Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Motoraufladung

Motoraufladung

Unter dem Begriff Motoraufladung werden bei Verbrennungsmotoren alle Zusatzaggregate zusammengefasst, die beim aufgeladenen Motor eine Leistungssteigerung gegenüber einem Saugmotor mit gleichem Hubraum darstellen. Der Effekt beruht auf dem Zufuehren zusaetzlicher Luft, seltener auch von zusaetzlichen Gasgemischen. Diese "Zwangsbefuellung" verbessert den Fuellungsgrad und erhöht somit die Leistung. Allerdings werden durch die Aufladung auch die thermischen und mechanischen Belastungen des Motors erhöht. Deshalb sind der Leistungssteigerung durch diese Verfahren materialtechnische und konstruktive Grenzen gesetzt. Ein moderner aufgeladener Motor hat einen geringeren spezifischer Verbrauch als ein vergleichbarer Saugmotor, mit gleicher Leistung bei groesserem Hubraum.

Typische Anwendungen von Ladern sind

• Schiffsdieselmotoren
• PKW-Dieselmotoren
• PKW-Ottomotoren in Sportwagen
• Motorsport
• LKW-Dieselmotoren
• Motoren in stationaeren Anlagen und Spezialfahrzeugen, bei denen eine hohe Leistungsreserve    erforderlich ist.

Da bei der Motoraufladung Gase verdichtet werden, kann man die Lader danach unterscheiden, wie sie die angesaugte Luft von der Niederdruckseite auf die Hochdruckseite bringen:

Lader ohne innere Verdichtung: Die Luft wird angesaugt und ohne innere Verdichtung auf die Seite mit hoeherem Druck transportiert. Zu diesem Vertreter gehört z.B. der Turbolader und das Roots-Geblaese.

Lader mit innerer Verdichtung: Hier verengen sich die Kammern wärend das angesaugte Gas von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite befoerdert wird. Zu diesem Typ gehoeren z.B. Fluegelzellen-Lader, G-Lader und der Ro Lader von Wankel.

Hauptvorteil der inneren Verdichtung ist ein geringeres Geraeusch. Die Verdichtungswaerme wird dabei im Lader selbst erzeugt, weshalb dieser besser gekuehlt werden muss.

Lader werden nach ihren Wirkprinzipien unterschieden. Die am haeufigsten verwendeten sind Abgasturbolader, mechanische Lader und Druckwellenlader. Im weiteren Sinne gehört dazu auch die so genannte Selbstaufladung, bei der durch besonders gestaltete Ansaug- und Abgasrohre die Gasschwingungen bei bestimmten Drehzahlen durch Resonanz verstaerkt werden, wodurch der Gaswechsel im Zylinder verbessert wird. Das Resonanzprinzip wird meist als kombinierte Lösung mit anderen Laderarten verwendet, wodurch deren Wirkung optimiert wird.

Diese am haeufigsten anzutreffende Laderart ist eine Gasturbine, die einen Verdichter direkt antreibt. Turbinen- und Verdichterrad sind über eine Welle fest miteinander verbunden und bilden zusammen das Laufzeug. Das Turbinengehaeuse liegt direkt im Abgasstrom, möglichst nahe am Abgasauslass des Motors. Im davon getrennten Verdichtergehaeuse komprimiert und beschleunigt das Verdichterrad die Ladeluft im Ansaugtrakt. Das meist kurz Turbolader genannte Aggregat hat den grossen Vorteil, dass es einen Teil der sonst ungenutzten Restenergie im Abgas zum Antrieb verwendet und damit den Gesamtwirkungsgrad verbessert. Zudem wird die Schadstoffemission durch die fruehe Abkuehlung der Auspuffgase verringert.

