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Forenübersicht » Talk » Info`s über Turbos uvm. sehr verständlich geschrieben.

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robot-trax ist offline robot-trax  
Info`s über Turbos uvm. sehr verständlich geschrieben.
901 Beiträge - Scriptkiller
robot-trax`s alternatives Ego
Abgasanlage:

sollte möglichst große Rohrdurchmesser, Schalldämpfer ohne große Verengungen & wenige aber großzügige Bögen aufweisen, denn die Turbine lebt ja vom Temperaturgefälle, welches bei weniger Abgasgegendruck natürlich höher ist. Beim Geräuschverhalten ist der
Turbomotor gegenüber einen Saugmotor bevorteilt, denn die Turbine nimmt einen Teil der Geräusche auf & wirkt so wie ein Schalldämpfer.


Abgaskrümmer:

ist beim Turbomotor thermisch höher als beim Saugmotor belastet, durch den höheren Gegendruck bis zur Turbine & er muss zudem noch das Gewicht von Turbo & Wastegate aufnehmen. Dadurch arbeitet der Krümmer mehr & braucht hochwertige Werkstoffe
(auch für Dichtungen, Schrauben, Muttern). Es gibt 2 Arten die Abgasenergie zu nutzen: Stoß- & Stauaufladung, siehe unten.


Abgastemperatur:

liegt bei einem Turbo-Benzinmotor bei 850°C bis etwa 950°C unter Volllast, kann kurzzeitig etwas höher sein (je nach Abstimmung), sollte jedoch unter 1050°C bleiben, ansonsten liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein zu mageres Gemisch vor.


Ansaugbereich:

Durch möglichst kurze Ladeluftleitungen mit wenigen aber großzügigen Bögen & somit geringen Saugrohrvolumen erreicht man ein schnelles Ansprechverhalten mit geringst möglichen Druck & Drosselverlusten.

A/R Verhältnis:Die Turbinengröße des Turboladers beeinflusst zu einem großen Teil die Menge des Volumenstroms, das A/R Verhältnis ist eine Methode des Feintunings zwischen den Größen, das A beschreibt den Turbineneintrittsquerschnitt. Das A beeinflusst die Geschwindigkeit mit welcher die Gase auf das Turbinenrad treffen, ein kleinerer Querschnitt bewirkt also höhere Gasgeschwindigkeiten. Das R beschreibt den Auftrittswinkel der Gase auf das Turbinenrad, ist er klein entstehen höhere Turbinendrehzahlen. Ein kleines A/R Verhältnis steht also für schnelles Ansprechverhalten/ Hochlaufen, ein großes für mehr Leistung & weniger Gegendruck bei hohen Drehzahlen.


Dampfrad, elektronisches / mechanisches (Ladedruckeinstellventil):

Dampfräder bieten die Möglichkeit den Ladedruck zu verstellen, ohne etwas an der Grundeinstellung des Wastegates/Druckdose verändern zu müssen. Hier wird die Druckleitung zum Wastegate verengt/manipuliert, so daß das Wastegate Ventil/Klappe bis zu dem gewünschten
eingestellten Druck geschlossen bleibt. So "denkt" das Wastegate der fest eingestellte Wert ist noch nicht erreicht.

Effizienz:

Der Abgasturbolader hat eine Effizienz von etwa 75%, welche desto höher ist je weniger ein Aufheizeffekt der Luft stattfindet, das heißt umso höher der Wirkungsgrad, desto geringer die Temperatur die der Turbo in den Ansaugbereich abgibt (auf der Verdichterseite) & je weniger
Gegendruck (Hitze) auf der Abgasseite. Dieser Gegendruck verursacht hohe Temperaturen zwischen Turbine und Brennraum, welchen ggf. entgegengewirkt werden muss (natriumgekühlte Ventile, größere Abgasanlage, Öl-& Wasserkühler..).

Katalysator:

Im Interesse hoher Leistung sollte bei einem aufgeladenen Motor ein Metallkatalysator verwendet werden , da dieser größere Querschnitte in der Wabenstruktur aufweist als Keramikkats & somit zur Reduzierung des Staudrucks in der Abgasanlage beiträgt.

