Aufladung eines Verbrennungsmotors – Grundlagen

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Die Aufladung stellt eine Möglichkeit dar, die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Den Zylindern wird dabei pro Arbeitsspiel mehr Luftmasse zugeführt als ihnen durch Luftfüllung unter Umgebungsrandbedingungen zur Verfügung stehen würde. Diese erhöhte Füllung bei stöchiometrischer oder fetter Verbrennung führt zu einer Steigerung der effektiven Mitteldrücke. Generell kann diese Aufladung über drei Arten realisiert werden:

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1. Die Ausnutzung der Gasdynamik im Saugrohr

2. Mechanische Aufladung über einen mit der Kurbelwelle in Verbindung

      stehenden Kompressor

  3. Einen über Abgasenergie angetriebenen Turbolader

      Im Rahmen der Aufladung wird unabhängig vom genutzten Aufladekonzept die

      Dichte im Einlasskanal gegenüber der Umgebungsluft angehoben. Der sich

      ergebenden nachteiligen Erwärmung der Ansaugluft kann bei mechanischer und

      Turboaufladung durch einen Ladeluftkühler entgegengewirkt werden.

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Bei einem Turbomotor wird die Abgasenergie genutzt um eine Turbine anzutreiben. Diese Turbine nutzt die Enthalpie des Abgases und wandelt diese unter Druck- und Temperaturabsenkung in mechanische Energie. Diese wird über eine Welle an einen Verdichter übertragen. Ihm steht die mechanische Energie abzüglich der Reibung innerhalb des Laufzeugs des Turboladers zur Verfügung. Der Verdichter saugt die

Ansaugluft an und führt sie dem Verbrennungsmotor komprimiert zu.

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Es gibt eine Vielzahl von Turbinen und Verdichtern. Dies ist vor dem Hintergrund verschiedener Anforderungen an das Betriebsverhalten notwendig. Bei der Auslegung des Turboladers wird typischerweise erst der zum Motor passende

Verdichter und im Anschluss die Turbine gewählt. Ersterer wird dabei so ausgelegt, dass in allen Betriebspunkten abhängig vom Hubraum des Motors und dem berechneten Liefergrad ausreichend Abstand zu Pump- und Stopfgrenze besteht. Ferner sollte darauf geachtet werden, dass der Wirkungsgrad in dem am häufigsten genutzten Arbeitsbereich am größten ist. Die Auslegung der Turbine muss sicherstellen, dass bei komplett geschlossenem Wastegate ab dem Drehmomentpunkt genug Leistung über die Turboladerwelle an den Verdichter abgegeben werden kann, um einen ausreichend hohen Aufladegrad sicherzustellen. Im Nennleistungspunkt muss der Abgasgegendruck auf 3,0 bar bis 3,5 bar

Absolutdruck begrenzt werden. Dabei kann auch die Größe des Wastegates selbst verändert werden, um diese Grenzen einzuhalten.

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Ein guter Wirkungsgrad am Verdichter bedeutet immer, dass sich die Luft weniger stark erwärmt und der Abgasgegendruck p3 sinkt. Hierdurch kann auch bei grenzwertiger Ladeluftkühler-Auslegung ein großer Vorteil im Motorprozess erreicht werden.

Ein guter Wirkungsgrad an der Turbine wirkt sich dagegen ausschließlich auf den Abgasgegendruck p3 bei gleichem Lastpunkt am Motor aus. Egal ob durch den Verdichter oder die Turbine bedingt, ein geringeres p3 führt zu einem Absinken der Ladungswechselarbeit. Daneben führt ein geringes p3 zu einem geringen Restgasanteil. Hierdurch steigt der Liefergrad des Motors, welcher ebenfalls die Leistung beeinflusst.

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Anwendung der Theorie in der Praxis

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Aufladung von Verbrennungsmotoren mittels Abgasturbolader hat es bereits vor über 100 Jahren gegeben. Heutzutage sind nahezu alle PKW und LKW Motoren mit Abgasturboladern ausgestattet. Der Turbolader ist sowohl bei Benzin als auch Dieselmotoren Stand der Technik um eine maximale Motorleistung bei gleichzeitiger Reduzierung von Verbrauch und Emissionen sicherzustellen.

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Wer nach einer Optimierung seiner Motorcharakteristik sucht, hat eine spezifische Anforderung an seinen Turbolader. Die Produkte, die diese Anforderungen explizit erfüllen, sind am Markt allerdings nur bedingt verfügbar. Zwar gibt es für nahezu jede gewünschte Leistung eine Turboladervariante, aber, ob der Wirkungsgrad von Turbine und Verdichter so gut wie möglich ist, wird meist nur im Rahmen der Spaltoptimierung betrachtet. Die Auswahl der verwendeten Räder ist häufig eingeschränkt.

 

Wir greifen für unsere Produktkonfigurationen auf ein umfangreiches Spektrum an Einzelkomponenten zurück, die wir nach Ihren Bedürfnissen konfigurieren. So erstellen wir ein individuelles System, mit dem Ihr Fahrzeug unter Berücksichtigung aller übrigen Bedingungen (Hubraum, Abgasanlage, Benzinpumpe, LLK, Zündung usw.) - je nach Wunsch - die maximale Leistung oder auch maximale Effizienz erreicht.