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 Zuführen zusätzlicher Luft, seltener auch von zusätzlichen Gasgemischen. Diese "Zwangsbefüllung" verbessert den Füllungsgrad 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. Durch die Aufladung erhöht sich auch der Kraftstoffverbrauch.
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Einsatzgebiete
Typische Anwendungen von Ladern sind
- Schiffsdieselmotoren
- PKW-Dieselmotoren
- PKW-Ottomotoren in Sportwagen
- Motorsport
- LKW-Dieselmotoren
- Motoren in stationären Anlagen und Spezialfahrzeugen, bei denen eine hohe Leistungsreserve erforderlich ist.
Laderarten
Lader werden nach ihren Wirkprinzipien unterschieden. Die am häufigsten 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 verstärkt werden, wodurch der Gaswechsel im Zylinder verbessert wird. Das Resonanzprinzip wird meist als kombinierte Lösung mit anderen Laderarten verwendet, wodurch deren Wirkung optimiert wird.
Abgasturbolader
Diese am häufigsten 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 Turbinengehäuse liegt direkt im Abgasstrom, möglichst nahe am Abgasauslass des Motors. Im davon getrennten Verdichtergehäuse 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 frühe Abkühlung der Auspuffgase verringert.
Turbolader waren bereits seit dem frühen 20. Jahrhundert im Einsatz, allerdings bis Anfang der Neunziger Jahre fast ausschließlich bei Dieselmotoren und dort auch nur bei relativ hubraumgroßen Motoren. Die Gründe dafür liegen in den extremen Anforderungen an Material und Präzision, 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 Trägheits- und Fliehkräfte gering zu halten, müssen die Materialen des Laufzeugs sehr leicht, gleichzeitig über einen schnell wechselnden Temperaturbereich von ca 1000 °C formbeständig und hochfest sowie die Lagerung fast spielfrei, aber auch leichtgängig sein. Diese Anforderungen konnten erst mit der Entwicklung moderner Werkstoffe und Technologien im späten 20. Jahrhundert weitgehend erfüllt werden. Die früheren Turbolader waren aufwändig 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 zusätzliche Leistung steht beim Tritt aufs Gaspedal erst nach einigen Sekundenbruchteilen zur Verfügung. Die Turbine muss zuerst beschleunigt werden und auch die beschleunigte Ladeluft besitzt eine gewisse Trägheit. 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 spürbar.
Mechanische Lader
Für diese Gruppe ist auch der irreführende Begriff "Kompressor" gebräuchlich, der in der Technik gewöhnlich für stationäre 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.
Drehkolbenlader
Diese nach dem Erfinder des Konstruktionsprinzips als Roots-Gebläse benannten Lader haben zwei gegenläufige Rotoren, deren 2 oder 3 keulenförmige "Flügel" wechselweise ineinandergreifen. Dabei wird die Luft ähnlich wie bei einer Zahnradpumpe auf der einen Seite angesaugt, von den "Flügeln" an der inneren Wandung des ovalen Gehäuses entlanggeschoben und auf der Gegenseite herausgedrückt. Die Wellen der beiden Drehkolben sind außerhalb des Gehäuses über Zahnräder verbunden. Die Kolben laufen zueinander und zum Gehäuse vollkommen berührungsfrei. Rootslader arbeiten ohne innere Verdichtung. Deshalb kann auf aufwändige Abdichtung weitgehend verzichtet werden. Auf Grund ihrer Wirkungsweise arbeiten sie erst ab einer größeren 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 berührungsfreien 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 Flügel und drei Innenläufern.
Flügelzellenlader
Sie arbeiten nach dem Prinzip der gleichnamigen Flüssigkeitspumpen bzw. umgekehrt wie die sogenannten Luftmotoren in vielen Druckluftwerkzeugen. In einem Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt läuft ein exzentrisch dazu gelagerter Rotor, in dem radial mehrere Flügel aus Kunststoff oder Hartgewebe angeordnet sind. Die Flügel werden in Nuten des Rotors geführt und sind in radialer Richtung verschiebbar. Im Betriebszustand werden sie durch die Fliehkraft, seltener durch Federkraft, mit ihren Außenkanten an die innere Gehäusewandung gedrückt und gleiten auf deren Oberfläche. Dadurch bilden sich zwischen benachbarten Flügeln abgeschlossene Räume, auch Zellen genannt, in denen die Luft befördert wird. Das Gehäuse besitzt je eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung. Durch die exzentrische Lagerung werden die Zellen während der Rotation auf der Saugseite zunächst vergrößert, wodurch ein leichter Unterdruck entsteht. In Richtung der Druckseite verkleinern sie sich kontinuierlich wieder bis zur Austrittsöffnung. Dadurch wird die Luft vorkrompimiert und beschleunigt in den Ansaugtrakt des Motors geleitet. Durch einfach realisierbare Verstelleinrichtungen kann die Exzentrizität verändert und die Aufladung problemlos angepasst werden. Flügelzellenlader haben eine kleinere Leistung als Turbo- und Rootslader. Die mögliche Drehzahl ist höher als beim Rootslader, aber durch die Fliehkräfte und Reibung begrenzt. Sie sind klein, leicht und verhältnismäßig günstig zu fertigen. Da sie aber durch die Reibung der Zellenflügel einem erhöhten 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
Spirallader
Das Prinzip dieser Gruppe der Verdrängungslader wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts in den USA patentiert. Die praktische Anwendung in nennenswerten Stückzahlen scheiterte jedoch an der komplizierten Fertigung und den Materialanforderungen. Erst in den Siebziger Jahren wurde die Idee von der Firma Volkswagen wieder aufgegriffen und nach einer Testphase mit einigen hundert Exemplaren und vielen Detailveränderungen in den Achtziger Jahren in größeren Stückzahlen eingesetzt. VW nannte ihr in zwei verschiedenen Größen produziertes Modell G-Lader (G40 / Polo und G60 / Golf und Corrado). Die Bezeichnung bezieht sich auf die Konstruktion. Das im Querschnitt runde Gehäuse besteht aus zwei Hälften, in die jeweils 2 spiralförmige Stege eingegossen sind, die, wie der ebenfalls spiralförmige Verdränger, an den Großbuchstaben G erinnern. Der Verdränger wird durch die Kurbelwelle über Riementrieb von einer Hauptwelle angetrieben und eine mit dieser über Riemen gekoppelten Nebenwelle geführt. Beide Wellen besitzen Exzenter, so dass der Verdränger nicht rotiert, sondern lediglich schnelle Schwingbewegungen ausführt. Die Luft strömt tangential ins Gehäuse, wird dort zwischen den Spiralstegen von Gehäuse und Verdränger eingeschlossen und in Richtung Gehäusemitte befördert, 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 aufwändigen Dichtelemente und Federn, die zwischen den Stirnseiten von Verdränger und Gehäuse angeordnet sind, eine geringe Lebensdauer. Aus wirtschaftlichen Erwägungen bezüglich Reparatur- und Austauschkosten konnten sie sich deshalb nicht durchsetzen. VW stellte die Fertigung Anfang der Neunziger Jahre ein.
