Die Aufladung

Die Aufladung beim Motor

Grundsätzlich gilt:

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 somit mit kleinerem Hubraum und daher geringerem Gewicht ausgelegt werden. Man spricht vom Downsizing.

Durch die Aufladung können die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasemissionsgrenzwerte besser eingehalten werden.

VW 1.4 TSI Turbo

Laut Siemens sind mit Downsizing, also statt vier nur drei Zylinder und statt dessen dafür mit Direkteinspritzung und Turboaufladung Einsparungen von 15% realistisch.

Downsizing

Siemens VDO

bei Dieselmotoren gilt:

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.

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

Vorteile: Antrieb durch Motor - abschaltbar durch Magnetkupplung - schneller Aufbau des Ladedrucks - hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen

Nachteile: schlechter Gesamtwirkungsgrad - Antrieb kostet ca. 20 kW Antriebsleistung, nur Ladedruck bis 1,8 bar möglich

Turbo und Kompressor

VW kombiniert in ihrem TSI Modellen den Kompressor mit dem Turbolader, um die Vorteile beider Systeme auszunutzen.

VW TSI Turbo Kompressor

Motortuning mit Aufladung

Das Tunen (Verbesserung von Leistung und Drehmoment von Serienmotoren) mit Abgasturbolader und Kompressor ist sehr beliebt und wirkungsvoll. Die einfachste Möglichkeit ist die "milde" Aufladung mit mechanisch getriebenen, dauergeschmierten Ladern bis max. 0,3bar Ladedruck. Durch den Verzicht auf höhere Ladedrücke und damit höhere Leistungswerte kann gegebenenfalls der Ladeluftkühler, Ölkühler und der Lader-Motorschmierölanschluss eingespart werden. Der Umbau wird damit einfach gehalten werden. Auch die Lebensdauer von Lader und Motor wird höher sein. Das Tunen mit dem Abgasturbolader hat größeren Einfluss auf den Motor. An den Motorteilen Abgaskrümmer, Auspuffanlage, und an der Motorschmierung sind in jeden Fall Umbauten notwendig.

Begriff: "Turbodiesel"

Da bei den neuesten PKW - Dieselmotoren der Abgasturbolader die Standardausführung ist (nur mehr wenige Saugdiesel werden angeboten), wird dieser Begriff immer weniger in der Fahrzeugbeschreibung und -bezeichnung verwendet. Auch das früher so oft in der Abkürzung verwendete "T" für "Turbo" wird nur mehr selten verwendet. So kann man bei der Bezeichnung Common Rail Dieselmotor (CDI oder CR...) fast immer davon ausgehen das ein Dieselmotor mit Abgasturbolader (Turbodiesel) im Fahrzeug eingebaut ist. Also ein Turbodiesel mit dem neuen Einspritzsystem Common Rail. Auch beim schlichten "D" für Diesel (früher die Bezeichnung für Saugdiesel) muss man mit einem Abgasturbolader rechnen.

Wassereinspritzung beim aufgeladenen Motor?

Die meist nur für getunte Motoren und Rennmotoren angewandte Wassereinspritzung nutzt die hohe Verdampfungswärme von Wasser. Auf den Ladeluftkühler, oder nach dem Lader in die heiße Luft gesprüht, entzieht es dem Gehäuse und der Ladeluft beim Verdampfen Wärme und bewirkt eine Abkühlung. (Je kühler die Ladung ist, um so mehr Luftmasse passt bei gleichem Volumen in den Verbrennungsraum!) Das bringt nicht nur einen Leistungsgewinn, sondern auch (bei normaler Fahrweise) Verbrauchsvorteile und Abgasverbesserung (NOx).

Arten der Ladeluftkühlung

Im Fahrzeugbereich (PKW, LKW) wird überwiegend die Luft (Fahrtwind) - Luft (Ladeluft) -Kühlung angewendet. Der, im Vergleich zur Ladeluft "kühle", Fahrtwind wird auf einen Wärmetauscher geleitet, der mit der Ladeluft durchströmt wird. Stark im Kommen ist aber der doch aufwendigere Wasser (Motorkühlwasser) - Luft (Ladeluft) Kühler. Einen effektive Kühlung kann hier nur erreicht werden, wenn das Motorkühlwasser vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler abgekühlt wird.

Infos und Bild-Quellen: VW, Bugatti, Borg Warner, Wikipedia, Dipl. Ing. Haider,