P2.2, 6_Ansaug- und Aufladeverfahren

• Der Turbolader erreicht:
  • über 150'00 min⁻¹ (300'000 min⁻¹ Smart) 
  • Abgastemperaturen bis ca. 1000 °C (Ottomotor)
• Deshalb benötigt er:
  • Schmierung
  • hydrodynamische Gleitlager
  • Motoröl verhindert Metallkontakt
  • Kühlung
• Dieselmotor:
  • meist Öl ausreichend
• Ottomotor:
  • Öl- und Wasserkühlung erforderlich
• Beim Abstellen eines heissen Motors kann das Öl im Lagergehäuse verkoken.
• Deshalb sollte der Motor nach hoher Belastung kurz im Leerlauf nachlaufen.

• Pumpgrenze
  • Liegt der Luftdurchsatz zu tief und das Druckverhältnis zu hoch:
    • Strömungsabriss
    • Turbulenzen
    • Verdichterpumpen
    • Geräusche
    • Förderleistung nimmt ab
  • → untere Betriebsgrenze
• Stopfgrenze
  • Liegt der Luftdurchsatz zu hoch:
    • Eintrittsgeschwindigkeit erreicht Schallgeschwindigkeit
    • weiterer Luftdurchsatz nicht möglich
    • Wirkungsgrad sinkt
  • → obere Betriebsgrenze
• Merksatz
  • Pumpgrenze = zu wenig Luft → Strömungsabriss.
  • Stopfgrenze = zu viel Luft → Verdichter ist am Limit.

• Beim Verdichten steigt die Temperatur der Luft stark an.
• Warme Luft besitzt:
  • geringere Dichte
  • weniger Sauerstoff pro Volumen
  • höhere Klopfneigung beim Ottomotor
• Durch die Ladeluftkühlung:
  • steigt die Luftdichte,
  • gelangt mehr Sauerstoff in den Brennraum,
  • sinkt die Verbrennungstemperatur,
  • erhöht sich die Motorleistung,
  • verbessern sich Verbrauch und Emissionen.
• Merksatz: Kalte Luft ist dichter und enthält mehr Sauerstoff.

Merksatz: Luft-Wasser-Systeme werden heute häufig bei Downsizing-Motoren eingesetzt, da sie kurze Ansaugwege und ein schnelleres Ansprechverhalten ermöglichen.

• Das Wastegate begrenzt den maximalen Ladedruck.
• Steigt der Ladedruck über den Sollwert, öffnet das Wastegate.
• Dadurch:
  • strömt ein Teil der Abgase an der Turbine vorbei,
  • die Turbinendrehzahl sinkt,
  • der Verdichter fördert weniger Luft,
  • der Ladedruck bleibt konstant.

• Beim plötzlichen Schliessen der Drosselklappe entsteht vor der Drosselklappe ein hoher Überdruck.
• Das Blow-off-Ventil:
  • baut diesen Druck ab,
  • verhindert Strömungsabriss am Verdichter,
  • schützt Turbolader und Lager,
  • verbessert das Ansprechverhalten beim erneuten Beschleunigen.

• Bei der Registeraufladung arbeiten zwei unterschiedlich grosse Turbolader nacheinander.
• Tiefe Drehzahlen
  • kleiner Turbolader aktiv
  • schnelles Ansprechverhalten
• Mittlere Drehzahlen
  • beide Turbolader arbeiten zusammen
• Hohe Drehzahlen
  • grosser Turbolader übernimmt
  • hohe Luftfördermenge
  • maximale Leistung
• Vorteile:
  • kaum Turboloch
  • hohes Drehmoment
  • hohe Spitzenleistung

• Biturbo (Parallelaufladung)
  • zwei gleich grosse Turbolader
  • beide arbeiten gleichzeitig
  • häufig bei V-Motoren
  • jede Zylinderbank besitzt ihren eigenen Turbolader
• Registeraufladung
  • zwei unterschiedlich grosse Turbolader
  • arbeiten abhängig von der Drehzahl
  • nacheinander zugeschaltet
• Merksatz
  • Biturbo = parallel.
  • Register = sequentiell.

