Das grundlegende Funktionsprinzip eines Turboladers
Ein Turbolader ist eine mechanische Vorrichtung, die die aus dem Auspuff eines Verbrennungsmotors austretende Gasenergie — die andernfalls vollständig ungenutzt bliebe — nutzt, um die in den Motor einströmende Luft zu verdichten und ihm mehr Sauerstoff zuzuführen. Die Leistung eines Motors hängt maßgeblich davon ab, wie viel Luft und Kraftstoff im Zylinder verbrannt werden können; ein Turbolader steigert diese Luftmenge, ohne den physischen Hubraum des Motors zu vergrößern, und ermöglicht so aus einem gleich großen Motor deutlich mehr Leistung. Deshalb können turbogeladene Motoren gegenüber gleich starken Saugmotoren oft einen kleineren Hubraum haben — ein Ansatz, den die Automobilindustrie als "Downsizing" bezeichnet.
Turbine und Verdichter: Ein Zwei-Rad-System
Das Funktionsprinzip des Turboladers beruht auf zwei Rädern, die auf einer gemeinsamen Welle rotieren. Das Turbinenrad auf der Abgasseite wird durch den Strom des heißen, unter Druck stehenden Abgases in Drehung versetzt; diese Drehbewegung wird über die gemeinsame Welle auf das Verdichterrad auf der Ansaugseite übertragen. Das Verdichterrad saugt Luft von außen an, verdichtet sie und leitet sie in den Ansaugkrümmer des Motors. Diese verdichtete Luft ist dichter als normale Luft bei atmosphärischem Druck — das heißt, sie enthält bei gleichem Volumen mehr Sauerstoffmoleküle. Da dadurch zusätzlicher Kraftstoff sicher verbrannt werden kann, steigt die Leistung. Der Ladedruck ("Boost-Druck") wird in der Regel durch ein Ventil, das Wastegate, auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt; da eine Überschreitung dieses Werts den Motor beschädigen könnte, ist das System so ausgelegt, dass überschüssiges Abgas an der Turbine vorbeigeleitet und ins Freie abgelassen wird.
Was ist ein Turboloch?
Eines der bekanntesten Merkmale turbogeladener Motoren ist die kurze Reaktionsverzögerung, das sogenannte "Turboloch". Tritt der Fahrer aufs Gaspedal, dauert es eine gewisse Zeit, bis das Turbinenrad ausreichend Drehzahl erreicht und einen spürbaren Ladedruck aufbaut; in dieser Zeit reagiert der Motor noch nicht mit seinem vollen Potenzial. Die Ursache liegt vor allem in der Trägheit von Turbinen- und Verdichterrad sowie darin, dass bei niedriger Drehzahl noch nicht genügend Abgas vorhanden ist, um die Turbine schnell genug anzutreiben. Besonders spürbar ist die Verzögerung, wenn aus niedrigen Drehzahlen heraus eine plötzliche Beschleunigung verlangt wird.
Vergleich mit Saugmotoren
Saugmotoren (ohne Turbolader) ziehen die Luft ausschließlich durch den beim Abwärtshub des Kolbens entstehenden Unterdruck an, ohne jede Zwangsaufladung. Ihr größter Vorteil ist eine nahezu unmittelbare, gut vorhersehbare Reaktion in dem Moment, in dem das Gaspedal betätigt wird; ein Turboloch gibt es nicht, und durch die geringere Anzahl mechanischer Bauteile ist die Wartung tendenziell einfacher. Um dasselbe Leistungsniveau zu erreichen, ist jedoch meist ein größerer Hubraum nötig, was Kraftstoffverbrauch und Motorgewicht erhöhen kann. Turbogeladene Motoren können dagegen aus kleinerem Hubraum hohe Leistung erzeugen und so einen Vorteil beim Kraftstoffverbrauch bieten, doch die zusätzliche Systemkomplexität kann den Wartungsaufwand erhöhen, und die Leistung kann je nach Fahrstil (aggressive Beschleunigung, Bergfahrten, Lastentransport usw.) stärker schwanken. Auch in großer Höhe zeigt sich der Unterschied deutlich: Saugmotoren verlieren in dünner Luft an Leistung, während turbogeladene Motoren diesen Verlust teilweise ausgleichen können. Auch bei Reparaturaufwand und Langzeithaltbarkeit werden beide Ansätze unterschiedlich bewertet: Bei Saugmotoren gibt es weniger Bauteile, die ausfallen können, weshalb die Wartungskosten meist besser planbar sind, während bei turbogeladenen Systemen zusätzliche Faktoren wie Turbinenlager, Überhitzung und Ölqualität eine Rolle spielen — weshalb Hersteller bei turbogeladenen Motoren in der Regel häufigere Ölwechsel und hochwertigeres Öl empfehlen.
