Arten der Aufladung und der Ladedruckregulierung

Turbolader – Über Funktion, Sinn, Unsinn, Probleme und so weiter und so fort haben wir uns schon seit längerem ausgiebig ausgelassen. In verschiedenen Artikeln, wie etwa der Einführung zu den Aufladungskonzepten ist auch sehr schön nachzulesen, was etwa die Vor- und Nachteile von Turboaufladung sind. Das ist jetzt und hier aber nicht wichtig, denn Fakt ist: Turbolader gehören heutzutage in Autos, wie das „Amen“ in die Kirche. Natürlich gibt es einige Ausnahmen, aber die gibt es in der Kirche schließlich auch.
Nein, das womit wir uns heute, hier und jetzt beschäftigen ist, was für Arten von Turboladern es gibt bzw. was für Arten es gibt, den Ladedruck, den Sie produzieren, zu regulieren. Außerdem werfen wir anstandhalber einen Blick auf seinen scheidenden „Vorgänger“, den Kompressor.

Mit dem fangen wir auch gleich an. Genauso wie der Turbolader schaufelt er Luft in den Brennraum, um für mehr Leistung bei gleichem Hubraum zu sorgen. In den frühen Jahren des Automobilbaus, in denen aus 5 Liter Hubraum so viel Leistung geholt wurde, wie heute aus einem (ohne Turbo), suchte man eine Möglichkeit, um die bescheidene Leistungsausbeute zu erhöhen. Auf der Hand lag natürlich eine Erweiterung des Hubraums. Allerdings war man früher genauso wenig bereit wie heute, mit einem Motor herumzufahren, der größer war, als das eigentliche Auto. Schnell kam die Idee auf, man könne künstlich Luft in den Brennraum drücken, um den gleichen Effekt zu erreichen. Nach einigen Jahren der Entwicklung, vielen Tränen der beteiligten Ingenieure und so manche Sorgenfalte an der Stirn der Herrschaften, die den Spaß bezahlen mussten, war endlich der serienreife Kompressor geboren.

Vor allem im Rennsport fand er begeistert Verwendung bei den Rennställen von Mercedes, Bentley und einigen weiteren. In den frühen 20er Jahren, setzte Mercedes beispielsweise einen Roots-Lader in viele Rennwagen ein. So etwa in den berühmten SSK mit einem 7-Liter-Sechszylinder, der zusammen mit dem Kompressor 225PS aus seinem Brennräumen quetschte. Dieser „weiße Elefant“, wie er genannt wurde, fuhr die Konkurrenz schon 1927 in Grund und Boden. 10 Jahre später wartete Mercedes mit dem berühmten „Silberpfeil“ W125 auf. In dieser Zeit hatte sich Einiges getan. Der Sechszylinder hatte nun 1,3 Liter weniger Hubraum, kam aber dank neuem Roots-Lader auf sagenhafte 592 PS und eine Höchstgeschwindigkeit von 320km/h. Ohne Servolenkung, ABS, ESP. Zumindest hatte er Reifen und Bremsen, sowie ein Lenkrad.

Doch genug der Geschichtsstunde. Diese kleine Einführung, so interessant sie evntuell gewesen sein mag, diente ausschließlich dazu, einen schmackhaften Weg zum eigentlichen Thema zu finden: Der Technik. Die bei den Silberpfeilen eingesetzten Roots-Lader waren Schraubenverdichter, eine Bauart, die bis heute Anwendung findet.

Der Schraubenverdichter

Kernstück des Schraubenverdichters sind zwei spiralförmige Drehkolben mit zwei- oder dreiflüeligem Querschnitt, die in der Regel mit Grafit oder Epoxidharz beschichtet sind und sich gegenläufig und berührungsfrei drehen. Am Ende dieser Rotoren sind Zahnräder angebracht, die dafür sorgen, dass die Rotoren synchron laufen. Je enger das System gebaut sind und je enger der Zwischenraum zwischen den Rotoren selbst, sowie zwischen ihnen und der Gehäusewand ausfällt, desto höher ist der Wirkungsgrad des Kompressors. Das Witzige am, über Kupplungen vom Motor angetriebenen Schraubenverdichter ist, dass er die Luft selbst gar nicht verdichtet, sondern sie nur in Richtung Motor beschleunigt. Der Name ist also eigentlich irreführend, wenn man die primäre Aufgabe des Schraubenverdichters betrachtet.
Die Verdichtung erfolgt erst an Drosselklappen und Einlassventilen.
Noch heute werden Schraubenverdichter verbaut, wie zum Beispiel beim Jaguar F-Type.

