Technik Ratgeber Band 2 - Turboladerbauarten - BTS Turbo

Technik RatgeberBand 2 | Turboladerbauarten, Funktionwww.bts-turbo.com Unternehmen der -Unternehmensgruppe

VorwortDieser Ratgeber gibt Ihnen einen Überblicküber die Entwicklung der Turboaufladungbei Serienmotoren. Die einzelnen Bauartenwerden nach den Entwicklungsstufengeordnet erklärt und die Verbesserungender Bauvarianten dargestellt. Der Überblicksoll Ihnen helfen die Funktionsweise derTurbolader zu verstehen, um Fehldiagnosenbei vermeintlichen Turboladerschädenzu vermeiden. Bei einem Turbolader handeltes sich um ein thermisch hoch beanspruchtesAggregat, das in seiner Funktion relativeinfach gestaltet ist. Entscheidend für diekorrekte Funktion ist vorrangig die optimaleAnsteuerung und Versorgung. Zu Turboladerschädenund der richtigen Diagnose beiTurboladerschäden finden Sie im BTS TechnikRatgeber Band 1 nützliche Tipps.InhaltsverzeichnisInhalt:Seite:Vorwort 2Inhaltsverzeichnis 2Impressum 2Funktionsweise der Abgasturboaufladung 3Grundaufbau eines Turboladers 4Turbine 4Verdichter 5Lagerung 5 - 8Ladedruck-Regelungen 8 - 11Impressum:Text und Inhalt:BTS GmbH | Paradeisstraße 56 | 82362 Weilheimwww.bts-turbo.comBildnachweis:BorgWarner Turbo & Emissions Systems | Garrett by Honeywell | BTS Turbo GmbHKonzept und Gestaltung:r. wie marketing GmbH | Töpfergrubenweg 2 | 95030 Hofwww.r-wiemarketing.de2

Funktionsweise der Abgasturboaufladung198243 5 61. Die heißen Abgase werden vom Motor-Brennraum ausgestoßen und über denAbgaskrümmer direkt zum Turboladergeleitet.2. Durch den Gaseintritt des Turbinengehäusesgelangen die Abgase in einensich verengenden Kanal (Drallkanal). DieAbgase werden durch die Querschnittsverengungim Drallkanal beschleunigtund geben diese Energie an das Turbinenrad(3) weiter.3. Das Turbinenrad wird rein durchdie Abgasenergie in Rotation versetzt.Die Drehzahl des Turbinenradesist daher abhängig von derAbgasmenge, der Abgastemperaturund der Geschwindigkeit desAbgasstroms. Am Turbinenrad ist durcheine Reibschweißverbindung eine Welleangebracht, die dadurch mit der gleichenDrehzahl rotiert. Turbinenrad mitWelle ergibt daher ein Bauteil, das inFachkreisen als Läuferwelle bezeichnetwird.4. Die Abgase werden durch den Gasaustrittdes Turbinengehäuses in das Abgassystem(Partikelfilter, Katalysator,Auspuff) weitergeleitet.5. Das Verdichterrad sitzt auf der Läuferwelleund nimmt die gleiche Drehzahl7wie das Turbinenrad auf. Das Verdichterradist mit einer Mutter auf der Wellegesichert.6. Am Gaseintritt des Verdichtergehäuseswird die Frischluft vom Luftfilter in dasVerdichtergehäuse eingeleitet. Das Verdichterrad(5) saugt hierzu die Frischluftüber den Gaseintritt des Verdichtergehäusesan und bringt sie in Rotation. DieFrischluft wird jetzt in den Drallkanal desVerdichtergehäuses „gepresst“; dabeiwird der Querschnitt des Drallkanals immergrößer.7. Der Gasaustritt des Verdichtergehäuses,auch als Druckseite bezeichnet, gibtdie verdichtete und durch den Verdichtungsprozessstark erwärmte Luft ausdem Turbolader frei.8. Im Ladelüftkühler wird die komprimierteund auf bis zu 200°C erwärmte Luft heruntergekühlt.Die Kühlung ist zur Erhöhungdes Füllungsgrads notwendig undbringt bei einer Abkühlung um 50°C eineLeistungssteigerung des Motors vonetwa 15%.9. Die abgekühlte und komprimierte Luftwird dem Motor-Brennraum zugeführtund sorgt für einen hohen Sauerstoffanteilbeim Verbrennungsprozess.Effekt:Mit der ohnehin vorhandenen Abgasenergiewird ohne einen Riemenantrieb einAggregat (Abgasturbolader) betrieben,das für einen Luftüberschuss bei der Verbrennungsorgt. Dieser Vorteil ist aufgrundder hohen Leistungsausbeute und der darausresultierenden Kraftstoffeinsparungenbei heutigen Downsizing-Konzepten nichtmehr wegzudenken.Unternehmen der-Unternehmensgruppe 3