Turbolader mit variabler Geometrie
Eine Einschränkung klassischer Turbolader mit fester Geometrie besteht darin, dass sie aufgrund des feststehenden Winkels ihrer Turbinenschaufeln nur in einem bestimmten Drehzahlbereich am effizientesten arbeiten. Bei der Technologie des Turboladers mit variabler Geometrie (VGT/VNT) lässt sich der Winkel der Leitschaufeln rund um die Turbine elektronisch an den jeweiligen Betriebszustand des Motors anpassen. Bei niedriger Drehzahl verengen sich die Leitschaufeln, erhöhen die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und bringen die Turbine schneller auf Touren; bei hoher Drehzahl öffnen sie sich und lassen das Gas freier strömen. So kann ein einziger Turbolader sowohl bei niedriger als auch bei hoher Drehzahl eine ausgewogenere Leistung liefern; die Technologie wird besonders häufig bei Dieselmotoren eingesetzt, da die Abgastemperaturen von Dieselmotoren für das Turbinenmaterial günstiger sind als die von Benzinmotoren.
Historische Entwicklung
Die konzeptionelle Grundlage des Turboladers geht auf ein Patent des Schweizer Ingenieurs Alfred Büchi aus dem Jahr 1905 zurück, der vorschlug, die Energie des Abgases zum Antrieb einer Luftzufuhrvorrichtung zu nutzen. Ihre erste praktische und weit verbreitete Anwendung fand die Technologie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der Luftfahrt; während des Zweiten Weltkriegs nutzten in großer Höhe operierende Kampfflugzeuge wie die P-38 und die B-17 turbogeladene Motoren, um den Leistungsverlust in dünner Höhenluft auszugleichen. Diese Erfahrung ebnete den Weg dafür, dass Ingenieure die Technologie nach dem Krieg auf Automobile übertrugen; ab den 1950er- und 1960er-Jahren hielt der Turbolader schrittweise Einzug in die Automobilindustrie.
Aktuelle Technologien und Methoden zur Verringerung des Turbolochs
Die Verringerung des Turbolochs ist eines der zentralen Anliegen der modernen Motorentechnik. Keramiklager, die die Reibung an der Turbinenwelle verringern, lassen die Räder leichter beschleunigen. Bei Twin-Scroll-Turboladern werden die Abgase je nach Zylindergruppe über getrennte Kanäle zur Turbine geleitet, wodurch Strömungsstörungen reduziert und die Reaktionszeit verkürzt werden. Manche Hochleistungssysteme nutzen mehrere Turbolader gleichzeitig — etwa "Twin-Turbo"-Anordnungen, bei denen ein kleiner Turbolader für niedrige und ein größerer für hohe Drehzahlen zuständig ist —, um über einen weiten Drehzahlbereich hinweg gleichmäßige Leistung zu liefern. Bei den in den letzten Jahren entwickelten elektrisch unterstützten Turboladern treibt ein kleiner Elektromotor die Turbinenwelle in den Momenten an, in denen das Abgas noch nicht genügend Energie liefert, wodurch das Turboloch weitgehend beseitigt wird. Da diese elektrischen Unterstützungssysteme insbesondere in Hybridfahrzeugen auf die ohnehin vorhandene Hochvoltbatterie zurückgreifen können, fällt ihr zusätzlicher Komplexitätsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Turboladern geringer aus. Da Umweltvorschriften den Trend zu kleineren Hubräumen weiter vorantreiben, gilt die Turboladertechnologie für Fahrzeugingenieure nach wie vor als einer der praktikabelsten Wege, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken.