Aufladung

Aufladung http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/steuerung/aufladung.htm

1 von 7 14.01.2008 20:05

www.kfztech.de Aufladung

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zu Füllung und Drehmoment| Leistungssteigerung |Leistung | Mehrventiler | Variable Steuerzeiten | Valvetronic | Vergleich P/M | Schaltsaugrohr |

Wozu braucht man Aufladung?

Bei der Aufladung wird

die Ladungsmenge vergrößert, also die Dichte der Ansaugluft erhöht,somit der Füllungsverlust verkleinert undder Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert.Dies hat jedoch auch eine Temperaturerhöhung zur Folge.

Mit einem Ladeluftkühler vor dem Eintritt in den Motor, kann eine weitere Steigerung derLadungsmenge im Zylinder erreicht werden.Mit Aufladung kann eine bedeutende Drehmomentanhebung (mehr Arbeitsdruck) und Leistungssteigerung erreicht werden.

Der im Vergleich zum Basis-Saugmotor leistungsgleiche Ladermotor kann mit kleineremHubraum und daher geringerem Gewicht ausgelegt werden (Downsizing). Durch dieAufladung können die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasemissionsgrenzwerte bessereingehalten werden.

Laut Siemens sind mit Downsizing, also statt vier nur drei Zylinder und statt dessen dafür mitDirekteinspritzung und Turboaufladung Einsparungen von 15% realistisch.


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Siemens VDO

bei Diesel:

hohe Verdichtung + Aufladung = sehr hohe Arbeitsdrücke hohes Drehmoment + niedriger Verbrauch

Systeme :Schwingrohraufladung,Abgasturboaufladung,kombinierte Aufladung oder Resonanzaufladung,mechanische Aufladung (Kompressor),Druckwellenaufladung oder Comprexaufladung,Pulseconverter.

Man unterscheidet auch zwischen Selbstaufladung (z.B. Schwingrohraufladung) und derFremdaufladung mit einem Zusatzaggregat.

Abgasturbolader (ATL)

Energie des Abgases drückt Frischgasein den ZylinderLadewirkung erst ab mittlerer DrehzahlTrägheit der Gassäule bewirkt TurbolochLadeluftkühlung sinnvoll (wegenthermischer Belastung, außerdem mehrLuftmasse)Ladedruckregelung mech.-pneum. oderelektronischmit Ladeluftkühlung ca. 0,5 - 2,2 barohne ca. 0,2 - 1,8 bar

Die Abgasturboaufladung nutzt dasabgeblasene Abgas aus dem Motor für denAntrieb eines Vorverdichters.Es wird auf dem Auspuffkrümmer eineAbgasturbine angeschraubt, die mit einergemeinsamen Welle den Strömungsverdichterantreibt.Der Nutzen ist umso besser, je schneller dieAbgase auf das Turbinenrad treffen. ZurBegrenzung des Ladedruckes wird derAbgasstrom an der Turbine vorbei geleitet odergedrosselt.

(Beim Anklicken wird das Bild in einem neuen Fenster geöffnet)

Ladedruckdiagramm AUDI-Motoren

Ladedruckregelung

Eine Aufladung soll natürlich auch bereits bei mittleren Drehzahlen und niedrigerAbgasströmung stattfinden. Deshalb wird häufig die Baugröße des Turboladers verringert. Dieshat aber wiederum zur Folge, dass bei hohen Drehzahlen der Ladedruck unzulässig hoch wird,bzw. die Laderdrehzahlen zu hoch werden. Es besteht die Gefahr einer Motorzerstörung. Diesmacht eine Ladedruckregelung unabdingbar.

Mechanisch-pneumatische Regelung:

zu hoher Ladedruck öffnet ein Ladedrucksteuerventil gegen eine Federkraft. Die Abgaseströmen über eine Bypassleitung zurück in den Auspuff. Statt eines Ventils wird häufig auch


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eine Bypass-Klappe verwendet.

