Abgasenergie treibt den Verdichter
Im Abgasturbolader sitzen Turbinenrad und Verdichterrad auf einer gemeinsamen Welle. Abgas entspannt sich über die Turbine und gibt dabei einen Teil seiner Energie als Wellenleistung ab. Der Verdichter überträgt diese Leistung auf die angesaugte Luft und erhöht deren Druck. Verdichtung erwärmt die Luft; Ladedruck ist deshalb nicht mit Luftmasse gleichzusetzen.
Turbinen- und Verdichterseite führen unterschiedliche Medien. Das Abgas strömt nicht durch den Verdichter in den Motor. Die mechanische Verbindung über die Welle überträgt Energie zwischen beiden Strömungswegen. Lagerung, Ölversorgung und zulässige Drehzahl begrenzen den Betriebsbereich der Baugruppe.
Quellenhinweis: Cummins · Funktionsprinzip Abgasturbolader
Turbolader regeln: Bypass, Leitschaufeln und verschiebbarer Düsenring
Ein Turbolader muss mit stark wechselnden Abgasströmen zurechtkommen. Ein kleiner wirksamer Turbinenquerschnitt kann bei geringem Durchsatz rasch Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen. Bei hohem Durchsatz kann derselbe Querschnitt jedoch einen ungünstig hohen Abgasgegendruck erzeugen. Der Motor muss das Abgas gegen diesen Druck ausschieben. Die Regelung sucht deshalb einen passenden Betriebspunkt für Füllung, Ladungswechsel und Bauteilbelastung.
Bei einer festen Turbinengeometrie bleiben die Strömungsquerschnitte konstruktiv vorgegeben. Ein zusätzliches Wastegate öffnet bei Bedarf einen Bypass: Ein Teil des Abgases strömt an der Turbine vorbei. So lässt sich deren Leistungsaufnahme begrenzen. Variable Turbinengeometrie verändert dagegen den wirksamen Eintrittsquerschnitt und, je nach Bauart, die Anströmung des Turbinenrads. Das ist eine andere Stellaufgabe; ein elektrischer Aktuator allein verrät noch nicht, welches Prinzip der Lader verwendet.
Garrett beschreibt beim Nutzfahrzeuglader DAVNT drehbare Leitschaufeln, die auf zwei Achsen abgestützt sind. Eine vom Hersteller als patentiert bezeichnete Druckausgleichsführung vermindert die axiale Belastung der Schaufeln. Cummins setzt beim Holset VGT dagegen auf einen axial verschiebbaren Düsenring. Hier wird der verfügbare Durchströmungsquerschnitt durch die axiale Bewegung verändert. Beide sind variable Geometrien, aber keine identischen Mechanismen mit bloß anderem Namen. Die Herstellerangaben zum Patentschutz beschreiben die benannte Konstruktion; daraus wird kein aktueller Schutzrechtsvergleich abgeleitet.
Bei einer seriellen zweistufigen Aufladung durchläuft die Ladeluft zwei Verdichterstufen. Deren Druckverhältnisse wirken idealisiert multiplikativ: Zweimal der Faktor zwei ergibt insgesamt den Faktor vier, jeweils auf absolute Drücke bezogen und ohne Verluste betrachtet. Das ist von zwei parallel arbeitenden Ladern und von Turbo Compound zu trennen. Die zusätzliche Nutzturbine des mechanischen Turbo-Compound-Systems gibt Leistung an den Antrieb ab, statt eine weitere Ladeluft-Verdichterstufe zu treiben.
Die Stellanforderung folgt nicht nur dem Fahrerwunsch. Auch Abgasrückführung, Temperaturführung und gegebenenfalls Motorbremsbetrieb greifen auf den Abgasdruck zu. Ein hoher Stellwert oder ein weit geschlossener Leitapparat ist deshalb ohne Betriebszustand nicht als Fehler zu bewerten. Umgekehrt beweist eine elektrisch gemeldete Stellposition nicht, dass der gewünschte Massenstrom tatsächlich entsteht. Regelabweichung, Mechanik, Luftpfad und Abgaspfad müssen als zusammenhängendes System beurteilt werden.
- Systemvergleich: Wastegate umgeht die Turbine; variable Geometrie verändert ihre Anströmung. Zwei Verdichterstufen verdichten Luft, eine Turbo-Compound-Nutzturbine gewinnt zusätzliche Antriebsleistung.