Turbolader waren bereits seit dem fruehen 20. Jahrhundert im Einsatz, allerdings bis Anfang der Neunziger Jahre fast ausschliesslich bei Dieselmotoren und dort auch nur bei relativ hubraumgrossen Motoren. Die Gruende dafuer liegen in den extremen Anforderungen an Material und Praezision, um eine wirtschaftlich sinnvolle Lebensdauer zu erreichen: Die Turbine in modernen Motoren ist im Betrieb einem über 1000 °C heissen Abgasstrom ausgesetzt und wird oft auf weit über 100.000 Umdrehungen je Minute beschleunigt. Dabei soll möglichst wenig Wärme auf den Verdichter übertragen werden. Um bei diesen Drehzahlen die Traegheits- und Fliehkraefte gering zu halten, müssen die Materialen des Laufzeugs sehr leicht, gleichzeitig über einen schnell wechselnden Temperaturbereich von ca 1000 °C formbestaendig und hochfest sowie die Lagerung fast spielfrei, aber auch leichtgaengig sein. Diese Anforderungen konnten erst mit der Entwicklung moderner Werkstoffe und Technologien im spaeten 20. Jahrhundert weitgehend erfüllt werden. Die frueheren Turbolader waren aufwaendig gefertigte, relativ grosse und schwere Aggregate. Um sie einigermassen wirksam einzusetzen, war ein grosses Abgasvolumen notwendig, das nicht allzu heiss war. Das war nur bei grossen Dieselmotoren gegeben. Seit den Neunzigern hielt der "Turbo" auch Einzug bei immer mehr PKW-Ottomotoren. Ein klassischer Nachteil, das so genannte Turboloch, ist physikalisch bedingt. Die zusaetzliche Leistung steht beim Tritt aufs Gaspedal erst nach einigen Sekundenbruchteilen zur Verfuegung. Die Turbine muss zuerst beschleunigt werden und auch die beschleunigte Ladeluft besitzt eine gewisse Traegheit. Teilweise kompensiert wird dieser Effekt bei modernen Maschinen durch elektronisch gesteuerte Anpassung des Ladedrucks, durch variable Anstellung der Schaufeln (Variable Turbinengeometrie VTG), wodurch der Auftreffwinkel des Gasstroms bei allen Drehzahlen optimiert wird und andere Massnahmen. Bei neueren Turbo-aufgeladenen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung ist ein Turboloch im normalen Betrieb praktisch nicht mehr spuerbar.

Für diese Gruppe ist auch der irrefuehrende Begriff "Kompressor" gebraeuchlich, der in der Technik gewoehnlich für stationaere und mobile Drucklufterzeuger benutzt wird. Die Klassifizierung "mechanisch" bezieht sich dabei auf die Antriebsart direkt vom Motor über Ketten-, Riemen- oder Zahnradgetriebe, gegebenenfalls mit zwischengeschalteter Kupplung. Mechanische Lader können aber auch von einem gesonderten Elektromotor angetrieben werden.

Diese nach dem Erfinder des Konstruktionsprinzips als Roots-Geblaese benannten Lader haben zwei gegenlaeufige Rotoren, deren 2 oder 3 keulenfoermige "Fluegel" wechselweise ineinandergreifen. Dabei wird die Luft aehnlich wie bei einer Zahnradpumpe auf der einen Seite angesaugt, von den "Fluegeln" an der inneren Wandung des ovalen Gehaeuses entlanggeschoben und auf der Gegenseite herausgedrueckt. Die Wellen der beiden Drehkolben sind ausserhalb des Gehaeuses über Zahnraeder verbunden. Die Kolben laufen zueinander und zum Gehaeuse vollkommen beruehrungsfrei. Rootslader arbeiten ohne innere Verdichtung. Deshalb kann auf aufwaendige Abdichtung weitgehend verzichtet werden. Auf Grund ihrer Wirkungsweise arbeiten sie erst ab einer groesseren Luftmenge effektiv und sind daher relativ gross und schwer. Meist werden sie bei mittleren und grossen Dieselmotoren eingesetzt. Ihr grosser Vorteil gegenüber dem Turbolader ist, dass sie sofort wirken und dass kein Turboloch entsteht. Ausserdem sind sie wegen der niedrigeren Drehzahl, der geringeren thermischen und Druckbelastung und wegen des beruehrungsfreien Laufs wesentlich langlebiger und wirtschaftlicher in der Herstellung.