• Der elektrische Verdichter unterstützt den Turbolader bei tiefen Drehzahlen.
• Da der Elektromotor unabhängig vom Abgasstrom arbeitet, steht der Ladedruck bereits beim Beschleunigen zur Verfügung.
• Vorteile:
  • praktisch kein Turboloch
  • sofortiges Ansprechverhalten
  • bessere Beschleunigung
  • geringere Emissionen
• Voraussetzung:
  • leistungsfähiges 48-V-Bordnetz oder mehr

1. Fehlerspeicher auslesen.
2. Soll-/Ist-Ladedruck vergleichen.
3. Ladeluftsystem auf Undichtigkeiten prüfen.
4. Ladeluftkühler kontrollieren.
5. Wastegate bzw. VTG-Verstellung prüfen.
6. Unterdrucksystem oder elektrischen Stellantrieb prüfen.
7. Ladedrucksensor prüfen.
8. Luftmassenmesser plausibilisieren.
9. Ansaugsystem kontrollieren.
10. Turbolader mechanisch prüfen (Axial-/Radialspiel, Beschädigungen).

Häufige Ursachen:

• mangelnde Ölversorgung
• verschmutztes Motoröl
• verkokte Lager
• Fremdkörper auf Verdichterseite
• Fremdkörper auf Turbinenseite
• Überdrehzahl
• dauerhaft zu hohe Abgastemperatur
• defekte Kurbelgehäuseentlüftung
• verschmutzte oder schwergängige VTG

• Bei der Stauaufladung (Constant Pressure Turbocharging) werden die Abgase zunächst in einem Sammelrohr oder Druckbehälter gesammelt und anschliessend mit möglichst konstantem Druck auf das Turbinenrad geleitet.
• Dadurch werden die Druckschwankungen der einzelnen Zylinder ausgeglichen.
• Vorteile
  • ruhiger Turbinenlauf
  • einfache Konstruktion
  • geringer Abgasgegendruck bei hohen Drehzahlen
• Nachteile
  • Pulsenergie der einzelnen Zylinder geht verloren
  • schlechteres Ansprechverhalten
  • grösseres Turboloch
• Merksatz: Stauaufladung = konstanter Abgasdruck.

• Bei der Stossaufladung werden die einzelnen Druckstösse der Auslassventile genutzt.
• Nach dem Öffnen des Auslassventils entsteht ein kurzer Druckimpuls.
• Dieser trifft möglichst verlustfrei auf das Turbinenrad.
  • schnellerer Ladedruckaufbau
  • besseres Drehmoment
  • bessere Nutzung der Abgasenergie
• Damit sich die Druckstösse nicht gegenseitig beeinflussen, werden die Zylinder entsprechend zusammengefasst (z.B. 1+4 und 2+3).

• Die kombinierte Aufladung verbindet die Vorteile von:
  • Stossaufladung
  • Stauaufladung
• Resonanzbehälter erzeugen Druckschwingungen, welche den vom Turbolader erzeugten Ladedruck zusätzlich unterstützen.
• Dadurch ergeben sich:
  • höheres Drehmoment bei tiefen Drehzahlen
  • russfreies Anfahren (Diesel)
  • geringerer Verbrauch
  • besseres Ansprechverhalten

• Single-Scroll
  • ein gemeinsamer Abgaskanal
  • Abgaspulse vermischen sich
  • schlechteres Ansprechverhalten
  • grösseres Turboloch
  • einfacher Aufbau
• Twin-Scroll
  • zwei getrennte Abgaskanäle
  • Pulse bleiben getrennt
  • schnellerer Ladedruckaufbau
  • kleineres Turboloch
  • komplexerer Aufbau
• Vorteile Twin-Scroll: 
  • bessere Nutzung der Pulsenergie
  • höheres Drehmoment
  • besserer Wirkungsgrad
  • geringerer Verbrauch