Elektronische Ladedruckregelung:

Den optimalen Ladedruck erreicht man nur elektronisch. Haupteingangssignale für dasLadedrucksteuergerät sind Ladedruck, Drosselklappenstellung und Klopfneigung.Korrektursignale sind: Ansauglufttemperatur, Motortemperatur, Drehzahl, Umgebungsdruck.Das Ladedrucksteuergerät steuert ein Taktventil an, dass wiederum das Ladedruckregelventil öffnet bzw. schließt.

Prinzip:

Ladedruck niedrig > Taktventil offen > Ladedruckregelventil geschlossen > Turbine enthält vollenAbgasstrom

Ladedruck hoch > Taktventil geschlossen > Ladedruckregelventil geöffnet > Turbine erhält gedrosseltenAbgasstrom

Vorteile der elektronischen Ladedruckregelung:

sie spricht schneller an,ist unabhängig vom Luftdruck, was eine konstantere Leistungsentfaltung bringt undder Ladedruck kann bis zur Klopfgrenze gesteigert werden.

Zur Ladedruckregelung ein Auszug aus Wikipedia (Turbolader):

Prinzip bedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibendenAbgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller, und je schneller sich dieTurbine dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmengewiederum die Turbine noch mehr antreibt. Letztlich steigt auch die Reibung in denLagersitzen an und die Verdichterdrehzahl erreicht ein Drehzahlplateau. Auch kann derVerdichter seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen und thermischen Grenzendes Motors werden überschritten. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten,also die Aufladung des Motors zu begrenzen, bedarf es einer Einrichtung, die im allgemeinenSprachgebrauch „Ladedruckregelung“ genannt wird. Diese Regelung kann aufunterschiedliche Arten erfolgen.

Die einfachste Ladedruckregelung wird durch Abblasen überschüssiger komprimierter Luftauf der Verdichterseite durch ein Überdruckventil realisiert. Solche Überdruckventile dienenbei heutigen Serienmotoren nur noch als Sicherheitsventile im Fall des Versagens andererBauteile, denn das Abblasen der verdichteten Luft hat schwerwiegende Nachteile:

es geht Energie verlorenDer Turbolader erreicht noch höhere Drehzahlen, weil der Druck auf der Verdichterseiteabsinkt

Eine bessere Variante der Ladedruckregelung ist das Bypassventil (auch Wastegategenannt) im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Ventil durch einenGeber auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann Abgas an der Turbine vorbei direkt inden Auspuff, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbindet. Das Bypassventilund seine Stellglieder sind aufgrund ihrer Position im heißen Abgasstrom thermisch hochbelastet, damit störanfällig und waren einer der Gründe, warum einzelne Motorenbauer vonder Turbo-Aufladung von Otto-Motoren wieder abkamen und Kompressorsystemeverwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten.


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Umluftventil (Abblasventil, Pop-Off-Ventil)

Bei geschlossener Drosselklappe im Schiebetrieb entsteht ein Staudruck durch die inBewegung befindliche Luftsäule, der das Verdichterrad abbremst, was bei hohem Ladedruckauf Dauer zur Zerstörung des Turboladers führen kann. Damit das Verdichterrad weiterlaufenkann, wird ein Umluftventil eingesetzt. Es handelt sich meist um ein saugrohrgesteuertesUmluftventil (Abblaseventil), das ein Umpumpen der Luft von der Verdichterseite zurAnsaugseite ermöglicht.

mehr dazu auch bei Wikipedia

Warum ist die Abgasturboladung besonders bei Diesel motoren so stark verbreitet?

Im Vergleich zum Ottomotor machen das niedrige Drehzahlniveau und die geringerenAbgastemperaturen die Anpassung des Abgasturboladers an das Motorkennfeld einfacher, dieMaterialauswahl kostengünstiger.Der Dieselmotor kann ohne Turbolader in der Leistung mit dem Benzinmotor nicht mithalten.

Die neuen kompakten Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) sind hinsichtlich des Beschleunigungsverhaltens (Rauchentwicklung durch verzögertes Ansprechender Abgasturbine) stark verbessert. Es wird hier der Eintrittsquerschnitt und der Anströmwinkelauf die Abgasturbinenschaufeln in Abhängigkeit von Motorparametern verändert. Dies wirdmeist mit verstellbaren Leitschaufeln erreicht - oder mit einem Schieber der denEintrittsquerschnitt mehr oder weniger abdeckt.

