Der Motor erzeugt Energie durch die Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern. Da die Kraftstoffzufuhr durch das angesaugte Luftvolumen begrenzt ist, ist auch die Motorleistung begrenzt. Befindet sich der Motor bereits im optimalen Betriebszustand, lässt sich die Leistung nur durch die Kompression von mehr Luft in den Zylindern steigern, um die Kraftstoffmenge zu erhöhen und somit die Arbeitsleistung des Motors zu verbessern.

Das Turboladersystem ist eines der gebräuchlichsten Aufladungssysteme in aufgeladenen Motoren.

Kann innerhalb derselben Zeiteinheit ein größeres Volumen an Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder (Brennraum) für die Verbrennung komprimiert werden (ein Motor mit kleinem Hubraum kann dasselbe Luftvolumen ansaugen wie ein Motor mit großem Hubraum und dadurch den volumetrischen Wirkungsgrad erhöhen), erzeugt er bei gleicher Drehzahl eine höhere Leistung als ein Saugmotor. Das Prinzip ist vergleichbar mit einem elektrischen Lüfter, der in den Zylinder gerichtet ist und Luft hineinpumpt, um das Volumen zu vergrößern und so eine höhere Leistung zu erzielen. Der Unterschied liegt in der Energiequelle: Anstelle eines Elektromotors wird der Lüfter durch die Abgase des Motors angetrieben.

Motoren mit einer solchen Zwangsbeatmung erreichen typischerweise eine Leistungssteigerung von mindestens 30–40 %. Dieser bemerkenswerte Effekt ist genau der Grund, warum Turbolader so hoch geschätzt werden. Darüber hinaus stellen die optimale Verbrennungseffizienz und die deutliche Leistungssteigerung den Kernnutzen eines Turbosystems für ein Fahrzeug dar.

Wie genau funktioniert ein Turbolader?

Zunächst treiben die Abgase des Motors das Turbinenrad am Auslass (rechte Seite im obigen Diagramm) an und versetzen es in Rotation. Diese Rotation treibt wiederum das angeschlossene Verdichterrad auf der gegenüberliegenden Seite (linke Seite) an. Das Verdichterrad saugt dann Luft durch den Einlass an. Diese Luft wird von den rotierenden Schaufeln verdichtet, bevor sie zur Sekundärverdichtung in immer enger werdende Verdichtungskanäle eintritt. Die Temperatur dieser verdichteten Luft ist höher als die der Ansaugluft, weshalb sie vor der Einspritzung in die Brennräume mittels eines Ladeluftkühlers gekühlt werden muss. Dieser zyklische Prozess bildet das Funktionsprinzip des Turboladers.

Die Funktion des Drosselventils

Das Ansaugsystem des Motors besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: dem Luftfilter, der Verunreinigungen aus der Luft filtert, und dem Ansaugkrümmer, der die Luft in die Zylinder leitet. Im Ansaugkrümmer befindet sich ein entscheidendes Bauteil, die Drosselklappe.

Die Hauptfunktion der Drosselklappe besteht darin, die Menge des in die Zylinder einströmenden Luft-Kraftstoff-Gemisches zu regulieren. Beim Fahren steuert die Tiefe des Gaspedals direkt die Öffnung der Drosselklappe. Je tiefer das Pedal durchgetreten wird, desto weiter öffnet sich die Drosselklappe, wodurch mehr Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt wird und folglich die Motordrehzahl steigt.

Herkömmliche, seilzugbetätigte Drosselklappen nutzen ein Stahlseil, das an einem Ende mit dem Gaspedal und am anderen mit der Drosselklappe verbunden ist und ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 aufweist. Diese Methode führt zu einer ungenauen Steuerung. Moderne elektronische Drosselklappensysteme hingegen verwenden Positionssensoren, die Daten wie Kraft und Amplitude der Gaspedalbetätigung an das Steuergerät zur Analyse übermitteln. Dieses interpretiert die Absicht des Fahrers, berechnet anschließend die benötigte Drosselklappenöffnung und steuert den Drosselklappenmotor an, wodurch eine präzise Drosselklappensteuerung erreicht wird.

Ist die Länge des Ansaugkrümmers variabel?

Ein im Ansaugkrümmer installiertes Steuerventil kann diesen durch Öffnen und Schließen in zwei Abschnitte unterteilen und so seine effektive Länge verändern. Diese Anpassung der Ansaugkrümmerlänge dient primär der Verbesserung der Ansaugeffizienz des Motors über verschiedene Drehzahlen hinweg und optimiert dadurch die Leistungsentfaltung im gesamten Drehzahlbereich.

Warum hat der Abgaskrümmer so eine ungewöhnliche Form?

Die Abgasanlage des Fahrzeugs besteht im Wesentlichen aus Abgaskrümmer, Drei-Wege-Katalysator, Schalldämpfer und Abgasrohren. Ihre Hauptfunktion ist es, die Verbrennungsabgase aus den Zylindern in die Atmosphäre abzuleiten.

