Motoraufladung

Unter dem Begriff Motoraufladung werden bei Verbrennungsmotoren alle Verfahren zusammengefasst, die beim aufgeladenen Motor eine Leistungssteigerung gegenüber einem Saugmotor mit gleichem Hubraum bewirken. Der Effekt beruht auf dem Zuführen zusätzlicher Luft mittels eines an den Motor angebauten Aufladegebläses, 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. Ein moderner aufgeladener Motor hat bei kleinerem Hubraum einen geringeren spezifischen Verbrauch als ein Saugmotor mit gleicher Leistung.

Leistungssteigerung durch Aufladung

Die Aufladung ist eine Möglichkeit, die Motorleistung zu steigern. Wie aus der Formel ersichtlich, vergrößert die Anhebung des mittleren indizierten Druckes $p_{i}\,$ die indizierte Leistung $P_{i}\,$.

Formel für die indizierte Motorleistung.

$P_{i}=p_{i}\cdot V_{h}\cdot z\cdot n\cdot i$

P_i = innere Motorleistung
p_i = mittlerer indizierter Druck
V _h = Hubraum pro Zylinder
z = Zylinderanzahl
n = Drehzahl
i = Arbeitshübe pro Umdrehung

Die anderen Variablen $V_{h}$, z, n und i tragen ebenfalls zur Leistungssteigerung bei und werden entsprechend dem Anwendungsfall und der speziellen Grenzen verwirklicht. Eine Leistungssteigerung durch Anheben der Drehzahl n ist praktisch nicht durchführbar, weil die Zylinderzahl z dann mit der 3.Potenz des Leistungsverhältnisses wachsen müsste.

Systematik

Nach Einsatzgebieten

Typische Anwendungen von Ladern sind

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

Nach Vorverdichtung

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 höherem Druck transportiert. Zu diesem Vertreter gehört z.B. der Turbolader und das Roots-Gebläse.

• Lader mit innerer Verdichtung: Hier verengen sich die Kammern während das angesaugte Gas von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite befördert wird. Zu diesem Typ gehören z.B. Flügelzellen-Lader, G-Lader und der Ro Lader von Wankel.

Vorteile der inneren Verdichtung sind ein geringeres Geräusch und ein besserer Wirkungsgrad. Die Verdichtungswärme wird dabei im Lader selbst erzeugt, weshalb er besser gekühlt werden und höheren Anforderungen an das Material genügen muss.

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 kann mit anderen Laderarten kombiniert werden.

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 das Verdichterrad die Ladeluft im Ansaugtrakt. Das meist kurz Turbolader genannte Aggregat hat den 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 gibt es schon seit dem frühen 20. Jahrhundert, allerdings bis Anfang der Neunziger Jahre fast nur bei Dieselmotoren und dort auch nur bei relativ hubraumgroßen Motoren. Die Gründe dafür liegen in den 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 Materialien 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. Das konnte erst mit der Entwicklung moderner Werkstoffe und Techniken im späten 20. Jahrhundert erfüllt werden. Die früheren Turbolader waren aufwändig gefertigte, relativ große und schwere Aggregate. Um sie 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. 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 verschiedenen Drehzahlen optimiert wird und andere Maßnahmen. Bei neueren Turbo-aufgeladenen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung ist ein Turboloch im Betrieb praktisch nicht mehr spürbar.

Mechanische Lader (Kompressoren)

Mechanische Lader, meist „Kompressor“ genannt, werden direkt vom Motor über Ketten-, Riemen- oder Zahnradgetriebe angetrieben, gegebenenfalls mit zwischengeschalteter Kupplung. Mechanische Lader können aber auch von einem gesonderten Elektromotor angetrieben werden. Bei mechanischen Ladern gibt es kein „Turboloch“.

Drehkolbenlader

Diese nach dem Erfinder des Konstruktionsprinzips als Roots-Gebläse benannten Lader haben zwei gegenläufige Rotoren, deren zwei oder drei 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 berührungsfrei. Rootslader arbeiten ohne innere Verdichtung. 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, die bei den Zweitaktmotoren von Krupp und Commer verwendeteten Roots-Spülgebläse sind keine echten Lader. Lancia war der erste Hersteller nach dem 2.Weltkrieg, welcher Roots-Lader in Serienfahrzeuge einbaute, 1983 bis 1985 in den Volumex-Modellen. Erst Mitte der 90er-Jahre baute Mercedes-Benz wieder Kompressor-Modelle. 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 vorkomprimiert 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.