Der Spirallader

Ein weiteres und bereits ausgestorbenes Exemplar der Gattung Kompressor. Warum ich dennoch auf ihn eingehe? Der Vollständigkeit halber.
Der Spirallader war eine Sonderform des Lysholm-Laders, auch Schraubenspindelverdichter genannt. In ihm drehen sich ein Haupt- und ein Nebenrotor mit einer jeweils unterschiedlichen Anzahl Zähne, die das Übersetzungverhältnis bestimmen (z.B. 2:1 bei 10:5 Zähnen). Der Spirallader wurde in den 80er Jahren von VW in Großserie produziert und machte bei Polo G40 oder Corrado G60 Dampf im Kessel. Jede Gehäusehälfte hat spiralförmige Kammern, die mit Dichtleisten versehen sind, sodass auch Führungsaufgaben in axialer Richtung übernommen werden können.
Der Lader hat einen inneren und einen äußeren Arbeitsraum. In Stellung 1 des Kompressors (0°), sind beide geöffnet, um Umgebungsluft aufnehmen zu können.
90° Drehung der Antriebswelle später sind die Arbeitsräume mit Luft gefüllt und der Lader ist nach außen verschlossen. Weitere 90° später vergrößert sich das Volumen des inneren Raumes und die Luft im äußeren wird durch den Ausgang ausgeschoben. Nach insgesamt 360° ist auch die restliche Luft durch die Nabe ausgeschoben wurden. Man kann sich die Luft in diesem Kompressor also in etwa wie einen Staubsauger in einem Comic vorstellen, der sich selbst einsaugt. Sie wird immer weniger und dichter und schließlich verschwindet sie im Zentrum.
Der Wirkungsgrad dieser Spirallader ist etwas höher als der der Schraubenverdichter, dafür sind sie aber deutlich aufwendiger zu fertigen, da ihre Profile deutlich komplexer sind.

Um die Brücke von Kompressoren zu der Turboaufladung zu schlagen, betrachten wir kurzerhand eine Motorenbauweise, die beides vereint: Die Vehemenz der Turboaufladung, gepaart mit der Kraft des Kompressors im Drehzahlkeller.

Kompressor und Turbolader

Schon in früheren Zeiten baute Lancia zum Beispiel in den Lancia Rallye einen 4-Zylinder mit Turbo- und Kompressoraufladung ein, um die Vorteile beider Konzepte nutzen zu können. VW grub dieses Konzept viele Jahre später wieder aus und entwickelte einen 1.4 TSI Motor, der am Höhepunkt seines Schaffens unter anderem im Polo GTI eingesetzt wurde und dort 180 PS, sowie 250Nm produzierte. Der Kompressor übernahm dabei die Arbeit bis 3.500 U/min, danach übergab er an den Turbo. Bei ruhiger Fahrweise machte er schon ab 2.400 U/min die Schotten dicht. Je nach der Schwere des Gasfußes kann man sich vorstellen, dass die Verbrauchsspanne dieses Motors für so einen kleinen Motor gigantisch war, was andereerseits aber natürlich wieder typisch für Downsizingmotoren ist.
Für die unter euch, die sich nun fragen, wie dieses System funktioniert, denen erkläre ich es natürlich gern.

Wie bei allen Systemen gelangt die Frischluft über den Luftfilter zum Motor. Bei wenig Last in niedrigen Drehzahlen ist eine Regelklappe geöffnet, die die Luft direkt zum Turbo leitet. Das Ansprechverhalten ist mau, der Druck ebenso. Will man aber dem Vertreterkombi neben sich zeigen, wo der Hase lang läuft, schließt sich diese Regelklappe. Die Luft wird umgeleitet zum Kompressor, der sie zum Turbolader schiebt. Dort wird sie weiter verdichtet und ins Saugrohr gepresst. Auf die Erklärung zu den Sensoren, die auf dem Weg noch einige Messungen vornehmen, wo sie diese hinleiten, wie sie dann ausgewertet werden und auf die anschließende Wirkung, habe ich jetzt bewusst verzichtet. Wichtig ist hier nur, dass die Regelklappe neben der Zuteilung der Luft auch eine regulierende Funktion hat. Im Volllastbetrieb in unteren Drehzahlen, kann sie sich leicht öffnen, um zu hohen Druck abzubauen. Zum Beispiel, wenn man beim Beschleunigen das Gas lupft. Die Regelklappe übernimmt also hier unter anderem die Aufgabe der Ladedruckregulierung.

