Die Motoraufladung ist ein Verfahren, bei dem die Leistung oder die Effizienz von Verbrennungsmotoren durch Zuführen von Luft mit erhöhtem Druck gesteigert wird. Durch den höheren Druck wird der Füllungsgrad verbessert, so dass mehr Luft für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht, was die pro Arbeitstakt geleistete Arbeit erhöht. Die Ansaugarbeit kann so in Nutzarbeit verwandelt werden.
Der Druck der vom Motor angesaugten Luft kann durch Strömungsschwingungen, Gebläse, Turbolader und Kompressoren erhöht werden. Durch die höheren thermischen und mechanischen Belastungen des Motors sind diesem Verfahren materialtechnische und konstruktive Grenzen gesetzt. Aufgeladene Motoren haben in der Regel einen geringeren spezifischen Verbrauch als Saugmotoren gleicher Leistung.
Leistungssteigerung durch Aufladung Die Aufladung ist eine Möglichkeit, die Motorleistung zu steigern. Wie aus der Formel ersichtlich, vergrößert die Anhebung des indizierten Mitteldruckes die indizierte Leistung .
Für die indizierte Motorleistung gilt:
mit = innere Motorleistung = indizierter Mitteldruck = Hubraum pro Zylinder = Zylinderanzahl = Drehzahl = Arbeitszyklen pro Umdrehung (also Zweitaktmotor 1 und Viertaktmotor 0,5)
Die anderen Variablen , , und tragen ebenfalls zur Leistungssteigerung bei und werden entsprechend dem Anwendungsfall und der speziellen Grenzen verwirklicht. Eine Leistungssteigerung durch Anheben der Drehzahl ist praktisch nur bis zu einer gewissen Grenze (Drehzahl) durchführbar.
Der absolute Ladedruck beträgt bei vielen PKW je nach Drehzahl und gefordertem Drehmoment zwischen 1,2 und 2,4 bar,Über ODB bei modernen Fahrzeugen auslesbar: Ladedruck, -temperatur, Abgasrückführung, Einspritzmenge usw. bei Großdieselmotor bis zu 4 bar.
Systematik Nach Einsatzgebieten Typische Anwendungen von Ladern: Schiffsdieselmotoren (Viertakt- und Zweitakt-Dieselmotor), auch in Blockheizkraftwerken Lkw- und Pkw-Dieselmotoren: Turbodiesel Flugmotoren Stromaggregate: Klein-Generatoren + Großanlagen zur (Not)Stromversorgung Pkw-Ottomotoren (auch Motorsport) Gegenkolbenmotoren Motoren in stationären Anlagen und Spezialfahrzeugen, bei denen eine hohe Leistungsreserve erforderlich ist.
Nach dem Verfahren der Verdichtung Zur Verdichtung der Frischluft für einen Motor sind unterschiedliche Verfahren bekannt:
Resonanz-Aufladung (optimiert für bestimmte Drehzahl): ideal mit konstanter Generator-Drehzahl für Stromaggregate, Blockheizkraftwerke etc. Dynamische Gasverdichter: Turboverdichter, speziell Abgasturbolader Gebläse: Die Luft wird angesaugt und ohne innere Verdichtung auf die Seite mit höherem Druck transportiert: Roots-Gebläse Verdrängermaschinen: Innerhalb des Verdichters führt eine Volumenabnahme zur Verdichtung des Gases wie bei Kolbenkompressoren, Flügelzellen-Ladern, Scroll- und Schraubenverdichtern und dem Ro-Lader von Wankel. Vorteile dieser Maschinen sind geringere Geräuschentwicklung und hoher isentroper Wirkungsgrad.
Wichtig ist stets auch Ladeluftkühlung für hohen Wirkungsgrad.
Laderarten mini|BMW M20-Motor mit Ansaugrohrbrücke für Resonanz- bzw. Schwingrohraufladung
Lader werden nach ihren Wirkprinzipien unterschieden. Die am häufigsten verwendeten sind Abgasturbolader, mechanische Lader und Druckwellenlader. Mechanische Lader werden meist direkt vom aufgeladenen Motor durch Getriebe oder Riemen angetrieben, in manchen Fällen verfügen die Lader über einen eigenen Antrieb, wie zum Beispiel einen Elektromotor (Fremdaufladung).Motoraufladung — eine Verfahrensübersicht. In: Kraftfahrzeugtechnik 11/1974, S. 337–342.
