Turbolader
Ein Turbolader oder auch Turbo genannt, ist ein Aufladesystem , das eine Zentrifugalturbine verwendet, um über eine koaxiale Welle damit ein Verdichterrad anzutreiben, um Gase zu komprimieren . Diese Art von System wird normalerweise in alternativen Verbrennungsmotoren verwendet , sowohl in Diesel- als auch in Benzinmotoren.
In einigen Ländern hängt die Steuerbelastung von Autos vom Hubraum ab . Da ein aufgeladener Motor eine höhere Spitzenleistung hat als ein anderer mit gleichem Hubraum, würde ein aufgeladenes Modell weniger Steuern zahlen als ein nicht aufgeladener Motor mit der gleichen Leistung. [ Zitieren erforderlich ] .
Chronologie
- Am 17. Dezember 1902 patentierte Louis Renault den Turbolader.
- 1936 gründete Cliff Garrett die Garrett Corporation in Kalifornien , USA . [ 1 ]
- 1940 wird die Turbotechnologie in Schiffs-, Industrie- und Lokomotivanlagen eingesetzt .
- 1953 testet Caterpillar den ersten von der Firma Garrett entwickelten Turbolader.
- 1962 das erste in den USA hergestellte Serienauto mit einem Werksturbolader (der Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket ).
- 1966 kommen beim Indianapolis 500 erstmals Turbomotoren zum Einsatz .
- 1977 werden zum ersten Mal Turbomotoren in der Formel 1 eingesetzt , die vom Renault -Team eingeführt wurden . Der erste Sieg für einen Turbomotor war zwei Jahre später. Sie wurden 1989 per Verordnung verboten und 2014 wieder eingeführt.
- Im Jahr 2003 brachte Ford den Benzinmotor Focus RS mit einem Turbomotor auf den Markt. Caterpillar setzt Garrett Turbos in Serie für seine Trucks mit ACERT-Motoren ein. [ 2 ]
Betrieb
Bei durch dieses System aufgeladenen Motoren besteht der Turbolader aus einer Turbine , die von den Abgasen des Verbrennungsmotors angetrieben wird, auf deren Achse ein Zentrifugalkompressor befestigt ist , der Luft mit atmosphärischem Druck annimmt, nachdem er den Luftfilter passiert und komprimiert hat, um sie einzuleiten die Zylinder bei höherem Druck als atmosphärisch .
Die Abgase treffen radial auf die Turbine und treten axial aus, nachdem sie einen großen Teil ihrer inneren Energie (mechanisch + thermisch) auf sie übertragen haben.
Die Luft tritt axial in den Kompressor ein und tritt radial aus, mit der negativen Nebenwirkung einer mehr oder weniger starken Temperaturerhöhung. Diesem Effekt wird durch einen Ladeluftkühler weitgehend entgegengewirkt .
Diese Druckerhöhung schafft es, eine größere Menge an Sauerstoff (Masse) in den Zylinder einzubringen als die normale Masse, die der Zylinder bei atmosphärischem Druck ansaugen würde, wodurch bei jedem Nutzhub (Expansionshub) mehr Drehmoment und damit mehr Leistung als bei einem Saugmotor erzielt wird Motor gleichen Hubraums und mit einer Verbrauchssteigerung proportional zur Luftmassenzunahme des Ottomotors. Bei Dieselmotoren ist die Luftmasse nicht proportional zum Kraftstoffdurchfluss, es tritt immer überschüssige Luft ein, da die Kraftstoffzufuhr zum Zylinder durch Einspritzung erfolgt. Aus diesem Grund hat dieser Motortyp seine maximale Anwendung gefunden ( Turbodieselmotor ) . .
Die kleinsten und niedrigsten Ladedruck-Turbolader üben einen maximalen Druck von 0,25 bar (3,625 PSI) aus, während die größten 1,5 bar (21,75 PSI) erreichen. Bei Wettbewerbsmotoren werden je nach Benzin- oder Dieselmotor Drücke von 3 und 8 bar erreicht .
