mini|Abgasturbolader im Schnitt; links die Turbinenseite (Abgas), rechts der Verdichter (Ansaugluft) mini|Turbolader an einem Schauraum-Motorblock eines Lkws
Als Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich auch Turbo, wird ein Nebenaggregat des Verbrennungsmotors zur Verdichtung der zugeführten Luft bezeichnet (Motoraufladung). Die Motorleistung oder die Effizienz wird gegenüber einem Motor, der die Luft lediglich ansaugt (Saugmotor), gesteigert. Das Wirkprinzip des Turboladers besteht darin, einen Teil der Energie des Motorabgases mittels einer Turbine und eines Verdichters zu nutzen, um eine größere Luftmasse in den Zylinder einströmen zu lassen. Dadurch kann mehr Kraftstoff verbrannt werden und die Ansaugarbeit des Kolbens entfällt.
Erfinder des Turboladers ist der Schweizer Alfred Büchi, der im Jahre 1905 ein Patent über die Gleichdruck- oder auch Stauaufladung anmeldete. In den 1930er-Jahren wurden von der Adolph Saurer AG aus Arbon Diesel-Lastwagen als erste Straßenfahrzeuge mit Turbolader produziert.
Aufbau und Arbeitsweise Der Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einer Abgasturbine und meist noch einem Verdichter auf einer gemeinsamen Welle. Die kinetische Energie der heißen Abgase wird genutzt, indem sie die Turbine radial durchströmen (Radialturbine) und dadurch das Turbinenlaufrad und die dazugehörige Welle in Drehbewegung versetzen. Von der Turbinenwelle wird ein Verdichter, meist ein Radialverdichter angetrieben, der Frischluft ansaugt und in die Zylinder des Motors drückt. Die Luftzuführung in die Zylinder wird somit erhöht und die Ansaugarbeit der Kolben entfällt. Die Aufladung regelt sich im Grunde selbst, so steigt beim Gasgeben die Energie der Abgase, der Abgasdruck erhöht sich und somit auch die zugeführte Frischluftmenge und Sauerstoff-Menge, sodass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann.
In beiden Fällen ergibt die vorverdichtete Ansaugluft eine Leistungssteigerung. Ein großer Teil der Energieverluste entsteht bei thermodynamischen Kreisprozessen wie dem Diesel- oder dem Otto-Kreisprozess durch nicht genutzte Abgaswärme und den Abgas-Restdruck (typisch 0,5–1 bar Überdruck beim Saugmotor, beim Turbo 1–3 bar Überdruck), weil das Gas wegen des begrenzten Verdichtungsverhältnisses nicht mehr weiter expandiert werden kann. Beim Saugmotor wird es ungenutzt in den Auspuff entlassen. Effektiver ist es, einen Teil dieser Restenergie durch weitere Expansion in einer Abgasturbine zurückzugewinnen. Sie wirkt im Betrieb als Wärmekraftmaschine, sobald die dafür erforderliche Turbinendrehzahl erreicht ist. Es entfällt dabei die Ansaugarbeit des Kolbens, gleichzeitig kann in der größeren Luftmenge im Zylinder mehr Kraftstoff verbrannt werden. Dies führt zu höherem Motor-Mitteldruck, höherem Drehmoment und folglich auch mehr Leistung.
Die Abgasturbine ist nicht immer mit einem Verdichter gekoppelt. Ihre Wellenleistung kann untersetzt auf die Kurbelwelle des Motors gekoppelt werden (Turbo-Compound-Motor). Die Abgasturbine kann zusätzlich zum Verdichter auch einen elektrischen Generator antreiben, der eine sonst von der Kurbelwelle anzutreibende Lichtmaschine entlastet oder sogar überflüssig macht.
Aufladung beim Zweitakt-Motor mini|hochkant=0.7|Zweitakt-Dieselmotor mit gesteuertem Auslassventil (Längsspülung)
Von den üblichen Viertaktmotoren unterscheiden sich Zweitaktmotoren bezogen auf den Turbolader vor allem dadurch, dass während des Startvorgangs noch keine Abgasenergie zur Verfügung steht. Da der Turbolader also während des Startvorgangs nicht den Ladungswechsel (Spülung) bewirken kann, wird für diese Phase ein weiteres Gebläse benötigt. Im einfachsten Fall könnte dies eine Kurbelgehäusespülung sein, bei großen Schiffsmotoren ist es ein elektrisch zuschaltbares Gebläse.
