Turbolader

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Turbolader aus einem T4-TDI (AHY)

Ein Turbolader oder auch Abgasturbolader (ATL), umgangssprachlich Turbo genannt, dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt. Als Erfinder gilt der Schweizer Dr. Alfred Büchi, der im Jahre 1905 ein Patent über die so genannte Gleichdruck- oder auch Stauaufladung anmeldete. Dabei erfolgt der Turboladerantrieb durch den Abgasdruck. (Quellenangabe)


Funktion[Bearbeiten]

Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einem Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe erhöht. (Quellenangabe)

Turbolader im Schnitt (Quelle: NASA, frei verwendbar)

Die Zuführung einer größeren Menge von Verbrennungsluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft dadurch bis über 200 °C erwärmt werden. Neben der zusätzlichen Temperaturbelastung des Motors verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Füllungsgrad des Motors verschlechtert. Der Grund dafür ist die geringere Dichte der heißen Luft, wodurch dem Motor eine geringere Sauerstoffmenge zugeführt wird. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den Ladedruck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkühlung größer als ca. 50 Grad sein, um eine wirksame Leistungssteigerung zu erzielen. (Quellenangabe)


Aufbau[Bearbeiten]

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sind. Aus dem Wort Turbine wurde der Name Turbo abgeleitet. Die Turbine wird durch den Abgasstrom angetrieben und treibt den Verdichter an, der seinerseits die angesaugte Luft verdichtet und in den Motor leitet. Im Inneren der beiden Gehäuse dreht sich jeweils ein Flügelrad bzw. Schaufelrad, das die Strömungsenergie in eine Drehbewegung umsetzt bzw. beim Lader umgekehrt die Drehbewegung in Strömungsarbeit. Ein Turbolader kann Drehzahlen bis zu 290.000 1/min erreichen (z. B. smart Dreizylinder-Turbodiesel). Diese enorm hohen Drehzahlen können nur erreicht werden, weil die Turboladerwelle in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert ist. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf für Kühlzwecke. (Quellenangabe)


Turbolader im T4[Bearbeiten]

Im T4 wurden Turbolader ausschließlich bei den Dieselmotoren verbaut. Dabei kamen bei den Motoren bis 75 kW (ABL, AJT, ACV) Wastegate-Lader von KKK (Typ K14) und bei den 111 kW-Motoren (AHY) sowie dem 75 kW-TDI AXL im Syncro (ab 2001) VTG-Lader mit variabler Turbinengeometrie von Garrett (Typ VNT20) zum Einsatz. Die beiden Bezeichnungen beschreiben die Art und Weise, wie der Ladedruck am Turbolader geregelt wird.

Ladedruckregelung[Bearbeiten]

Prinzipbedingt 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. (Quellenangabe)

Wastegate-Turbolader[Bearbeiten]

Bei dieser Turboart wird der Ladedruck über ein Bypassventil im Abgasstrom geregelt, das auch Wastegate (waste = Abfall) genannt wird. Bei den T4-Turboladern ist es innerhalb des Turbos untergebracht. Das nachfolgende Bild zeigt das Wastegate bei einem Turbolader aus dem VW-Konzern.

Turbolader mit internem Wastegate

Das Wastegate wird von einer Druckdose (Ladedruckregelventil, Ansteuerung mit Überdruck) über ein kleines Gestänge mehr oder weniger geöffnet, um den Ladedruck einzustellen. Je mehr es geöffnet ist, desto mehr Abgas strömt an der Turbine vorbei in den Auspuff.

Beim Turbodiesel ABL, der kein Motorsteuergerät besitzt, wird der Ladedruck auf der Verdichterseite ohne den Umweg über weitere Regel-/Steuereinrichtungen direkt auf das Ladedruckregelventil gegeben. Dieses arbeitet gegen eine entsprechend abgestimmte Feder am Bypassventil, die das Wastegate ohne Ladedruck verschließt. Der maximale Ladedruck wird auf ca. 0,6 bis 0,83 bar begrenzt.

Bei den TDI-Motoren mit Motorsteuergerät bis 75 kW (AJT, ACV, aber nicht AXL ab 2001) wird zwar auch der Überdruck auf der Verdichterseite zum Verstellen des Wastegates genutzt. Dieser wird aber über das Magnetventil N75 für die Ladedruckbegrenzung getaktet auf das Ladedruckregelventil gegeben. Die Taktfrequenz wird vom Motorsteuergerät auf Grundlage des gemessenen Ladedrucks (Geber G71 (Saugrohrdruck)) und der fest einprogrammierten Ladedruckkennlinie festgelegt. Der Soll-Ladedruck liegt bei diesen Motoren zwischen 0,6 und 0,95 bar.

VTG-Turbolader[Bearbeiten]

Die Bilder für diesen Abschnitt wurden dankenswerterweise von Thomas Baumgart zur Verfügung gestellt. Sie zeigen einen Garret-Turbolader VNT15.

Wesentlicher Nachteil des Wastegate-Turboladers ist, was man vereinfacht als 'Turboloch' bezeichnet: der Motor muss zunächst auf eine ausreichende Drehzahl gebracht werden, damit der Turbolader eine nennenswerte Verdichtung bringt. Und erst wenn diese Drehzahl erreicht ist (beim T4-TDI ab ca. 1.800 U/min), setzt die Leistungssteigerung durch den Turbolader mehr oder weniger spürbar ein.

Der im 111 kW-TDI AHY und 75 kW-TDI AXL verbaute VTG-Lader mit Variabler Turbinen-Geometrie soll dieses Turboloch 'verkleinern' und damit ein besseres Ansprech- und Leistungsverhalten über einen größeren Drehzahlbereich sicherstellen.