Die üblicherweise anzutreffenden Abgaskrümmer weisen recht ungewöhnliche Formen auf. Diese Konstruktion dient dazu, Wechselwirkungen zwischen den Abgasen verschiedener Zylinder sowie das Auftreten von Rückströmungen zu minimieren und somit jegliche Beeinträchtigung der Motorleistung zu verhindern.

Wie erzeugt ein Turbolader einen Ladedruck?

Die Turboaufladung wird üblicherweise mit Turbo oder T abgekürzt. Wenn wir Kennzeichnungen wie 1.4T oder 2.0T am Heck eines Fahrzeugs sehen, bedeutet dies, dass der Motor mit einem Turbolader ausgestattet ist.

Der Turbolader besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: der Turbine und dem Verdichter, die über eine Antriebswelle verbunden sind. Der Einlass der Turbine ist mit dem Abgaskrümmer des Motors verbunden, ihr Auslass mit dem Abgasrohr. Der Einlass und Auslass des Verdichters sind jeweils mit dem Ansaugkrümmer verbunden. Die aus dem Motor ausgestoßenen Abgase treffen auf die Turbine und versetzen sie in hohe Drehzahl. Dadurch wird der koaxiale Verdichter in schnelle Rotation versetzt und presst Druckluft in die Zylinder.

Die Turboaufladung nutzt primär die Energie der Motorabgase, um einen Verdichter anzutreiben und so den Ansaugluftdruck zu erhöhen. Dieser Prozess verbraucht praktisch keine Motorleistung und sorgt für eine hervorragende, anhaltende Beschleunigung. Bei niedrigen Drehzahlen kann der Turbolader jedoch nicht sofort ansprechen, was zu einem gewissen Turboloch führt.

Und wie sieht es mit mechanischer Aufladung aus?

Die mechanische Aufladung nutzt im Wesentlichen die Kurbelwellenleistung zum Antrieb eines mechanischen Luftkompressors, wodurch die Luft verdichtet wird. Dieser Prozess führt jedoch während des Betriebs zu einem gewissen Leistungsverlust des Motors.

Da der mechanische Kompressor direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird, arbeitet er, sobald der Motor läuft. Dadurch liefert der Motor auch bei niedrigen Drehzahlen ein beeindruckendes Drehmoment. Bei hohen Drehzahlen verursacht der Kompressor jedoch erhebliche Leistungsverluste, was zu weniger ausgeprägten Leistungssteigerungen führt.

Wie funktioniert ein Motor mit doppelter Turboaufladung?

Ein Twin-Charged-Motor ist, wie der Name schon sagt, mit zwei Kompressoren ausgestattet. Nutzt ein Motor zwei Turbolader, spricht man von einem Twin-Turbo-Motor.

Um das Turboloch in abgasgetriebenen Systemen zu beheben, sind zwei identische Turbinen parallel am Abgaskrümmer angeschlossen. Bei niedrigen Motordrehzahlen kann der reduzierte Abgasstrom die Turbinen auf hohe Drehzahlen antreiben, wodurch ausreichend Ladedruck erzeugt und somit das Turboloch minimiert wird.

Wie bereits erwähnt, weisen Turbolader bei niedrigen Drehzahlen ein Turboloch auf, liefern aber bei hohen Drehzahlen einen deutlichen Ladedruck und steigern so die Motorleistung spürbar, ohne dabei nennenswert Leistung zu verbrauchen. Mechanische Kompressoren hingegen werden direkt von der Motorrotation angetrieben, wodurch das Turboloch entfällt, allerdings mit einem gewissen Leistungsverlust und niedrigeren Ladedrücken einhergeht. Die Kombination beider Systeme ermöglicht es, ihre jeweiligen Vorteile zu nutzen.

Wie beim 1,4-Liter-TSI-Motor des Volkswagen Golf GT kombinierten die Entwickler auch hier einen Turbolader mit einem Kompressor. Der Kompressor ist im Ansaugsystem des Motors montiert, der Turbolader hingegen im Abgassystem. Diese Anordnung gewährleistet eine effektive Ladedruckentfaltung über den gesamten Drehzahlbereich, von niedrigen bis zu hohen Drehzahlen.

Funktionsprinzip eines Turboladers

Das Funktionsprinzip eines Turboladers ist eigentlich recht einfach. Vereinfacht gesagt, nutzt er die Abgase des Motors, um die Turbine anzutreiben. Diese Turbine treibt wiederum einen mit derselben Welle verbundenen Lüfter an, der kontinuierlich Frischluft in die Zylinder presst. Dadurch gelangt mehr Luft pro Zeiteinheit in die Zylinder, was die Effizienz des Motors steigert.