• Der VTG-Lader verändert den Strömungsquerschnitt vor dem Turbinenrad.
• Dadurch wird die Geschwindigkeit der Abgase geregelt.
• Tiefe Drehzahl
  • Leitschaufeln nahezu geschlossen
  • kleiner Querschnitt
  • hohe Strömungsgeschwindigkeit
  • schneller Ladedruckaufbau
• Hohe Drehzahl
  • Leitschaufeln geöffnet
  • grosser Querschnitt
  • geringerer Abgasgegendruck
  • kontrollierter Ladedruck
• Unterschied
  • Leitschaufeln
    • jede einzelne Schaufel wird verstellt
    • sehr präzise Regelung
  • Abgasmengenstellring
    • kompletter Ring verschiebt sich axial
    • verändert den gesamten Querschnitt gleichzeitig
    • einfacher aufgebaut

• Beim Turbocompound wird hinter dem eigentlichen Turbolader eine zweite Turbine angeordnet.
• Diese nutzt die verbleibende Abgasenergie und überträgt ihre Leistung über:
  • Getriebe
  • hydraulische Kupplung
  • oder Generator
  • auf die Kurbelwelle bzw. das Bordnetz.
• Vorteile
  • höherer Gesamtwirkungsgrad
  • geringerer Kraftstoffverbrauch
  • bessere Nutzung der Restenergie
• Einsatz
  • Nutzfahrzeuge
  • Flugmotoren
  • vereinzelt Hochleistungs-Dieselmotoren

• Beim Twincharger werden zwei unterschiedliche Lader kombiniert.
  • Tiefe Drehzahlen
    • Der mechanische Kompressor übernimmt.
    • → sofortiger Ladedruck.
  • Mittlere Drehzahlen
    • Kompressor und Turbolader arbeiten gemeinsam.
  • Hohe Drehzahlen
    • Der Turbolader übernimmt vollständig.
    • Der Kompressor wird über eine Magnetkupplung abgekoppelt.
  • Vorteile
    • kein Turboloch
    • hoher Wirkungsgrad
    • sehr breites Drehmomentband

• PowerPulse dient ausschliesslich dazu, das Turboloch zu verkleinern.
  • Ein elektrischer Kompressor füllt einen Druckluftbehälter.
  • Beim starken Beschleunigen wird die gespeicherte Druckluft direkt in den Abgaskrümmer eingeblasen.
  • Dadurch:
    • wird das Turbinenrad sofort beschleunigt,
    • steigt der Ladedruck deutlich schneller,
    • verbessert sich das Ansprechverhalten.
  • Besonderheit
    • Es wird nicht die Ansaugluft verdichtet, sondern die Turbine künstlich beschleunigt.

• Bei hoher Last wird fein zerstäubtes Wasser in die Ansaugluft oder direkt in den Brennraum eingespritzt.
• Durch die Verdunstung:
  • sinkt die Ansauglufttemperatur,
  • sinkt die Brennraumtemperatur,
  • reduziert sich die Klopfneigung.
• Dadurch kann:
  • der Zündzeitpunkt früher gewählt werden,
  • der Ladedruck erhöht werden,
  • die Motorleistung steigen,
  • die Bauteiltemperatur sinken.
• Vorteile
  • höhere spezifische Leistung
  • geringere Klopfneigung
  • niedrigere Abgastemperatur
  • Schutz von Kolben und Ventilen
• Bekannte Anwendung
  • BMW M4 GTS (Serienfahrzeug) sowie zahlreiche Hochleistungs- und Motorsportmotoren.

• Aufladung zur verbesserten Füllung des Motors (Liefergrad) erhöhen
• Mittlerer Kolbendruck erhöhen

• Dynamische Aufladung
  • Saugrohr
• Fremdaufladung
  • Turbo
  • E-Lader
  • Kompressor
  • Scroll
  • VTG

• Hubraum vergrössern
  • grösserer Zylinderdurchmesser
  • längerer Hub
  • mehr Luft und Kraftstoff können umgesetzt werden
• Drehzahl erhöhen
  • mehr Arbeitstakte pro Zeiteinheit
  • begrenzt durch Massenkräfte und mechanische Belastung
• Zylinderfüllung verbessern
  • mehr Luftmasse gelangt in den Brennraum
  • dadurch kann mehr Kraftstoff verbrannt werden
  • heute die wichtigste Methode (Aufladung)

Merksatz: Leistung = Hubraum × Drehzahl × Füllungsgrad

• Die Motorleistung hängt direkt von der Luftmasse (Sauerstoff) im Brennraum ab.
• Je mehr Sauerstoff vorhanden ist,
  • desto mehr Kraftstoff kann eingespritzt werden,
  • desto höher ist die freigesetzte Energie,
  • desto höher wird der mittlere Verbrennungsdruck,
  • desto höher ist Drehmoment und Leistung.
• Entscheidend ist die Luftmasse, nicht das Luftvolumen.

