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Was ist Turboaufladung?

Zweifellos bemerkte jeder von uns mindestens einmal in seinem Leben ein „Turbo“ -Namensschild an einem normal aussehenden Auto. Hersteller bauen diese Typenschilder absichtlich klein und platzieren sie an unauffälligen Stellen, damit ein nicht eingeweihter Passant sie nicht bemerkt und vorbeigeht. Und eine verständnisvolle Person wird mit Sicherheit anhalten und sich für ein Auto interessieren. Das Folgende ist eine Zusammenfassung der Gründe für dieses Verhalten.

Autodesigner (seit der Geburt dieses Berufes) befassen sich ständig mit dem Problem der Leistungssteigerung von Motoren. Die Gesetze der Physik besagen, dass die Motorleistung direkt von der Kraftstoffmenge abhängt, die pro Arbeitszyklus verbraucht wird. Je mehr Kraftstoff wir verbrennen, desto mehr Leistung. Und sagen wir, wir wollten die "Anzahl der Pferde" unter der Haube erhöhen - wie geht das? Hier erwarten uns die Probleme.

Der Turbolader besteht aus zwei „Schnecken“ - Abgase strömen durch eine und die zweite „pumpt“ Luft in die Zylinder.



Turboaufladung

Tatsache ist, dass Sauerstoff für die Verbrennung von Kraftstoff benötigt wird. In den Zylindern wird also kein Kraftstoff verbrannt, sondern das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Mischen Sie Kraftstoff nicht mit dem Auge, sondern in einem bestimmten Verhältnis mit Luft. Beispielsweise werden bei Benzinmotoren 14 bis 15 Teile Luft für einen Teil des Kraftstoffs verwendet - abhängig von der Betriebsart, der Kraftstoffzusammensetzung und anderen Faktoren.

Wie wir sehen können, wird viel Luft benötigt. Wenn wir die Kraftstoffzufuhr erhöhen (dies ist kein Problem), müssen wir auch die Luftzufuhr erheblich erhöhen. Herkömmliche Motoren saugen es aufgrund des Druckunterschieds im Zylinder und in der Atmosphäre von selbst an. Die Abhängigkeit ist unkompliziert - je größer das Volumen des Zylinders ist, desto mehr Sauerstoff gelangt bei jedem Zyklus hinein. So machten es die Amerikaner, indem sie riesige Motoren mit atemberaubendem Kraftstoffverbrauch abgaben. Gibt es eine Möglichkeit, mehr Luft in dasselbe Volumen zu befördern?

Turboaufladung

Die Abgase des Motors drehen den Turbinenrotor, der wiederum den Kompressor antreibt, der die Druckluft in die Zylinder pumpt. Zuvor wird die Luft durch den Ladeluftkühler geleitet und gekühlt, sodass Sie ihre Dichte erhöhen können.

Es gibt und zum ersten Mal wurde es von Herrn Gottlieb Wilhelm Daimler (Gottlieb Wilhelm Daimler) erfunden. Familienname? Trotzdem ist sie es, die im Namen DaimlerChrysler verwendet wird. Der Deutsche hatte also ein gutes Gespür für Motoren und fand 1885 heraus, wie er mehr Luft in die Motoren treiben kann. Er vermutete, dass er mit Hilfe eines Kompressors, einem Lüfter (Kompressor), der die Rotation direkt von der Motorwelle erhielt und Druckluft in die Zylinder pumpte, Luft in die Zylinder pumpte.

Der Schweizer Erfinder Alfred J. Büchi ging noch einen Schritt weiter. Er leitete die Entwicklung von Dieselmotoren bei Sulzer Brothers und mochte es nicht, dass die Motoren groß und schwer waren und wenig Leistung entwickelten. Er wollte dem „Motor“ auch keine Energie entziehen, um den Antriebskompressor zu drehen. Deshalb ließ Herr Buchi 1905 die weltweit erste Einspritzvorrichtung patentieren, die die Energie von Abgasen als Antriebsvorrichtung nutzte. Einfach ausgedrückt, er hatte einen Turbolader.