Kennfeld:Die Kennfelder des Verdichters & der Turbine sind ihre Leistungsdiagramme ,welche Rückschlüsse auf ihr Wirkungsgrad & Verhalten zulassen. Das Verdichterkennfeld stellt das Druckverhältnis dem Volumenstrom (Drehzahl/Durchsatz) gegenüber. Die linksseitige Begrenzung der
Wirkungsgradmuscheln stellt die Pumpgrenze dar, hier findet kein Durchsatz mehr statt , da an den Verdichterschaufeln die Luftströmung abreißt. Dies geschieht beispielsweise bei geschlossener Drosselklappe, wenn sich ein hoher Druck aufbaut, doch der Volumenstrom klein ist. Rückwärts gekrümmte Schaufelenden , sowie ein Umluftventil können ein Rückströmen der Gase verhindern & so die Grenze positiv verschieben. Rechtsseitig erreichen die Wirkungsgradmuscheln die Stopfgrenze, hier ist der Durchsatz bei hohen Volumenströmen begrenzt. Bei dieser Grenze ist der Verdichter am Limit seiner Fördermenge, was geschieht wenn am Verdichterrad Schallgeschwindigkeit erreicht wird.
Indem jede zweite Verdichterradschaufel zurückversetzt wird, erreichen die Hersteller eine Hinauszögerung der Stopfgrenze. Das Turbinenkennfeld stellt das Turbinendruckverhältnis dem -durchsatz gegenüber. Das Verhalten der Turbine wird durch das Temperatur- & Druckgefälle vor und nach dem Schaufelrad bestimmt.

Ladeluftkühler:

Neben der Dichtesteigerung (Ladedruckaufbau) erfolgt im Turbolader auch eine unerwünschte Temperatursteigerung der Ladeluft, welche eine höhere Motorbelastung darstellt (Klopfgrenze, Brennraumtemperatur, -druck, .....). Des weiteren hat Luft je wärmer sie ist, umso weniger Dichte,
d. h. weniger Sauerstoff & weniger Motorleistung. Das Ziel ist also die Luft zu kühlen, was der LLK besorgt. Seine Vorteile sind: mehr Leistung, Drehmoment, Verdichtung, Standfestigkeit, Vorzündung, sowie weniger Ladedruck bei gleicher Leistung, Verbrauch & Oktanzahlbedarf. Die Größe des LLK hängt von der durchzusetzenden Luftmenge und der Ladelufttemperatur ab. Siehe Luft/Luft LLK & Wasser/Luft LLK .

Lambda:
ist das Verhältnis des aktuellen Luft/Kraftstoffgemischs zum stoichiometrischen (optimalen) Luft/Kraftstoffverhälnis. Verschiedene Kraftstoffe haben unterschiedliche stoichiometrische Verhältnisse. Beim Benzinmotor ist das stoichiometrische Verhältnis bei 14,64 Teilen Luft bei 1 Teil Benzin der Masse; z.B. bei einem 12 zu 1 Verhältnis; 12 : 14,64=0,82

Lambda.Luft/Luft Ladeluftkühler:
ist die gebräuchlichste Art der LLK, welcher hier von der durchströmenden Umgebungsluft (Fahrtwind) gekühlt wird. Bei der Platzierung ist es von Vorteil wenn der Kühler weder vor noch hinter einen anderen Kühler platziert ist, um möglichst frei vom Fahrtwind durchströmt werden zu können, ist dies aufgrund der baulichen Gegebenheiten (LLK-Größe, kein Platz in der Fahrzeugfront ...) nicht möglich sollte er zumindest als erster Kühler im Fahrtwind stehen. Eine Wirkungsgradverbesserung können auch Kühlluftführungen erzielen. Von der Bauweise ist kühltechnisch eine große Fläche, geringe Kühlnetztiefe (Fahrtwind durchströmt LLK besser) und ein hoher Staudruck der Ladeluft am besten (bei zu großen Verwirbelungen treten jedoch Sperrströmungen auf). Hier ist also der Konflikt zwischen wenig Druckverlust der Ladeluft (hohe Kühlnetztiefe) und hoher Kühlungseffizienz (genügend Turbulenzen). Einen Wirkungsgradvorteil kann man erzielen , indem man Wasser gegen den Kühler sprüht (vor allem an heißen Sommertagen).

Luft/Wasser Ladeluftkühler:
ist etwas komplizierter als ein Luft/Luft LLK, denn hier sind eigentlich 2 Kühler vorhanden, einen der die Ladeluft kühlt , dabei von Wasser ummantelt ist, sowie den dazugehörigen seperaten Wasserkühler in der Fahrzeugfront (baut i.d.R. kleiner als Luft/Luft LLK). Die Zirkulation des Wassers entsteht durch eine elektrische Pumpe. Für kurze Volllastfahrten (1/4 Meile) gibt es auch Artverwandte TrockeneisLLK, welche im Rennbetrieb einen extrem hohen Wirkungsgrad aufweisen & auch wie die Luft/Wasser LLK zu einer sehr kurzen Ladeluftleitung beitragen (schnelles Ansprechverhalten).