Da die zum Komprimieren der Ansaugluft verwendete Energie aus den Abgasen stammt, die bei einem Saugmotor verschwendet würde, beeinträchtigt sie weder die Leistung des Motors, wenn der Turbolader arbeitet, noch verursacht sie Verluste außerhalb des Arbeitsbereichs des Turbos. im Gegensatz zu anderen Ansaugkompressoren, wie z. B. Systemen mit einem mechanischen (volumetrischen) Kompressor, bei denen der Kompressor von einer mit der Kurbelwelle verbundenen Riemenscheibe angetrieben wird . [ 3 ]
Betrieb an verschiedenen Motortypen
Diesel
Bei Dieselmotoren ist der Turbolader weiter verbreitet, weil ein Dieselmotor einerseits mit Luftüberschuss arbeitet, da es keine Drossel gibt; Das bedeutet, dass bei gleichem Hubraum und gleicher Motordrehzahl (3.000 U/min bis 5.000 U/min) deutlich mehr Luft in einen Dieselzylinder gelangt.
Andererseits, und das ist das Wichtigste, sind die Drücke, die am Ende des Verdichtungstaktes und besonders während des Arbeitstaktes erreicht werden, viel höher (40 bis 80 bar) als beim Ottomotor (Ottomotor) (15 -25 bar). Dieser hohe Druck, der erforderlich ist, um die für die Selbstzündung oder Selbstzündung von Diesel erforderliche hohe Temperatur zu erreichen , ist der Grund dafür, dass die Kraft der Abgase bei gleicher Drehzahl, Hubraum und Last, die für den Motor erforderlich ist, viel größer ist ... bei Diesel als bei Benzin.
Benzin
In jüngster Zeit hat sich das Aufladen in Benzinmotoren als eine Technik weiter verbreitet, um Motoren mit kleinem Hubraum auszunutzen. Dies, um die Leistung nicht durch die Anforderungen des geringeren Verbrauchs zu reduzieren. Der Betrieb ist fast immer ähnlich dem von Dieselmotoren, jedoch spielt hier die Aufladung eine sehr wichtige Rolle, da sie mengengenau mit Fehlergrenzen von +/- 0,50 cm/3 erfolgen muss, da in diesem Fall eine Drosselklappe im Luftansaugkrümmer muss das Verhältnis von Luft und Kraftstoff im Einspritzsystem reguliert sowie der Wert des Verdichtungsverhältnisses berechnet werden, um die Leistung zu maximieren und den Verbrauch zu verbessern. Indirekt können diese Motoren ohne nennenswerten Leistungsverlust in größeren Höhen betrieben werden.
Ebenso ist es aufgrund seiner Verzögerung (Turboloch) erforderlich, den Moment der Betätigung des Turbokompressors zu kalibrieren. Im Allgemeinen tritt dies auf, weil seine Leistung von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Abgase ausgestoßen werden, die wiederum von der Drehzahl desselben Motors abhängen, fast immer wird er im mittleren Bereich (von 3000 bis 5000 U / min) eine optimale Leistung haben Dies wiederum hängt auch von seinem Blasdruck ab, der bei gewöhnlichen Autos fast immer in wenigen Bar oder psi kalibriert ist, während sie bei Wettbewerbsfahrzeugen aufgrund höherer Anforderungen, die variieren können, immer auf mehr PSI oder Bar angewiesen sind. Zum Beispiel müssen sich Rallye- Autos manchmal auf Drosselplatten am Turbo selbst verlassen, um eine konstante Leistungszahl aufrechtzuerhalten, sowie auf spezielle Mechanismen, die den gleichen Turbo ungeachtet des Leerlaufs oder des Gaswegs drehen lassen, damit er die erforderliche Leistung hat in PS und in Torque (Drehmoment), was wiederum diese auffälligen Aufflackern und Explosionen derselben Fahrzeuge sowie ihren charakteristischen Motorton verursacht.
Sein Betrieb wird mit einem scharfen Pfeifen wahrgenommen, das darauf hinweist, dass sich der gleiche Hauptteil entsprechend der Geschwindigkeit der Abgase dreht, wiederum kann bei einigen Motoren beim Beschleunigen ein Zischen ähnlich dem der Druckluftbremsen unterschieden werden LKW, Hinweis darauf, dass der Turbo entsprechend dem Leerlauf des Motors zu einer langsamen Drehung zurückkehrt.
