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Was ist Turboaufladung?

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

Autodesigner (seit der Entstehung dieses Berufes in der Welt) 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 Zyklus verbraucht wird. Je mehr Kraftstoff wir verbrennen, desto mehr Leistung. Und sagen wir, wir wollten das "Vieh von Pferden" unter der Haube vermehren - wie geht das? Hier erwarten uns Probleme.

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



Turboaufladung

Tatsache ist, dass die Verbrennung von Kraftstoff Sauerstoff erfordert. Es ist also nicht der Kraftstoff, der in den Zylindern verbrennt, sondern das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Es ist nicht notwendig, den Kraftstoff mit Luft in Augenschein zu nehmen, sondern in einem bestimmten Verhältnis. Beispielsweise werden bei Benzinmotoren 14 bis 15 Teile Luft für einen Teil des Kraftstoffs verwendet, abhängig von der Betriebsart, der Zusammensetzung des Kraftstoffs und anderen Faktoren.

Wie wir sehen können, wird ziemlich 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 selbstständig an. Die Abhängigkeit ist direkt - je größer das Zylindervolumen, desto mehr Sauerstoff wird in jedem Zyklus aufgenommen. Das taten auch die Amerikaner, die riesige Motoren mit atemberaubendem Kraftstoffverbrauch produzierten. Gibt es eine Möglichkeit, mehr Luft in dasselbe Volumen zu befördern?

Turboaufladung

Abgase aus dem Motor drehen den Rotor der Turbine, der seinerseits den Kompressor antreibt, der die komprimierte Luft in die Zylinder drückt. Zuvor tritt die Luft durch den Ladeluftkühler und kühlt ab - so können Sie ihre Dichte erhöhen.

Es gibt und zum ersten Mal von Herrn Gottlieb Wilhelm Daimler (Gottlieb Wilhelm Daimler) erfunden. Familienname? Trotzdem wird es im Namen DaimlerChrysler verwendet. Der Deutsche überlegte also sehr genau, wie er im Jahr 1885 mehr Luft in die Motoren treiben sollte. Er vermutete, dass er mit Hilfe eines Kompressors, einem Gebläse (Kompressor), der direkt von der Motorwelle gedreht und Druckluft in die Zylinder gepumpt hatte, Luft in die Zylinder pumpen konnte.

Der Schweizer Ingenieur-Erfinder Alfred Büchi (Alfred J. Büchi) ging noch einen Schritt weiter. Er war verantwortlich für die Entwicklung von Dieselmotoren bei Sulzer Brothers, und er mochte es nicht, dass die Motoren groß und schwer waren und die Leistung wenig entwickelte. Er wollte dem „Motor“ auch keine Energie entziehen, um den Antriebskompressor zu drehen. Deshalb ließ Herr Buchi 1905 die weltweit erste Einspritzvorrichtung patentieren, die Abgasenergie als Propeller verwendete. Einfach ausgedrückt, er hatte einen Turbolader.

Turboaufladung

Die Idee eines smarten Schweizers ist einfach und genial. Während der Wind die Flügel der Mühle dreht, drehen die Abgase auch das Rad mit Schaufeln. Der einzige Unterschied ist, dass das Rad sehr klein ist und es viele Klingen gibt. Ein Rad mit Schaufeln wird Turbinenrotor genannt und ist mit einem Verdichterrad auf einer Welle montiert. Herkömmlicherweise kann der Turbolader in zwei Teile geteilt werden - den Rotor und den Kompressor. Der Rotor wird von den Abgasen in Rotation versetzt, und der an ihn angeschlossene Kompressor, der als „Gebläse“ arbeitet, drückt zusätzliche Luft in die Zylinder. All diese kniffligen Konstruktionen werden Turbolader (vom lateinischen turbo - vortex und compressio - compression) oder Turbolader genannt.

Turboaufladung

In einem Turbomotor muss die Luft, die in die Zylinder gelangt, häufig weiter gekühlt werden. Dann kann der Druck erhöht werden, indem mehr Sauerstoff in den Zylinder geleitet wird. Schließlich ist das Komprimieren von kalter Luft (bereits im Zylinder des Motors) einfacher als heiß.

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

Je mehr Abgas in die Turbine gelangt, desto schneller dreht es sich und je mehr zusätzliche Luft in die Zylinder gelangt, desto höher ist die Leistung. Die Effektivität dieser Lösung im Vergleich zu beispielsweise einem angetriebenen Lader, bei dem ein beträchtlicher Teil der Motorkraft für die Selbstbedienung der Aufladung aufgewendet wird - nur 1,5%. Tatsache ist, dass der Turbinenrotor Energie aus den Abgasen erhält, nicht aufgrund ihrer Verlangsamung, sondern aufgrund ihrer Abkühlung - nach der Turbine sind die Abgase immer noch schnell, aber kälter. Darüber hinaus erhöht die mit Druckluft aufgewendete freie Energie den Wirkungsgrad des Motors. Und die Fähigkeit, mehr Leistung aus einem kleineren Arbeitsvolumen herauszuholen, bedeutet weniger Reibungsverluste, weniger Motorgewicht (und die Maschine insgesamt). All dies macht Turbofahrzeuge wirtschaftlicher als ihre atmosphärischen Pendants mit 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? Was einen Turbolader ausmacht, der so nicht schwachen Lasten lange standhält, ist sehr teuer und nicht einfach.

