Zwangsbeatmung: Turbolader und Kompressoren
Um das Prinzip der Leistungssteigerung via Aufladung zu begreifen, muss zunächst die Arbeitsweise eines Motors verstanden werden. Am häufigsten sind in modernen PKW derzeit direkteinspritzende 4-Takt-Hubkolben-Motoren anzutreffen, deren Arbeitsweise sich in vier Schritten erläutern lässt:
1. Ansaugen: Bei direkteinspritzenden Motoren erfolgt die Kraftstoffzufuhr durch eine direkte Benzin-Einspritzung in den Brennraum. Beim Dieselmotor wird lediglich Luft angesaugt. Die Luft wird durch die Abwärtsbewegung zunächst durch das geöffnete Einlassventil angesaugt. Am Ende des Ansaugvorganges ist der Kolben in der untersten Position und in der Zylinderkammer „wartet“ die angesaugte Luft. Beide Ventile (Einlass/ Auslass) werden jetzt geschlossen.
2. Verdichten: Durch den Weiterlauf der Kurbelwelle drückt jene den Kolben nach oben, wobei dieser die Luft im Zylinder verdichtet.
3. Expandieren: Der Kraftstoff wird unter Druck in die Brennkammer eingespritzt. Beim Benzinmotor wird sodann die Zündung durch den Zündfunken einer Zündkerze eingeleitet. Beim Dieselmotor erfolgt eine Selbstentzündung, während der Kraftstoffeinspritzung, woher auch die landläufige Bezeichnung „Selbstzünder“ rührt. Der Druck der explosionsartigen Verbrennung treibt den Kolben nach unten.
4. Ausstoßen: Das Auslassventil öffnet und die Aufwärtsbewegung des Kolbens– durch die Rotation der Kurbelwelle – drückt die Abgase nach außen.
Der Kreislauf wiederholt sich fortwährend, bis der Motor abgestellt wird.
Eine Steigerung der Motorleistung kann prinzipiell durch drei grundsätzliche Methoden erfolgen:
1. Steigerung des Hubraums:Durch das erhöhte Brennkammervolumen kann mehr Kraftstoff gleichzeitig verbrannt werden.
2. Erhöhung der Motordrehzahl:Der Motor dreht schneller und kann die beschriebenen Arbeitsschritte häufiger durchführen.
3. Aufladung des Motors:In diesem Fall wird in den Kreislauf der Luftzufuhr eingegriffen. Der Motor arbeitet nicht mehr als „Sauger“, saugt also die von ihm für die Verbrennung benötigte Luft nicht mehr frei aus der Umgebung an. Vielmehr wird diese Luft im Rahmen der Aufladung vor der Brennkammer durch Verdichtung, mittels Lader, unter Druck gesetzt. Der Motor saugt dann zwar dasselbe Volumen an, durch den gesteigerten Druck gelangt jedoch eine größere Luftmasse und somit mehr Sauerstoff in den Brennraum. Auf Grund des gestiegenen Sauerstoffanteils, kann im Brennraum mehr Kraftstoff verbrannt werden. Dadurch steigt die Leistung des Motors bei gleicher Drehzahl und identischem Hubraum.
Errechnen und nachweisen kann man dies mit Hilfe der mathematischen Formel zur Errechnung der inneren Motorleistung (Pi).
