Turbocharger: structure and functioning

Function

Bei einem Turbolader wird durch die ansonsten verlorene Abgasenergie ein Turbinenrad angetrieben. Über eine Welle wird ein Radialverdichter angetrieben. Die auf diese Art verdichtete Ansaugluft wird so dem Motor zugeführt. Es entsteht ein Sauerstoffüberschuß. Zum Einsatz am Turbolader kommen in den meisten Fällen Radialverdichter und Zentripetalturbinen.

Schematic representation of a Twinnscroll Turbocharger

Beschreibung der Haupt-Baugruppen

• » Compressor
• » Turbine
• » Control
• » Lagerung
• » Abdichtung

» Verdichter

Funktionsweise

Bei den meisten der Heute zum Einsatz kommenden Verdichtern am Turbolader handelt es sich um Radialverdichter. Die drei Hauptbestandteile dieser Baugruppe sind:

• Radialverdichterrad
• Spiralgehäuse mit Rückwand
• Diffusor

Die Luft wird durch die Drehung des Verdichterrades Axial angesaugt und im Rad auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die so beschleunigte Luft verlässt das Verdichterrad Radial in Richtung Diffusor.

Im Diffusor wird diese kinetische Energie in Druckenergie gewandelt. Dazu wird die Strömung verzögert, Druck und Temperatur steigen nahezu verlustfrei an. Erreicht wird dies durch die stetige Erweiterung des Strömungsquerschnitts innerhalb des Spiralgehäuses wo die Luft gesammelt und die Geschwindigkeit bis zum Verdichteraustritt reduziert wird.

Betriebsverhalten

Bei Radialverdichtern wird das Betriebsverhalten regelmäßig durch Kennfelder beschrieben, bei denen das Druckverhältnis über den durchgesetzten Volumen- bzw. Massenstrom dargestellt ist. Der Arbeitsbereich im Kennfeld von Strömungsverdichtern ist auf der einen Seite begrenzt durch die Pumpgrenze, auf der anderen Seite durch die Stopfgrenze sowie die maximal zulässige Drehzahl des Verdichters.

Pumpgrenze

Als Pumpgrenze bezeichnet man den den Bereich im Kennfeld, wo sich durch zu kleine Volumenströme und zu hohe Druckverhältnisse die Strömung von den Verdichterschaufeln löst. Dargestellt wird dieser Bereich durch begrenzung des linken Kennfeldrandes. Bei erreichen der Pumpgrenze wird keine Luft mehr gefördert. Diese strömt dann rückwerts durch den Verdichter bis sich wieder ein stabiler positiver Volumenstrom eingestellt hat. Es erfolgt ein neuer Druckaufbau. Bei diesem sich rasch wiederholendem Vorgang entsteht ein Pumpgeräusch.

Stopfgrenze

Als Stopfgrenze wird das erreichen des maximalen Volumenstromes bezeichnet. Begrenzt durch den Querschnitt am Verdichtereintritt und dem erreichen der Schallgeschwindigkeit am Radeintritt, wird ein weiteres Anwachsen des Luftdurchsatzes gestopt. Die stark abfallenden Drehzahllinien am rechten Kennfeldrand zeigen die Stopfgrenze im Verdichterkennfeld.

» Turbine

Bauarten und Funktion

Die Turbine eines Turboladers besteht aus dem Turbinenrad und dem Turbinengehäuse. Die Turbine wird von den Motorabgasen angetrieben und treibt über eine Welle das Verdichterrad an. Die Abgase werden im Turbinengehäuse vom Gaseintritt bis zum Turbinenrad aufgestaut. Dieses so entstehende Druck- und Temperaturgefälle wird in der Turbine in kinetische Energie umgesetzt, die das Turbinenrad antreibt.

Bei Turboladern kommen zwei Turbinenarten zum Einsatz.

• Axialturbinen
• Radialturbinen

Bei Axialturbinen wird das Turbinenrad axial von den Gasen durchströmt.
Die durchströmung von Radialturbinen geschieht radial von außen nach innen einströmend und anschließend nach außen Ausströmend in axialer Richtung. (Zentripetal)

Radialturbinen werden bis zu einer Motorleistung von ~1000 kW verwendet. Diese Bauart deckt somit fast alle Anwendungen in Pkw, Nutzfahrzeug- und Industriemotoren ab.

Betriebsverhalten

Die Leistung einer Turbine ist abhängig vom Druckgefälle zwischen Eintritt und Austritt. Die Turbinenleistung nimmt zu, wenn die Drehzahl des Motors oder dessen Abgastemperatur steigt.

Je kleiner die Turbine, um so früher spricht diese an, die maximal mögliche Motorleistung sinkt. Die Turbinengröße lässt sich durch Wechseln des Turbinengehäuses einfach ändern.

Die "verstellbare" VNT / VTG Turbine bringt im Gegensatz zur normalen Turbine einen guten Wirkungsgrad 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.

» Steuerung

Bauarten und Funktion

Die Steuerung von Ladedruck und Ansprechevrhalten geschieht immer turbinenseitig. Die folgenden zwei Arten kommen zum Einsatz.

