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www.bts-turbo.com Unternehmen der -Unternehmensgruppe Band 2 | Turboladerbauarten, Funktion Technik Ratgeber

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Band 2 | Turboladerbauarten, Funktion

Technik Ratgeber

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VorwortDieser Ratgeber gibt Ihnen einen Überblick über die Entwicklung der Turboaufladung bei Serienmotoren. Die einzelnen Bauar-ten werden nach den Entwicklungsstufen geordnet erklärt und die Verbesserungen der Bauvarianten dargestellt. Der Überblick soll Ihnen helfen die Funktionsweise der Turbolader zu verstehen, um Fehldiagno-sen bei vermeintlichen Turboladerschäden

Inhaltsverzeichnis

Inhalt: Seite:

Vorwort 2

Inhaltsverzeichnis 2

Impressum 2

Funktionsweise der Abgasturboaufladung 3

Grundaufbau eines Turboladers 4

Turbine 4

Verdichter 5

Lagerung 5 - 8

Ladedruck-Regelungen 8 - 11

zu vermeiden. Bei einem Turbolader handelt es sich um ein thermisch hoch beanspruch-tes Aggregat, das in seiner Funktion relativ einfach gestaltet ist. Entscheidend für die korrekte Funktion ist vorrangig die optimale Ansteuerung und Versorgung. Zu Turbola-derschäden und der richtigen Diagnose bei Turboladerschäden finden Sie im BTS Tech-nik Ratgeber Band 1 nützliche Tipps.

Impressum:Text und Inhalt:BTS GmbH | Paradeisstraße 56 | 82362 Weilheimwww.bts-turbo.com

Bildnachweis:BorgWarner Turbo & Emissions Systems | Garrett by Honeywell | BTS Turbo GmbH

Konzept und Gestaltung:r. wie marketing GmbH | Töpfergrubenweg 2 | 95030 Hofwww.r-wiemarketing.de

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3Unternehmen der -Unternehmensgruppe

Funktionsweise der Abgasturboaufladung

Die heißen Abgase werden vom Motor-Brennraum ausgestoßen und über den Abgaskrümmer direkt zum Turbolader geleitet.Durch den Gaseintritt des Turbinenge-häuses gelangen die Abgase in einen sich verengenden Kanal (Drallkanal). Die Abgase werden durch die Querschnitts-verengung im Drallkanal beschleunigt und geben diese Energie an das Turbi-nenrad (3) weiter.Das Turbinenrad wird rein durch die Abgasenergie in Rotation ver-setzt. Die Drehzahl des Turbinen-rades ist daher abhängig von der Abgasmenge, der Abgastem- peratur und der Geschwindigkeit des Abgasstroms. Am Turbinenrad ist durch eine Reibschweißverbindung eine Welle angebracht, die dadurch mit der glei-chen Drehzahl rotiert. Turbinenrad mit Welle ergibt daher ein Bauteil, das in Fachkreisen als Läuferwelle bezeichnet wird.Die Abgase werden durch den Gasaus-tritt des Turbinengehäuses in das Ab-gassystem (Partikelfilter, Katalysator, Auspuff) weitergeleitet.Das Verdichterrad sitzt auf der Läufer-welle und nimmt die gleiche Drehzahl

wie das Turbinenrad auf. Das Verdich-terrad ist mit einer Mutter auf der Welle gesichert.Am Gaseintritt des Verdichtergehäuses wird die Frischluft vom Luftfilter in das Verdichtergehäuse eingeleitet. Das Ver-dichterrad (5) saugt hierzu die Frischluft über den Gaseintritt des Verdichterge-häuses an und bringt sie in Rotation. Die Frischluft wird jetzt in den Drallkanal des Verdichtergehäuses „gepresst“; dabei wird der Querschnitt des Drallkanals im-mer größer.Der Gasaustritt des Verdichtergehäu-ses, auch als Druckseite bezeichnet, gibt die verdichtete und durch den Verdich-tungsprozess stark erwärmte Luft aus dem Turbolader frei.Im Ladelüftkühler wird die komprimierte und auf bis zu 200°C erwärmte Luft he-runtergekühlt. Die Kühlung ist zur Erhö-hung des Füllungsgrads notwendig und bringt bei einer Abkühlung um 50°C eine Leistungssteigerung des Motors von etwa 15%.Die abgekühlte und komprimierte Luft wird dem Motor-Brennraum zugeführt und sorgt für einen hohen Sauerstoffan-teil beim Verbrennungsprozess.