VerdichterLagerung245Frischluft13732vom Filter64Komprimierte Luftzum Ladeluftkühler1. Verdichterrad2. Sicherungsmutter3. Verdichtergehäuse4. Verdichtergehäuse-Rückwand5. DrallkanalBeschreibung:Das Verdichterrad nimmt die gleiche Drehzahlauf wie die Läuferwelle. Durch dieGeometrie der Verdichterradschaufeln wirdüber den Luftfilter Frischluft angesaugt, welchedann in den Drallkanal des Verdichtergehäusesgefördert wird. Der Querschnittdes Drallkanals öffnet sich immer weiter biszum Ausgang des Verdichtergehäuses. DieFrischluft wird durch diesen Prozess komprimiertund erhitzt sich auf bis zu 200°C. Einauf der Druckseite angeschlossener Ladeluftkühlersorgt dafür, dass die Ladeluft entsprechendabgekühlt wird, sich durch dieAbkühlung die Dichte der Luft erhöht undder Füllungsgrad im Motor steigt. Durch densomit erreichten höheren Sauerstoffanteilbei der Verbrennung werden die Leistungdes Motors gesteigert und die Emissionswerteverbessert.1. Lagergehäuse2. Ölzulauf3. Axiallager4. Radiallagerbuchsen5. Ölablauf6. Läuferwelle7. KolbenringabdichtungBeschreibung:RadiallagerungBei den heutigen Serienturboladern drehtsich die Läuferwelle mit bis zu 340.000 Umdrehungenpro Minute. Da der Turboladernicht zu den Verschleißteilen in einem Fahrzeugzählt, muss die Lagerung der Läuferwelleentsprechend verschleißfrei ausgelegtwerden.Bei der Zweibuchsenlagerung dreht sich dieLäuferwelle (6) auf einem Ölfilm innerhalbder Radiallagerbuchse (4). Die Ölversorgung(2) erfolgt aus dem Motor-Ölkreislauf. Die Lagerungist so aufgebaut, dass sich zwischendem stehenden Lagergehäuse (1) und derdrehenden Welle (6) eine mit etwa halberWellendrehzahl mitrotierende Radiallagerbuchse(4) aus Messing befindet. Es kommtbei dieser Lagerbauart in keinem Betriebpunktzur Festkörperreibung zwischen Lagerung(4) und Läuferwelle (6). Der äußereÖlfilm dient zur Dämpfung und sorgt für einestabile Wellenbahn des Läufers (6).Unternehmen der-Unternehmensgruppe 5