So, jetzt aber kommen wir zum Hauptakteur. Zu einem mechanischen Bauteil, welches uns noch lange begleiten und in Zukunft wahrscheinlich von der elektrischen Generation abgelöst, oder zumindest unterstützt wird. Wer sein Grundwissen zum Turbo auffrischen möchte, kann hier noch einmal nachlesen.
Dort ist aber nicht erklärt, wie der Ladedruck reguliert wird. Der Grundgedanke dahinter ist nämlich relativ einfach und durch die Bauart von Turboladern bedingt. Die Abgasenergie, die den Turbo antreibt, ist stark von der Gaspedalstellung und der Drehzahl abhängig. Unterhalb einer gewissen Drehzahlgrenze steht zu wenig Abgasenergie zu Verfügung, um neue Luft entsprechend verdichten zu können beziehungsweise wird einfach zu wenig Luft gefördert. Das bekannte Turboloch ist die Folge. Im oberen Drehzahlbererich hingegen werden die Antriebskräfte immer stärker. Es entstehen mehr Abgase, somit wird mehr Luft verdichtet, woraus noch mehr Abgase entstehen. Der Vorgang würde sich immer weiter aufschaukeln und schlussendlich würde uns der Turbo um die Ohren fliegen. Aus diesem Grund, müssen begrenzende Maßnahmen ergriffen werden, zugleich aber das Problem des schlechten Ansprechverhaltens in niedrigen Drehzahlbereichen minimiert werden.

In Autos, die in „normalen“ Leistungsbereichen verkehren, geht der Trend deshalb immer zu relativ kleinen Turboladern mit hoher Drehzahl. Ein kleiner Turbo kommt schneller auf Touren und das Turboloch wird so minimiert. Obenrum kommt er dafür umso schneller an die Belastungsgrenze. Was tun? Die gängigste Methode bildet hier der Bypass.

Variante 1: Bypass

Die günstigste, simpelste und weit verbreitetste Variante der Ladedruckregulierung ist der Bypass. Hier wird ein Teil des Abgasstroms einfach an der Abgasturbine vorbei und direkt in den Abgastrakt geleitet. Das erfolgt mithilfe einer Druckdose, auch bekannt als Wastegate oder pneumatischer Versteller, oder mithilfe eines Stellmotors.
Der Ablauf ist simpel. Die Verdichterseite ist über eine Verbindungsleitung mit der Druckdose verbunden. Sobald der Ladedruck einen bestimmten Wert (z.B. 1 bar) überschreitet, drückt er so stark auf eine federbelastete Membran, dass diese die Bypassklappe öffnet, die per Gestänge mit dieser Membran verbunden ist. Je stärker der Druck, desto weiter öffnet sie sich. So wird ein Teil des Abgasstroms direkt in den Abgastrakt geleitet. Somit sinken Abgas- und Ladedruck und die Membran schließt wieder. Dann geht es wieder von vorne los. Wie hoch der maximale Ladedruck sein darf, wird über die Vorspannung der Federn in der Druckdose bestimmt. Es gibt natürlich auch Upgradedruckdosen, mit stärkeren Federn, die mehr Druck zulassen. Bei einem Stellmotor kann der maximale Druck je nach Bedarf auch vom Motorsteuergerät bestimmt werden. Theoretisch ist es auch möglich, die Klappe bis zur Grenze der physischen Belastbarkeit geschlossen zu halten.

Nun wird sich der ein oder andere vielleicht fragen, was passiert, wenn eines der Bauteile, die für die Regulierung verantwortlich sind, einen Defekt hat. Dafür gibt es einen Plan B. Zusätzlich gibt es ein sogenanntes Abblaseventil auf der Druckseite und/oder einen Sensor am Saugrohr, der wenn´s brenzlig wird, das Ausschalten der Kraftstoffpumpe veranlasst.