Turboaufladung

Aus diesen Gründen hat sich die Turboaufladung erst im Zweiten Weltkrieg und auch dann nur in der Luftfahrt verbreitet. In den 50er Jahren gelang es der amerikanischen Firma Caterpillar, sie an ihre Traktoren anzupassen, und die Handwerker von Cummins entwarfen die ersten Turbodieselmotoren für ihre Lastwagen. Bei serienmäßigen Personenkraftwagen erschien später ein Turbo. Es geschah 1962, als Oldsmobile Jetfire und Chevrolet Corvair Monza fast gleichzeitig das Licht erblickten.

Die Komplexität und die hohen Baukosten sind jedoch nicht die einzigen Nachteile. Tatsache ist, dass der Wirkungsgrad der Turbine stark von der Motordrehzahl abhängt. Bei niedrigen Drehzahlen ist das Abgas niedrig, der Rotor dreht sich leicht und der Kompressor bläst fast keine zusätzliche Luft in die Zylinder. Daher kommt es vor, dass bis zu dreitausend Umdrehungen pro Minute der Motor überhaupt nicht zieht und erst dann, nach vier oder fünf Tausenden, „schießt“. Dieser Teerlöffel wird Turboklumpen genannt. Und je größer die Turbine, desto länger wird sie sich abwickeln. Motoren mit sehr hoher Leistungsdichte und Hochdruckturbinen leiden daher in der Regel zuerst unter Turbojam. Bei Niederdruckturbinen gibt es fast keine Ausfälle, aber sie erhöhen die Leistung nicht zu stark.

Es gibt anspruchsvollere Designs. Beispielsweise haben Ingenieure zwei Turbinen am Motor installiert, nicht eine. Einer arbeitet bei niedrigen Motordrehzahlen und erzeugt Heißhunger auf den "Unterteilen", der zweite wird später eingeschaltet. Diese Lösung wurde Twin-Turbo genannt und erlaubte es, zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen - sowohl die Turbolagune als auch das Problem des Energiemangels. Ende des letzten Jahrhunderts erfreuten sich Autos mit sequentiellem Turbinenanschluss einiger Beliebtheit: Sie wurden von Nissan, Toyota, Mazda und sogar von Porsche hergestellt. Aufgrund der Komplexität des Designs war das Alter solcher Geräte jedoch nur von kurzer Dauer, und andere Ideen wurden populär.

Zum Beispiel paralleles Aufladen oder Biturbo. Das heißt, anstelle einer Turbine werden zwei kleine identische Turbinen eingesetzt, die unabhängig voneinander arbeiten. Die Idee lautet wie folgt: Je kleiner die Turbine ist, desto schneller dreht sie sich, desto reaktionsschneller reagiert der Motor. In der Regel wurden zwei kleine Turbinen auf V-förmigen Motoren installiert, eine für jede "Hälfte".

Eine weitere Option - die Turbine 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 versorgen eine Turbine mit Gas und drehen es sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen.

Turboaufladung

Dabei haben sich die Designer nicht beruhigt. Natürlich ist es viel einfacher, mit einer Turbine umzugehen, als zwei Turbinen zu umzäunen. Es ist lediglich erforderlich, dass die Turbine über den gesamten Drehzahlbereich gleich effektiv arbeitet. So entstanden Turbinen mit variabler Geometrie. Hier beginnt der Spaß. Je nach Drehzahl werden spezielle Flügel gedreht und die Form der Düse variiert. Das Ergebnis ist eine „Superturbine“, die im gesamten Drehzahlbereich gut funktioniert. Diese Ideen sind seit mehr als einem Jahrzehnt in der Luft, wurden aber erst vor relativ kurzer Zeit umgesetzt. Und bei Dieselmotoren tauchten zunächst Turbinen mit variabler Geometrie auf, der Vorteil ist, dass die Temperatur der Gase dort viel geringer ist. Und von den Benzinern probierte man zunächst eine solche Porsche 911 Turbo Turbine an.

Turboaufladung

Das Design des Turbomotors wurde lange in Erinnerung gerufen, und in letzter Zeit hat ihre Beliebtheit dramatisch zugenommen. Darüber hinaus erwiesen sich die Turbolader nicht nur hinsichtlich der Beschleunigung der Motoren als vielversprechend, sondern auch hinsichtlich der Verbesserung der Effizienz und der Sauberkeit des Abgases. Dies gilt insbesondere für Dieselmotoren. Seltener Diesel trägt heute nicht das Präfix "Turbo". Nun, 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 Tag "Turbo".