In den 50er bis Anfang der 60er Jahre wurde er auch zur Leistungssteigerung im VW-Käfer eingebaut. (Judson-Kompressor) Siehe auch Drehschieberpumpe

Spirallader

Das Prinzip dieser Gruppe der Verdrängungslader wurde 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 Volkswagen wieder aufgegriffen und nach Tests mit einigen hundert Exemplaren und vielen Detailänderungen in den Achtziger Jahren in größeren Stückzahlen verwendet. VW nannte ihr in zwei verschiedenen Größen produziertes Modell G-Lader (G40 / Polo und G60 / Golf, Passat und Corrado). Der Name bezieht sich auf die Konstruktion. Das im Querschnitt runde Gehäuse besteht aus zwei Hälften, in die jeweils zwei spiralförmige Stege eingegossen sind, die, wie der ebenfalls spiralförmige Verdränger, an den Großbuchstaben G erinnern. Die Zahlen 40 bzw. 60 geben die Höhe/Breite des Gehäuses in Millimetern wieder. Der Verdränger wird von der Kurbelwelle über Riementrieb mit einer Hauptwelle angetrieben und von einer mit dieser über Zahnriemen gekoppelten Nebenwelle geführt. Auf beiden Wellen sitzen Exzenter, so dass der Verdränger nicht rotiert, sondern auf einer Kreisbahn umläuft. Die Bewegung des Läufers lässt immer wieder sich ständig verkleinernde Volumina zwischen den Stegen entstehen, in denen die Luft verdichtet wird. Die Luft tritt tangential ins Gehäuse ein, wird dort zwischen den Spiralstegen von Gehäuse und Verdränger eingeschlossen und in Richtung Gehäusemitte befördert, von wo sie in den Ansaugtrakt strömt.

G-Lader haben wegen der erheblichen Reibung der aufwändigen Dichtelemente und Federn, die zwischen den Stirnseiten von Verdränger und Gehäuse angeordnet sind, eine geringe Lebensdauer, wenn die betreffenden Verschleißteile nicht turnusmäßig kontrolliert und getauscht werden. Wegen der schwierigen Herstellung (Ausschuss bis zu 80%) und den hohen Reparatur- und Austauschkosten konnten sie sich nicht durchsetzen. VW stellte die Fertigung Anfang der Neunziger Jahre ein.

Schleuderlader / Radialverdichter

Ein Schleuderlader (auch Radialverdichter genannt) verdichtet die Luft mittels schnell rotierender Scheiben mit Luftleitblechen, die die Luft in Rotation versetzen und durch die Fliehkraft radial nach außen schleudern, was zur gewünschten Verdichtung führt. Bei anderen Bauformen kamen auch sternförmig angeordnete Rohre zum Einsatz. Der Schleuderlader wird über Keil- oder Zahnriemen oder Wellen direkt vom Motor angetrieben. Schleuderlader wurden bei Flugmotoren und Schiffsdieseln eingesetzt. Teilweise findet sich dieses Prinzip heute noch in Nachrüstteilen zum Tuning von Pkws. Durch den direkten Antrieb ist kein Kontakt mit heißem Abgas nötig. Die Verrohrung und der Anbau eines Schleuderladers vereinfacht sich entsprechend. Beim Einsatz in Motoren, deren Drehzahl stark variiert, kommt einer der Nachteile dieser Form der Aufladung zum Tragen, da mit der Drehzahl des Laders, welche ja proportional zur Motordrehzahl steigt, die geförderte Luftmenge nicht in proportionalem Maße ansteigt. Idealerweise sollte also der Radialverdichter über ein stufenloses Getriebe angetrieben werden, um für jeden Betriebspunkt des Motors die ideale Luftmenge zur Verfügung stellen zu können.