Zusätzlich muss am Ende des Spülvorgangs der Auslasskanal früher geschlossen werden, um zum Aufbauen eines Ladedrucks ausreichend Zeit zu schaffen. Auch dies kann im einfachsten Fall erreicht werden durch die Anordnung der Spülkanäle oder bei großen Schiffsmotoren durch Anordnung der Einlasskanäle und die Steuerzeiten des Auslassventils.
Weiterentwicklung des Turboladers Ladeluftkühlung Anders als im Saugmotor, bei dem sich die angesaugte Luft wegen des Unterdrucks adiabatisch im Ansaugtakt abkühlt, führt die Kompression zu einer deutlichen Erwärmung der Luft um bis zu 180 °C.Gert Hack: Autos schneller machen – Automobil-Tuning in Theorie und Praxis. Motorbuch-Verlag, 16. Auflage. 1987, ISBN 3-87943-374-7, S. 83/84. Weil warme Luft eine geringere Dichte hat, lässt sich die Füllung und damit die Leistung des Motors noch weiter steigern, indem die Ladeluft nach der Kompression durch einen Ladeluftkühler gekühlt wird. Ladeluftkühlung wird bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren angewandt. Da der Ladeluftkühler einen Strömungswiderstand hat und so den vom Verdichter erzeugten Druck wieder etwas vermindert, sollte er eine Abkühlung um mehr als 50 °C bewirken, um die erwünschte Leistungssteigerung gegenüber einem Motor ohne Ladeluftkühlung zu erzielen.
Darüber hinaus kann die Ladeluft auch durch eine zusätzliche Wassereinspritzung oder Einspritzung eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden, was eine weitere Steigerung der Leistung ermöglicht.
Leistungsregelung
Einfache ungeregelte Turbolader haben – wie alle Turbomaschinen – einen engen Betriebsbereich mit bestem Wirkungsgrad, der sich nur schwer auf das Motorkennfeld abstimmen lässt. Ein auf die Maximalleistung des Motors ausgelegter Lader würde bei mittlerer Leistung zu wenig Druck aufbauen, bei niedrigem Gasdurchsatz tritt sogar ein Ansaugdruckverlust ein, weil das langsame Verdichterrad der Strömung beim Ansaugen im Wege steht (siehe auch Turboloch). Es gibt verschiedene Techniken und Auslegungsarten, dieses Problem zu entschärfen, verbreitet sind vor allem Bypass-Ventil / Wastegate, verstellbare Leitschaufeln (Variable Turbinengeometrie, VTG) und Registeraufladung. Die Techniken können auch kombiniert zum Einsatz kommen.
Drehzahl und Lagerung der Turboladerwelle Vor dem Zweiten Weltkrieg erreichten Turbolader Drehzahlen in der Größenordnung von 10.000 Umdrehungen pro Minute; kleine, moderne Turbolader können Drehzahlen bis zu 400.000 Umdrehungen pro Minute erreichen (zum Beispiel Smart Dreizylinder-Turbodiesel). Neben der Reibungswärme von Wellenlagerung und -abdichtung wird auch über das Gehäuse der sehr heißen Abgasturbine viel Wärme der Lagerung zugeführt. Die Lagereinheit ist üblicherweise an den Schmierölkreislauf des Motors angeschlossen, so dass im laufenden Betrieb diese Wärme mit dem Schmieröl in den Motor abgeführt wird. Insbesondere wenn der Motor aus hoher Last schnell gestoppt wird, kann es dagegen zu Problemen mit Stauwärme kommen, die zu einem Verkoken des Schmieröls in der Lagereinheit führen kann. Die Lagereinheiten moderner Turbolader werden deshalb wassergekühlt oder der Motor verfügt über eine elektrische Hilfspumpe, die bei abgestelltem Motor den Turbolader einige Zeit nachkühlt. Diese „wassergekühlten“ Turbolader sind zu unterscheiden von wassergekühlten Turboladern, bei denen (auch) das Turbinengehäuse durch einen Wassermantel gekühlt wird.
Teilweise werden zusätzlich zu den Gleitlagern ein oder zwei keramische Kugellager eingesetzt. Kugelgelagerte Turbolader haben eine geringere Reibung, was sie schneller ansprechen lässt. Das beschleunigt den Drehzahlanstieg des Laders und lässt den Ladedruck früher einsetzen.
Vor- und Nachteile der Turboaufladung Vorteile Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung des mittleren Effektivdrucks und damit von Drehmoment und Leistung bei gegebenem Hubvolumen. Das günstigere Verhältnis des mittleren Effektivdrucks zu Spitzendruck erlaubt ein (relativ zu den gesteigerten Leistungsdaten) schwächeres Triebwerk, so dass dieses oft vom nicht aufgeladenen Motor weitgehend unverändert übernommen werden kann. Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, d. h., der ursprüngliche Motor mit annähernd unveränderten Abmessungen und Gewicht liefert mehr Leistung oder für die gleiche Leistung wird eine kleinere Maschine benötigt (Downsizing). Daraus wiederum ergeben sich Möglichkeiten der Kraftstoffeinsparung.