Zu den ersten Marken, die zu Beginn des 21. Jahrhunderts häufiger Turbolader in kleinvolumigen Motoren einsetzten, gehörten die des Volkswagen Konzerns, später entwickelten sie Systeme, die die Kombination aus Kraftstoff-Schichtladung und wiederum eine Kombination aus Turbolader realisieren sollten und Kompressor, der es ermöglicht, eine relativ hohe Leistung zu erzielen, ohne den Kraftstoffverbrauch zu beeinträchtigen, da der zweite am Anfang arbeiten kann, da er vom selben Motor angetrieben wird.
In der Folge schlossen sich weitere Automobilmarken dem Konzept an, darunter Ford, die für die meisten ihrer Motoren, sowohl große als auch kleine, und in fast allen ihren Modellen die sogenannten Ecoboost-Motoren entwickelten, dies mit dem gleichen Ziel, mehr Leistung zu erhalten, ohne Geld auszugeben mehr Kraftstoff als nötig bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen.
Ladeluftkühler
Die komprimierte Luft erwärmt sich und verliert an Dichte ; Das heißt, bei gleichem Volumen haben wir weniger Luftmasse, sodass weniger Kraftstoff verbrannt werden kann und folglich weniger Strom erzeugt wird. Zudem steigt mit steigender Ansaugtemperatur die Gefahr von Klopfen, Klopfen oder Selbstentzündung und die Lebensdauer vieler Bauteile sinkt durch Übertemperatur und Überbeanspruchung der Thermogruppe.
Um dieses Problem zu reduzieren, wird zwischen dem Turbolader und dem Einlass ein „Wärmetauscher“ oder „Ladeluftkühler“ platziert. Dieses System reduziert die Temperatur der Luft und erhöht dadurch ihre Dichte, die in die Brennkammer eingeführt wird.
Auf der negativen Seite verursachen Wärmetauscher einen Druckabfall und verringern so die Dichte der Luft, obwohl es in vielen Fällen notwendig ist, einen zu installieren, um eine Detonation oder Selbstentzündung zu verhindern.
- Es gibt drei Arten von Ladeluftkühlern:
- Luft/Luft: In diesen tauscht die Druckluft ihre Wärme mit Außenluft aus.
- Luft/Wasser: Druckluft tauscht ihre Wärme mit einer Flüssigkeit aus, die durch einen Kühler gekühlt werden kann, oder bei einigen Anwendungen mit Eis in einem Tank im Auto .
- Kryogen: Das Gemisch wird durch die Verdampfung eines Gases an einem Luft/Luft-Austauscher gekühlt.
Reaktionszeit des Turbos ( Turboloch )
Motoren mit Turbolader leiden unter einer um 50 % größeren Verzögerung der Turboansprechzeit (umgangssprachlich als „ Turbolag “ bezeichnet) bei der Leistungsbereitstellung als atmosphärische Motoren (NA-Sauger oder Natursauger) oder mit einem mechanischen Kompressor, da die Leistung der Turbolader hängt vom Druck ab, der von ihm ausgeübt wird. Diese Verzögerung wird durch die Trägheit der Gruppe (Durchmesser und Gewicht) und das Volumen des Kollektors zwischen der Turbine und dem Abgasauslass des Zylinders beeinflusst.
Ein Turbolader arbeitet bei unterschiedlichen Motordrehzahlen nicht gleich. Bei niedrigen Drehzahlen übt der Turbolader keinen Druck aus, da die geringe Gasmenge nicht stark genug drückt, um eine erhebliche Trägheit zu erzeugen, die als Reaktion des Turboladers zählt. Ein kleinerer Turbolader vermeidet Verzögerungen im Ansprechverhalten, übt aber bei hohen Drehzahlen weniger Kraft aus. Verschiedene Motorhersteller haben Lösungen für dieses Problem entwickelt.
- Ein „ Twin Turbo “: ist ein System mit zwei Turboladern unterschiedlicher Größe. Bei niedrigen Drehzahlen arbeitet nur der Kleine wegen seiner schnelleren Reaktion und der Große nur bei hohen Drehzahlen, da er mehr Druck ausübt.