Variante 2: Der VTG-Turbo

Vor allem bei heutigen Dieselmotoren, aber auch bei einigen Benzinern (Porsche Turbo) eingesetzt, ist der VTG-Turbo eine sehr elegante Art der Ladedruckregulierung. „VTG“ steht für „variable Turbinengeometrie“, was letztendlich nichts anderes heißt, als das man auswählen kann, wie viel Fläche der Abgasturbine angeströmt wird.
Der Vorteil dieser Technik ist, dass schon ab niedrigen Drehzahlen relativ viel Ladedruck geliefert werden kann. Wie funktioniert nun das Ganze?
Im sogenannten „Trägerring“, also dem Bereich um die Turbine, sind die Leitschaufeln mit den Führungszapfen gelagert. Durch einen Verstellring werden alle gleichzeitig verdreht, sodass eine einheitliche Bewegung entsteht. Dies erfolgt über eine Unterdruckdose (s.o.) oder über einen Stellmotor. Wie die Schaufeln zu welchem Zeitpunkt stehen wird, im Falle des Stellmotors vom Steuergerät und im Falle der Unterdruckdose, genau wie beim Bypass, durch die enthaltenen Federn und Membranen bestimmt.
Nehmen wir an, wir fahren mit 1200U/min auf der Autobahn und treten das Gaspedal durch. Nun werden die Leitschaufeln auf einen engen Eintrittsquerschnitt geschwenkt. So wird der Abgasstrom maximal beschleunigt und die Turbinendrehzahl steigt, ebenso wie folglich der Ladedruck, schnell an. Wenn die Abgasmenge größer ist, aber die Gaspedalstellung gering, so werden die Stellschaufeln auf einen hohen Eintrittquerschnitt gestellt. Mit diesem System kann der Ladedruck über ein sehr großes Drehzahlband konstant gehalten werden. Im Notfall können die Schaufeln sogar so gestellt werden, dass gar kein Abgasstrom mehr auf die Turbine trifft. Durch diese Technik hilft diese Art der Ladedruckregulierung auch noch beim Sprit sparen. Der Turbolader baut wesentlich weniger Staudruck auf, als ein normaler Turbo, was dazu führt, dass allein für den Betrieb des Turbos wesentlich weniger Kraft aufgewendet werden muss und das Ansprechverhalten ein deutlich besseres ist, als etwa beim Bypass.

Variante 3: Der Twin-Scroll-Turbo

Die Twin-Scroll-Technologie erfreut sich immer größer werdender Beliebtheit. Vor allem BMW setzt auf diese Art der Aufladung. Die Besonderheit ist hier, dass ein einzelner Lader über zwei Einströmkanäle verfügt, die am Ende auf unterschiedliche Bereiche der Abgasturbine treffen. Bei einem Vierzylinder etwa, werden jeweils zwei Zylinder zu einem Kanal zusammen gefasst. Zylinder 1 und 4 in Kanal 1 und Zylinder 2 und 3 in Kanal 2 (z.B.).
Diese Bauweise sorgt für einen „geglätteten“ Abgasstrom, der das Turbinenrad deutlich intensiver und verlustfreier beschleunigen kann, als bei einem normalen Turbolader. Warum ist das so? Ein Vierzylinder wechselt aufgrund seiner „Taktzeiten“ im Gegensatz zum Sechszylinder ständig das „Vorzeichen“ seines Abgasmassenstroms, der so immer wieder zum Erliegen kommt. Beim arbeiten mit einem Twin-Scroll-Lader kann dieser Effekt minimiert werden. Das wiederum sorgt für einen spontaneren Druckaufbau und ein verbessertes Ansprechverhalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Twin-Scroll-Turbo relativ preiswert ist und baulich klein gehalten werden kann, was Ihn für viele verschiedene Motoren prädestiniert. Im Dreizylinder des Mini F56 Cooper ist er zum Beispiel genauso zu finden, wie im 6-Zylinder des BMW M2. Die Ladedruckregulierung erfolgt hier im übrigen auch über die Druckdose, sprich den Bypass.

Variante 4: Biturbo

Wie oft habe ich das schon gesagt und wie oft habt ihr es schon gehört: Die Vor- und Nachteile von kleinen bzw. großen Turbos. Da es aber so gut passt hier noch einmal: Ein kleiner Turbo spricht schnell an und erzeugt schon einen guten Druck, sowie gutes Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen. Obenrum geht ihm leider schnell die Puste aus, da er früh an seine Strömungsgrenzen kommt. Ein großer Turbolader sorgt hingegen für einen großen Leistungszuwachs in den oberen Drehzahlbereichen, je größer diese sind, desto größer ist aber auch das Turboloch, welches man im Normalfall nun wirklich nicht haben will. VTG-Technik und Twin-Scroll-Lader können Abhilfe schaffen, sind im Endeffekt aber nur ein mehr oder weniger guter Kompromiss. Um diesem Problem wirklich Herr zu werden bedarf es der naheliegensten Lösung. Man haut einfach zwei oder sogar noch mehr Turbolader in den Motor. Einen kleinen für den unteren Drehzahlbereich und einen großen für den Wumms obenrum. Diese Art der Aufladung wird Stufen-bzw. Registeraufladung genannt. Der Druck der Turbolader wird auch durch die Druckdose, also einen Bypass reguliert. Bei Dieselfahrzeugen kommt allerdings immer häufiger VTG-Technik, auch für den Kleineren der beiden Lader zum Einsatz. Der Größere, der sogenannte Hochdruck-ATL, wurde schon seit Beginn der Biturbotechnik im Diesel als VTG verbaut. Bevor jetzt einige dazwischenrufen, ja, Porsche setzt im Turbo und Turbo S auch jeweils zwei VTG-Lader ein. Wer zu diesem Fahrzeug und seinem Motor mehr erfahren will, findet einen Bericht dazu hier.