AxiallagerungWeder die Zweibuchsenlagerung nochdie Einbuchsenlagerung nehmen Kräftein axialer Richtung auf. Durch die unterschiedlichhohen Gaskräfte, die auf dasVerdichterrad und das Turbinenrad inaxialer Richtung wirken, würde der Läufer(6) in axialer Richtung verschoben werden.Das Axiallager (3), ein Keilflächen-Gleitlager,nimmt diese Kräfte auf. Als Anlaufflächendienen zwei kleine Scheiben, die festauf der Welle verspannt sind. Das Axiallager(3) ist im Lagergehäuse (1) fixiert.KugellagerKugelgelagerte Turbolader werden kaumbei Serienfahrzeugen eingesetzt, sondernkommen im Rennsportbereich oder beiTuningfahrzeugen zum Einsatz. Mit einemkugelgelagerten Turbolader wird einschnelleres Ansprechverhalten erzielt. DerVorteil dieser Lagerart ist die Belastbarkeitdes Lagers in axialer und radialer Richtung,was im Rennsportbereich durch die hohenLastwechselkräfte und dem entstehendenhohen Axialschub erforderlich ist. Der großeNachteil dieser Lagerbauart liegt in dergrößeren Anfälligkeit und natürlich auchan den höheren Herstellungskosten.ÖlablaufDas Schmieröl strömt mit ca. 4 bar in denTurbolader (2). Der Ölablauf (5) erfolgt nahezudrucklos. Die Leitung muss daher imDurchmesser wesentlich größer sein alsder Ölzulauf (2). Das Lager soll möglichstsenkrecht von oben nach unten durchströmtund der Ölablauf oberhalb desMotorölspiegels in das Kurbelgehäusezurückgeführt werden. Wird der Ölablaufbehindert, kommt es zu einem Ölrückstauin der Lagerung. Das Öl strömt dann durchdie Kolbenringabdichtung (7) in den Verdichterund in die Turbine.AbdichtungDas Lagergehäuse (1) ist gegen die heißenAbgase der Turbine, die sonst in das Lagergehäuseströmen könnten, und gegenÖlverlust aus dem Lagergehäuse abzudichten.Turbinen- und verdichterseitig befindetsich je ein Kolbenring (7) in einer Nut auf derLäuferwelle (6). Diese Kolbenringe drehensich nicht mit, sondern sind im Lagergehäuse(1) fest verspannt. Diese berührungsloseArt der Abdichtung, eine Art von Labyrinthdichtung,erschwert die Ölleckage durch dievielen Strömungsumlenkungen und bewirkt,dass nur geringe Abgasmengen in das Kurbelgehäusegelangen.2 31. Lagergehäuse2. Lagerfixierung43. Radiallagerbuchse4. KolbenringabdichtungBeschreibung:Eine besondere Form der Gleitlagerungstellt die Einbuchsenlagerung dar. Die Welledreht sich innerhalb einer stehenden Buchse,die von außen mit Öl umspült wird. Dabeikann der äußere Spalt zwischen Lagergehäuse(1) und der Radiallagerbuchse (3) speziellauf die Lagerdämpfung ausgelegt werden,da keine Drehbewegung stattfindet.Der so mögliche geringere Lagerabstandführt zu einer kompakten Bauweise des Turboladers.16

Montagehinweis!Bei der Montage eines neuen Turboladers istgrößte Vorsicht geboten. Da ein stabiler Ölfilmzwischen den Lagerbauteilen unbedingterforderlich ist, muss vor dem Anschluss derÖlzulaufleitung des Turboladers der kompletteÖlzulaufkanal mit frischem Motorölaufgefüllt werden. Sollte die Erstbefüllungunterlassen werden, so kommt es durchden Trockenlauf im Lager auf Grund derenormen Drehzahlen der Läuferwelle in kürzesterZeit zu Verschleißschäden oder garzum Totalausfall des Turboladers. Um einemAusfall des Turboladers durch eine fehlendeoder mangelhafte Erstbefüllung vorzubeugen,liefert die BTS GmbH bei jedem Turboladerein spezielles Additiv, das in engerZusammenarbeit mit Liqui Moly entwickeltwurde, zur Turboladerlieferung dazu. DasAdditiv erhöht durch die Benetzung der Lageroberflächendie Notlaufeigenschaftendes Laders, womit Schäden an der Lagerung,die durch einen fehlerhaften Einbauverursacht würden, minimiert werden können.Die Wirkstoffkombination aus chemisch wirkendenAdditiven und dem FestschmierstoffMoS2 garantiert einen verschleißarmenEinlauf. Die laminare Struktur der MoS2-Partikel füllt die Oberflächenrauhigkeitdes Metalls auf und reduziert so Reibungund Verschleiß. Durch eine speziell abgestimmteAdditivkombination wird zusätzlichder Reibungsbeiwert um ca. 40% gesenkt.Diese Wirkstoffkombination lässt sich im Ölnachweisen, weswegen bei Schäden festgestelltwerden kann, ob das mitgelieferteBTS Turbolader- Additiv auch beim Einbauverwendet wurde.In der Grafik sehen Sie eine Lageroberflächein der vielfachen Vergrößerung.Trotz modernster Bearbeitungsmethodenist eine Oberflächenrauheit immer vorhanden.Das Additiv glättet die Oberflächen undvergrößert somit die nutzbare Lagerflächedeutlich.Die Lageroberfläche wird für ca. 50.000 kmmit dem Additiv benetzt. Da wir das Additivnur für den Erststart des Turboladers einsetzen,ist dieser Wert mehr als ausreichend.Unternehmen der-Unternehmensgruppe7