- Ein „ Parallel-Twin-Turbo “ – ist ein System mit zwei kleinen Turboladern gleicher Größe. Da sie wie ein einzelner Turbolader kleiner sind, haben sie eine geringere Rotationsträgheit, sodass sie bei niedrigeren Drehzahlen beginnen, Druck aufzubauen, und die Ansprechverzögerung verringert wird.
- Ein " asymmetrischer Turbolader " besteht darin, einen einzelnen kleinen Turbolader auf einer Bank (dem vorderen beim quer eingebauten V6-Motor) zu platzieren und die andere frei zu lassen. Die Idee ist nicht, eine große Kraft zu bekommen, sondern dass die Reaktion schnell ist. Dieses System wurde vom schwedischen Hersteller Saab erfunden und im Saab 9-5 V6 eingesetzt.
- Ein „ sequentieller Twin -Turbo “ – besteht aus zwei identischen Turboladern. Bei einem geringen Abgasvolumen wird dieses gesamte Volumen zu einem Turbolader geleitet, und wenn dieses Volumen zunimmt, wird es zwischen den beiden Turboladern verteilt, um eine höhere Leistung und eine kürzere Reaktionszeit zu erreichen. Dieses System kommt im Wankelmotor des Mazda RX-7 zum Einsatz .
- Ein „ Turbolader mit variabler Geometrie “ ( VTG ): besteht aus einem Turbolader, der einen Mechanismus aus „Lamellen“ hat, die sich bewegende Schaufeln genannt werden und sich öffnen und schließen, indem sie die Geschwindigkeit der Abgase beim Eintritt in die Turbine variieren. Bei einem geringeren Abgasstrom (niedrige Drehzahl) wird der Durchgang zwischen den Schaufeln geschlossen, wodurch die Gase ihre Geschwindigkeit beim Eintritt in die Turbine erhöhen; Bei höherem Durchfluss (hohen Umdrehungen) brauchen wir mehr Durchgang und diese öffnen sich. Dies ermöglicht uns einen sehr linearen Arbeitsdruck über das gesamte Arbeitsregime des Turboladers. Bei Dieselmotoren ist es sehr verbreitet, aber bei Benzinmotoren hat nur Porsche im Porsche 911 Turbo-Modell (2007) einen Turbo entwickelt, der mehr als 1000 °C unterstützt .
Auch Mazda hat einen Prototyp eines elektrischen Turbos. [ 4 ] Das elektrische System des Autos kann dem Motor bei hohen Drehzahlen nicht genug Strom liefern, aber es kann bei niedrigen Drehzahlen; Somit ergänzen sich beide. Bei niedriger Last und Drehzahl ermöglicht die elektrische Unterstützung einen schnellen Druckaufbau und die Turbine kann dann die volle Leistung zur Verdichtung der Luft liefern. Dieses System spart viel mehr Energie als die Kombination mit einem motorbetriebenen mechanischen Kompressor.
Fiat Auto, SPA, ehemals Fiat Group Automobiles (FGA), schuf und entwickelte das mechanische Turbo- und Kompressorsystem in den 1980er Jahren. Das Fahrzeug, in dem es entwickelt und implementiert wurde, war der Lancia Delta (MKI), der zwischen den Jahren 1985 und 1990 hergestellt wurde. Das Erreichen seiner maximalen Exponenten und Entwicklung im Lancia Delta Integrale WRC.
Overboost
Als Overboost [ 5 ] wird der Zeitraum bezeichnet, in dem das System bei Volllast einen höheren Ladedruck als normal erzeugt, um das Motordrehmoment zu erhöhen .
Derzeit kann dieses System mit der entsprechenden elektronischen Steuerung verschiedene Anwendungen berücksichtigen.
Evolution des Turboladers
Die Philosophie der Anwendung von Turboladern hat sich geändert: von der Priorisierung der Leistung bei hohen Drehzahlen hin zur Priorisierung, dass das Auto während des gesamten Rotationsbereichs der Nutzung gut reagiert.