Druckwellenlader

Die auch als Comprexlader (von Compression/Expansion) bekannte Konstruktion nutzt die kinetische Energie der heißen Abgase (Expansion) im Unterschied zum Turbolader direkt zur Verdichtung (Kompression) der Ansaugluft. Der Rotor ist als Zellenrad ausgebildet (ähnlich der Trommel eines Trommelrevolvers) und wird vom Luft- und Gasgehäuse mit einem gemeinsamen Mantel umschlossen. An den gegenüberliegemden Stirnseiten sind je zwei 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 gedrückt. Beim Weiterdrehen des Rotors erreichen die Zellen die Öffnung der Ladeluftleitung, die verdichtete Luft strömt in den 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 inzwischen erreichten Ansaugleitung nachsaugt. Obwohl Luft und Abgas in direkten Kontakt miteinander kommen, vermischen sie sich nur in einer schmalen Zone der Zellen. Um den Gaswechsel mit der Motordrehzahl zu synchronisieren, wird das Zellenrad entweder direkt von der Kurbelwelle über Zahn- oder Keilriemen oder von einem drehzahlgeregeltem Elektromotor angetrieben. Die von der Gasdynamik bewirkten kurzen Druckspitzen können von kugelförmigen Erweiterungen der Lufteinlass- und Gasauslassleitungen, den sogenannten Aufnehmern ausgeglichen werden.

Beim Comprexlader muss keine Turbine erst beschleunigt werden; der Ladedruck steht fast verzögerungsfrei bereit und auch bei niedrigen Drehzahlen mit kleinerem Abgasstrom ist ein hohes Drehmoment verfügbar. Die Abkühlung und Vorentspannung der Abgase durch die frische Ansaugluft beeinflusst den Schadstoffgehalt günstig. Das Material des Läufers ist thermisch und mechanisch stark belastet (Temperatur- und Druckwechsel mit hoher Frequenz). Dichtung und Lagerung sind aufwendig. Bei schlechter Synchronisation mit der Motordrehzahl fällt die Leistung stark ab.

Der Twingo Smile von Greenpeace 1996 hatte einen Druckwellenlader .

Schwingrohraufladung

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 zurückgedrückt wird. Bei der Schwingrohraufladung sind die Einlassrohre alle von gleicher Länge. Man nutzt hierbei die kinetische Energie der Luftsäule aus, die ein Zurückdrücken durch den bereits in Aufwärtsbewegung befindlichen Kolben kurze Zeit verhindert und die Ladung leicht verdichtet. Erst nach Durchschreiten des unteren Totpunktes werden die Einlassventile geschlossen. Dabei wird die Gassäule im Einlasskanal schlagartig abgebremst, es kommt zu einer Druckwelle, die vom Ventil wegführt, 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 Luftsäule ist somit bereits in Schwung und füllt den Zylinder somit schneller und vollständiger. Der Nachteil der Schwingrohraufladung ist, dass sie eine spezielle Konstruktion der Ansaugspinne voraussetzt und nur in einem kleinen Drehzahlband zufriedenstellend funktioniert. Durch eine dynamische Veränderung der Ansauglänge durch ein sogenanntes Schaltsaugrohr kann dieser Bereich erweitert werden. Verwendet wird dieses System vorwiegend von Audi und BMW. Auch der emalige Topmotor, der 3,0 24V des Opel Omega A /Senator B hatte dieses Schaltsaugrohr.

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

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 der Durchsatz gesteigert. Da durch die Verdichtung der Luft deren Temperatur ansteigt und die Dichte sinkt, wäre der Effekt der Aufladung gemindert. Durch Ladeluftkühler (Intercooler) wird dem entgegengewirkt. Er hat also zwei Funktionen: Die mit sinkender Temperatur verbundene Dichtesteigerung wird in höhere Leistung umgesetzt, und durch niedrigerere Temperatur sinkt die thermische Belastung des Motors. Auch der NOx-Gehalt wird durch die niedrigere Temperatur des Motors gesenkt und die zulässige Verdichtung des Motors bei gleichem Abstand zur Klopfgrenze erhöht.

Wirtschaftliche Betrachtungen

Otto- und Dieselmotor unterscheiden sich grundsätzlich im Arbeitsverfahren. Der Ottomotor braucht 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. Aus diesem Grund muss bei hochaufgeladenen Ottomotoren das Verdichtungsverhältnis herabgesetzt werden. Die Charakteristik ist gekennzeichnet durch gute Beschleunigungsfähigkeit 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 aus.

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. Ein Diesel hat 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 und Schiffsdiesel seit vielen Jahren mit Ladern ausgeliefert.

Erst seit den 1990er 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.

Bei Neuzulassungen sind in der EU beinahe nur noch aufgeladene Dieselmotoren zu finden, weil die Besteuerung aufgeladene Aggregate begünsigt. Die neueren Abgasnormen lassen sich nur durch hohen Luftüberschuss erfüllen, dieser wiederum lässt sich ohne starken Drehmomentverlust nur durch Einsatz eines Laders erzielen.

Weblinks

Umfangreiche Informationen rund um den G-Lader (Spirallader)