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.
Bauarten und Funktion
The turbocharger turbine, which consists of a turbine wheel and a turbine housing,
converts the engine exhaust gas into mechanical energy to drive the compressor.
The gas, which is restricted by the turbine's flow cross-sectional area, results
in a pressure and temperature drop between the inlet and outlet. This pressure drop
is converted by the turbine into kinetic energy to drive the turbine wheel.
Man unterscheidet zwischen Axialturbinen und Radialturbinen. Bei Axialturbinen wird
das Rad ausschließlich axial durchströmt. Bei Radialturbinen erfolgt
die Anströmung zentripetal, d.h. in radialer Richtung von außen nach
innen, und das Ausströmen in axialer Richtung.
Bis zu einem Raddurchmesser von ca. 160 mm werden ausschließlich Radialturbinen
verwendet. Dieses Maß entspricht in etwa einer Motorleistung von 1000 kW je
Turbolader. Ab einer Größe von 300 mm werden ausschließlich Axialturbinen
eingesetzt. Zwischen diesen beiden Werten finden beide Varianten Verwendung.
In Pkw- sowie in Nutzfahrzeug- und Industriemotoren sind daher fast ausschließlich
Radialturbinen zu finden. Bei den hier vorliegenden größeren Stückzahlen
ist die Radialturbine auch kostengünstiger herzustellen als die Axialturbine.
Im Folgenden wird wegen ihrer weiten Verbreitung nur noch auf die Funktionsweise
der Radialturbine eingegangen.
Eine solche Radial- oder auch Zentripetalturbine wandelt den Druck des Abgases innerhalb
des Spiralgehäuses in kinetische Energie um und führt das Abgas –
über dem Radumfang mit konstanter Geschwindigkeit – dem Turbinenrad zu.
Die Umsetzung des Drucks in kinetische Energie erfolgt bei Gasturbinen in einem
beschaufelten Leitring. Bei Abgasturboladern ist es dagegen gelungen, diese Umsetzung
in leitringlosen Turbinengehäusen zu realisieren. Dadurch verbessert sich das
Durchflussverhalten der Turbine, zugleich verringert sich der Wirkungsgrad geringfügig.
Die Umsetzung von kinetischer Energie in Rotationsenergie der Welle erfolgt im Turbinenrad.
Das Rad ist so ausgelegt, dass am Radaustritt nahezu die gesamte kinetische Energie
umgesetzt ist.
Betriebsverhalten
Die Turbinenleistung steigt mit zunehmendem Druckgefälle zwischen Eintritt
und Austritt an, d.h., die Turbinenleistung nimmt zu, wenn sich durch eine höhere
Motordrehzahl mehr Abgas vor der Turbine aufstaut. Aber auch mit zunehmender Abgastemperatur
steigt die Turbinenleistung wegen des höheren Energiegehaltes des Abgases an.
Das Aufstauverhalten der Turbine wird vom freien Strömungsquerschnitt am Übergang
vom Eintrittskanal in die Spirale, dem Halsquerschnitt, bestimmt. Verkleinert man
den Halsquerschnitt, so staut die Turbine mehr Abgas auf und die Turbinenleistung
nimmt infolge des höheren Druckverhältnisses zu. Durch einen kleineren
Strömungsquerschnitt kann also mehr Ladedruck erzeugt werden. Der Strömungsquerschnitt
lässt sich durch Wechseln des Turbinengehäuses einfach ändern.
Neben dem Strömungsquerschnitt des Turbinengehäuses hat auch der Durchgangsquerschnitt
am Radeintritt Einfluss auf das Durchflussverhalten der Turbine. Durch Bearbeiten
der Radkontur kann dieser Querschnitt, und damit der Ladedruck, beeinflusst werden.
Mit der Vergrößerung der Kontur nimmt der Strömungsquerschnitt der
Turbine zu. Turboladerhersteller bieten innerhalb einer Baureihe auch Turbinenräder
gleichen Durchmessers mit verschiedenen Konturen an, die jeweils auf der Basis eines
Turbinenradrohlings hergestellt wurden.
Turbinen mit variabler Turbinengeometrie verändern den Strömungsquerschnitt
zwischen dem Spiralkanal und dem Radeintritt. Drehbar gelagerte Leitschaufeln bzw.
eine verschiebbare Hülse, die einen Teil des Querschnittes verdeckt, verändern
den Durchgangsquerschnitt zum Turbinenrad.
Das Betriebsverhalten von Turbinen für Abgasturbolader wird in der Praxis durch
Turbinenkennfelder beschrieben. In diesen Kennfeldern ist der Durchflussparameter
über dem Turbinendruckverhältnis dargestellt. Um das Durchflussverhalten
allgemeingültig, d.h. unabhängig von Eintrittsdruck und Eintrittstemperatur,
darstellen zu können, wird ein aus der Ähnlichkeitstheorie abgeleiteter
Durchflussparameter definiert, der diese beiden Größen berücksichtigt.
Im Turbinenkennfeld sind die Durchsatzlinien und der Turbinenwirkungsgrad für
verschiedene Drehzahlen dargestellt. Zur Vereinfachung können sowohl der Verlauf
des Durchflusses als auch der Wirkungsgrad durch einen mittleren Verlauf angenähert
werden.
Für einen hohen Gesamtwirkungsgrad des Turboladers ist die Abstimmung von Verdichterrad-
und Turbinenraddurchmesser von hoher Bedeutung. Durch die Vorgabe eines Betriebspunktes
im Verdichterkennfeld ergibt sich auch eine bestimmte Laderdrehzahl. Der Turbinenraddurchmesser
ist nun so abzustimmen, dass die Turbine in diesem Betriebsbereich mit höchsten
Wirkungsgraden arbeitet.
Zwillingsstromturbinen
Die Turbine wird in den seltensten Fällen mit einem konstanten Abgasdruck beaufschlagt.
Bei stoßaufgeladenen Nutzfahrzeugmotoren werden die Abgaspulsationen durch
die Verwendung von Zwillingsstromturbinen nahezu ideal genutzt. Durch die Pulsationen
wird kurzfristig ein höheres Druckverhältnis der Turbine erreicht. Da
bei zunehmenden Druckverhältnissen der Wirkungsgrad ansteigt, verbessert sich
innerhalb des wichtigen Zeitbereiches, in dem ein hoher Massenstrom durch die Turbine
fließt, auch der Wirkungsgrad. Durch diese bessere Ausnutzung der Abgasenergie
kann der Ladedruckverlauf und damit das Drehmomentverhalten eines Motors, insbesondere
bei niedrigen Motordrehzahlen, verbessert werden.
Turbolader mit Zwillingsstromturbine
Damit sich die einzelnen Zylinder beim Ladungswechsel nicht gegenseitig beeinflussen,
werden z.B. bei einem Sechszylindermotor je drei Zylinder durch eine Abgassammelleitung
zusammengefasst. Durch Zwillingsstromturbinen werden die Abgasströme auch innerhalb
der Turbine getrennt geführt.
Wassergekühlte Turbinengehäuse
Turbolader mit wassergekühltem Turbinengehäuse für Marineanwendungen
Auch sicherheitstechnische Aspekte beeinflussen die Konstruktion von Turboladern.
So sind heiße Oberflächen im Maschinenraum von Schiffen wegen Brandgefahr
zu vermeiden. Aus diesem Grund besitzen Turbolader für Marineanwendungen ein
wassergekühltes oder ein mit einem Isolationsmaterial ummanteltes Turbinengehäuse.