Motor:
um ihn gegen die erhöhten Temperaturen & Drücke standfest zu machen gibt es folgende Möglichkeiten: hochwertige Lager für Pleuel & Kurbelwelle, Pleuel, Kolben, stärkere Ventilfedern, Bolzen/ Schrauben für Pleuel, Kolben, Zylinderkopf, eine nitrierte Kurbelwelle, sowie eine stabile Zylinderkopfdichtung. Gelegentlich können sogar Dieselblöcke/ -kurbelwellen( 1,8l Benziner/ 1,9l Diesel...) herangezogen werden, da diese auf höhere Verbrennungsdrücke ausgelegt sind. Den erhöhten Temperaturen wirken Zusatzölkühler, Zusatzwasserkühler, Ölspritzkühlung der Kolbenböden, natriumgekühlte Auslassventile, erhöhte Drehzahl & früherer Einschaltpunkt der Ventilatoren.

Natriumgefüllte Auslassventile:
sind eine Möglichkeit den erhöhten Temperaturen eines Turbomotors Rechnung zu tragen & bei fast allen serienmäßig aufgeladenen Motoren vorhanden. Während die Einlaßventile (300 bis 500°C) durch die einströmenden Gase noch relativ gut gekühlt werden , werden die Auslaßventile (etwa bis 700°C) durch die Abgase wesentlich stärker erhitzt. Durch die Natriumfüllung können die Temperaturen um etwa bis 100°C herabgesetzt werden.

Nockenwellen:
Extrem "scharfe" NW mit langen Öffnungszeiten & großen Ventilhüben sind für einen Turbomotor im Gegensatz zum Sauger nicht erforderlich um hohe Leistungen zu erreichen, denn sie können infolge des hohen Drucks im Krümmer bewirken ,das ein hoher Teil des Abgases zurück in den Brennraum gelangt.

Schalldämpfer:
sollten besonders bei hohen Ladedrücken keine Kammern & Verengungen aufweisen, da dies zu erhöhten Staudruck führt, was die Leistungsfähigkeit des Turboladers negativ beeinflusst. Die Abgasanlage sollte beim Turbobetrieb im Interesse hoher Leistung, so groß wie möglich ausfallen & mit großzügigen Radien ausgestattet sein.

Stauaufladung:
nutzt die Wärmeenergie des Abgases, welche durch das Druck- & Temperaturgefälle vor & nach der Turbine entsteht. Hier wird das Abgas vor der Turbine in einen gemeinsamen Sammler geführt, wobei die Druckverhältnisse fast konstant bleiben.

Stoßaufladung:
nutzt die Energie der Abgasgeschwindigkeit der einzelnen Motorzylinder, welche hier bis zur Turbine getrennt geführt (Fächerkrümmer) werden. Ist eine Trennung nicht mehr möglich sollten erst nur die Leitungen der Zylinder mit den größten Zündabständen zusammengelegt werden. Durch die Stoßaufladung entstehen schwankende Druckverhältnisse vor dem Turbinenrad ,was Vorteile im Wirkungsgrad & Ansprechverhalten hervorruft.

Spaltmaß:
beschreibt das Maß zwischen Gehäuse & Turbinen-/Verdichterrad. Ein Teil der Luft entweicht durch diese Spalte, was für den Wirkungsgrad natürlich schlecht ist. Das S. sollte möglichst klein sein, doch groß genug um dem Rad ein genügendes Spiel in radialer & axialer Richtung zu gewährleisten. Diese Toleranzen braucht das Rad um die Hebelwirkungen & Biegeschwingungen auszugleichen.

Umluft-/Bypassventil(Blow-Off):
wird in die Ladeluftleitung vor der Drosselklappe integriert. Es bewirkt das bei Gangwechseln & plötzlichen Gas wegnehmen, also ruckartigem schnellen schließen der Drosselklappe keine Rückströmungen der bereits geförderten Ladeluft auf das Verdichterrad treffen. Sollten solch
hohe Druckschwingungen auftreten, kann dies sogar zur Beschädigung des Verdichterrades führen. Das Umluftventil erkennt also wenn der Druck ruckartig ansteigt & gibt die überschüssige Ladeluft wieder vor der Verdichterseite in den Ansaugbereich ab, womit sogar noch das Verdichterrad länger auf hoher Drehzahl bleibt. Das Blow-Off-Ventil funktioniert genauso, bis auf das es die überschüssige Luft einfach in die Umgebung (Motorraum) abgibt.

Turbolader:
besteht im wesentlichen aus dem mittigen Lagergehäuse & an den Enden einem Turbinen- & Verdichtergehäuse, in denen sich jeweils ein Schaufelrad befindet, welche mit einer Welle (im Lagergehäuse) starr verbunden sind. Das Turbinengehäuse ist direkt am Abgaskrümmer montiert & das Turbinenrad wird mit den Abgasen des Motors angetrieben. Da beide Räder starr verbunden sind dreht sich nun das Verdichterrad & saugt nun seinerseits Frischluft an. Bei genügend hohen Drehzahlen entsteht nun ein Druckaufbau, wodurch nun dem Motor wesentlich mehr Sauerstoff zugeführt werden kann als er selbst Ansaugen könnte, wodurch wiederum mit genügend Kraftstoff vorrausgesetzt eine höhere Motorleistung entsteht. Das Lagergehäuse sollte Wassergekühlt sein ,
denn dadurch wird das Risiko der Verkokung des Öls drastisch herabgesetzt. Siehe weiter: Verdichter & Turbine.