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Effekt:Mit der ohnehin vorhandenen Abgasener-gie wird ohne einen Riemenantrieb ein Aggregat (Abgasturbolader) betrieben, das für einen Luftüberschuss bei der Ver-brennung sorgt. Dieser Vorteil ist aufgrund der hohen Leistungsausbeute und der da-raus resultierenden Kraftstoffeinsparungen bei heutigen Downsizing-Konzepten nicht mehr wegzudenken.

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Grundaufbau eines Turboladers

1. Turbinengehäuse2. Läuferwelle (=Turbinenrad mit angeschweißter Welle)3. Lagergehäuse4. Verdichtergehäuse5. Verdichterrad6. Lagerung7. Verbindungselemente

Beschreibung:Der Kern eines jeden Abgasturboladers ist die Rumpfgruppe: Sie besteht aus dem Lagergehäuse (3), der Lagerung (6), der Läuferwelle (2) und dem Verdichterrad (5). Die Einzelteile der Rumpfgruppe werden montiert und das Verdichterrad mit einer Mutter gesichert. Nach der Montage wird jede Rumpfgruppe auf einer Wuchtmaschi-ne feingewuchtet. Die Mutter am Verdich-terrad darf jetzt nicht mehr gelöst werden!Bei ungeregelten Turboladern (s. Bild oben) können die Verbindungselemente (7) jederzeit für Einbauarbeiten gelöst wer-den, um einen spannungsfreien Einbau in das Fahrzeug zu gewährleisten.

Turbine

1. Turbinengehäuse2. Läuferwelle3. Drallkanal

Beschreibung:Die Abgase des Motors werden über den Ab-gaskrümmer in den Abgas-Eintritt des Turbi-nengehäuses geleitet. Bei modernen Turbo-ladern bestehen der Abgaskrümmer und das Turbinengehäuse des Turboladers aus einem Gussteil. Die Abgase durchströmen den sich im Querschnitt verengenden Drallkanal. Durch die Querschnittsverengung ergibt sich eine hohe Geschwindigkeit der Abgase und somit auch eine hohe Drehzahl der Läufer-welle. Die Geometrie des Drallkanals ist also ausschlaggebend für das Ansprechverhalten eines Turboladers, die Drehzahl der Läufer-welle und den Ladedruck. Im unteren Mo-tordrehzahlbereich steht sehr wenig Abgas zur Verfügung, die Folge ist ein schlechtes Ansprechverhalten der Läuferwelle und ein geringer Ladedruck. Dieser Zustand wird als „Turboloch“ bezeichnet.

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5Unternehmen der -Unternehmensgruppe

Verdichter

1. Verdichterrad2. Sicherungsmutter3. Verdichtergehäuse4. Verdichtergehäuse-Rückwand5. Drallkanal

Beschreibung:Das Verdichterrad nimmt die gleiche Dreh-zahl auf wie die Läuferwelle. Durch die Geometrie der Verdichterradschaufeln wird über den Luftfilter Frischluft angesaugt, wel-che dann in den Drallkanal des Verdichter-gehäuses gefördert wird. Der Querschnitt des Drallkanals öffnet sich immer weiter bis zum Ausgang des Verdichtergehäuses. Die Frischluft wird durch diesen Prozess kompri-miert und erhitzt sich auf bis zu 200°C. Ein auf der Druckseite angeschlossener Lade-luftkühler sorgt dafür, dass die Ladeluft ent-sprechend abgekühlt wird, sich durch die Abkühlung die Dichte der Luft erhöht und der Füllungsgrad im Motor steigt. Durch den somit erreichten höheren Sauerstoffanteil bei der Verbrennung werden die Leistung des Motors gesteigert und die Emissions-werte verbessert.

Lagerung

Beschreibung:RadiallagerungBei den heutigen Serienturboladern dreht sich die Läuferwelle mit bis zu 340.000 Um-drehungen pro Minute. Da der Turbolader nicht zu den Verschleißteilen in einem Fahr-zeug zählt, muss die Lagerung der Läufer-welle entsprechend verschleißfrei ausge-legt werden.Bei der Zweibuchsenlagerung dreht sich die Läuferwelle (6) auf einem Ölfilm innerhalb der Radiallagerbuchse (4). Die Ölversorgung (2) erfolgt aus dem Motor-Ölkreislauf. Die La-gerung ist so aufgebaut, dass sich zwischen dem stehenden Lagergehäuse (1) und der drehenden Welle (6) eine mit etwa halber Wellendrehzahl mitrotierende Radiallager-buchse (4) aus Messing befindet. Es kommt bei dieser Lagerbauart in keinem Betrieb-punkt zur Festkörperreibung zwischen La-gerung (4) und Läuferwelle (6). Der äußere Ölfilm dient zur Dämpfung und sorgt für einestabile Wellenbahn des Läufers (6).

1. Lagergehäuse 2. Ölzulauf 3. Axiallager4. Radiallager- buchsen

5. Ölablauf6. Läuferwelle7. Kolbenring- abdichtung

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Frischluftvom Filter

Komprimierte Luft zum Ladeluftkühler

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AxiallagerungWeder die Zweibuchsenlagerung noch die Einbuchsenlagerung nehmen Kräfte in axialer Richtung auf. Durch die unter-schiedlich hohen Gaskräfte, die auf das Verdichterrad und das Turbinenrad in axialer Richtung wirken, würde der Läufer (6) in axialer Richtung verschoben werden. Das Axiallager (3), ein Keilflächen-Gleitla-ger, nimmt diese Kräfte auf. Als Anlaufflä-chen dienen zwei kleine Scheiben, die fest auf der Welle verspannt sind. Das Axialla-ger (3) ist im Lagergehäuse (1) fixiert.

KugellagerKugelgelagerte Turbolader werden kaum bei Serienfahrzeugen eingesetzt, sondern kommen im Rennsportbereich oder bei Tuningfahrzeugen zum Einsatz. Mit einem kugelgelagerten Turbolader wird ein schnelleres Ansprechverhalten erzielt. Der Vorteil dieser Lagerart ist die Belastbarkeit des Lagers in axialer und radialer Richtung, was im Rennsportbereich durch die hohen Lastwechselkräfte und dem entstehenden hohen Axialschub erforderlich ist. Der gro-ße Nachteil dieser Lagerbauart liegt in der größeren Anfälligkeit und natürlich auch an den höheren Herstellungskosten.

ÖlablaufDas Schmieröl strömt mit ca. 4 bar in den Turbolader (2). Der Ölablauf (5) erfolgt na-hezu drucklos. Die Leitung muss daher im Durchmesser wesentlich größer sein als der Ölzulauf (2). Das Lager soll möglichst senkrecht von oben nach unten durch-strömt und der Ölablauf oberhalb des Motorölspiegels in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden. Wird der Ölablauf behindert, kommt es zu einem Ölrückstau in der Lagerung. Das Öl strömt dann durch die Kolbenringabdichtung (7) in den Ver-dichter und in die Turbine.

AbdichtungDas Lagergehäuse (1) ist gegen die heißen Abgase der Turbine, die sonst in das La-gergehäuse strömen könnten, und gegen Ölverlust aus dem Lagergehäuse abzudich-ten. Turbinen- und verdichterseitig befindet sich je ein Kolbenring (7) in einer Nut auf der Läuferwelle (6). Diese Kolbenringe drehen sich nicht mit, sondern sind im Lagergehäu-se (1) fest verspannt. Diese berührungslose Art der Abdichtung, eine Art von Labyrinth-dichtung, erschwert die Ölleckage durch die vielen Strömungsumlenkungen und bewirkt, dass nur geringe Abgasmengen in das Kur-belgehäuse gelangen.

Beschreibung:Eine besondere Form der Gleitlagerung stellt die Einbuchsenlagerung dar. Die Welle dreht sich innerhalb einer stehenden Buch-se, die von außen mit Öl umspült wird. Dabei kann der äußere Spalt zwischen Lagerge-häuse (1) und der Radiallagerbuchse (3) spe-ziell auf die Lagerdämpfung ausgelegt wer-den, da keine Drehbewegung stattfindet. Der so mögliche geringere Lagerabstand führt zu einer kompakten Bauweise des Tur-boladers.

1. Lagergehäuse 2. Lagerfixierung

3. Radiallagerbuchse4. Kolbenring- abdichtung

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7Unternehmen der -Unternehmensgruppe

Montagehinweis!Bei der Montage eines neuen Turboladers ist größte Vorsicht geboten. Da ein stabiler Öl-film zwischen den Lagerbauteilen unbedingt erforderlich ist, muss vor dem Anschluss der Ölzulaufleitung des Turboladers der kom-plette Ölzulaufkanal mit frischem Motoröl aufgefüllt werden. Sollte die Erstbefüllung unterlassen werden, so kommt es durch den Trockenlauf im Lager auf Grund der enormen Drehzahlen der Läuferwelle in kür-zester Zeit zu Verschleißschäden oder gar zum Totalausfall des Turboladers. Um einem Ausfall des Turboladers durch eine fehlende oder mangelhafte Erstbefüllung vorzubeu-gen, liefert die BTS GmbH bei jedem Tur-bolader ein spezielles Additiv, das in enger Zusammenarbeit mit Liqui Moly entwickelt wurde, zur Turboladerlieferung dazu. Das Additiv erhöht durch die Benetzung der La-geroberflächen die Notlaufeigenschaften des Laders, womit Schäden an der Lage-rung, die durch einen fehlerhaften Einbau verursacht würden, minimiert werden kön-nen.

In der Grafik sehen Sie eine Lageroberflä-che in der vielfachen Vergrößerung.Trotz modernster Bearbeitungsmethoden ist eine Oberflächenrauheit immer vorhan-den.Das Additiv glättet die Oberflächen und vergrößert somit die nutzbare Lagerfläche deutlich.Die Lageroberfläche wird für ca. 50.000 km mit dem Additiv benetzt. Da wir das Additiv nur für den Erststart des Turboladers einset-zen, ist dieser Wert mehr als ausreichend.

Die Wirkstoffkombination aus chemisch wir-kenden Additiven und dem Festschmierstoff MoS2 garantiert einen verschleißarmen Einlauf. Die laminare Struktur der MoS2- Partikel füllt die Oberflächenrauhigkeit des Metalls auf und reduziert so Reibung und Verschleiß. Durch eine speziell abge-stimmte Additivkombination wird zusätzlich der Reibungsbeiwert um ca. 40% gesenkt. Diese Wirkstoffkombination lässt sich im Öl nachweisen, weswegen bei Schäden fest-gestellt werden kann, ob das mitgelieferte BTS Turbolader- Additiv auch beim Einbauverwendet wurde.

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Ladedruck-Regelungen

Eine Ladedruckregelung ist bei heutigen Se-rienturboladern nicht mehr wegzudenken. Da die Drehzahl des Abgasturboladers von der Abgasmenge abhängig ist, wird die Turbi-nenseite für ein schnelles Ansprechverhalten ausgelegt, d.h. der Drallkanal des Turbinen-gehäuses ist mit einem engen Ausgangs-querschnitt ausgelegt. Dadurch wird eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Abga-se und somit eine hohe Turbinendrehzahl erreicht. Parallel dazu steigt natürlich auch der Ladedruck sehr schnell an. Bei maxima-ler Motordrehzahl und Abgasmenge würde die Läuferwelle des Turboladers zu schnell drehen. Um Schäden zu verhindern und die Drehzahl zu begrenzen, müssen die Abgase vor dem Auftreffen auf die Turbine aus dem Turbinengehäuse ausgeleitet werden. Eine andere Möglichkeit, die Turbinendrehzahl zu begrenzen, ist die variable Veränderung des Ausgangsquerschnitts durch eine variable Turbinengeometrie (VTG).