Variante 5: Triturbo

Ich hatte gerade eben beim Biturbo erwähnt. Es gibt auch Motoren mit noch mehr als zwei Ladern. Die vier Turbolader eines Bugatti Veyron oder Chiron lasse ich dennoch im weiteren Verlauf des Artikels aufgrund des Kaufpreises und des Exotenstatus unberücksichtigt, insbesondere, da dieses System auch nicht anders funktioniert, als eine doppelte Biturbo-Aufladung.
Widmen wir uns lieber dem Triturbo und BMW, die dieses Konzept als erster Hersteller im M550d eingeführt haben.
Zwei der drei Turbolader, die dem M550d Kraft in allen Lebenslagen bescheren, sind Hochdrucklader für die Drehzahlbereiche, in denen ein Diesel im Normalfall nicht so viel Kraft hat: die Oberen. Diese arbeiten mit VTG-Technik in Form von elektrischer Leitschaufelverstellung. Der Niederdrucklader wird über ein Wastegate geregelt. Ich könnte jetzt zu diesem Punkt noch länger über die Funktionsweise dieses speziellen Motors reden, hebe mir das aber lieber für einen noch erscheinenden Teil in der Reihe der Aufladungskonzepte auf.

Aufladung ist doch etwas herrliches oder? Während Hubraumgiganten, denen ich ihre Faszination in keinster Weise absprechen möchte, insbesondere deswegen, weil mich der SL500 R129 meines Vaters auch hin und wieder zum schmunzeln bringt, in jeder Lebenslage ihren Spritdurst haben, mal mehr mal weniger, erlauben es uns Turbolader mit gleicher Leistung und Drehmoment auch sparsam fahren zu können. Sicher, wenn man Gas gibt, gilt wie immer der Grundsatz „Turbo läuft, Turbo säuft“, aber eben nur dort. Warum ich mich jetzt in einem Autoblog, der vor Allem für die Leute geschrieben wird, die Spaß an der Faszination Auto haben und diese Faszination auch teilen anfange über Spritverbrauch zu reden? Man darf ihn nicht außen vor lassen. Er spielt eine immer wichtigere Rolle heutzutage und seien wir ehrlich: Das, was wir an Sprit sparen, können wir in unseren blechernen Liebling stecken.

Abschließend möchte ich noch einmal auf etwas Wichtiges aufmerksam machen. Dieser Artikel ist vor Allem dem Turbolader gewidmet. Damit euer Turbolader möglichst lange hält, gibt es einige Grundregeln zu beachten. Das A und O ist das warm fahren. Das Öl muss erst die von ihm geforderte Viskosität erreichen, um Motor und vor allem Turbolader ausreichend schmieren zu können. Ist der Motor warm, könnt ihr ihn prügeln bis er jodelt. Denkt aber daran, dass der Turbo danach unfassbar heiß ist und sich je nach Fahrzeug mit mehr als 300.000 U/min drehen kann. Gönnt ihm noch ein wenig Zeit zum abkühlen, bevor ihr den Motor abstellt. Bestandteile der extrem heißen Abgase können sich sonst in Form von messerscharfen Kristallen nach dem Abkühlen auf die Läuferachse (Verbindung zwischen Turbinen- und Verdichterrad) setzen und beim nächsten Mal, wenn ihr den Motor startet, tiefe Furchen hinein kratzen. Eine Spätfolge ist ein Spiel der Welle, oder eine Abscherung und ein daraus folgender Turboladerschaden. Und das wollen wir doch nicht, wenn er so brav für Dampf im Kessel sorgt, oder?
Wer doch Probleme mit seinem Turbo hat, beunruhigende Geräusche feststellt oder dergleichen, dem kann ich nur diesen Schnellcheck ans Herz legen: Ist der Turbolader wirklich kaputt?

Ach übrigens: Wer sich bis jetzt fragt, wie ein Überdruck beim Kompressor abgebaut wird, der hat aufgepasst. Dies erfolgt nämlich auch über einen Bypass.

Anmerkung: Die meisten der hier gezeigten Bilder sind nicht von mir. Die entsprechenden Quellen sind hinterlegt.