Das sogenannte Waste-Gate- Ventil verhindert motorschädigende Überdrücke. Das Waste-Gate oder Auslassventil ist dasjenige, das die Menge der Abgase reguliert, die aus der Turbo-Auspuffschnecke direkt zum Auspuff des Fahrzeugs austreten, indem das Ventil geöffnet wird. Je mehr Gase austreten, desto geringer ist der Druck des Turbos Bei geschlossenem Ventil wird der maximale Druck des Turbos erreicht, da alle Abgase die Schnecke passieren.
Das Auslassventil (auf Englisch auch „ dump valve “ oder „ blow off “ genannt) öffnet ein Leck im Einlasskanal, wenn die Beschleunigung gestoppt wird, damit der Druck, der durch die enorme Trägheit des Turbos erzeugt wird, diese Kanäle nicht sättigt und dies verhindert Zeit die plötzliche Verzögerung der Turbine, wodurch ihre Lebensdauer verlängert wird.
Derzeit haben wir mehrere Aufladesysteme.
- Monoturbo-Systeme mit fester Geometrie, Monoturbo-Systeme mit variabler Geometrie (gesteuert durch ein Vakuum oder einen elektronischen Aktuator).
- Biturbo-Systeme, sequentiell (ein großer und ein kleiner).
- Twin-Turbo-Systeme parallel (beide gleich groß).
- Triturbo-Systeme mit verschiedenen Konfigurationen.
- Audi 3.0 TDI und BMW 3.0 Dieselmotoren.
- Tetra-Turbo-Systeme. Es wird derzeit von BMW in seinen M50D-Dieselmodellen mit 3000 ccm Hubraum und 400 PS verbaut.
Bemerkenswert ist auch das Hybrid-Turbosystem, um die Leistung des Fahrzeugs ohne Anpassungen zu steigern. Dies sind intern verbesserte Turbos über dem Seriengehäuse, um eine bessere Leistung als der Serienturbo zu erzielen. Es ist ein seit 2015 von ATC in Spanien patentiertes Produkt und für praktisch alle Fahrzeuge mit Kompressormotor erhältlich.
Kühlung
Normalerweise wird der Turbolader meist mit einem eigenen Ölsystem gekühlt , das bei laufendem Motor zirkuliert. Wenn der Motor nach intensivem Gebrauch abrupt abgestellt wird und der Turbolader sehr heiß ist, stagniert das Öl, das die Lager des Turboladers kühlt, und seine Temperatur steigt, was zu verkohlen beginnen kann, was seine Schmierfähigkeit verringert und die Lebensdauer des Turboladers verkürzt Leben.
Der Turbotimer ist ein System, das das Öl im Turbolader für eine gewisse Zeit nach dem Abstellen des Motors zirkulieren lässt. Einige Modelle arbeiten mit Sensoren, die die Intensität bei der Verwendung des Turboladers erkennen, um eine Zwangsschmierung desselben für eine angemessene Zeit nach dem Abstellen des Motors zu ermöglichen.
Vorteile der Verwendung eines Turboladers
- Damit kann die Leistung eines Motors um 50 % gesteigert werden, ohne dass größere Änderungen vorgenommen werden müssen.
- Es trägt zur Energierückgewinnung bei, da es die Abgase des Motors als Antriebsmedium nutzt.
- Es fügt dem Motor wenig Masse und Gewicht hinzu, sodass er ohne größere externe Modifikationen in ein vorhandenes Fahrzeug eingebaut werden kann.
- Da es vom Druck zwischen den Abgasen und der Umgebung abhängt , passt es sich in jeder Höhe über dem Meeresspiegel selbst an.
- Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden (wodurch mehr Energie pro Liter Kraftstoff gewonnen wird).
Referenzen
- ^ "Unsere Geschichte" .
- ^ "Geschichte des Turboladers" . Blogs/Neuigkeiten teilen . 2020.
- ^ Gomez, José Luis (2020). «Turbolader: Wie funktioniert er und welche Komponenten hat er?» . Motor Journal .
- ↑ 2010 Mazda RX-7 Bewertung und Preise .
- ↑ Überladung .
