt.
Prinzip:
Ladedruck niedrig > Taktventil offen > Ladedruckregelventil geschlossen > Turbine enthält vollen Abgasstrom
Ladedruck hoch > Taktventil geschlossen > Ladedruckregelventil geöffnet > Turbine erhält gedrosselten Abgasstrom
Vorteile der elektronischen Ladedruckregelung:
-
sie spricht schneller an,
-
ist unabhängig vom Luftdruck, was eine konstantere Leistungsentfaltung bringt und
-
der Ladedruck kann bis zur Klopfgrenze gesteigert werden.
Zur Ladedruckregelung ein Auszug aus Wikipedia (Turbolader):
|
Prinzip bedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller, und 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. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten, also die Aufladung des Motors zu begrenzen, bedarf es einer Einrichtung, die im allgemeinen Sprachgebrauch „Ladedruckregelung“ genannt wird. Diese Regelung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die einfachste Ladedruckregelung wird durch Abblasen überschüssiger komprimierter Luft auf der Verdichterseite durch ein Überdruckventil realisiert. Solche Überdruckventile dienen bei heutigen Serienmotoren nur noch als Sicherheitsventile im Fall des Versagens anderer Bauteile, denn das Abblasen der verdichteten Luft hat schwerwiegende Nachteile:
Eine bessere Variante der Ladedruckregelung ist das Bypassventil (auch Wastegate genannt) im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Ventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann Abgas an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbindet. Das Bypassventil und seine Stellglieder sind aufgrund ihrer Position im heißen Abgasstrom thermisch hoch belastet, damit störanfällig und waren einer der Gründe, warum einzelne Motorenbauer von der Turbo-Aufladung von Otto-Motoren wieder abkamen und Kompressorsysteme verwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten. |
Umluftventil (Abblasventil, Pop-Off-Ventil)
Bei geschlossener Drosselklappe im Schiebetrieb entsteht ein Staudruck durch die in Bewegung befindliche Luftsäule, der das Verdichterrad abbremst, was bei hohem Ladedruck auf Dauer zur Zerstörung des Turboladers führen kann. Damit das Verdichterrad weiterlaufen kann, wird ein Umluftventil eingesetzt. Es handelt sich meist um ein saugrohrgesteuertes Umluftventil (Abblaseventil), das ein Umpumpen der Luft von der Verdichterseite zur Ansaugseite ermöglicht.
mehr dazu auch bei Wikipedia
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.
Neu beim Pkw ist auch die gestaffelte Anordnung von 2 Turbos (1 kleiner und ein großer), die sich die Arbeit sinnvoll teilen und sich bei den entsprechenden Drehzahlen ergänzen. Ein Turboloch wird weitestgehend vermieden.
anklicken
n niedrig: Leitschaufeln auf enger Querschnittsstellung - hohe Geschwindigkeit des Abgasstroms und äußerer Rand der Turbinenschaufel = Hebelwirkung groß, Ladedruck steigt
n hoch: Leitschaufelngroßer Einlassquerschnitt - große Abgasmenge kann einströmen, benötigter Ladedruck wird erreicht
Weitere Infos zum Biturbo oder zur Registeraufladung finden Sie bei Wikipedia
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Warum mechanische Aufladung ?
Besonders beim Ottomotor
ergeben sich Vorteile gegenüber dem ATL,
weil die abgasführenden Teile nicht aus hochwarmfesten, teuren, Material
hergestellt werden müssen. Die luftführenden Teile können in
genügend großem Abstand zu heißen Teilen angebracht werden und dadurch
nicht aufgeheizt werden können. Die Abgasturbine soll aus
Wirkungsgradgründen möglichst nahe am Auspuffkrümmer angebracht werden.
Das verursacht thermische Probleme für die übrigen angrenzten Motorteile
und stellt große Anforderung an die Abgasdichtungen. Die Abgasführung
des Kompressormotors kann strömungsgünstig und kostengünstig gestaltet
werden.
Als Zusatzladegerät in
Serie zum ATL ist jedoch ein kompakter mechanischer Lader auch beim
PKW-Dieselmotor sinnvoll einsetzbar.
Auch bei Dieselmotoren mit
Rußfiltern ergeben sich Vorteile für den mechanischen Lader.
Bauarten der mechanischen Aufladung (Kompressoraufladung):
Für die mechanische
Aufladung von Verbrennungsmotoren werden überwiegend
Drehkolbenmaschinen in einwelliger
und zweiwelliger Ausführung
verwendet.
Wie bei den
Zahnradgetrieben (Außenverzahnung und Innenverzahnung) unterscheidet man
bei den zweiwelligen Maschinen zwischen außenachsigen
und innenachsigen Ausführungen.
In der einfachsten Form
besteht der Rotor aus einem Kreiszylinder, das Gehäuse aus einem
kreiszylindrischen Rohr, und das Trennelement zwischen Saugraum und
Druckraum aus einem federbelasteten Flach-Schieber.
Die einwellige Bauart
lässt sich gut und kompakt in den Verbrennungsmotor einbauen. Der Antrieb
kann auch ohne Riemen oder Zahnräder erfolgen, wenn man den Rotor direkt
mit dem Kurbelwellenende antreibt. Durch das zentralsymmetrische
Aneinanderreihen von mehreren Rotoren hintereinander wird ein
pulsationsarmer gleichmäßiger Förderverlauf erreicht.
Es ist die zweiwellige,
außenachsige, verschraubte Bauart nach Roots,
die derzeit am häufigsten in Serie eingesetzt wird.
Im Nachrüstmarkt wird
zusätzlich der mechanisch und elektrisch
getriebene Radialverdichter und der Schraubenverdichter
eingesetzt.
Vor- und Nachteile des mechanischen Laders