Turboaufladung

Die Idee eines smarten Schweizers ist einfach, wie alle Genialen. Während der Wind die Flügel der Mühle dreht, drehen die Abgase das Rad mit den Schaufeln. Der einzige Unterschied ist, dass das Rad sehr klein ist und es viele Klingen gibt. Das Laufrad mit Schaufeln wird Turbinenrotor genannt und ist mit dem Verdichterrad auf einer Welle montiert. So kann ein Turbolader bedingt in zwei Teile geteilt werden - einen Rotor und einen Kompressor. Der Rotor wird von den Abgasen in Rotation versetzt, und der als „Lüfter“ angeschlossene Kompressor pumpt zusätzliche Luft in die Zylinder. All dieses geniale Design wird Turbolader (von den lateinischen Wörtern Turbo - Vortex und Compressio - Compression) oder Turbolader genannt.

Turboaufladung

In einem Turbomotor muss die Luft, die in die Zylinder gelangt, häufig zusätzlich gekühlt werden. Dann kann der Druck erhöht werden, indem mehr Sauerstoff in den Zylinder geleitet wird. In der Tat ist es einfacher, kalte Luft (bereits im Motorzylinder) zu komprimieren als heiße.

Die Luft, die durch die Turbine strömt, wird durch Kompression sowie von Teilen eines Turboladers erwärmt, die durch Abgase erwärmt werden. Die dem Motor zugeführte Luft wird mit einem sogenannten Ladeluftkühler (Intercooler) gekühlt. Dies ist ein Kühler, der auf dem Luftweg vom Kompressor zu den Motorzylindern montiert ist. Auf dem Weg dorthin gibt er seine Wärme an die Atmosphäre ab. Eine kalte Luft ist dichter - was bedeutet, dass sie noch stärker in den Zylinder hineingetrieben werden kann.

Je mehr Abgase in die Turbine gelangen, desto schneller dreht sie sich und je mehr zusätzliche Luft in die Zylinder gelangt, desto höher ist die Leistung. Die Effektivität dieser Lösung im Vergleich zu beispielsweise einem Antriebskompressor besteht darin, dass nur sehr wenig Motorkraft für die „Selbstwartung“ des Ladedrucks aufgewendet wird - nur 1,5%. Fakt ist, dass der Turbinenrotor nicht aufgrund seiner Verzögerung, sondern aufgrund seiner Abkühlung Energie aus den Abgasen bezieht - nach der Turbine bewegen sich die Abgase weiterhin schnell, sind aber kälter. Darüber hinaus erhöht die für die Luftkompression aufgewendete Energie den Motorwirkungsgrad. Und die Fähigkeit, mehr Leistung aus einem kleineren Arbeitsvolumen herauszuholen, bedeutet weniger Reibungsverlust, weniger Gewicht des Motors (und der Maschine insgesamt). All dies macht turbogeladene Autos wirtschaftlicher im Vergleich zu ihren atmosphärischen Gegenstücken gleicher Leistung. Es scheint, hier ist es Glück. Aber nein, nicht so einfach. Die Probleme haben gerade erst begonnen.

Turboaufladung

Erstens kann die Drehzahl der Turbine 200.000 Umdrehungen pro Minute erreichen, zweitens erreicht die Temperatur der heißen Gase, stellen Sie sich 1000 ° C vor! Was bedeutet das alles? Es ist sehr teuer und schwierig, einen Turbolader herzustellen, der solch schwachen Belastungen für lange Zeit standhält.

Turboaufladung

Aus diesen Gründen war die Aufladung nur während des Zweiten Weltkriegs und auch dann nur in der Luftfahrt weit verbreitet. In den 50er Jahren konnte das amerikanische Unternehmen Caterpillar es an seine Traktoren anpassen, und die Handwerker von Cummins entwarfen die ersten Turbodiesel für ihre Lastwagen. Bei serienmäßigen Personenkraftwagen tauchten Turbomotoren erst später auf. Dies geschah 1962, als Oldsmobile Jetfire und Chevrolet Corvair Monza fast gleichzeitig das Licht der Welt erblickten.