Das Leistungspotential der Turboaufladung wurde in den 1980er-Jahren in Formel-1-Motoren deutlich, als die stärksten Turbomotoren mit auf 1,5 l begrenztem Hubraum im Training Leistungen von mehr als 750 kW erreichten. An modernen, aufgeladenen Motoren kann die Leistungscharakteristik des Motors durch Dimensionierung des Turboladers und Regelung des Ladedrucks in weiten Grenzen an die Erfordernisse des Einsatzfalls angepasst werden.
Abgasturbolader nutzen die ansonsten ungenutzt entweichende Energie der Abgase gegenüber mechanischer (Nutz-)Energie des Motors bei mechanisch angetriebenen Motoraufladesystemen (Kompressoren usw.). Die Abgasturboaufladung führt damit zu einer Steigerung des Motorwirkungsgrads, während mechanische Lader tendenziell eine Verschlechterung des Motorwirkungsgrads bewirken. Bei hohen Ladegraden steigt zwar die im Abgas vor dem Turbolader enthaltene Energie, diese wird aber im Turbolader in Nutzenergie verwandelt. Hinter dem Turbolader ist die enthaltene Energie (Abgastemperatur) dagegen geringer, das 'Gesamtsystem Motor mit Turboaufladung' hat also einen besseren Wirkungsgrad.Heinz Grohe: Otto- und Dieselmotoren. 11. Auflage. Vogel-Verlag, Würzburg 1995, ISBN 3-8023-1559-6.
Verglichen mit Motoren ohne Aufladung sind der Wirkungsgrad und damit die Möglichkeiten der Kraftstoffeinsparung beim Turbo sogar erheblich günstiger.
Nachteile Nach mehr als 100 Jahren Entwicklungs- und Optimierungsarbeit hat sich der Turbolader allgemein gegen andere Aufladesysteme durchgesetzt, nur bei Nachrüst- und Bastlerlösungen spielen mechanisch angetriebene Lader wegen ihres geringeren Integrationsbedarfs in den Motor noch eine Rolle. Auch Saugmotoren verlieren immer mehr an Bedeutung (außer sehr kleine Motoren, Spezialanwendungen und große, amerikanische Benzinmotoren).
In einzelnen Anwendungsbereichen (z. B. Explosionsschutz) stört die hohe Oberflächentemperatur oder Wärmeabstrahlung des Turboladergehäuses. Zu den typischen Problemen früherer turbogeladener Motoren gehörte das „Turbo-Pfeifen“, was besonders bei Lastwechseln zu hören war, wenn also bei hoher Motorlast und -drehzahl vom Gas gegangen wurde. Verursacht wurde es durch strömungstechnisch unvorteilhafte Gestaltung der Turbinenräder. Auch das schnelle Abstellen eines betriebsheißen Motors konnte zu Problemen führen, siehe Drehzahl und Lagerung der Turboladerwelle. Weitere zwischenzeitlich behobene „Kinderkrankheiten“ wurden im Lastwechselbetrieb sichtbar.
Lastwechsel mini|Turboloch bei einer indischen Diesellokomotive
In der Anfangszeit waren Turbolader sehr groß, sehr schwer, ließen sich dadurch kaum raumsparend am Verbrennungsmotor anbringen und waren wenig für Lastwechselbetrieb geeignet. Daimler-Benz bot deshalb für seine Industrie-Dieselmotoren nach dem Zweiten Weltkrieg parallel Turbolader oder Kompressor als Auflademethode an. Erst Fortschritte bei Werkstoffeigenschaften und Fertigungstechnik machten eine Verkleinerung möglich, diese wiederum sorgte für eine Verbesserung der Betriebscharakteristika des Systems Turboaufladung. Beispiel PKW-Motor: Bei hoher Motordrehzahl und maximaler Last nimmt der Fahrer den Fuß vom Gas, der Motor geht in den Schiebebetrieb, schlagartig wird der Abgasturbine nicht mehr maximal Wärme zugeführt, sondern durch den hohen Volumenstrom mit niedriger Temperatur erheblich Wärme entzogen. Im nächsten Moment gibt der Fahrer wieder Vollgas und die eben ausgekühlte Turbine wird wieder aufgeheizt. Diese abrupten Temperaturschwankungen können insbesondere an den Turbinenschaufeln unmittelbar oder längerfristig zu Rissen oder Brüchen führen.