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Eine kleine Geschichte des Turboladers

von Holger Reiff         [Fotos: Volvo)

Die Geschichte der aufgeladenen Motoren ist fast so alt wie die der Verbrennungsmotoren selbst. Waren es anfangs noch mechanische Lader, so begann in den 1950er Jahren der Siegeszug des Abgasturboladers — zuerst in den Lkw von Volvo. Heute ist die zwangsweise Versorgung des Motors mit Luft für die Verbrennung aus dem Motorenbau nicht mehr wegzudenken.

Motor-Volvo-L-395-Titan-19591 in Eine kleine Geschichte des Turboladers

Schon zu Beginn des Baus von Verbrennungsmotoren ab 1879 gab es Überlegungen, die damals recht bescheidene Leistungsausbeute zu erhöhen. Durch die beschränkte Drehzahl und die kleinen Ventilquerschnitte konnte man mehr Leistung nur durch größere Hubräume erzielen. Deren Nachteile liegen aber auf der Hand: Hohes Gewicht und großer Kraftstoffverbrauch ließen große Motoren für den Automobilbau denkbar ungeeignet erscheinen. Da kam die 1905 patentierte Erfindung des Schweizer Ingenieurs Alfred Büchi gerade recht: Er hatte einen Verbundmotor entwickelt, bei dem die Luft mittels eines Verdichters in den Verbrennungsraum gedrückt wird, um dort für eine bessere Ausbeute des zugegebenen Benzins zu sorgen.

Motorabgase treiben Turbine und Verdichter an

Das Prinzip des Turboladers ist ganz simpel: Auf einer gemeinsamen Welle rotieren ein Turbinen- und ein Verdichterrad. Die Turbine nutzt die Energie der Abgase, der Verdichter komprimiert die Verbrennungsluft auf zwei bis maximal drei Bar, womit mehr Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht. Die Verdichtungsarbeit kostet keine zusätzliche Energie, die daraus gewonnene Leistung hat somit keinen Mehrverbrauch zur Folge.

Abgasturbolader haben eine sehr hohe Läuferdrehzahl (über 200.000 U/min. bei Pkw-Motoren). Die Turbinenwelle ist auf axialen Schwimmlagern gelagert, die sich in relativer Bewegung befinden, wodurch sich die hohe Turbinendrehzahl gegenüber dem Gehäuse aufteilt. Das Lagergehäuse, die Turbine und das Turbinengehäuse sind wegen der extremen Temperaturen aus hochwertigem Grauguss gefertigt, Kompressorgehäuse und Kompressorrad hingegen sind aus hochfestem Leichtmetall.

Der erste nach diesem Prinzip aufgeladene Motor entstand 1910. Es war ein Zweitakt-Umlauf-Motor, der von dem amerikanischen Motorenhersteller Murray-Willat konstruiert wurde. Vor allem Flugzeugbauer begrüßten die Bauweise, ergab sich durch die Aufladung doch die Möglichkeit, bei Flugmotoren die Leistungseinbußen infolge der abnehmenden Luftdichte in größeren Flughöhen auszugleichen.

Weltberühmt durch Mercedes-Silberpfeile

Im Jahre 1921 baute Daimler den ersten serienmäßigen Kompressorwagen. Die Aufladung erfolgte mittels eines mechanisch angetriebenen Roots-Gebläses. Die ersten Einsätze von Kompressorwagen erfolgten bei Automobilrennen. Durch ihre vielen Rennerfolge, insbesondere in den 20er und 30er Jahren, wurden die aufgeladenen Motoren weltweit berühmt. Der Mercedes Zwei-Liter-Motor von 1923 leistete mit Roots-Kompressor bereits 120 PS bei 4.500 U/min.

Erster Serieneinsatz bei Volvo im L 395 Titan

Volvo-L-395-Titan-1951 in Eine kleine Geschichte des Turboladers

Im Jahre 1938 wurde der erste Nutzfahrzeug-Dieselmotor mit Abgasturboaufladung von der Schweizer Maschinenfabrik Saurer gebaut. Aber erst etliche Jahre später, nämlich 1954, brachte Volvo mit dem L 395 Titan den weltweit ersten Lkw mit Turbolader auf den Markt.

