Wissen rund um die MAHLE Original Turbolader und die Komponenten.

Aufbau und Funktion des Turboladers

Unsere Turbolader werden ganz schön gefordert

Drehzahlen von weit mehr als 300.000 U/min, Abgastemperaturen über 1.000 °C.

Das Material muss einiges aushalten und dabei einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Um das über einen breiten Kennfeldbereich zu bewerkstelligen, sind höchste Entwicklungskompetenz und fertigungstechnische Präzision notwendig. MAHLE hat dafür einen neuen Prozess geschaffen, der Entwicklung und Fertigung integriert.

Nach modernsten Simulationen, harten Tests und computergesteuerter Produktion erhalten die Werkstätten erstklassige Turbolader. Sie zeichnen sich durch höchste Gussqualität und exakte Wuchtung aus. Wie man es vom MAHLE erwarten darf.

Werkstoffe: Für die Sicherheit von Mensch, Motor und Umwelt – nur das Beste

Die Gehäusebauteile der Turbolader sind aus bewährtem Aluminium oder Stahl gegossen, die Turbinen bestehen aus hochtemperaturfesten Werkstoffen.

Zusammen mit einer ausgeklügelten Konstruktion garantiert das schon sehr gute Eigenschaften. Aber natürlich kann man sich immer verbessern: Ein Team von Produkt- und Prozessingenieuren arbeitet permanent an der Weiterentwicklung der Fertigungs-, Montage- und Prüfprozesse. Z. B. bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung, der Fügetechnik, der Auswuchttechnik oder der Beschichtung mit flüssigen und festen Werkstoffen.

Das Betriebsauswuchten simuliert verschiedene Betriebszustände und identifiziert dynamische Unwuchten.

Welle und Turbinenrad bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen: Durch Elektronenstrahlschweißen erreichen die MAHLE Ingenieure dennoch eine äußerst exakte und sichere Verbindung.

Einsatzbereit: MAHLE Original Turbolader

Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt wesentlich von der Luftmenge ab, die für die Verbrennung zur Verfügung steht. Um diese zu erhöhen, kommt der Turbolader zum Einsatz:

Er nutzt die Abgasenergie, um die Ansaugluft vorzuverdichten und dem Motor zur effizienteren Verbrennung eine größere Luftmasse – und damit mehr Sauerstoff zuzuführen.

Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung (bei konstantem Arbeitsvolumen) bzw. die Erhöhung des Mitteldrucks, ohne vom Motor mechanische Antriebsleistung abzufordern, wie dies bei mechanischer Aufladung z. B. durch einen Kompressor geschieht. Diese Steigerung kann genutzt werden, um einen leistungsstärkeren Motor mit annähernd gleichen Abmessungen wie das Ursprungsaggregat einzusetzen. Oder – und dazu geht der Trend – um Downsizing-Konzepte zu realisieren, durch die der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen ohne Leistungseinbußen gesenkt werden können.

Weiterentwicklung der Abgasturboaufladung: Die Ingenieure legen den Turbo ein.

Zukünftige Abgasturbolader nutzen das Potenzial zur Steigerung von Wirkungsgrad, Ansprechverhalten und Akustikverhalten. Dadurch wird nochmals der Kraftstoffverbrauch und somit CO2-Emissionen reduziert. Der Anteil an Turbomotoren wird durch die Weiterentwicklung der Aufladetechnik stetig steigen. Der Verbrennungsmotor behält im nächsten Jahrzehnt somit seine dominante Stellung gegenüber alternativen Antrieben.

Aufbau und Funktion der Komponenten

Ladedruckregelung

Abgasturbolader führen bereits bei niedriger Motordrehzahl und kleinem Abgasmassenstrom zu einem hohen Motordrehmoment (Low End Torque).

Damit bei größerer Motordrehzahl der Abgasturbolader den Motor nicht überlädt, wird der Ladedruck geregelt.

Abgasturbolader bieten auch die Möglichkeit des „overboost“. Darunter versteht man die kurzzeitige Überhöhung des Ladedrucks zum Beispiel beim Beschleunigen.

Bei hohen Motordrehzahlen leitet das Wastegate einen Teilstrom des Abgases an der Turbine vorbei. Dadurch vermindert sich der Abgasstrom durch die Turbine und der Abgasgegendruck nimmt ab. Bei niedrigen Motordrehzahlen schließt das Wastegate und der komplette Abgasstrom treibt die Turbine und somit den Verdichter an.