WassergekühltesLagergehäuse21. Ölzulaufanschluss2. WasserzulaufanschlussBeschreibung:Um einer Überhitzung des Öls vorzubeugen,werden bei Ottomotoren, deren Abgastemperaturennoch 200 bis 300°Chöher liegen als bei Dieselmotoren, meistwassergekühlte Lagergehäuse eingesetzt.Während des Motorbetriebes ist das Lagergehäusein den Kühlkreislauf des Motors integriert.Nach dem Abstellen wird die Stauwärmemittels eines kleinen Kühlkreislaufesabgeführt, der von einer thermostatisch geregeltenelektrischen Wasserpumpe angetriebenwird.1Ladedruck-RegelungenEine Ladedruckregelung ist bei heutigen Serienturboladernnicht mehr wegzudenken. Dadie Drehzahl des Abgasturboladers von derAbgasmenge abhängig ist, wird die Turbinenseitefür ein schnelles Ansprechverhaltenausgelegt, d.h. der Drallkanal des Turbinengehäusesist mit einem engen Ausgangsquerschnittausgelegt. Dadurch wird einehohe Strömungsgeschwindigkeit der Abgaseund somit eine hohe Turbinendrehzahlerreicht. Parallel dazu steigt natürlich auchder Ladedruck sehr schnell an. Bei maximalerMotordrehzahl und Abgasmenge würdedie Läuferwelle des Turboladers zu schnelldrehen. Um Schäden zu verhindern und dieDrehzahl zu begrenzen, müssen die Abgasevor dem Auftreffen auf die Turbine aus demTurbinengehäuse ausgeleitet werden. Eineandere Möglichkeit, die Turbinendrehzahl zubegrenzen, ist die variable Veränderung desAusgangsquerschnitts durch eine variableTurbinengeometrie (VTG).Eine reine Begrenzung des Ladedrucks kannauch nach dem Verdichter erfolgen. Die überschüssigkomprimierte Luft kann mit Hilfe vonÜberdruckventilen, so genannten Popp-OffVentilen, aus der Druckleitung abgeblasenwerden. Diese Variante wird allerdings beiheutigen Serienfahrzeugen nur als Sicherheitsventileingesetzt. Die Nachrüstung vonPopp-Off Ventilen macht bei Dieselmotorenkeinen Sinn, da bei dieser Anwendung nichtwie beim Benzinmotor die Gefahr besteht,dass sich die anstehende Luftsäule zwischenVerdichterrad und Drosselklappe negativ aufdas Ansprechverhalten sowie die Lebensdauerdes Turboladers auswirkt.8