Turbolader sind Hochtemperaturbauteile, da die für ihren Betrieb benötigten Gase direkt aus den aus den Zylindern austretenden Abgasen gewonnen werden und Temperaturen von 900 °C bis 1000 °C erreichen. Unter Volllastbedingungen kann die Drehzahl der Turbine 180.000 bis 200.000 Umdrehungen pro Minute betragen. Der Betrieb bei solch extremen Temperaturen und Drehzahlen erfordert eine besonders effiziente und stabile Schmierung. Darüber hinaus verlangt der Betrieb unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen, dass alle Turboladerkomponenten und Schmierstoffe eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und Dichtungseigenschaften aufweisen. Daher sollte die Wartung folgende Aspekte berücksichtigen:

1. Auswahl des Motoröls

Viele Autofahrer sind unsicher bei der Wahl des richtigen Motoröls für den Ölwechsel. Schäden an Turboladern entstehen typischerweise durch verschlissene Öldichtungen zwischen Turbolader und Ansaugkrümmer, was zu einem erheblichen Ölverbrauch führt. Untersuchungen zeigen, dass ein Großteil der Öldichtungsschäden darauf zurückzuführen ist, dass Fahrzeughalter das Motoröl nicht in den empfohlenen Intervallen wechseln oder minderwertiges Öl verwenden. Dadurch wird die schwimmende Hauptantriebswelle des Turboladers nicht ausreichend geschmiert und abgeführt, was dazu führt, dass die Öldichtung unter den hohen Temperaturen verschleißt und Öl austritt.

Es wird daher empfohlen, turbogeladene Motoren mit einem hochwertigen Motoröl zu befüllen, das eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit und Oxidationsstabilität bietet, und gleichzeitig sicherzustellen, dass das Ölwechselintervall entsprechend verkürzt wird.

2. Stellen Sie sicher, dass die Turbine sauber bleibt.

Das Spiel zwischen der Turboladerwelle und ihrer Lagerbuchse ist extrem gering. Daher führt die Verwendung von verunreinigtem Motoröl oder das Eindringen von Verunreinigungen durch einen verschmutzten Ölfilter zu übermäßigem Verschleiß des Turboladers. Enthält die Ansaugluft zudem erhebliche Mengen an Verunreinigungen, kollidieren diese Staubpartikel mit dem schnelllaufenden Turbinenrad. Dies führt zu einem instabilen Turbinenlauf und beschleunigtem Verschleiß der Lagerbuchsen und Dichtungen. Aus diesem Grund ist bei Fahrzeugen mit Turbolader besonderer Wert auf den rechtzeitigen Wechsel von Öl- und Luftfilter zu legen, um die Sauberkeit des Turboladers zu gewährleisten.

3. Kaltstarts sollten allmählich erfolgen; lassen Sie den Motor nach dem Warmlaufen einen Moment im Leerlauf laufen, bevor Sie ihn abstellen.

In der Anfangsphase eines Kaltstarts ist das Motoröl typischerweise kalt und weist eine höhere Viskosität auf, was zu einer suboptimalen Schmierung führt. Das Erreichen der normalen Betriebstemperatur erfordert Zeit und einen allmählichen Prozess. Wird der Turbolader in den ersten Minuten unter Volllast betrieben, erhöht dies den Verschleiß und verkürzt seine Lebensdauer.

Die richtige Vorgehensweise ist folgende: Fahren Sie die ersten Minuten langsam und gleichmäßig, damit das Öl seinen optimalen Zustand erreichen kann, bevor Sie auf hohe Drehzahlen beschleunigen. Dies ist besonders in nördlichen Wintern wichtig, wo es unerlässlich ist, das Fahrzeug nach einem Kaltstart vor der Weiterfahrt warm laufen zu lassen. Davon profitieren sowohl das Fahrzeug als auch der Fahrer.

Beim Parken, da der Turbolader extrem hohe Temperaturen erreicht, empfiehlt es sich, den Motor kurz im Leerlauf laufen zu lassen, bevor man ihn abstellt. In dieser Phase bleiben Öl- und Kühlsystem aktiv, wodurch die Temperatur des Turboladers allmählich sinkt. Beachten Sie, dass der Turbolader nach dem Abstellen des Motors aufgrund seiner Massenträgheit weiterdreht und weiterhin Öl benötigt. Wird der Motor abrupt abgestellt, kommt das gesamte Motorsystem zum Erliegen, wodurch sowohl die Kühlung als auch die Ölversorgung des Turboladers abrupt unterbrochen werden. Er wäre dann ausschließlich auf die natürliche Kühlung angewiesen, was seine Lebensdauer drastisch verkürzen kann.

4. Regelmäßige Inspektionen sind wichtig

Ähnlich wie regelmäßige Gesundheitschecks für den menschlichen Körper hilft uns diese gute Gewohnheit, Turboladerfehler frühzeitig zu erkennen und Probleme zu vermeiden, bevor sie entstehen. Beispielsweise sollten Sie die Außenseite des Turboladers auf beschädigte Dichtringe prüfen; die Ölzulauf- und -rücklaufleitungen auf Lockerheit oder Undichtigkeiten kontrollieren; den Abgasauslass auf Ölreste untersuchen; sicherstellen, dass die Wände des Kompressoreinlasskanals ölfrei sind; und auf ungewöhnliche Geräusche oder Vibrationen achten. Sollten während des Betriebs Unregelmäßigkeiten festgestellt werden, ist eine umgehende professionelle Wartung unerlässlich, um schwerwiegendere Schäden an den Bauteilen zu verhindern.