Die Komplexität und die hohen Kosten des Designs sind jedoch nicht die einzigen Nachteile. Tatsache ist, dass die Leistung der Turbine stark von der Motordrehzahl abhängt. Bei niedrigen Drehzahlen gibt es wenig Abgas, der Rotor dreht sich leicht und der Kompressor bläst fast keine zusätzliche Luft in die Zylinder. Daher kommt es vor, dass der Motor bis zu dreitausend Umdrehungen pro Minute überhaupt nicht zieht und erst dann, nach vier bis fünftausend, „schießt“. Diese Fliege in der Salbe heißt turboyama. Außerdem dreht sich die Turbine umso länger, je größer sie ist. Daher leiden Motoren mit sehr hoher spezifischer Leistung und Hochdruckturbinen in der Regel in erster Linie unter einem Turbojam. Bei Turbinen, die einen niedrigen Druck erzeugen, gibt es fast keine Luftzugausfälle, aber sie erhöhen die Leistung auch nicht sehr.

Es gibt anspruchsvollere Designs. Zum Beispiel hatten die Ingenieure die Idee, nicht nur eine, sondern zwei Turbinen an einem Motor zu installieren. Einer arbeitet bei niedrigen Motordrehzahlen und sorgt für Traktion am „Boden“, der zweite wird später eingeschaltet. Diese Lösung wurde Twin-Turbo genannt und erlaubte es, zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen - sowohl den Turbojama als auch das Problem des Kraftmangels. Ende des letzten Jahrhunderts erfreuten sich Autos mit seriellem Turbinenanschluss einiger Beliebtheit. Sie wurden von Nissan, Toyota, Mazda und sogar von Porsche hergestellt. Aufgrund der Komplexität des Designs der Augenlider solcher Geräte war es jedoch nur von kurzer Dauer, und andere Ideen verbreiteten sich.

Zum Beispiel parallele Turboaufladung oder Biturbo. Das heißt, anstelle einer Turbine werden zwei kleine identische Turbinen installiert, die unabhängig voneinander arbeiten. Die Idee ist folgende: Je kleiner die Turbine ist, desto schneller dreht sie sich, desto „reaktionsschneller“ ist der Motor. In der Regel wurden zwei kleine Turbinen an V-Motoren angebracht, eine für jede Hälfte.

Eine andere Option sind Turbinen mit zwei "Schnecken" oder Twin-Scroll. Einer von ihnen (etwas größer) empfängt Abgase von einer Hälfte der Motorzylinder, der zweite (etwas kleiner) - von der zweiten Hälfte der Zylinder. Beide liefern Gase an eine Turbine und drehen sie effektiv bei niedrigen und hohen Drehzahlen.

Turboaufladung

Aber auch hier haben sich die Designer nicht beruhigt. Natürlich ist es viel einfacher, eine zu verwalten, als zwei Turbinen zu fechten. Es ist nur erforderlich, dass die Turbine über den gesamten Drehzahlbereich gleich effektiv arbeitet. Es gab also Turbinen mit variabler Geometrie. Hier beginnt der Spaß. Je nach Drehzahl werden Spezialklingen gedreht und die Form der Düse variiert. Das Ergebnis ist eine „Superturbine“, die über den gesamten Drehzahlbereich gut funktioniert. Diese Ideen sind seit Jahrzehnten in der Luft, konnten aber erst vor relativ kurzer Zeit verwirklicht werden. Darüber hinaus tauchten Turbinen mit variabler Geometrie zum ersten Mal bei Dieselmotoren auf, zum Glück ist die Gastemperatur dort viel niedriger. Und von Benzinern probierte der erste einen Porsche 911 Turbo an.

Turboaufladung

Das Design von Turbomotoren ist seit langem in Erinnerung geblieben, und in letzter Zeit hat ihre Beliebtheit dramatisch zugenommen. Darüber hinaus erwiesen sich Turbolader als vielversprechend, nicht nur im Sinne einer Aufladung der Motoren, sondern auch hinsichtlich der Verbesserung der Effizienz und Reinheit des Abgases. Dies gilt insbesondere für Dieselmotoren. Seltener Diesel trägt heute nicht das Präfix "Turbo". Der Einbau einer Turbine in Benzinmotoren ermöglicht es Ihnen, ein normal aussehendes Auto in ein echtes "Feuerzeug" zu verwandeln. Der mit einem kleinen, kaum wahrnehmbaren Typenschild "Turbo".