Bild A 27 Zustandsbezeichnungen beim aufgeladenen Motor

Abgasturboaufladung

Bei dieser Art der Aufladung wird die Abgasenergie (thermisch, kinetisch und potenziell) genutzt, um mit Hilfe einer Turbine im Allgemeinen einen Radialverdichter anzutreiben, der die Luft auf den gewünschten Ladedruck verdichtet.

Dabei unterscheidet man je nach Nutzung der Abgasenergie zwischen Stau - Aufladung und Stoß - Aufladung.

Die Vorteile der Abgasturboaufladung sind:

• bekannte erprobte Technik,
• flexible Anordnung am Motor bzw. im Motorraum,
• kompakte Bauweise,
• Dämpfung des Auspuff- und Ansauggeräuschs
• beim Dieselmotor niedriger Verbrauch und geringere Schadstoffemissionen
• relativ niedrige Kosten.

Die Nachteile der Abgasturboaufladung sind:

• relative Drehmomentschwäche im untersten Drehzahlbereich vor allem bei Dieselmotoren
• verzögertes Ansprechverhalten im unteren Drehzahlbereich vor allem bei Ottomotoren
• bei heute üblicher Auslegung von Ottomotoren zur Leistungssteigerung höherer Kraftstoffverbrauch.

Die Nachteile lassen sich beim Ottomotor mildern durch den Einsatz möglichst \'\'kleiner\'\' Ladergruppen. In diesem Fall liefert der Verdichter schon bei niedrigen Motordrehzahlen und damit geringem Massendurchsatz durch die Turbine hohe Ladedrücke. Das ergibt besseres Ansprechverhalten und höheres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich bei Verzicht auf Nennleistung. Außerdem wird der Kraftstoffverbrauch verringert. Ottomotoren mit Direkteinspritzung haben Verbrauchsvorteile, da wegen der Innenkühlung durch die Gemischbildung im Brennraum ein höheres Verdichtungsverhältnis gewählt werden kann.

Verdichter und Turbine sitzen auf einer Welle; der Verdichter wird über die Turbine angetrieben, die ihre Energie aus dem Abgas erhält (in erster Linie potenzielle Energie). Es kommen fast ausschließlich Radialturbinen zur Anwendung.

Wichtig ist u.a. der Zustand vor der Turbine T₃, p₃. Die Temperatur T₃ sollte z. B. bei Ottomotoren 950^oC nicht wesentlich überschreiten. Man spricht von einem positiven Spülgefälle, wenn p₃ < p_s ist, wobei p_s den Saugrohrdruck darstellt und von einem negativen Spülgefälle wenn p₃ > p_s ist. Negatives Spülgefälle ist zu vermeiden, da hohe Restgasanteile die Folge sind. Damit ergibt sich eine verminderte Frischladung, was leistungsmindernd wirkt. Der Abgasdruck p₃ bzw. p_Abg hat gravierenden Einfluss auf Leistung, Drehmoment und Kraftstoffverbrauch des Motors.

Bild A 27 zeigt schematisch die Bezeichnungen der Zustände von Luft und Abgas bei der Abgasturboaufladung.

Bei hochbelasteten Aggregaten ist das Lagergehäuse des Abgasturboladers bei Ottomotoren flüssigkeitsgekühlt (angeschlossen an den Kühlkreislauf des Motors), um der Ölverkokung im Turbolader vorzubeugen. Die Drehzahl der Läufereinheit der Ladegruppe ist extrem hoch. Je nach Betriebsbedingung (z. B. Betrieb in großen Höhen) können Drehzahlen über 150.000 min^-1 erreicht werden. Aus diesem Grund muss das Turbinengehäuse eine hohe Festigkeit aufweisen (warmfest und zunderbeständig). In der Regel kommen Niresist-Werkstoffe (hoher Nickelanteil) zur Anwendung, um beim Bersten des Turbinenrades ausreichende Sicherheit zu gewährleisten. Neuerdings werden aus Gewichtsgründen Turbinengehäuse auch aus hochwarmfesten Blechen entwickelt. Außerdem ist dabei die Wärmekapazität geringer, was das Abgasnachbehandlungssystem schneller anspringen lässt.

Bei der Abgasturboaufladung für Pkw und Lkw kommen Radialverdichter zum Einsatz. Mit sinkender Drehzahl fällt der Ladedruck stärker ab als bei einem Verdrängerlader. Deshalb ist der Ladedruckaufbau bei einem abgasturboaufgeladenen Motor verzögerter als bei einem mechanisch aufgeladenen Motor.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Auslegung. Bei Pkw-Motoren ist die Frage des Ansprechverhaltens ein Hauptkriterium. Das bedeutet, dass bei niedrigen Motordrehzahlen und niedrigem Abgasmassenstrom ein möglichst hoher Ladedruck vorhanden sein soll. Dazu ist es notwendig, einen kleinen Turbinenquerschnitt zu wählen, d.h. einen \'\'kleinen\'\' Lader einzusetzen. Will man in erster Linie hohe Leistung, ist die Auslegung auf einen "großen" Turbinenquerschnitt (mit großem Massendurchsatz) sinnvoll, mit der Folge schlechten Ansprechverhaltens bei niedriger Drehzahl.

Eine weitere Möglichkeit, das Betriebsverhalten anzupassen, besteht in der Wahl variabler Turbinengeometrie (VTG), die über eine Verstellung des Leitapparates die Anströmung der Turbine beeinflussen. Das ist auf Grund der hohen Abgastemperaturen beim Ottomotor bisher nur bei Dieselmotoren technologisch sinnvoll. Neuerdings werden solche Systeme auch für Ottomotoren entwickelt. Mit der Verwendung von Turbinenlaufrädern aus Keramik kann das Ansprechverhalten weiter verbessert werden.

Zukunftsentwicklungen sind:

• Reduzierung des Trägheitsmomentes mit Hilfe von Keramiklaufrädern
• Reduzierung des Gewichtes und der Baugröße
• Verbesserung der Lagerung der Turbinen bzw. Verdichterwelle (Rollen-, Luft-, Magnetlagerung und damit Entfall der Ölversorgung über den Motorkreislauf).