Eine reine Begrenzung des Ladedrucks kann auch nach dem Verdichter erfolgen. Die über-schüssig komprimierte Luft kann mit Hilfe von Überdruckventilen, so genannten Popp-Off Ventilen, aus der Druckleitung abgeblasen werden. Diese Variante wird allerdings bei heutigen Serienfahrzeugen nur als Sicher-heitsventil eingesetzt. Die Nachrüstung von Popp-Off Ventilen macht bei Dieselmotoren keinen Sinn, da bei dieser Anwendung nicht wie beim Benzinmotor die Gefahr besteht, dass sich die anstehende Luftsäule zwischen Verdichterrad und Drosselklappe negativ auf das Ansprechverhalten sowie die Lebens-dauer des Turboladers auswirkt.

Wassergekühltes Lagergehäuse

Beschreibung:Um einer Überhitzung des Öls vorzubeu-gen, werden bei Ottomotoren, deren Ab-gastemperaturen noch 200 bis 300°C höher liegen als bei Dieselmotoren, meist wassergekühlte Lagergehäuse eingesetzt. Während des Motorbetriebes ist das Lager-gehäuse in den Kühlkreislauf des Motors in-tegriert. Nach dem Abstellen wird die Stau-wärme mittels eines kleinen Kühlkreislaufes abgeführt, der von einer thermostatisch ge-regelten elektrischen Wasserpumpe ange-trieben wird.

1. Ölzulaufanschluss2. Wasserzulaufanschluss

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Ladedruckregelventil

Beschreibung:Um ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu erzielen, ist im unteren Motor-drehzahlbereich das Ventil (4) geschlossen; der gesamte Abgasstrom trifft auf die Turbi-ne. Beim Motorhochdrehen steigen der Ab-gasdruck und parallel dazu der Ladedruck. Der Druck im Verdichtergehäuse (1) wird über eine Steuerleitung (2) an eine feder-belastete Membran (3) weitergegeben. Ab einem bestimmten Druck öffnet das Ventil (4) und sorgt dafür, dass ein Teil der Abgase un-genützt in den Gasaustritt des Turbinenge-häuses (5) entweicht. Durch diese Aufteilung des Abgasstromes werden die Drehzahl und somit auch der Ladedruck begrenzt.Problematisch bei dieser Regelungsart ist die Positionierung des Ventilblocks auf der heißen Turbinenseite. Durch die thermisch sehr hohe Belastung ist ein relativ starker Verschleiß der federbelasteten Membran zu erwarten.

1. Verdichtergehäuse2. Steuerleitung3. Federbelastete Membran4. Ventil5. Gasaustritt Turbinengehäuse

Besonderes Augenmerk sollte man auf die Steuerleitung legen, da diese aus Gummi besteht und durch Alterung oder Marder-bisse leicht beschädigt werden kann. Sobald Löcher in der Steuerleitung sind, entweicht der Ladedruck, das Ventil bleibt geschlossen und der Turbolader dreht ohne Begrenzung hoch.

Ladedruckregelklappe

Beschreibung:Im Prinzip arbeitet diese Regelart wie die zuvor beschriebene Regelung mittels La-dedruckregelventil. Die Steuerdose (1) wird über die Steuerleitung (4) mit dem ak-tuellen Ladedruck angesteuert. Die Regel-klappe (3) öffnet sich komplett bei maxima-lem Ladedruck und sorgt auch hier für eine Aufteilung des Abgasstromes. Fällt der Lade-druck ab, so schließt sich die Regelklappe und der Abgasstrom beschleunigt komplett die Turbine. An der Steuerdoseneinstellung (2) darf keinesfalls eine Veränderung vor-genommen werden; sie dient lediglich der Grundeinstellung beim Turbolader-Herstel-ler. Eine Verstellung könnte zum Überdre-hen oder einem starken Leistungsverlust des Turboladers führen. Der Vorteil dieser Bauart liegt bei der Platzierung der Steuerdose an dem weniger thermisch beanspruchten Ver-dichtergehäuse.

