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Aufladung der Motoren

Verschiedene Prinzipien im Vergleich

Turbomotor, Grafik Foto: Hans-Dieter Seufert 7 Bilder

Die Aufladung des Motors hat eine lange Tradition. Und eine große Zukunft. Denn durch das Downsizing der Motoren wird der Turbo immer wichtiger.

02.09.2011 Joachim Deleker

Turbo - groß und bissig wie ein Kampfhund prangten diese fünf Buchstaben in den siebziger Jahren an Autos wie dem BMW 2002 oder Renault 5. Alles war auf Angriff gebürstet, das Fahrverhalten mit Canyon-tiefem Turboloch und urplötzlich einsetzendem Schub äußerst heikel, die Trinksitten maßlos. Lange vorbei, längst hat sich der Turbolader vom Krawallbruder zum Hoffnungsträger gemausert. Spätestens seitdem das Zauberwort Downsizing in aller Munde ist, geht ohne Aufladung fast gar nichts mehr.

Und wer hat’s erfunden? Genau, ein Schweizer. Bereits 1905 meldete Alfred Büchi ein Patent für seine Stauaufladung an. Gleichwohl sollte es noch mehr als 80 Jahre dauern, bis der erste TDI den Turbo-Durchbruch markierte. Der Benzin-DI brauchte für seinen Siegeszug weitere zwei Jahrzehnte, erst mit der Kombination aus Direkt-einspritzung, Aufladung und variabler Ventilsteuerung war der Stein der Weisen gefunden, ein Motor mit einem TDI-ähnlichen Charakter: starker Antritt aus dem Drehzahlkeller, geringer Verbrauch und weniger Hubraum - allesamt Attribute eines vorbildlichen Downsizing-Konzepts.

Mehr Luft bedeutet mehr Leistung

Das Prinzip der Aufladung ist denkbar einfach. Der Motor benötigt Sauerstoff für die Verbrennung, die er sich im Ansaugtakt selbst beschafft. Mehr Luft bedeutet mehr Leistung, aber die Förderrate ist physikalisch begrenzt. Es sei denn, ein Kompressor oder Abgasturbolader bläst mehr Luft in die Zylinder. Durch das Plus an Sauerstoff kann mehr Kraftstoff eingespritzt werden, Verbrennungsdruck und Drehmoment steigen.  

Die Kunst der Aufladung besteht darin, den Extradruck über einen möglichst großen Drehzahlbereich zu nutzen und das Turboloch zu umschiffen. Das gelingt dem einfachen Lader nur bedingt. Fahrer kleiner und vierventiliger Dieselmotoren wissen um die Ungeduld im Turboloch, bis bei etwa 2.000/min endlich der ersehnte Schub einsetzt. Genau dieses Manko merzt der VTG-Lader aus, dessen Leitschaufeln verstellt werden können. Damit wird der Turbinenquerschnitt variabel, und der Motor bekommt selbst im Drehzahlkeller genug Ladedruck, um satten Schub zu entwickeln. Nachteil des VTG-Laders: Er ist aufwendiger zu regeln, teurer, und die Leitschaufeln müssen hochtemperaturfest sein - beim Diesel bis 800 Grad, beim Benziner über 1.000.

Ziel ist ein hohes und gleichmäßiges Drehzahlniveau

Nicht ganz so gut, dafür deutlich günstiger ist der Twin-Scroll-Turbo für Benzin-motoren. Bei diesem zweiflutigen Lader werden die Abgase jeweils eines Zylinderpaars getrennt in die Turbine geblasen. Das vermeidet Wechselwirkungen zwischen den Gassäulen, reduziert den Abgasgegendruck und optimiert die Ladung im Motor.

Das Ziel der Entwickler, ein möglichst hohes und gleichmäßiges Drehzahlniveau schon ab Standgas zu realisieren, ist mit einem Doppelturbo einfacher zu schaffen. Beim Bi-Turbo oder Twin-Turbo ersetzen zwei kleine Lader einen großen. Je kleiner die Turbine, desto schneller gelingt der Druckaufbau infolge des geringeren Trägheitsmoments. Noch besser kann das ein sequenzieller Bi-Turbo, bei dem die kleine Turbine bei niedrigen Drehzahlen für Druck sorgt und der größere Lader erst später zugeschaltet wird. Ford und Peugeot verwenden diese Lösung im 2,2-Liter-Dieselmotor mit Garrett-Lader; BMW, Opel, VW und Mercedes setzen auf den ähnlichen R2S-Turbo von Borg Warner.

Turbolader werden kombiniert

Die aufwendigste Lösung liefert Borg Warner für den Sechszylinder des BMW 740d. Er kombiniert die zweistufige Aufladung mit einer kleinen VTG-Turbine, die schon kurz über Standgas ordentlich Druck aufbaut. Jaguar hingegen kehrt das Prinzip beim 3,0-Liter-V6-Diesel um, nutzt den großen VTG-Lader für Drehzahlen bis 2.800/min und schaltet erst dann den kleinen Lader dazu. Die Argumente: geringerer Abgasgegendruck und weniger Pumpverluste.  

Einen aufwendigen Sonderweg geht VW mit dem 160 PS starken Twincharger-Motor. Ein Roots-Kompressor sorgt für satten Schub ab Standgasdrehzahl - ein Bereich, in dem selbst VTG-Turbos schwächeln. Der Turbo greift bei steigender Drehzahl stufenlos ins Geschehen ein und übernimmt jenseits von 3.500/min den gesamten Job.  

Turbo für den Diesel ist längst Standard

Motoren ohne Aufladung werden schon bald zu einer aussterbenden Art gehören. Dieselmotoren mit Zwangsbeatmung sind längst Standard. Die Zukunft bei den Ottomotoren gehört den Direkteinspritzern mit Turbo-Aufladung - Kompressoren werden immer seltener - und Nockenwellenverstellung. Sie versprechen das maximale Potenzial fürs Downsizing, niedrigen Verbrauch und starke Leistungsentfaltung.

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