• Bypassventil
• Verstellbare Turbinengeometrie

Regelung mittels Bypassventil

Die Kostengünstigste Art der Ladedruckregelung ist die Steuerung durch ein Bypassventil. Bei Erreichen des erforderlichen Ladedruckes wird das Bypassventil über einen Aktuator (Steuerdose, Stellmotor) geöffnet um einen Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbeizuleiten. Die Steuerung des Aktuators geschieht im einfachen Fall durch das aufschlagen von Ladedruck auf die Membrane innerhalb der Steurdose.

An modernen Aufgeladenen Motoren werden elektronische Ladedruckregelungen eingesetzt. Hier wird in abhängigkeit der Motorparameter über ein Dreiwegeventil der Bypass gesteuert.

Regelung mittels Verstellbarer Turbinengeometrie

Die verstellbaren Leitringe im Turbinengehäuse von VTG Turboladern ermöglichen es, den Strömungsquerschnitt der Turbine den Betriebszuständen des Motors anzupassen. Der Gesamtwirkungsgrad von Turbolader und Motor wird erheblich verbessert.

» Lagerung

Bauarten und Funktion

Die Drehzahl vom Laufzeug eines Turboladers beträgt bis zu 300.000 rpm. Da die Lebensdauer des Turboladers der des Motors entsprechen soll, haben sich Gleitlager durchgesetzt. Nur mit einer Gleitlagerung ist es heute möglich die hohen Anforderungen von Lebensdauer, Drehzahl und niedrigen Herstellungskosten zu erfüllen.

Folgende Arten von Lagerungen am Turbolader kommen zum Einsatz.

• Gleitlager
• Rollenlager

Die Radiallagerung mit Gleitlagern

Bei einer Gleitlagerung dreht sich die Welle berührungslos und verschleißfrei innerhalb der Ölumspülten Gleitlagerbuchse.

Bei der Zweibuchsenlagerung drehen sich die Schwimmbuchsen im Lagergehäuse mit ca. der halben Wellendrehzahl. Die Lager laufen also berührungslos und verschleissfrei. Das zwischen den Lagerspalten unter Druck fließende Öl übernimmt zugleich auch eine Dämpfungsfunktion.

Die Heute oft verwendete Einbuchsenlagerung ermöglicht einen geringeren Lagerabstand wodurch die Turbolader kleiner und kompakter geworden sind. Hier dreht sich die Welle innerhalb der im Lagergehäuse feststehenden Gleitlagerbuchse. Der äussere Spalt der Buchse dient der Lagerdämdfung und ist mit Öl umspült.

Axiallagerung mit Gleitlagern

Das Axiallager (Keilflächen-Gleitlager) nimmt die Kräfte auf, die auf das Verdichterrad und das Turbinenrad in axialer Richtung wirken. Das Axiallager ist im Lagergehäuse stehend befestigt.

Rollenlagerung (Kugelgelagerter Turbolader)

Kugelgelagerte Turbolader konnten sich bis Heute nicht durchsetzen. Sie kommen zwar schneller auf Betriebsdrehzahl, sind aber wiederum nicht für die heutigen hohen Drehzahlen geeignet. Zu dem sind die Herstellungskosten in der Produktion sehr hoch.

» Abdichtung

Bauarten und Funktion

An Turboladern kommen hauptsächlich die folgenden drei Arten von Abdichtungen zum Einsatz.

• Kolbenringe [Verdichterseite, Turbinenseite]
• Karbonabdichtungen [Verdichterseite]
• und neuerdings Gaspolster- Gleitringdichtungen [Verdichterseite]

Kolbenringabdichtung

Turbinen- und verdichterseitig befindet sich im Turbolader je ein Kolbenring in einer Nut auf der Läuferwelle. Die Kolbenringe sind im Lagergehäuse fest verspannt und drehen sich nicht mit. Diese Art der Abdichtung ist eine berührungslose Art von Labyrinthdichtung. Sie erschwert die Ölleckage durch die vielen Strömungsumlenkungen und bewirkt, dass nur geringe Abgasmengen in das Kurbelgehäuse gelangen, aber dicht, ist sie nicht.

Karbonabdichtung

Verdichterseitig dichtet ein im Lagergehäuse feststehender Karbonring die Läuferwelle zum Lagergehäuse ab. Diese Art der Abdichtung kommt heutzutage nur noch selten vor. Primär wird sie an aufgeladenen Vergasermotoren verwendet, um gegen das entstehende Vakuum im Ansaugbereich bei Leerlauf und Teillaststellung des Vergasers abzudichten. Als Nachteil ist hier der Reibungsverlust durch den Karbonring anzusehen.

Gaspolster- Gleitringdichtungen

Verdichterseitig dichtet ein Gleitring auf einem Gaspolster die Läuferwelle zum Lagergehäuse ab. Diese Art dient zur Reduzierung der Ölleckage auf der Verdichterseite, damit keine oder nur geringe mengen Öl in den Ansaugbereich des Motors gelangen, und diese so die heute gültigen Abgasnormen erreichen.