Die Formel: Pi = pi * Vh * z * n * i
Pi = innere Motorleistung
pi = indizierter Mitteldruck
Vh = Hubraum pro Zylinder
z = Zylinderanzahl
n = Drehzahl
i = Arbeitszyklen pro Umdrehung (also 0,5 für Viertaktmotor)
Der Turbolader: Ein Turbolader ist eine Turbine, die durch den Motorabgasstrom des Motors angetrieben wird. Das über eine Zwischenwelle verbundene Verdichterrad kommt so in Rotation, saugt die Umgebungsluft an und fügt diese dem Motor verdichtet zu. Dadurch variiert der Ladedruck je nach Abgasmenge und deren Durchflussgeschwindigkeit. Um dieser Variablen entgegenzuwirken und den Turbolader so effizienter zu machen, werden heutzutage variable Turbolader verbaut: Bei den so genannten VTG-Ladern wird durch eine variabel verstellbare Leitschaufel eine unterschiedlich große Angriffsfläche für die Turbine geschaffen. Durch die variable Verstellung kann bei geringem Abgasdurchsatz, aber gleichzeitig hohem Leistungsbedarf, das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet werden.Dadurch werden die Rotation und somit auch die Verdichtung des Turboladers steuerbar und können bestmöglich auf die Abgas- und Leistungssituation eingestellt werden. Bei der Biturbo-Aufladung spricht man von zwei in Reihe geschalteten Turboladern. Diese bei V- Motoren genutzte Technik basiert darauf, dass auf beiden Abgaskrümmern jeweils ein Turbolader verbaut ist.Auch hier kann die VTG-Technik angewendet werden. Ferner gibt es sogar Motoren, bei denen mehr als zwei Turbolader in Reihe geschaltet wurden.
Der Kompressor: Ein Kompressor komprimiert – ebenso wie der Turbolader – die angesaugte Umgebungsluft, arbeitet dabei aber mit einer anderen Antriebstechnik. Um die Luft zu komprimieren, wird der Kompressor (wie z.B. auch die Lichtmaschine oder Klimaanlage) über einen Keilrippenriemen angetrieben. Dies hat den grundsätzlichen Nachteil, dass der Motor für den Antrieb des Kompressors erstmal Energie aufwenden muss, wodurch er zunächst bis zu 15 Prozent an Leistung verliert. Ein großer Vorteil des Kompressors ist allerdings, dass er stets mit nahezu gleichbleibender Drehzahl läuft. Durch das Fehlen einer thermischen Belastung, wie etwa beim Turbolader, ist das Kompressorsystem drüber hinaus natürlich langlebiger. Wie beim Turbolader gibt es auch vom Kompressor mehrere Varianten. Durchgesetzt hat sich die Variante des dreiflügeligen Roots-Gebläses. Die Kompressoraufladung kam bei Mercedes erstmals im Motorsport zum Einsatz – und zwar schon vor fast 100 Jahren! Die Stuttgarter Autobauer brachten 1920 mit dem „28/95 PS“ einen Rennwagen an den Start, der 140 PS leistete und damit lange Zeit seinesgleichen suchte. Bald darauf gab es die ersten Kompressorfahrzeuge auch für die Straße zu kaufen.Das sicherlich legendärste Mercedes Kompressorfahrzeug ist der Rennwagen Typ 720 SSKL (W06 RS): Der aus seinem 6-Zylinder-Motor mit sieben Litern Hubraum dank Kompressor satte 300 PS schöpfte und damit eine Spitzengeschwindigkeit von 235 km/h erreichte. In der Straßenvariante leistete der W06 bis zu 225PS.
Die Ladeluftkühlung: Bei der Komprimierung im Lader oder Kompressor heizt sich die Luft durch Reibung stark auf. Zudem ist bei den abgasgesteuerten Turboladern eine durch das Abgas erzeugte Hitze im Bauteil vorhanden. Um mit dem geschaffenen Druck auch mehr Leistung zu erzielen, sollte die Ladeluft wieder herabgekühlt werden, da heiße Luft, durch ihr größeres Volumen, einen geringeren Sauerstoffanteil aufweist. Somit kann durch die Reduzierung der Temperatur eine größere Sauerstoffmenge in den Brennraum gefördert werden. Durch das kühlere Gemisch steigt zudem die Klopffestigkeit, was eine höhere Zündeinstellung ermöglicht.Im PKW-Bereich setzt sich zunehmend die Variante der wassergekühlten Ladeluftkühler durch. Dieses Systeme hat mehrere Vorteile: Da der Fahrtwind irrelevant für die Ladeluftkühlung wird, können die Kühler direkt unter der Ansaugbrücke und dem Kompressor verbaut werden. Dadurch werden Wege gespart und der geschaffene Druck kann ohne große Verluste in den Motor geleitet werden. Zudem ist die Kühlleistung der auf Wasser basierenden Kühler in der Regel effizienter und statischer als die herkömmlicher Luftkühler.
