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Ladesysteme: Atemhilfe für Motoren
Verbrennungsmotoren arbeiten mit Kraftstoff und mit Luft. Das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Sauerstoff entscheidet über den in der Brennkammer entstehenden Druck. Je höher der Druck ist, desto mehr Leistung gibt ein Motor ab.
Normalerweise wird die Luft durch die Abwärtsbewegung des Kolbens angesaugt. Mit der Erhöhung der Luftmenge kann jedoch eine erhebliche Leistungssteigerung erzielt werden, ohne gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch und die Drehzahl signifikant zu erhöhen. Durchgesetzt haben sich drei Prinzipien.
Das Wort „Turbo“ ist ein Synonym für Schnelligkeit und Leistung. Es stammt aus dem Motorenbau und ist die Kurzform von „Turbolader“. Dieses Bauteil ist konstruktiv äusserst simpel. Aufgrund der anliegenden hohen Belastungen muss ein Turbolader jedoch präzise und aus sehr hochwertigen Materialien gefertigt sein. Aus diesem Grund sind Turbolader hochpreisige Komponenten für Motoren.
Ein Turbolader besteht aus zwei Schaufelrädern, welche mit einer gemeinsamen Welle starr miteinander verbunden sind. Eins der Schaufelräder steht im Abgasstrom des Motors. Der Druck der Abgase treibt das Schaufelrad an und versetzt es in Rotation. Dadurch wird auch das zweite Schaufelrad angetrieben. Dieses ragt in den Luftstrom, welcher zum Brennraum des Motors führt.
Die Arbeit des Schaufelrades erhöht nun die Luftmenge im Motor, welcher dadurch mehr Leistung entfalten kann. Ein Turbolader kann zur Leistungssteigerung des Fahrzeugs, aber auch zur Kraftstoffersparnis eingesetzt werden. Mehrleistung muss nicht immer mit höherer Geschwindigkeit gleichgesetzt werden. Ein aufgeladener Motor kann seinerseits kleiner konstruiert werden, was wiederum eine Gewichtsersparnis bedeutet. Ein Fahrzeugtyp, bei welchem dieser Ansatz verfolgt wurde, ist der Smart.
Ein Nachteil des Turboladers ist das sogenannte „Turbo-Loch“. Die Leistungssteigerung des Motors kann erst bei einer ausreichenden Drehgeschwindigkeit der Verdichtungsschaufel abgerufen werden. Die Drehgeschwindigkeit ist vom austretenden Luftstrom des Abgases abhängig, der wiederum durch die Drehzahl des Motors bestimmt wird. Ein Turbolader entfaltet seine Leistung deshalb erst ab einer bestimmten Mindestdrehzahl, dann aber mehr oder weniger schlagartig. Diese Lücke in der Leistungsentwicklung wird als „Turbo-Loch“ bezeichnet.
Technisch wesentlich aufwendiger sind hingegen die mechanischen Lader. Der im Rennsport entstandene Kompressor ist hier das älteste Bauprinzip, welches schon in den Rennwagen der 30er-Jahre eingesetzt wurde. Die Kompressoreinheit besteht aus zwei schneckenförmigen Wellen, welche nebeneinander montiert sind und gegeneinander rotieren. Zwischen den Spalt der Schneckenwellen wird Luft eingesaugt. Diese wird durch die Rotationsbewegung der Schneckenwellen immer weiter verdichtet, bis sie in den Brennraum geleitet wird.
Angetrieben wird ein Kompressor durch einen separaten Elektromotor oder durch eine Riemen- oder Kettenverbindung mit der Kurbelwelle. Kompressoren haben eine wesentlich höhere Verdichtungsleistung als Turbolader, sind aber auch erheblich teurer. In Serienfahrzeugen kommen sie nur in sehr hochwertigen Sportwagen und Sportcoupés zum Einsatz.
Technisch einfacher und daher auch preiswerter zu fertigen ist der G-Lader. Das Konstruktionsprinzip dieses Bauteils geht auf ein Patent im Jahr 1906 zurück. Die damaligen Fertigungsmethoden waren jedoch noch nicht imstande, es in der notwendigen Präzision herzustellen. Volkswagen griff diese Idee Anfang der 90er-Jahre wieder auf und konnte sie erfolgreich in seinen Golf-, Polo- und Corrado-Modellen einsetzen.
Der G-Lader besteht aus einer starren Spirale, in die eine weitere Spirale eingeführt wird. Diese ist beweglich und führt exzentrische Kreisbewegungen durch. Angetrieben wird diese Spirale mechanisch durch eine kraftschlüssige Verbindung zu einer rotierenden Komponente des Motors. Wie beim Kompressor wird durch den verengenden Luftspalt zwischen den beiden Spiralen eine Verdichtung erzeugt, welche für die Kompression der Luft sorgt. Ein G-Lader hat im Vergleich zum Kompressor weniger Bauteile und ist konstruktiv kompakter. Durch die mechanische Verbindung zum Motor entfällt bei einem G-Lader das Turbo-Loch.
Eine weitere Leistungssteigerung für Ladesysteme wird durch den Ladeluftkühler erreicht. Dies ist konstruktiv ein einfacher Lamellenkühler, welcher der verdichteten Luft thermische Energie entzieht. Verdichtung bedeutet stets auch eine Erwärmung, welche wieder eine Ausdehnung der Luft bedeutet. Ein Ladeluftkühler verhindert diese Expansion, indem er die durch die Kompression entstandene Wärme abführt.
Man kann sich natürlich die Frage stellen, warum dem Motor nicht einfach durch einen separaten Tank zusätzlich Sauerstoff zugeführt wird. Schliesslich dient der ganze technische Mehraufwand nur dazu, den Sauerstoffgehalt im Brennraum zu erhöhen. Reiner Sauerstoff hat jedoch in einem Brennraum fatale Folgen. Die Verbrennungswärme steigt auf mehrere Tausend Grad an, was Kolben, Ventile und Zylinderwand unweigerlich zum Schmelzen und Verbrennen bringt.
Alternativ zur Sauerstoffeinspritzung wird im Motorsport mit Lachgasinjektionen gearbeitet. Die Einleitung dieses Gases führt ebenfalls zu einer kurzzeitigen erheblichen Leistungssteigerung. Handelsübliche Motoren sind für die so entstehenden Ladedrücke jedoch nicht ausgelegt, so dass der Verschleiss dramatisch ansteigt. Rennmotoren haben deshalb Komponenten aus Sondermaterialien wie Keramikbeschichtungen und anderen innovativen Bauteilen.
Die Technik rund um die Aufladung eines Motors ist eine faszinierende Welt, welche immer wieder neue Ansätze hervorbringt. Konsequent zur Gewichtsersparnis und Leistungssteigerung eingesetzt, sind von diesen Ansätzen noch sehr interessante Entwicklungen für zukünftige Motorkonzepte zu erwarten.
Oberstes Bild: Turbolader eines PKWs (Jenoche / Shutterstock.com)