Zum Einsatz kam der erste Turbodieselmotor mit der Bezeichnung TD 96 im 1951 vorgestellten Volvo L 395 Titan, der bis 1954 nur mit maximal 150 PS aus 9,6 Liter Hubraum zu bekommen war. Mit Turbolader kletterte die Leistung dieses Sechszylindermotors im ersten Schritt um fast 25 Prozent auf 185 PS und ab 1959 im L 495 Titan gar auf 230 PS, was einem Plus von mehr als 50 Prozent gegenüber dem ursprünglichen Saugmotor entspricht. Ohne Turbolader wären für diese Leistung weitaus größere, schwerere und vor allem durstigere Motoren nötig gewesen. Dies gilt auch heute noch: Um das Drehmoment von 2.800 Nm des Volvo FH 16 zu erreichen, müsste ein Saugmotor gut und gerne 35 Liter Hubraum haben. Sein Gewicht: vermutlich zweieinhalb Tonnen.

Pkw erst Anfang der 1960er Jahre serienmäßig mit Turbolader

Die ersten Serien-Pkw mit Abgasturboaufladung liefen dagegen erst 1962 bei General Motors in den Modellen Chevrolet Corvair Monza und Oldsmobile Jetfire vom Band. Noch einmal 16 Jahre sollte es dann dauern, bis 1978 von Mercedes-Benz der erste turboaufgeladene Pkw-Dieselmotor im 300 SD eingebaut wurde.

Durch die Abgasturboaufladung werden die Schwächen des Dieselmotors wie träger Drehzahlaufbau und geringe Leistung bei kleinem Hubraum beseitigt. Gerade im Nutzfahrzeugbau konnten so die Motoren kleiner und damit vor allem auch leichter gehalten werden – und gleichzeitig leistungsfähiger. Der Dieselmotor wurde durch die Turboaufladung aber auch für den Pkw-Bau interessanter. Neben dem bekannten Grund Leistungssteigerung spielte aber auch der geringere spezifische Kraftstoffverbrauch der Motoren eine Rolle. Weitere Vorteile sind die geringe Baugröße für enge Einbaubedingungen, ein deutlich größeres Drehmoment bei geringen Drehzahlen und insgesamt eine geringere Geräuschentwicklung. Hinzu kommen die ökologisch günstigeren Abgas-Emissionswerte.

Zukunftsfähig durch variable Lader-Geometrie

In Zukunft werden vermehrt Turbolader entwickelt, die eine variable Turbinen-Geometrie besitzen, wodurch der Drehmomentverlauf und das Ansprechverhalten noch weiter verbessert werden. Des Weiteren werden die Gleitlager, die in heutigen Turboladern Verwendung finden, durch neuentwickelte Kugellager ersetzt, durch die sich ein noch höherer Wirkungsgrad erzielen lässt.

In modernen Pkw oder Lkw erfolgt die Ladedruckregelung durch ein vom Druck der Abgase gesteuertes Abblasventil (wastegate). Durch dieses Regelventil strömen die heißen Abgase ohne Ausnutzung ihrer Arbeitsenergie an der Turbine vorbei in den Auspuff.

Was zu Beginn des Jahrhunderts als clevere Idee zur Verbesserung der Leistungsausbeute von Verbrennungsmotoren mit immensen Schwierigkeiten begann, entwickelte sich im Lauf der Jahrzehnte zu einer langen Erfolgsgeschichte, die damals keiner voraussehen konnte. Heute ist der Turbolader, der korrekt Abgasturbolader heißt, in allen Bereichen unentbehrlich. Denn ohne ihn und den später entwickelten Ladeluftkühler wären auch die derzeitigen und künftigen Abgasvorschriften nicht zu erfüllen.

Volvo-Motor-Baujahr-2002 in Eine kleine Geschichte des Turboladers

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