Turbolader: Aufbau und Funktionsweise
Seit Alfred Büchi haben sich die Grundfunktionen eines Abgasturboladers nicht
mehr wesentlich geändert. Ein Abgasturbolader besteht aus einem Verdichter
und einer Turbine, die durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind. Die
Turbine liefert, angetrieben von den Abgasen des Motors, die Antriebsenergie für
den Verdichter. Für Turbolader werden in den meisten Fällen Radialverdichter
und Zentripetalturbinen eingesetzt.
Aufbau und Funktion
Die Verdichter der meisten Turbolader sind Radialverdichter. Dieser Verdichtertyp
besteht aus drei wichtigen Bestandteilen: dem Verdichterrad, dem Diffusor und dem
Spiralgehäuse. Durch die Drehzahl des Rades wird Luft axial angesaugt und im
Rad auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Luft verlässt das Verdichterrad
in radialer Richtung. Im Diffusor wird die Geschwindigkeit der Luft weitgehend verlustfrei
verringert. Die Folge davon ist, dass Druck und Temperatur ansteigen. Der Diffusor
wird aus der Verdichterrückwand und einem Teil des Spiralgehäuses gebildet.
Im Spiralgehäuse wird die Luft gesammelt und die Geschwindigkeit bis zum Verdichteraustritt
weiterhin reduziert.
Betriebsverhalten
Das Betriebsverhalten von Verdichtern wird häufig durch Kennfelder beschrieben,
bei denen das Druckverhältnis über dem durchgesetzten Volumen- bzw. Massenstrom
dargestellt ist. Der nutzbare Kennfeldbereich von Strömungsverdichtern ist
begrenzt durch die Pumpgrenze, die Stopfgrenze und die maximal zulässige Drehzahl
des Verdichters.
Pumpgrenze
Die Pumpgrenze begrenzt den linken Kennfeldrand. Bei zu kleinen Volumenströmen
und zu hohen Druckverhältnissen löst sich die Strömung von den Verdichterschaufeln.
Der Fördervorgang wird dadurch unterbrochen. Die Luft strömt rückwärts
durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis mit positivem
Volumenstrom einstellt. Der Druck baut sich erneut auf. Der Vorgang wiederholt sich
in rascher Folge. Aus dem dabei entstehenden Geräusch leitet sich die Bezeichnung
»pumpen« ab.
Stopfgrenze
Der maximale Volumenstrom eines Radialverdichters ist in der Regel durch den Querschnitt
am Verdichtereintritt begrenzt. Erreicht die Luft im Radeintritt die Schallgeschwindigkeit,
so ist kein weiteres Anwachsen des Durchsatzes mehr möglich. Im Verdichterkennfeld
zeigt sich die Stopfgrenze an den stark abfallenden Drehzahllinien am rechten Kennfeldrand.