Es gibt aber auch schon Abgasturbolader mit Hilfs-Elektroservomotor, oder mit Hilfsölturbine,der das Laufzeug zusätzlich beschleunigt und so das "Turboloch" (kurzzeitiger Luftmangeldurch Förderverzögerung des Laders bedingt durch die Massenträgheit des Laufzeuges)verhindert.

Die neuen PKW-HighTech Diesel in V-Bauweise werden auch mit "DoppelTurbo " ausgeführt.Zwei kleine ATL´s für je eine Zylinderreihe ergeben ein sehr gutes Ansprechverhalten unddamit gute, weitgehend rauchfreie Fahrzeugbeschleunigung.

Neu beim Pkw ist auch die gestaffelte Anordnung von 2 Turbos (1 kleiner und ein großer), diesich die Arbeit sinnvoll teilen und sich bei den entsprechenden Drehzahlen ergänzen. EinTurboloch wird weitestgehend vermieden.

Spezialausführung: VTG -Lader

anklicken

VTG = Variable, d.h. verstellbareTurbinengeometrie

n niedrig: Leitschaufeln auf engerQuerschnittsstellung - hohe Geschwindigkeit des Abgasstroms und äußerer Rand derTurbinenschaufel = Hebelwirkung groß,Ladedruck steigt

n hoch: Leitschaufelngroßer Einlassquerschnitt- große Abgasmenge kann einströmen,benötigter Ladedruck wird erreicht

Weitere Infos zum Biturbo oder zur Registeraufladung finden Sie bei Wikipedia


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Schnittmodell eines VTG-Laders (Christiani-Shop)

Warum mechanische Aufladung ?

Besonders beim Ottomotor ergeben sich Vorteile gegenüber dem ATL, weil dieabgasführenden Teile nicht aus hochwarmfesten, teuren, Material hergestellt werden müssen. Die luftführenden Teile können in genügend großem Abstand zu heißen Teilen angebrachtwerden und dadurch nicht aufgeheizt werden können. Die Abgasturbine soll ausWirkungsgradgründen möglichst nahe am Auspuffkrümmer angebracht werden. Dasverursacht thermische Probleme für die übrigen angrenzten Motorteile und stellt großeAnforderung an die Abgasdichtungen. Die Abgasführung des Kompressormotors kannströmungsgünstig und kostengünstig gestaltet werden.Als Zusatzladegerät in Serie zum ATL ist jedoch ein kompakter mechanischer Lader auchbeim PKW-Dieselmotor sinnvoll einsetzbar.Auch bei Dieselmotoren mit Rußfiltern ergeben sich Vorteile für den mechanischen Lader.

Bauarten der mechanischen Aufladung (Kompressoraufladung):

Für die mechanische Aufladung von Verbrennungsmotoren werden überwiegend Drehkolbenmaschinen in einwelliger und zweiwelliger Ausführung verwendet.Wie bei den Zahnradgetrieben (Außenverzahnung und Innenverzahnung) unterscheidet manbei den zweiwelligen Maschinen zwischen außenachsigen und innenachsigen Ausführungen.


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In der einfachsten Form besteht der Rotor aus einem Kreiszylinder, das Gehäuse aus einemkreiszylindrischen Rohr, und das Trennelement zwischen Saugraum und Druckraum auseinem federbelasteten Flach-Schieber.Die einwellige Bauart lässt sich gut und kompakt in den Verbrennungsmotor einbauen. DerAntrieb kann auch ohne Riemen oder Zahnräder erfolgen, wenn man den Rotor direkt mit demKurbelwellenende antreibt. Durch das zentralsymmetrische Aneinanderreihen von mehrerenRotoren hintereinander wird ein pulsationsarmer gleichmäßiger Förderverlauf erreicht.Es ist die zweiwellige, außenachsige, verschraubte Bauart nach Roots , die derzeit amhäufigsten in Serie eingesetzt wird.Im Nachrüstmarkt wird zusätzlich der mechanisch und elektrisch getriebeneRadialverdichter und der Schraubenverdichter eingesetzt.