Das Produktportfolio beinhaltet die Wastegate-Ladedruckregelung für alle Diesel- und Ottomotoren bis zu einer Leistung von 560 kW. Die Wastegate-Ladedruckregelung zeichnet sich durch Langlebigkeit bei guter Funktionalität aus.

Der Mechanismus der variablen Turbinengeometrie regelt durch die verstellbaren Leitschaufeln unabhängig von der Motordrehzahl den Ladedruck. Um bei geringen Drehzahlen einen hohen Ladedruck zur Verfügung zu stellen, werden die Leitschaufeln auf einen engen Eintrittsquerschnitt gestellt. Dies führt zu einer hohen Geschwindigkeit des Abgasstromes. Die gestiegene kinetische Energie des Abgases  wird auf die Turbine übertragen und erhöht die Drehzahl.

Bei hohen Motordrehzahlen geben die Leitschaufeln einen großen Eintrittsquerschnitt frei und der Abgasstrom wirkt mit geringerer Geschwindigkeit auf den inneren Bereich der Turbinenschaufeln.

Abgasturbine

Das Turbinenrad bildet mit dem Turbinengehäuse, Wastegate bzw. VTG zusammen die Abgasturbine.

Das heiße Abgas wird vor der Turbine aufgestaut und in der Turbine in kinetische Energie umgesetzt, dabei wird die Turbine auf bis zu 300.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt. Das Abgas strömt das Turbinenrad in radialer Richtung an und in axialer Richtung aus.

Die Turbinengeometrie (Turbinenrad & Turbinengehäuse) wird optimal mit Wastegate bzw. VTG optimal und individuell auf die Motoranforderungen abgestimmt. Dafür stehen kommerzielle als auch selbst entwickelte Software-Tools zur Verfügung, mit deren Hilfe in kürzester Zeit eine maßgeschneiderte Abstimmung dargestellt wird.

Turbinengehäuse

Für jeden Anwendungsfall das geeignete Turbinengehäuse:

  • Standard Einflutige Turbinengehäuse (Mono Flow)
  • Zweiflutige Turbinengehäuse (Twin Flow)
  • Turbinengehäuse mit integriertem Abgaskrümmer

Für höchste Temperaturanforderungen von Ottomotoren (>1.000 °C) werden hochfeste hitzebeständige Werkstoffe angeboten.

Zweiflutige Turbinengehäuse (Twin Flow)

Um die gegenseitige Beeinflussung der Abgasströme beim Ladungswechsel zu vermeiden, wird das Abgas in zwei separaten Abgaskanälen von den Zylindern bis in das Turbinengehäuse getrennt geführt.

Zur Vermeidung der Enthalpieabnahme des Abgases kann die Turbine nah an den Auslassventilen angeordnet werden. Daraus ergibt sich ein guter Turbinenwirkungsgrad und somit ein gutes Ansprechverhalten des Motors.

Verdichter

Der Verdichter besteht aus Verdichterrad, Diffusor und Verdichtergehäuse.

Wie bei der Abgasturbine wird der Verdichter optimal und spezifisch auf den Motor angepasst. Das Radialverdichter-Laufrad überträgt einen Großteil der von der Turbine bereitgestellten kinetischen Energie auf die Luftströmung.

In einem Diffusor im Verdichtergehäuse führt dies zu der gewünschten Druckerhöhung. Es werden hochfeste und extrem formtreue, gefräste Verdichterräder aus speziellen Aluminiumlegierungen eingesetzt. Somit werden hohe Beschleunigungen gewährleistet und das Low End Torque verbessert. Aufgrund der gleichmäßigen Radgeometrie werden Pulsationgsgeräusche stark reduziert.

Bei erhöhten Verschleißanforderungen kann das Verdichterrad entsprechend beschichtet werden. Dies kann beispielsweise beim Einsatz von Niederdruck-Abgasrückführung notwendig sein.

Verdichtergehäuse

Das Verdichtergehäuse ist konsequent nach aerodynamischen Gesichtspunkten optimiert. Zur Erweiterung des nutzbaren Betriebsbereichs werden optionale Maßnahmen angeboten. Hierfür wurden Rezirkulationssysteme entwickelt, die die Kennlinien des Verdichters stabilisieren.