Variable TurbinenGeometrie (VTG)71 2 36541. VTG Leitkranz2. Verbindungselement3. Verdichtergehäuse4. Turbinengehäuse5. Einstellschraube Endanschlag6. Einstelleinheit Schließwinkel7. UnterdruckdoseVTG offen1. Leitschaufel2. Verstellring3. Turbinenrad12VTG geschlossenBeschreibung:Durch die variable Turbinengeometrie wirddas „Turboloch“ nahezu ausgeschaltet. DerDrallkanal des Turbinengehäuses wird beidieser Bauart an den Volllastbereich angepasst.Bei maximaler Abgasmenge werdendie Leitschaufeln komplett geöffnet(Bild VTG offen) und der Abgasstrom durcheinen großen Strömungsquerschnitt aufdas Turbinenrad geleitet. Im unteren Motordrehzahlbereichwird durch Schließender Leitschaufeln (Bild VTG geschlossen)der Strömungsquerschnitt stark verengtund so die Strömungsgeschwindigkeit derAbgase auf die Turbine erhöht. Durch dieVeränderung der Anstellwinkel der nichtmitrotierenden Leitschaufeln wird somit dieDrehzahl der Turbine und des Verdichtersbeeinflusst und an den Leistungsbedarfdes Motors angepasst. Der Leitring sorgtfür eine gleichmäßige Verstellung der Leitschaufelnund wird über einen Hebelmechanismusvon einer Unterdruckdose odereinem e-Steller angesteuert.10

2-stufige geregelteAufladungals Nachverdichter. Sobald der obere Motordrehzahlbereicherreicht wird, öffnet zur Abregelungdes Ladedrucks das Bypassventilund leitet einen Teil der vorverdichteten Luftam Hochdruck-Verdichterrad vorbei direktüber den Ladeluftkühler zum Brennraum.Das Wastegate bleibt hierbei geöffnet.Effekt:Durch die Reihenschaltung dieser Aufladetechnikwird der Leistungsbedarf des Motorsin allen Lastbereichen abgedeckt. Der kleinereTurbolader sorgt bei geringem Abgasmassenstromfür ein schnelles Ansprechverhaltenund der größere für die Abdeckungim oberen Motordrehzahlbereich.Beschreibung:Bei der zweistufig geregelten Aufladungwerden zwei Abgasturbolader in einemSystem durch eine Reihenschaltung verbunden.Im unteren Motordrehzahlbereichbleibt das Wastegate geschlossen, die Abgasenergiewird auf die Turbine des kleinerenHochdruck Abgasturboladers geleitet.Das Verdichterrad des kleinen Hochdruck-Turboladers übernimmt den Großteil derVerdichtungsarbeit. Im mittleren Motordrehzahlbereichwird das Wastegate geöffnetund beide Turbinen durch den Abgasstromangetrieben. Auf der Verdichterseite arbeitetdas Verdichterrad des Niederdruck-Abgasturboladersals Vorverdichter und das Verdichterraddes Hochdruck-AbgasturboladersAnmerkung:Die Technik der zweistufigen Aufladungwird heutzutage immer wichtiger. Neuentwicklungenzielen auf hubraumkleine Motorenwie z.B. den 1,4L TSI Motor von VW ab.Diese hubraumkleinen Motoren haben fürein schnelles Ansprechen des Turboladersim unteren Lastbereich natürlich einen zugeringen Abgasmassestrom zur Verfügung.Um dieses Problem zu beseitigen, wird dieKombination eines Abgasturboladers für denoberen Lastbereich mit einem Kompressorfür den unteren Lastbereich ausgenützt. DerKompressor wird hierbei über die Kurbelwelledes Motors übersetzt angetrieben, was füreinen schnellen Ladedruckaufbau sorgt. Dergroße Nachteil des Kompressors, das Verzehrenvon Leistung durch den Riemenantrieb,wird beseitigt, indem der Abgasturboladerim mittleren Drehzahlbereich die Arbeitaufnimmt und der Kompressor abgekoppeltwird. Mit dieser Methode werden hohe Ladedrückeum die 2,5 bar erzielt und die Hubraumverkleinerungmehr als ausgeglichen.Unternehmen der-Unternehmensgruppe 11

Technik Ratgeber Band 22013BTS GmbHParadeisstraße 56D-82362 WeilheimTel.: + 49 8 81 627-300Fax: + 49 8 81 627-311Web: www.bts-turbo.comBTS Turbo GmbHDr.-Franz-Werner-Straße 30A-6020 InnsbruckTel. : +43 512 214 220Fax: +43 512 214 220-30Mail: info@bts-turbo.comGedruckt auf klimaneutralem FSC zertifiziertem Papier.Art.-Nr.: TR0002 Unternehmen der -Unternehmensgruppe