Quellenhinweis: Garrett · DAVNT-Leitschaufeln und vom Hersteller benannter Druckausgleich · Cummins · Holset VGT, feste Geometrie und Wastegate · Garrett · serielle Aufladung und Aktuatorik für Nutzfahrzeuge
Ladeluftkühlung erhöht die Dichte
Zwischen Verdichter und Einlass senkt der Ladeluftkühler die Temperatur der verdichteten Luft. Bei vergleichbarem Druck steigt dadurch ihre Dichte. Ein Luft-Luft-Kühler gibt Wärme an die Umgebungsluft ab; ein flüssigkeitsgekühlter Ladeluftkühler überträgt sie zunächst in einen eigenen beziehungsweise angebundenen Kühlmittelpfad.
Kühler, Rohrleitungen und Verbindungsschläuche erzeugen zugleich Strömungswiderstand. Für die Beurteilung zählen daher Temperatur und Druck an mehreren Stellen. Ein hoher Verdichteraustrittsdruck beweist noch keinen ausreichenden Luftzustand am Einlass. Leckagen, zugesetzte Kühlerflächen und unzureichender Kühlluftstrom müssen getrennt betrachtet werden.
Ladedruck und Luftdichte: Gleicher Druck kann unterschiedliche Füllung bedeuten
Eine Ladedruckangabe ist erst eindeutig, wenn ihre Bezugsgröße feststeht. Überdruck wird gegenüber dem örtlichen Umgebungsdruck gemessen; Absolutdruck beginnt beim Vakuum. Zeigt ein System 1,5 bar Überdruck bei 1,0 bar Umgebung, liegen am betreffenden Messpunkt 2,5 bar absolut an. Für das Druckverhältnis eines Verdichters werden dagegen die absoluten Drücke unmittelbar vor und nach dem Verdichter benötigt. Der Saugrohrwert hinter Kühler und Leitungen ist damit nicht automatisch identisch.
Ein vereinfachtes Höhenbeispiel zeigt die Konsequenz: Bei 1,0 bar Verdichtereintritt und 2,5 bar Austritt beträgt das Druckverhältnis 2,5. Sinkt der Eintrittsdruck auf 0,8 bar, während derselbe absolute Austrittsdruck verlangt wird, steigt es auf 3,125. Ansaugverluste sind dabei bewusst ausgeblendet. Ob der reale Lader diesen Betriebspunkt erreicht, hängt zusätzlich von Massenstrom, Wirkungsgrad und Drehzahlgrenze ab. Ein Steuergerät kann den fehlenden Umgebungsdruck nicht beliebig durch höhere Laderdrehzahl ausgleichen.
Die Luftdichte hängt neben dem absoluten Druck von der absoluten Temperatur ab. Für trockene Luft als ideales Gas gilt näherungsweise: Dichte gleich Druck geteilt durch das Produkt aus spezifischer Gaskonstante und Temperatur. Bei gleichem Druck ist das Dichteverhältnis daher umgekehrt proportional zum Temperaturverhältnis in Kelvin. Wird ein angenommener Luftstrom von 120 auf 60 Grad Celsius gekühlt, steigt die Dichte theoretisch um rund 18 Prozent. In der Rechnung stehen 393,15 und 333,15 Kelvin; ein Quotient der Celsiuswerte wäre physikalisch falsch.
Das Rechenbeispiel unterstellt gleichen Druck vor und nach dem Kühler. Tatsächlich erzeugen Kühlernetz, Umlenkungen und Leitungen Druckverluste. Kühlerauslegung bedeutet daher, Wärmeübertragung und Strömungswiderstand gemeinsam zu beherrschen. Bei indirekter Ladeluftkühlung gelangt die Wärme zunächst in einen gesonderten Niedertemperatur-Kühlmittelkreis und erst anschließend über dessen Kühler an die Umgebung. MAHLE beschreibt diese Architektur ausdrücklich für Nutzfahrzeuge. Sie benötigt andere Anschlüsse und eine andere Wärmebilanz als der direkte Luft-Luft-Kühler.