→ Weil ohne zusätzlichen Sauerstoff die Verbrennung unvollständig wird:

• Russbildung
• HC-Emissionen
• Leistungsverlust
• hohe Abgastemperaturen

• Druckverluste entstehen durch:
  • Luftfilter
  • Luftmassenmesser
  • Ansaugrohre
  • Drosselklappe
  • Luftsammler
  • Ansaugkrümmer
  • Einlassventile
• Je grösser die Druckverluste,
  • desto kleiner der Druck am Einlassventil,
  • desto schlechter die Zylinderfüllung,
  • desto weniger Sauerstoff gelangt in den Brennraum,
  • desto geringer sind Drehmoment und Leistung.
• Auch die Höhenlage beeinflusst den Luftdruck und reduziert dadurch die Motorleistung. (Turbo bessere Kompensatition)

• Bei der dynamischen Aufladung wird keine zusätzliche Energie eingesetzt.
• Stattdessen werden die natürlichen Druck- und Schwingungsvorgänge der Ansaugluft genutzt.
• Dadurch kann:
  • die Zylinderfüllung verbessert werden,
  • ohne Turbolader oder Kompressor
  • das Drehmoment erhöht werden.
• Zur dynamischen Aufladung gehören:
  • Schwingrohraufladung
  • Resonanzrohraufladung
  • Kombination beider Systeme

• Beim Ansaugen bewegt sich die Luftsäule mit hoher Geschwindigkeit durch das Ansaugrohr.
• Nach dem Schliessen des Einlassventils:
  • wird die Luftsäule gestaut,
  • schwingt zurück,
  • schwingt anschliessend erneut Richtung Ventil.
• Trifft diese Druckwelle genau beim nächsten Öffnen des Einlassventils ein, entsteht ein Aufladeeffekt.
• Dadurch gelangt zusätzliche Luft in den Zylinder.
• Die Frequenz hängt ab von:
  • Saugrohrlänge
  • Saugrohrvolumen
  • Drehzahl

• Ein langes Saugrohr erzeugt:
  • hohe Strömungsgeschwindigkeit
  • hohes Drehmoment bei tiefen Drehzahlen
• Ein kurzes Saugrohr ermöglicht:
  • grossen Luftdurchsatz
  • hohe Leistung bei hohen Drehzahlen
• Das Schaltsaugrohr kombiniert beide Vorteile.
  • Unter ca. 4'000 min⁻¹
    • lange Ansaugwege
    • hoher Luftstrom
    • Drehmomentoptimierung
  • Über ca. 4'000 min⁻¹
    • kurze Ansaugwege
    • grosser Luftdurchsatz
    • Leistungssteigerung

• Bei der Resonanzrohraufladung werden die Druckschwingungen der Ansaugluft in einem Resonanzbehälter genutzt.
• Dabei entstehen Resonanzschwingungen.
  • diese verstärken die Druckwellen,
  • beschleunigen die Luftsäule,
  • verbessern die Zylinderfüllung.
• Die Resonanz wirkt ähnlich wie der Resonanzkörper einer Gitarre.
• Dadurch wird der Aufladeeffekt stärker als bei einer reinen Schwingrohraufladung.

• Beide Systeme wirken in unterschiedlichen Drehzahlbereichen optimal.
• Bei niedrigen Drehzahlen:
  • Resonanzsystem aktiv
  • lange Ansaugwege
  • hohes Drehmoment
• Bei hohen Drehzahlen:
  • Umschaltklappe öffnet
  • kurze Schwingrohre aktiv
  • hohe Eigenfrequenz
  • hohe Leistung
• Dadurch entsteht über einen grossen Drehzahlbereich eine gute Zylinderfüllung.