Um das zu erreichen, besitzt der VTG-Lader verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln werden dabei so geregelt, dass die Turbine optimal angetrieben wird: bei wenig Gasdurchsatz aber hohem Leistungsbedarf (z.B. beim Beschleunigen bei niedrigen Drehzahlen) werden die Leitschaufeln in eine annähernd tangentiale Position gebracht (= VTG geschlossen). Die Abgase müssen durch düsenartige Strömungsquerschnitte strömen und werden dabei stark beschleunigt (Venturi-Effekt). Bei geringem Leistungsbedarf bzw. hohem Gasdurchsatz werden die Leitschaufeln 'geöffnet', wodurch sich die effektive Strömungsgeschwindigkeit und damit die Drehzahl der Turbine reduziert.

Leitschaufeln im Turbolader

Die Verstellung der Leitschaufeln erfolgt über das Ladedruckregelventil mit einem Gestänge. Wie bei den anderen TDI-Motoren wird es über das Magnetventil N75 für die Ladedruckbegrenzung getaktet angesteuert; der maximale Ladedruck wird auf ca. 0,75 bis 1,08 bar begrenzt. Allerdings wird dazu nicht der Überdruck auf der Verdichterseite genutzt, sondern Unterdruck aus dem Unterdrucksystem. Dies ist auch der Grund dafür, dass diese T4 auch ohne Wasserstandheizung über einen Unterdruckspeicher verfügen.

Übersicht VTG-Turbolader

Das Gestänge wirkt auf einen Verstellring, der die Leitschaufeln verdreht.

Gestänge
Verstellring

Bei zunehmender Laufzeit und unter ungünstigen Betriebsbedingungen nimmt die Beweglichkeit der Leitschaufelmimik ab. Durch eine Reinigungsaktion Turbolader (Wartung) ist die Wiederherstellung der vollen Leistungsfähigkeit möglich.

Ladedruckregelventil[Bearbeiten]

In der T4-Wiki wird die (Unter-)Druckdose zur Verstellung des Wastegates bzw. der VTG-Leitschaufeln direkt am Turbolader als Ladedruckregelventil bezeichnet. Es ist bei allen T4-Turbomotoren Bestandteil des Turboladers und (bei VW) nicht als Ersatzteil erhältlich. Reparaturen oder Einstellarbeiten sind nicht vorgesehen.
Bei den T4 mit Motorsteuergerät wird es vom Magnetventil N75 für die Ladedruckbegrenzung getaktet angesteuert. Beide zusammen bilden mit den Sensoren und dem Motorsteuergerät das Ladedruckregelsystem.

Einbauorte[Bearbeiten]

Der Turbolader ist bei allen Motoren direkt auf den Abgaskrümmer montiert, der sich - vor dem Motorraum stehend - hinten am Motor befindet.

Einbauort ABL
Einbauort ACV
Einbauort AHY
(maniac, T4Forum)

Der Turbolader saugt Außenluft über den Luftfilter und Luftmassenmesser (nur T4 mit Motorsteuergerät) an und bläst sie über das Saugrohr verdichtet in den Verbrennungsraum. Bei den 75 kW- und 111 kW-Motoren (ACV, AHY) befindet sich am Ausgang des Turboladers ein Ladeluftkühler, der die verdichtete Luft abkühlt, um so den Wirkungsgrad der Verbrennung zu erhöhen. Auf der Abgasseite ist der Turbolader direkt mit dem Abgasrohr der Auspuffanlage verbunden.

Die nachfolgenden Bilder von B.Rude zeigen Detailaufnahmen des Turboladers im 75 kW-TDI ACV. Auf diesen Bildern kann man auch den kleinen, über einen kurzen Druckschlauch mit dem Turbolader verbundenen Schalldämpfer erkennen, der die Ansauggeräusche dämpfen soll. Dieser Schalldämpfer ist in der Regel nur bei T4 mit langem Vorderwagen verbaut.

Diverse Anschlüsse am ACV-Turbolader
ACV-Turbolader mit abgenommenen Verbindungsrohr Richtung LMM

In den nachfolgenden Bildern (rechts von Vogtis) ist die Ölrücklaufleitung vom Turbolader zum Rohr für den Ölmessstab zu sehen:

Ölrücklaufleitung endet im Rohr für den Ölmessstab
Ölrücklaufleitung


Ausbau und Einstellung[Bearbeiten]

Siehe Artikel Turbolader (Ausbau) und Artikel Turbolader (Einstellung).


Betrieb und Probleme[Bearbeiten]

Grundsätzlich gilt der Turbolader im T4 als langlebig. Er lebt allerdings von einer ausreichenden Schmierung mit Motoröl. Störungen in diesem Bereich (z.B. Fremdkörper im Öl, falsches Nutzerverhalten) können ihn in kurzer Zeit ruinieren.

Aufgrund der sehr hohen Temperaturen bei Vollastfahrten (z.B. Autobahnfahrt mit hohen Geschwindigkeiten) darf der Motor nicht ohne ausreichende Abkühlung abgestellt werden. Sobald der Motor steht, erfolgt keine Ölzirkulation mehr durch den Turbolader. In der Folge überhitzt das Öl im Turbolader und es kommt insbesondere am turbinenseitigen Lager und der Welle zu Kohlenstoffablagerungen (Verkokung), die zu einer Reduzierung der Schmierung und zu Laufspuren in den Lagern und dann zur Zerstörung des Turboladers führen können.

Mehr Informationen zum Thema Probleme und Fehlersuche finden sich im Artikel Turbolader (Fehlersuche).


Weblinks[Bearbeiten]


Quellenangabe[Bearbeiten]

Artikel Turbolader. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 19. Februar 2007, 17:25 UTC. URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbolader&oldid=28047071