Roots-Lader wurden früher häufig bei Mercedes- Rennwagen und schweren Lkw (MAN) eingebaut heute bei den Mercedes-Benz Kompressor-Modellen. Eine Weiterentwicklung stellt der Rotationskolbenlader dar - mit einem Fluegel und drei Innenlaeufern.Fluegelzellenlader

Sie arbeiten nach dem Prinzip der gleichnamigen Fluessigkeitspumpen bzw. umgekehrt wie die sogenannten Luftmotoren in vielen Druckluftwerkzeugen. In einem Gehaeuse mit kreisfoermigem Querschnitt läuft ein exzentrisch dazu gelagerter Rotor, in dem radial mehrere Fluegel aus Kunststoff oder Hartgewebe angeordnet sind. Die Fluegel werden in Nuten des Rotors gefuehrt und sind in radialer Richtung verschiebbar. Im Betriebszustand werden sie durch die Fliehkraft, seltener durch Federkraft, mit ihren Aussenkanten an die innere Gehaeusewandung gedrueckt und gleiten auf deren Oberflaeche. Dadurch bilden sich zwischen benachbarten Fluegeln abgeschlossene Raeume, auch Zellen genannt, in denen die Luft befoerdert wird. Das Gehaeuse besitzt je eine Eintritts- und eine Austrittsoeffnung. Durch die exzentrische Lagerung werden die Zellen wärend der Rotation auf der Saugseite zunaechst vergroessert, wodurch ein leichter Unterdruck entsteht. In Richtung der Druckseite verkleinern sie sich kontinuierlich wieder bis zur Austrittsoeffnung. Dadurch wird die Luft vorkrompimiert und beschleunigt in den Ansaugtrakt des Motors geleitet. Durch einfach realisierbare Verstelleinrichtungen kann die Exzentrizitaet veraendert und die Aufladung problemlos angepasst werden. Fluegelzellenlader haben eine kleinere Leistung als Turbo- und Rootslader. Die moegliche Drehzahl ist höher als beim Rootslader, aber durch die Fliehkraefte und Reibung begrenzt. Sie sind klein, leicht und verhaeltnismaessig guenstig zu fertigen. Da sie aber durch die Reibung der Zellenfluegel einem erhoehten Verschleiss unterliegen, ist ihre Lebensdauer recht begrenzt. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich vor allem für kleine Ottomotoren in Sportwagen.

Dieser Lader (Wellenantrieb) wurde bei der BMW-Motorrad-Rekordmaschine bereits ab 1930 eingesetzt. Siehe auch Drehschieberpumpe

Das Prinzip dieser Gruppe der Verdraengungslader wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts in den USA patentiert. Die praktische Anwendung in nennenswerten Stueckzahlen scheiterte jedoch an der komplizierten Fertigung und den Materialanforderungen. Erst in den Siebziger Jahren wurde die Idee von Volkswagen wieder aufgegriffen und nach einer Testphase mit einigen hundert Exemplaren und vielen Detailveraenderungen in den Achtziger Jahren in groesseren Stueckzahlen eingesetzt. VW nannte ihr in zwei verschiedenen Grössen produziertes Modell G-Lader (G40 / Polo und G60 / Golf, Passat und Corrado). Die Bezeichnung bezieht sich auf die Konstruktion. Das im Querschnitt runde Gehaeuse besteht aus zwei Haelften, in die jeweils zwei spiralfoermige Stege eingegossen sind, die, wie der ebenfalls spiralfoermige Verdraenger, an den Grossbuchstaben G erinnern. Die Zahlen 40 bzw. 60 geben die Hoehe/Breite des Gehaeuses in Milimetern wieder. Der Verdraenger wird durch die Kurbelwelle über Riementrieb von einer Hauptwelle angetrieben und eine mit dieser über Riemen gekoppelten Nebenwelle gefuehrt. Beide Wellen besitzen Exzenter, so dass der Verdraenger nicht rotiert, sondern lediglich schnelle Schwingbewegungen ausfuehrt. Die Luft strömt tangential ins Gehaeuse, wird dort zwischen den Spiralstegen von Gehaeuse und Verdraenger eingeschlossen und in Richtung Gehaeusemitte befoerdert, von wo sie zum Ansaugtrakt gelangt. Durch die Oszillationsbewegung entstehen sich ständig verkleinernde Volumina zwischen den Stegen. Die Luft wird so verdichtet und beschleunigt. G-Lader haben aufgrund der erheblichen Reibung der aufwaendigen Dichtelemente und Federn, die zwischen den Stirnseiten von Verdraenger und Gehaeuse angeordnet sind, eine geringe Lebensdauer, wenn die betreffenden Verschleissteile nicht turnusmaessig kontrolliert und getauscht werden. Aus wirtschaftlichen Erwaegungen bezueglich Fertigung (Ausschuss bis zu 80%), Reparatur- und Austauschkosten konnten sie sich deshalb nicht durchsetzen. VW stellte die Fertigung Anfang der Neunziger Jahre ein.