Druckwellenlader
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 (ähnlich dem eines Axiallüfters) ausgebildet und wird von Luft- und Gasgehäuse mit einem gemeinsamen Mantel umschlossen. An den gegenüberliegemden Stirnseiten befinden sich je 2 Luft- bzw. Abgasöffnungen in Form von Kreissegmenten. Wenn die gerade mit Luft gefüllten Zellen vor die Abgaseinlassöffnung (vom Motor kommend) gedreht werden, wird die Luft vom heißen, unter Druck stehenden Gas in Richtung der gegenüberliegenden 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 kugelförmige Erweiterungen der jeweiligen Leitungen realisiert werden.
Der Comprexlader arbeitet kontinuierlich; die Leistung steht fast verzögerungsfrei sofort bereit, wodurch bereits im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment verfügbar ist. Die Abkühlung und teilweise Vorentspannung der Abgase durch die Frischluft beeinflusst den Schadstoffgehalt günstig. 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 Umständen gewährleistet 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.
Sonstige
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.
Ladeluftkühlung
Bei allen Ladern wird die zur Verbrennung benötigte Luft beschleunigt und vorverdichtet in dem Sinne, dass mehr Luft in den Ansaugtrakt gedrückt wird, als der Motor ohne Aufladung ansaugen könnte. Durch diese Verdichtung wird die Luft teilweise auf über 100 °C erwärmt, was den Leistungsgewinn durch die Aufladung wieder vermindern würde, da die erwärmte Luft eine niedrigere Dichte hat und den mechanischen Widerstand durch Druckanstieg vor der eigentlichen Verdichtung und Verbrennung erhöht. Deshalb wird häufig ein Ladeluftkühler zwischen Lader und Ansaugtrakt geschaltet, der die Temperatur der komprimierten Luft absenkt.
Wirtschaftliche Betrachtungen
Otto- und Dieselmotor unterscheiden sich grundsätzlich im Arbeitsverfahren. Der Ottomotor benötigt zur optimalen Treibstoffausnutzung und Leistungsentfaltung ein genau definiertes Verhältnis von Kraftstoff- und Luftmenge, das möglichst wenig vom theoretischen stöchiometrischen Verhältnis abweichen darf (siehe Lambdaregelung). Bei höherer Luftmenge steigt die benötigte Kraftstoffmenge proportional dazu. Die Verdichtung des Ottomotors ist wegen der unerwünschten Selbstentzündung begrenzt. Die Charakteristik ist gekennzeichnet durch gute Beschleuningungsfähigkeit und eine stark gekrümmte Drehmomentkurve, d.h. das maximale Drehmoment steigt im mittleren bis höheren Drehzahlbereich stark an. Jedes Zusatzaggregat wirkt sich spürbar in Form von Leistungsabfall ab. Der Dieselmotor arbeitet immer mit Luftüberschuss. 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 Gewichtserhöhung begrenzt. Durch die hohe Verdichtung beschleunigt der Diesel langsamer, hat aber über den gesamten Drehzahlbereich ein gleichmäßigeres Drehmoment und hohe Leistungsreserven. Zusatzaggregate mindern die verfügbare Leistung weit weniger gravierend.
Diese Gegenüberstellung verdeutlicht, warum mittlere und große Dieselmotoren gegenüber Ottomotoren für die Aufladung prädestiniert sind. Die erhöhten 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. Bei den hauptsächlich auf PKW und Klein-LKW beschränkten Ottomotoren wird die Leistungssteigerung in einem schmalen Drehzahlbereich mit gravierend erhöhtem Kraftstoffverbrauch (damit auch höherer Schadstoffemission) und durch höheren Verschleiß bedingte Verkürzung der Lebensdauer aus. Unter diesen Aspekten ist der Einsatz von Ladern lediglich im Rennsport und einigen Luxussportwagen als vertretbar zu bezeichnen. Eine höhere Leistung kann beim Ottomotor wirtschaftlich wesentlich sinnvoller durch eine geringe Hubraumerhöhung und vor allem durch den Einsatz moderner Technologien und Motorsteuerungen erreicht werden. 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 größerem Umfang Anwendung bei Serien-PKW.