Um das Prinzip der Leistungssteigerung via Aufladung zu begreifen, muss zunächst die Arbeitsweise eines Motors verstanden werden. Am häufigsten sind in modernen PKW derzeit direkteinspritzende 4-Takt-Hubkolben-Motoren anzutreffen, deren Arbeitsweise sich in vier Schritten erläutern lässt:
1. Ansaugen: Bei direkteinspritzenden Motoren erfolgt die Kraftstoffzufuhr durch eine direkte Benzin-Einspritzung in den Brennraum. Beim Dieselmotor wird lediglich Luft angesaugt. Die Luft wird durch die Abwärtsbewegung zunächst durch das geöffnete Einlassventil angesaugt. Am Ende des Ansaugvorganges ist der Kolben in der untersten Position und in der Zylinderkammer „wartet“ die angesaugte Luft. Beide Ventile (Einlass/ Auslass) werden jetzt geschlossen.
2. Verdichten: Durch den Weiterlauf der Kurbelwelle drückt jene den Kolben nach oben, wobei dieser die Luft im Zylinder verdichtet.
3. Expandieren: Der Kraftstoff wird unter Druck in die Brennkammer eingespritzt. Beim Benzinmotor wird sodann die Zündung durch den Zündfunken einer Zündkerze eingeleitet. Beim Dieselmotor erfolgt eine Selbstentzündung, während der Kraftstoffeinspritzung, woher auch die landläufige Bezeichnung „Selbstzünder“ rührt. Der Druck der explosionsartigen Verbrennung treibt den Kolben nach unten.
4. Ausstoßen: Das Auslassventil öffnet und die Aufwärtsbewegung des Kolbens– durch die Rotation der Kurbelwelle – drückt die Abgase nach außen.
Der Kreislauf wiederholt sich fortwährend, bis der Motor abgestellt wird.
Eine Steigerung der Motorleistung kann prinzipiell durch drei grundsätzliche Methoden erfolgen:
1. Steigerung des Hubraums:Durch das erhöhte Brennkammervolumen kann mehr Kraftstoff gleichzeitig verbrannt werden.
2. Erhöhung der Motordrehzahl:Der Motor dreht schneller und kann die beschriebenen Arbeitsschritte häufiger durchführen.
3. Aufladung des Motors:In diesem Fall wird in den Kreislauf der Luftzufuhr eingegriffen. Der Motor arbeitet nicht mehr als „Sauger“, saugt also die von ihm für die Verbrennung benötigte Luft nicht mehr frei aus der Umgebung an. Vielmehr wird diese Luft im Rahmen der Aufladung vor der Brennkammer durch Verdichtung, mittels Lader, unter Druck gesetzt. Der Motor saugt dann zwar dasselbe Volumen an, durch den gesteigerten Druck gelangt jedoch eine größere Luftmasse und somit mehr Sauerstoff in den Brennraum. Auf Grund des gestiegenen Sauerstoffanteils, kann im Brennraum mehr Kraftstoff verbrannt werden. Dadurch steigt die Leistung des Motors bei gleicher Drehzahl und identischem Hubraum.
Errechnen und nachweisen kann man dies mit Hilfe der mathematischen Formel zur Errechnung der inneren Motorleistung (Pi).