Die auch als Comprex-Lader (von Compression/Expansion) bekannte Konstruktion nutzt die kinetische Energie der heissen Abgase (Expansion) im Unterschied zum Turbolader direkt zur Verdichtung (Compression) und Beschleunigung der Frischluft. Der Rotor ist als Zellenrad (aehnlich dem eines Axialluefters) ausgebildet und wird von Luft- und Gasgehaeuse mit einem gemeinsamen Mantel umschlossen. An den gegenueberliegemden Stirnseiten befinden sich je zwei Luft- bzw. Abgasoeffnungen in Form von Kreissegmenten. Wenn die gerade mit Luft gefuellten Zellen vor die Abgaseinlassoeffnung (vom Motor kommend) gedreht werden, wird die Luft vom heissen, unter Druck stehenden Gas in Richtung der gegenueberliegenden Seite beschleunigt. Beim Weiterdrehen des Rotors erreichen die Zellen die Öffnung der Ladeluftleitung, die Luft strömt Richtung Motor. Bevor auch das Abgas die Öffnung erreicht, haben die Zellen die Ladeluftleitung bereits passiert und sind verschlossen. Das unter Druck stehende Abgas entweicht nach weiterer Drehung in die kurz danach freigegebene Auspuffleitung. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der Frischluft aus der nun passierten Ansaugleitung nachsaugt. Obwohl Luft und Abgas in direkten Kontakt miteinander kommen, erfolgt eine teilweise Vermischung nur in einer schmalen Zone der Zellen. Der Antrieb des Zellenrades erfolgt lediglich, um den Gaswechsel mit der Motordrehzahl zu synchronisieren, und ist sowohl als Direktantrieb von der Kurbelwelle über Zahn- oder Keilriemen, als auch mittels drehzahlgeregeltem Elektromotor möglich. Um kurzzeitige Druckspitzen aufgrund der Gasdynamik auszugleichen, können die Lufteinlass- und Gasauslassleitung des Motors mit sogenannten Aufnehmern versehen sein, die als kugelfoermige Erweiterungen der jeweiligen Leitungen realisiert werden.

Der Comprexlader arbeitet kontinuierlich; die Leistung steht fast verzoegerungsfrei sofort bereit, wodurch bereits im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment verfügbar ist. Die Abkuehlung und teilweise Vorentspannung der Abgase durch die Frischluft beeinflusst den Schadstoffgehalt guenstig. Die Anforderungen an das Material hinsichtlich thermischer und mechanischer Belastung (Temperatur- und Druckwechsel mit hoher Frequenz) sind recht gross. Dichtung und Lagerung erfordern einen relativ hohen Aufwand. Die Synchronisierung mit der Motordrehzahl muss unter allen Umstaenden gewaehrleistet sein, sonst kann es zu erheblichen Leistungsverlusten kommen.

Ein Druckwellenlader wurde 1996 im Twingo Smile von Greenpeace eingesetzt. Heute finden sie sich u.a. bei Opel-Dieselmotoren.

Dieses Verfahren ist keine Aufladung im klassischen Sinne, sondern die Ausnutzung eines besonderes Effektes. Zum Ende des Ansaugvorganges am unteren Totpunkt des Kolbens schliesst sich normalerweise das Einlassventil, um zu verhindern, das die Ladung wieder in den Ansaugbereich zurueckgedrueckt wird. Bei der Schwingrohraufladung sind die Einlassrohre alle von gleicher Laenge. Man nutzt hierbei die kinetische Energie der Luftsaeule aus, die ein Zurueckdruecken durch den bereits in Auswaertsbewegung befindlichen Kolben kurze Zeit verhindert und die Ladung leicht verdichtet. Erst nach Durchschreiten des unteren Totpunktes werden die Einlassventile geschlossen. Dabei wird die Gassaeule im Einlasskanal schlagartig abgebremst, es kommt zu einer Druckwelle, die vom Ventil wegfuehrt, durch die spezielle Konstruktion des Ansaugbereiches jedoch wieder reflektiert wird und wieder in Richtung Ventil geht. Idealerweise beginnt kurz vor Auftreffen auf das Ventil ein neuer Ansaugtakt und die Luftsaeule ist somit bereits in Schwung und fuellt den Zylinder somit schneller und vollstaendiger. Der Nachteil der Schwingrohraufladung ist, das sie eine spezielle Konstruktion der Ansaugspinne vorraussetzt und nur in einem kleinen Drehzahlband zufriedenstellend funktioniert. Durch eine dynamische Veraenderung der Ansauglaenge (Audi) kann dieser Bereich erweitert werden. Verwendet wird dieses System vorwiegend von Audi und BMW.