Vor- und Nachteile des mechanischen Laders

Vorteile:

Antrieb durch Motor - abschaltbar durchMagnetkupplung - schneller Aufbau des Ladedrucks - hohes Drehmoment bei niedrigenDrehzahlen

Nachteile:

schlechter Gesamtwirkungsgrad - Antriebkostet ca. 20 kW Antriebsleistung, nur Ladedruck bis 1,8 bar möglich

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>>>zur Dynamischen Aufladung<<<

Zusätzliche Hinweise

Motortuning mit Aufladung

Das Tunen (Verbesserung von Leistung und Drehmoment von Serienmotoren) mitAbgasturbolader und Kompressor (Supercharger) ist sehr beliebt und wirkungsvoll. Dieeinfachste Möglichkeit ist die "milde" Aufladung mit mechanisch getriebenen, dauergeschmierten Ladern bis max. 0,3bar Ladedruck. Durch den Verzicht auf höhereLadedrücke und damit höhere Leistungswerte kann gegebenenfalls der Ladeluftkühler,Ölkühler und der Lader-Motorschmierölanschluss eingespart werden. Der Umbau wird damiteinfach gehalten werden. Auch die Lebensdauer von Lader und Motor wird höher sein.Das Tunen mit dem Abgasturbolader hat größeren Einfluss auf den Motor.An den Motorteilen Abgaskrümmer, Auspuffanlage, und an der Motorschmierung sind in jedenFall Umbauten notwendig.

Turbodiesel

Da bei den neuesten PKW - Dieselmotoren der Abgasturbolader die Standardausführung ist(nur mehr wenige Saugdiesel werden angeboten), wird dieser Begriff immer weniger in derFahrzeugbeschreibung und -bezeichnung verwendet.Auch das früher so oft in der Abkürzung verwendete "T" für "Turbo" wird nur mehr seltenverwendet.So kann man bei der Bezeichnung Common Rail Dieselmotor (CDI oder CR...) fast immer


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davon ausgehen das ein Dieselmotor mit Abgasturbolader (Turbodiesel) im Fahrzeugeingebaut ist. Also ein Turbodiesel mit dem neuen Einspritzsystem Common Rail. Auch beimschlichten "D" für Diesel (früher die Bezeichnung für Saugdiesel) muss man mit einemAbgasturbolader rechnen.

Wassereinspritzung beim aufgeladenen Motor?

Die meist nur für getunte Motoren und Rennmotoren angewandte Wassereinspritzung nutztdie hohe Verdampfungswärme von Wasser. Auf den Ladeluftkühler, oder nach dem Lader indie heiße Luft gesprüht, entzieht es dem Gehäuse und der Ladeluft beim Verdampfen Wärmeund bewirkt eine Abkühlung. (Je kühler die Ladung ist, um so mehr Luftmasse passt bei gleichemVolumen in den Verbrennungsraum!)Das bringt nicht nur einen Leistungsgewinn, sondern auch (bei normaler Fahrweise)Verbrauchsvorteile und Abgasverbesserung (NOx).

Arten der Ladeluftkühlung:

Im Fahrzeugbereich (PKW, LKW) wird überwiegend die Luft (Fahrtwind) - Luft (Ladeluft)-Kühlung angewendet.Der, im Vergleich zur Ladeluft "kühle", Fahrtwind wird auf einen Wärmetauscher geleitet, dermit der Ladeluft durchströmt wird.Stark im Kommen ist aber der doch aufwendigere Wasser (Motorkühlwasser) - Luft (Ladeluft)Kühler.Einen effektive Kühlung kann hier nur erreicht werden, wenn das Motorkühlwasser vor demEintritt in den Ladeluftkühler abgekühlt wird.

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Infos und Bild-Quellen: Internet, Dipl. Ing. Haider, SiemensVDO

Weitere Infos zum Turbolader finden Sie bei Wikipedia

Auszüge aus Wikipedia (GNU freie Lizenz für Dokumentation)

Wiesinger

bearbeitet am: 02.01.08

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