1. Steuerdose 3. Regelklappe2. Steuerdoseneinstellung 4. Steuerleitung

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1. VTG Leitkranz2. Verbindungselement3. Verdichtergehäuse4. Turbinengehäuse5. Einstellschraube Endanschlag6. Einstelleinheit Schließwinkel7. Unterdruckdose

VTG offen

1. Leitschaufel2. Verstellring3. Turbinenrad

Variable TurbinenGeometrie (VTG)

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VTG geschlossen

Beschreibung:Durch die variable Turbinengeometrie wird das „Turboloch“ nahezu ausgeschaltet. Der Drallkanal des Turbinengehäuses wird bei dieser Bauart an den Volllastbereich an-gepasst. Bei maximaler Abgasmenge wer-den die Leitschaufeln komplett geöffnet (Bild VTG offen) und der Abgasstrom durch einen großen Strömungsquerschnitt auf das Turbinenrad geleitet. Im unteren Mo-tordrehzahlbereich wird durch Schließen der Leitschaufeln (Bild VTG geschlossen) der Strömungsquerschnitt stark verengt und so die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase auf die Turbine erhöht. Durch die Veränderung der Anstellwinkel der nicht mitrotierenden Leitschaufeln wird somit die Drehzahl der Turbine und des Verdichters beeinflusst und an den Leistungsbedarf des Motors angepasst. Der Leitring sorgt für eine gleichmäßige Verstellung der Leit-schaufeln und wird über einen Hebelme-chanismus von einer Unterdruckdose oder einem e-Steller angesteuert.

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2-stufige geregelte Aufladung

Beschreibung:Bei der zweistufig geregelten Aufladung werden zwei Abgasturbolader in einem System durch eine Reihenschaltung ver-bunden. Im unteren Motordrehzahlbereich bleibt das Wastegate geschlossen, die Ab-gasenergie wird auf die Turbine des kleine-ren Hochdruck Abgasturboladers geleitet. Das Verdichterrad des kleinen Hochdruck-Turboladers übernimmt den Großteil der Verdichtungsarbeit. Im mittleren Motordreh-zahlbereich wird das Wastegate geöffnet und beide Turbinen durch den Abgasstrom angetrieben. Auf der Verdichterseite arbeitet das Verdichterrad des Niederdruck-Abgas-turboladers als Vorverdichter und das Ver-dichterrad des Hochdruck-Abgasturboladers

als Nachverdichter. Sobald der obere Motor-drehzahlbereich erreicht wird, öffnet zur Ab-regelung des Ladedrucks das Bypassventil und leitet einen Teil der vorverdichteten Luft am Hochdruck-Verdichterrad vorbei direkt über den Ladeluftkühler zum Brennraum. Das Wastegate bleibt hierbei geöffnet.

Effekt:Durch die Reihenschaltung dieser Auflade-technik wird der Leistungsbedarf des Motors in allen Lastbereichen abgedeckt. Der klei-nere Turbolader sorgt bei geringem Abgas-massenstrom für ein schnelles Ansprechver-halten und der größere für die Abdeckung im oberen Motordrehzahlbereich.

Anmerkung:Die Technik der zweistufigen Aufladung wird heutzutage immer wichtiger. Neuent-wicklungen zielen auf hubraumkleine Moto-ren wie z.B. den 1,4L TSI Motor von VW ab. Diese hubraumkleinen Motoren haben für ein schnelles Ansprechen des Turboladers im unteren Lastbereich natürlich einen zu geringen Abgasmassestrom zur Verfügung. Um dieses Problem zu beseitigen, wird die Kombination eines Abgasturboladers für den oberen Lastbereich mit einem Kompressor für den unteren Lastbereich ausgenützt. Der Kompressor wird hierbei über die Kurbelwel-le des Motors übersetzt angetrieben, was für einen schnellen Ladedruckaufbau sorgt. Der große Nachteil des Kompressors, das Ver-zehren von Leistung durch den Riemenan-trieb, wird beseitigt, indem der Abgasturbo-lader im mittleren Drehzahlbereich die Arbeit aufnimmt und der Kompressor abgekoppelt wird. Mit dieser Methode werden hohe Lade-drücke um die 2,5 bar erzielt und die Hub-raumverkleinerung mehr als ausgeglichen.

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Technik Ratgeber Band 22013

Art.-Nr.: TR0002 Unternehmen der -Unternehmensgruppe

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