Die Formel: Pi = pi * Vh * z * n * i
Pi = innere Motorleistung
pi = indizierter Mitteldruck
Vh = Hubraum pro Zylinder
z = Zylinderanzahl
n = Drehzahl
i = Arbeitszyklen pro Umdrehung (also 0,5 für Viertaktmotor)
Der Turbolader: Ein Turbolader ist eine Turbine, die durch den Motorabgasstrom des Motors angetrieben wird. Das über eine Zwischenwelle verbundene Verdichterrad kommt so in Rotation, saugt die Umgebungsluft an und fügt diese dem Motor verdichtet zu. Dadurch variiert der Ladedruck je nach Abgasmenge und deren Durchflussgeschwindigkeit. Um dieser Variablen entgegenzuwirken und den Turbolader so effizienter zu machen, werden heutzutage variable Turbolader verbaut: Bei den so genannten VTG-Ladern wird durch eine variabel verstellbare Leitschaufel eine unterschiedlich große Angriffsfläche für die Turbine geschaffen. Durch die variable Verstellung kann bei geringem Abgasdurchsatz, aber gleichzeitig hohem Leistungsbedarf, das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet werden.Dadurch werden die Rotation und somit auch die Verdichtung des Turboladers steuerbar und können bestmöglich auf die Abgas- und Leistungssituation eingestellt werden. Bei der Biturbo-Aufladung spricht man von zwei in Reihe geschalteten Turboladern. Diese bei V- Motoren genutzte Technik basiert darauf, dass auf beiden Abgaskrümmern jeweils ein Turbolader verbaut ist.Auch hier kann die VTG-Technik angewendet werden. Ferner gibt es sogar Motoren, bei denen mehr als zwei Turbolader in Reihe geschaltet wurden.
Der Kompressor: Ein Kompressor komprimiert – ebenso wie der Turbolader – die angesaugte Umgebungsluft, arbeitet dabei aber mit einer anderen Antriebstechnik. Um die Luft zu komprimieren, wird der Kompressor (wie z.B. auch die Lichtmaschine oder Klimaanlage) über einen Keilrippenriemen angetrieben. Dies hat den grundsätzlichen Nachteil, dass der Motor für den Antrieb des Kompressors erstmal Energie aufwenden muss, wodurch er zunächst bis zu 15 Prozent an Leistung verliert. Ein großer Vorteil des Kompressors ist allerdings, dass er stets mit nahezu gleichbleibender Drehzahl läuft. Durch das Fehlen einer thermischen Belastung, wie etwa beim Turbolader, ist das Kompressorsystem drüber hinaus natürlich langlebiger. Wie beim Turbolader gibt es auch vom Kompressor mehrere Varianten. Durchgesetzt hat sich die Variante des dreiflügeligen Roots-Gebläses. Die Kompressoraufladung kam bei Mercedes erstmals im Motorsport zum Einsatz – und zwar schon vor fast 100 Jahren! Die Stuttgarter Autobauer brachten 1920 mit dem „28/95 PS“ einen Rennwagen an den Start, der 140 PS leistete und damit lange Zeit seinesgleichen suchte. Bald darauf gab es die ersten Kompressorfahrzeuge auch für die Straße zu kaufen.Das sicherlich legendärste Mercedes Kompressorfahrzeug ist der Rennwagen Typ 720 SSKL (W06 RS): Der aus seinem 6-Zylinder-Motor mit sieben Litern Hubraum dank Kompressor satte 300 PS schöpfte und damit eine Spitzengeschwindigkeit von 235 km/h erreichte. In der Straßenvariante leistete der W06 bis zu 225PS.
Die Ladeluftkühlung: Bei der Komprimierung im Lader oder Kompressor heizt sich die Luft durch Reibung stark auf. Zudem ist bei den abgasgesteuerten Turboladern eine durch das Abgas erzeugte Hitze im Bauteil vorhanden. Um mit dem geschaffenen Druck auch mehr Leistung zu erzielen, sollte die Ladeluft wieder herabgekühlt werden, da heiße Luft, durch ihr größeres Volumen, einen geringeren Sauerstoffanteil aufweist. Somit kann durch die Reduzierung der Temperatur eine größere Sauerstoffmenge in den Brennraum gefördert werden. Durch das kühlere Gemisch steigt zudem die Klopffestigkeit, was eine höhere Zündeinstellung ermöglicht.Im PKW-Bereich setzt sich zunehmend die Variante der wassergekühlten Ladeluftkühler durch. Dieses Systeme hat mehrere Vorteile: Da der Fahrtwind irrelevant für die Ladeluftkühlung wird, können die Kühler direkt unter der Ansaugbrücke und dem Kompressor verbaut werden. Dadurch werden Wege gespart und der geschaffene Druck kann ohne große Verluste in den Motor geleitet werden. Zudem ist die Kühlleistung der auf Wasser basierenden Kühler in der Regel effizienter und statischer als die herkömmlicher Luftkühler.