Im weiteren Sinne gehört dazu auch die sogenannte dynamische Aufladung (Resonanzaufladung), bei der durch besonders gestaltete Ansaug- und Abgasrohre die Gasschwingungen bei bestimmten Drehzahlen durch Resonanz verstärkt werden, wodurch der Gaswechsel im Zylinder verbessert wird. Das Resonanzprinzip kann mit anderen Laderarten kombiniert werden.
Abgasturbolader (ATL)
Die heute wichtigste Laderart ist der Abgasturbolader, bei dem eine Abgasturbine mit hoher Drehzahl direkt den über eine Welle fest gekoppelten Turboverdichter antreibt. Die Abgasturbine liegt möglichst nahe am Abgasauslass des Motors direkt im Abgasstrom. Meist direkt daneben liegt der umgekehrt arbeitende Turboverdichter, dessen Verdichterrad die Ladeluft über einen Ladeluftkühler („Intercooler“) in den Ansaugtrakt presst.
mini|zentriert|hochkant=3|Abgasturbolader (ATL): Anordnung für einen Otto-Motor (für Diesel-Motor ähnlich, ohne Drosselklappe)Die Welle zwischen Turboverdichter (blau) und Abgasturbine (rot) ist real meist kürzer als hier dargestellt.
Neben der gewünschten Aufladung haben Abgasturbolader den Vorteil, dass sie einen Teil des sonst ungenutzt verpuffenden Restdrucks der Abgase nutzen (typisch 3–5 bar) und als zusätzlichen Leistungsgewinn auf die Kurbelwelle einkoppeln, wenn im Ansaug-Takt der Kolben mit dem Überdruck der Ladeluft angetrieben wird, statt wie beim Saugmotor gegen Unterdruck arbeiten zu müssen.
Turboloch
Ein bekannter Nachteil, das sogenannte Turboloch, trat vor allem bei frühen Modellen mit Turboaufladung auf. Das zusätzliche Drehmoment stand erst ab einer bestimmten Drehzahl des Laders zur Verfügung. Der Abgasstrom war erst ab einem bestimmten Lastniveau groß genug, um den Lader ausreichend anzutreiben, der dann erst durch den ansteigenden Ladedruck dem Motor ermöglichte, wiederum mehr Abgas für die Turbine zu erzeugen. Der Drehmomentanstieg wurde dadurch verzögert. Dieser Effekt wird bei modernen Maschinen mit elektronischer Ladedruckregelung und Abblaseventilen weitgehend kompensiert.
Geschichte und Entwicklung der Abgasturbolader
Abgasturbolader gibt es schon ungefähr seit dem frühen 20. Jahrhundert, wobei sie zunächst für Dieselmotoren zum Einsatz kamen, und insbesondere für große Zweitakt-Dieselmotoren wie Schiffsdieselmotoren zum Standard wurden. Seit den 1990ern wurden Turbolader auch zunehmend für Pkw-Dieselmotoren eingesetzt (Turbodiesel), erst in neuerer Zeit auch für Ottomotoren, deren Abgastemperaturen wesentlich höher sind und deren Drosselklappe zudem das Ansprechverhalten beeinträchtigt.
Abgasturbolader für Ottomotoren Die Turbine in modernen Ottomotoren ist im Betrieb einem bis etwa 1000 °C heißen Abgasstrom ausgesetzt und läuft mit extrem hohen Drehzahlen bis zu 400.000 Umdrehungen je Minute. Dabei soll möglichst wenig Wärme auf den Verdichter übertragen werden. Um bei diesen Drehzahlen die Trägheits- und Fliehkräfte gering zu halten, müssen die Materialien des Laufzeugs sehr leicht, gleichzeitig über einen schnell wechselnden Temperaturbereich von bis zu 1000 °C formbeständig und hochfest sowie die Lagerung fast spielfrei, aber auch leichtgängig sein. Das konnte erst mit der Entwicklung moderner Werkstoffe und Techniken im späten 20. Jahrhundert erfüllt werden.
Elektrisch angetriebene Kompressoren Außer den mechanisch angetriebenen Kompressoren werden auch elektrisch angetriebene Kompressoren in verschiedenen Fahrzeugen verwendet oder Abgasturbolader mit Elektromotor unterstützt. Durch den elektrischen Antrieb sind sie abgekoppelt von der Motordrehzahl und vom Abgasmassenstrom.
Zweitakt-Großdieselmotoren haben Hilfsgebläse zum Anfahren (Starten) des Motors, die den Turbolader bei kleiner Last unterstützen, da er bei geringer Abgasmenge zu wenig Druck liefert.