• Bei niedrigen Drehzahlen:
  • Die Wirbelklappen verkleinern den Ansaugquerschnitt.
    • höhere Luftgeschwindigkeit
    • stärkere Verwirbelung
    • bessere Gemischbildung
  • Vorteile:
    • ruhiger Leerlauf
    • bessere Verbrennung
    • geringerer Verbrauch
    • tiefere Emissionen
• Bei hohen Drehzahlen:
  • Die Klappen öffnen vollständig.
    • maximaler Luftdurchsatz
    • optimale Zylinderfüllung
    • hohes Drehmoment und hohe Leistung

• Das Twinport-System besitzt:
  • einen Drallkanal
  • einen Füllungskanal
• Teillast (<50 % Last):
  • Füllungskanal geschlossen
  • Luft strömt nur durch den Drallkanal
  • hohe Strömungsgeschwindigkeit
  • starke Verwirbelung
  • bis 30 % AGR möglich
  • ca. 6 % Verbrauchsreduktion
• Volllast (>50 % Last):
  • Sperrklappe öffnet
  • beide Kanäle aktiv
  • maximaler Luftdurchsatz
  • höchste Zylinderfüllung
  • maximale Leistung

• Bei der Fremdaufladung wird die Ansaugluft aktiv verdichtet, sodass mehr Luftmasse in den Brennraum gelangt.
• Dadurch können:
  • mehr Kraftstoff eingespritzt werden,
  • das Drehmoment erhöht werden,
  • die Motorleistung gesteigert werden.
• 1. Mechanische Lader
  • Roots-Kompressor
  • Schraubenkompressor
  • G-Lader
  • → Antrieb durch den Motor.
• 2. Abgasturbolader
  • → Antrieb durch die Energie der Abgase.
• 3. Kombinierte Systeme
  • → z.B. Turbolader mit elektrischem Zusatzantrieb.
• 4. Druckwellenlader
  • → Comprex-Lader.

• Drehkolbenlader (Kompressor)
  • Frischluft an den Aussenwänden entlang von der Saug- auf die Druckseite gefördert
• Spirallader (G-Lader)
  • Innen und Aussenspirale
  • Schwingbewegung, sichelförmige Arbeitsräume entstehen, in denen die Ansaugluft verdichtet wird
• Turbolader (Abgas)
  • Abgase treibt eine Turbine an. Sie ist über einer Welle mit einem Verdichter rad verbunden
• E-Lader (Elektrisch)
  • Kein Turbinenrad im Abgasstrom, sondern E-Motor
• Druckwellenlader (Comprex, veraltet, keine Serienproduktion)
  • Abgase wird in Form von Druckwellen genutzt, die auf Ansaugluft übertragen und diese direkt verdichten

• Vorteile
  • sofortiger Ladedruck
  • kein Turboloch
  • hohes Drehmoment bereits im Leerlauf
  • gutes Ansprechverhalten
• Nachteile
  • benötigen Antriebsleistung vom Motor
  • höherer Kraftstoffverbrauch
  • schlechterer Gesamtwirkungsgrad
  • höhere mechanische Belastung
• Merksatz
  • Turbolader nutzt Abgasenergie.
  • Kompressor benötigt Motorleistung.

• Der Comprex-Lader nutzt nicht die Turbine, sondern die Druckwellen der Abgase.
• Die Druckwellen:
  • treffen direkt auf die Frischluft,
  • verdichten diese,
  • fördern sie in den Motor.
• Das Zellenrad dient lediglich zur Synchronisation.
• Es findet praktisch keine eigentliche Verdichterarbeit statt.

• Vorteile
  • praktisch kein Turboloch
  • sehr gutes Ansprechverhalten
  • hohes Drehmoment bereits bei tiefen Drehzahlen
  • geringe Antriebsleistung
• Nachteile
  • Russablagerungen
  • hohe thermische Belastung
  • Frischluft kann sich mit Abgas vermischen
  • hoher Materialaufwand
  • empfindlich gegenüber Gegendruck
  • schlechter Wirkungsgrad ausserhalb eines engen Betriebsbereiches