Es gibt noch eine Vielzahl weiterer Konstruktionen, die allerdings eher als technische Konzepte - fast ausschliesslich als mechanische Lader - existieren und in der Praxis kaum Bedeutung erlangt haben. Nennenswert ist hiervon nur noch der Schraubenlader, an dessen Weiterentwicklung derzeit gearbeitet wird. Ansonsten kommen zur weiteren Leistungssteigerung technische Detailverbesserungen und verschiedene Kombinationen der genannten Lader zum Einsatz, wie z.B. die variable Einlassteuerung, Anordnungen mehrerer Lader parallel oder seriell (Register-, Kaskadenaufladung) und andere.

Die Leistung eines Motors ist proportional dem Luftdurchsatz, die der Motor ansaugt. Dieser wiederum ist proportional der Luftdichte. Durch die o.g. Methoden der Aufladung wird deshalb die Dichte gesteigert. Da durch die Verdichtung der Luft deren Temperatur ansteigt und die Dichte sinkt, waere der Effekt der Aufladung stark gemindert. Durch Ladeluftkuehler (Intercooler) wird diesem Effekt entgegengewirkt. Er hat also zwei Funktionen: Die mit sinkender Temperatur verbundene Dichtesteigerung kann in höhere Leistung umgesetzt werden, und durch niedrigerere Temperatur sinkt auch die thermische Belastung des Motors. Auch der NOx-Gehalt wird durch die niedrigere Temperaur des Motors gesenkt, die Klopfgrenze des Motors erhöht.

Otto- und Dieselmotor unterscheiden sich grundsaetzlich im Arbeitsverfahren. Der Ottomotor benötigt zur optimalen Treibstoffausnutzung und Leistungsentfaltung ein genau definiertes Verhältnis von Kraftstoff- und Luftmenge, das möglichst wenig vom theoretischen stoechiometrischen Verhältnis abweichen darf (siehe Lambdaregelung). Bei höherer Luftmenge steigt die benoetigte Kraftstoffmenge proportional dazu. Die Verdichtung des Ottomotors ist wegen der unerwuenschten Selbstentzuendung begrenzt. Aus diesem Grund muss bei hochaufgeladenen Ottomotoren das Verdichtungsverhältnis herabgesetzt werden. Die Charakteristik ist gekennzeichnet durch gute Beschleuningungsfaehigkeit und eine stark gekruemmte Drehmomentkurve, d.h. das maximale Drehmoment steigt im mittleren bis höheren Drehzahlbereich stark an. Jedes Zusatzaggregat wirkt sich spuerbar in Form von Leistungsabfall aus. Der Dieselmotor arbeitet immer mit Luftueberschuss. Eine Erhöhung der Luftmenge bedingt keine proportional erhöhte Kraftstoffmenge. Die Verdichtung ist höher und wird nur durch physikalische Gesetze bzw. die Materialeigenschaften und damit verbundene Gewichtserhoehung begrenzt. Der Diesel verfügt über den gesamten Drehzahlbereich über ein gleichmaessigeres Drehmoment und hohe Leistungsreserven. Zusatzaggregate mindern die verfuegbare Leistung weit weniger gravierend.

Diese Gegenueberstellung verdeutlicht, warum mittlere und grosse Dieselmotoren gegenüber Ottomotoren für die Aufladung praedestiniert sind. Die erhoehten Leistungen und Drehmomente wirken sich dort nur unwesentlich auf Lebensdauer und Kraftstoffverbrauch aus. Tatsächlich werden fast alle neueren Modelle mittelschwerer und schwerer Diesel-LKW sowie Schiffsdiesel seit vielen Jahren mit Ladern ausgeliefert.

Erst seit den Neunziger Jahren, mit der Entwicklung kleiner, leichter und in Wirkungsgrad und Lebensdauer verbesserter Aggregate findet der Lader (in Verbindung mit anderen Massnahmen) in groesserem Umfang Anwendung bei Serien-PKW.