Für die Verdichterauslegung gehören Druckverhältnis und Massenstrom zusammen. Die Pumpgrenze markiert einen Bereich instabiler Strömung bei zu geringem Durchsatz; auf der anderen Seite begrenzen hoher Durchsatz, sinkender Wirkungsgrad und zulässige Drehzahl den Einsatz. Deshalb ist ein höherer angezeigter Ladedruck kein eigenständiges Qualitätsmerkmal. Zudem enthält eine Zylinderladung mit Abgasrückführung bei gleichem Gesamtdruck nicht denselben Frischluft- und Sauerstoffanteil wie reine Luft.
- Merksatz: Füllung wird durch Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. Zum Ladervergleich gehören absolute Druckverhältnisse und Massenstrom, nicht nur eine Überdruckzahl.
Quellenhinweis: Garrett · Absolutdruck, Druckverhältnis und Grenzen des Verdichterkennfelds · MAHLE · direkte und indirekte Kühlaufgaben bei Nutzfahrzeugen · Motorservice · Gaszustand, Kühlung und Sauerstoffanteil bei AGR
Aufladung und Abgasreinigung zusammen auslegen
Der Turbinengegendruck beeinflusst die Ausschiebearbeit des Motors. Gleichzeitig hängen Abgasrückführung, Motorbremswirkung und Temperatur vor der Nachbehandlung vom Luft- und Abgassystem ab. Eine Ladedruckregelung muss daher mehr als einen einzelnen Druckwert berücksichtigen.
Turbocompound ergänzt den eigentlichen Turbolader um eine weitere Energieumwandlung. Beim mechanischen Konzept gibt eine zusätzliche Nutzturbine Leistung an den Antrieb ab. Sie ist funktional von einer zweiten Verdichterstufe zu unterscheiden. Das vorhandene Volvo-Beispiel erläutert diesen Kraftweg mit seinem dokumentierten Bauzustand.
DAF MX, Stand 2024: Miller-Ventilsteuerung und angepasste Aufladung
DAF nennt bei der MX-Überarbeitung von Oktober 2024 eine Miller-Ventilsteuerung sowie daran angepasste Turbolader und Abgasrückführung. Die Aussage beschreibt eine gemeinsame Abstimmung von Ladungswechsel und Verbrennung. Sie belegt weder für jede Leistungsstufe dieselbe Ladergeometrie noch bestimmte Ventilsteuerwinkel.
Beim Miller-Prinzip wird der wirksame Verdichtungsvorgang durch den Einlassschluss beeinflusst. Das geometrische Verdichtungsverhältnis allein beschreibt dann nicht, welche Luftmasse tatsächlich eingeschlossen und verdichtet wird. Eine passende Aufladung hilft, die gewünschte Zylinderfüllung innerhalb der Temperatur- und Druckgrenzen bereitzustellen.
Für die Systembetrachtung gehören deshalb Ventilsteuerung, Ladedruck, Lufttemperatur und Rückführrate zusammen. Ein Vergleich nur nach maximalem Ladedruck würde die unterschiedliche Wirkung im Zylinder übersehen.
Quellenhinweis: DAF · MX-Überarbeitung 2024: Miller-Zyklus, Turbo und EGR
Turbocompound: Die zweite Turbine treibt keinen zweiten Verdichter an
Beim beschriebenen Volvo-D13-Turbocompound nutzt eine zusätzliche Abgasturbine Energie hinter dem Turbolader. Ihr mechanischer Abtrieb führt Leistung zum Motor zurück. Der Turbolader übernimmt weiterhin die Verdichtung der Ansaugluft; die nachgeschaltete Nutzturbine erfüllt eine andere Aufgabe.
Damit unterscheidet sich Turbocompound von einer zweistufigen Aufladung mit zwei Verdichterstufen. Der Nutzen hängt davon ab, wie viel zusätzliche Abgasenergie gewonnen wird und welcher Gegendruck dafür entsteht. Eine reine Betrachtung des abgegebenen Turbinenmoments erfasst die Rückwirkung auf den Ladungswechsel noch nicht.
Bei niedriger Motordrehzahl kann zusätzliches nutzbares Drehmoment eine längere Fahrstufe unterstützen. Die tatsächlich gewählte Übersetzung muss trotzdem zur Steigung und zur Fahrzeugmasse passen. Turbocompound ist kein Ersatz für eine ausreichende Anfahrübersetzung oder eine für den Einsatz passende Hinterachse.
Quellenhinweis: Volvo Trucks · Funktion der zusätzlichen Turbine