Turbine:
Die Aufgabe der Turbinenseite ist es das Verdichterrad mit Energie zu versorgen, so das es schnell genug den benötigten Luftstrom & Druck liefert. Bei gleichen Abgasverhältnissen spricht eine kleine Turbine schneller als eine große an, bietet dafür aber einen höheren Abgasgegendruck bei hohen Drehzahlen, was die Schwierigkeit bei der Auswahl der Turbinengröße darstellt.

Trim:
beschreibt das Verhältnis zwischen dem Eintritts- & Austrittsdurchmesser auf den jeweiligen Turboseiten. Die Radgeometrie ist dabei besonders wichtig, denn es bewirken schon kleinste Unterschiede große Differenzen bei den Durchmessern. Auf der Turbinenseite bewirkt ein großer Trim weniger Gegendruck nach der Turbine (hoher Wirkungsgrad), auf der Verdichterseite steht ein großer Trim für höheren Durchsatz auch schon bei geringen Druck.

Wastegate:
Die Ladedruckregelung mittels Wastegate/ Druckdose ist die verbreitetste & beste Art, hierbei wird ein Teil der Abgase um das Turbinenrad geleitet, sobald der gewünschte Ladedruck erreicht ist. Die Regelung mittels WG ist die bestmögliche, dennoch verschwendet es wertvolle Abgasenergie,
denn das Ventil / Klappe öffnet schon bevor der Turbo den gewünschten Druck erreicht um bei Druckmaximum genügend Abgas umleiten zu können, diese Energie könnte also noch zur Beschleunigung des Turbinenrades genutzt werden bevor dieses die Solldrehzahl erreicht hat. Das interne WG/ Druckdose ist im/ am Turbo selbst installiert. Ein Nachteil dieses Systems ist das das umgeleitete Abgas i.d.R. direkt hinter dem Turbinenrad noch vor dem Abgasrohr (Hosenrohr) wieder mit dem Abgas welches das Turbinenrad antrieb zusammenkommt, wodurch dort hohe Turbulenzen entstehen. Beim externen WG werden/ sollten diese beiden Abgasströme wesentlich später an einen frei wählbaren Ort zusammengeführt werden (Mindestabstand vom Turbinenausgang sollte ca.50 cm betragen), wo z.B. auch eine Querschnittserweiterung erfolgen kann. Dieses externe WG hat wiederum den Nachteil das es bei nicht optimaler Anordnung Wirbel schon vor der Turbine bilden kann, welche den Hauptmassenstrom stören. Der WG-Abgang im Abgaskrümmer sollte optimalerweise im Volumenstrom von allen Zylindern liegen, in einem flachen Winkel vom Hauptmassenstrom abgehend (kein rechter Winkel) & symmetrisch mit dem Turbinengehäuse angeströmt sein.

Wassereinspritzung:
ist eine Optimierungsmöglichkeit für Turbomotoren. Dies hört sich zunächst kurios an, doch kann man hinter dem Ladeluftkühler eine W. installieren. Dieses Wasser wird nun in geringen Mengen dem Motor zugeführt und auf seinen Weg in den Brennraum verdampft es aufgrund der relativ hohen
Temperaturen, hierbei erzielt es den positiven Effekt der Temperatursenkung der Ladeluft (geringere Temp.= mehr Sauerstoff= mehr Motorleistung....).

Verdichter:
Ein guter Wirkungsgrad der Verdichterseite wird vom Druckverhältnis & dem Volumenstrom bestimmt. Bei der optimalen Größe muß das Wirkungsgradoptimum (etwa 75%) in einem oft genutzten Drehzahlbereich positioniert sein. Je geringer die Effizienz, desto höher die Temperaturen, d.h. der Wirkungsgrad sollte über das ganze Drehzahlband möglichst hoch gehalten werden.

Verdichtung:
Das Verdichtungsverhältnis bestimmt die Wirtschaftlichkeit, Leistung bei bestimmten Ladedruck, das Turboloch, die benötigte Oktanzahl des Kraftstoffs & Ladeluftkühlereffizienz. Es muss aber beim Turbomotor aufgrund der höheren Temperaturen & Drücke gegenüber einem Saugmotor herabgesetzt werden. Üblich sind etwa 7 bis 8,5:1.


Ralf

Beitrag vom 16.07.2009 - 17:57
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