Gelegentlich werden sie bei Pkw-Motoren verwendet, um das „Turboloch“ zu überwinden. Dort werden sie bis zu einer Motordrehzahl von 2000/min betrieben. Der erste Serien-Pkw mit dieser Technik war 2016 der Audi SQ7 mit dem 4-l-TDI-Motor mit einem von Valeo gelieferten Kompressor. Dessen Motor läuft mit 48 Volt Betriebsspannung. Dadurch kann er bis zu 7 kW abgeben.Thomas Heiduk, Ulrich Weiß, Andreas Fröhlich, Jan Helbig: Der neue V8-TDI-Motor von Audi Teil 1: Aggregatearchitektur und Aufladekonzept mit elektrischem Verdichter. In: MTZ 77 (2016), Nr. 6, S. 24–31, doi:10.1007/s35146-016-0042-3.
Mechanisch angetriebene Kompressoren „Mechanische Lader“, meist „Kompressor“ genannt (englisch supercharger), werden direkt vom Motor (Kurbelwelle) über Ketten-, Riemen- oder Zahnradgetriebe angetrieben, gegebenenfalls mit zwischengeschalteter Kupplung. Alternativ ist auch Antrieb über einen eigenen Elektromotor möglich (siehe nachfolgend eigener Abschnitt).
Drehkolbenlader
Diese nach den Erfindern des Konstruktionsprinzips Roots-Gebläse genannten Lader haben zwei gegenläufige Rotoren, deren zwei oder drei keulenförmige „Flügel“ wechselweise ineinandergreifen. Dabei wird die Luft ähnlich wie bei einer Zahnradpumpe auf der einen Seite angesaugt, von den „Flügeln“ an der inneren Wandung des ovalen Gehäuses entlanggeschoben und auf der Gegenseite herausgedrückt. Die Wellen der beiden Drehkolben sind außerhalb des Gehäuses über Zahnräder verbunden. Die Kolben laufen zueinander und zum Gehäuse berührungsfrei.
Rootslader arbeiten ohne innere Verdichtung. Auf Grund ihrer Wirkungsweise arbeiten sie erst ab einer größeren Luftmenge effektiv und sind daher relativ groß und schwer. Meist werden sie bei mittleren und großen Dieselmotoren eingesetzt. Ihr großer Vorteil gegenüber dem Turbolader ist, dass sie sofort wirken und kein Turboloch entsteht. Außerdem sind sie wegen der niedrigeren Drehzahl, der geringeren thermischen Druckbelastung und wegen des berührungsfreien Laufs wesentlich langlebiger und wirtschaftlicher in der Herstellung.
Rootslader wurden früher häufig bei schweren Lkw (MAN) und bei Mercedes-Rennwagen eingebaut. Anfang der 1920er Jahre galt der Kompressor von Mercedes als Garant für den Sieg bei Autorennen. In der 1924 erstmals erschienenen Ausgabe der Autofachzeitschrift Der Herrenfahrer – Das Blatt vom Auto und anderen Annehmlichkeiten des Lebens schreibt ein „Dr. Ritter“ eine Hymne auf diese Antriebstechnik:
Die bei den Zweitaktmotoren von Krupp und Commer verwendeten Roots-Spülgebläse sind keine echten Lader. Lancia war der erste Hersteller nach dem Zweiten Weltkrieg, der Roots-Lader in Serien-Pkws einbaute, 1983 bis 1985 in den Volumex-Modellen. Hanomag verbaute in den 1950er und 1960er Jahren Rootsgebläse, sowohl als Spülgebläse bei ihren Zweitakt-Dieselmotoren (z. B. D611 im R12), als auch zur Leistungssteigerung in Viertakt-Dieselmotoren (z. B. D28 LAS im Hanomag L 28). Erst Mitte der 1990er-Jahre baute Mercedes-Benz wieder Kompressormodelle. Eine Weiterentwicklung stellt der Rotationskolbenlader mit einem Flügel- und drei Innenläufern dar.
Kolbenladepumpen Die Zschopauer Motorenwerke (1932 zur Auto Union AG fusioniert) entwickelten in den 1930er Jahren für Rennmotorräder einen Zweitakt-Doppelkolbenmotor mit Anlenkpleuel nach dem System von Arnold Zoller. Er hatte Kurbelgehäusespülung und Aufladung durch einen weiteren, über ein Exzenter auf der Kurbelwelle angetriebenen Kolben in einem separaten Zylinder am Kurbelgehäuse. Der Motor wurde stetig weiterentwickelt, die Auto Union AG experimentierte mit vier verschiedenen Positionen der Ladepumpe. Insbesondere die DKW ULD 250 war Ende der 1930er Jahre durch ihre hohe Leistung bei Motorradrennen anderen Maschinen überlegen.
Flügelzellenlader