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
» 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
Verdichtungskennfeld eines
PKW Turboladers
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.
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.