Turbo, Kompressor und G-Lader

Motoren-Aufladung sorgt für Mehrleistung

Eine andere Methode zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Ottomotors besteht darin, mehr Gemisch in die Brennräume zu befördern als die Kolben alleine durch das Nadelöhr des Einlaßventils ansaugen können. Ein solches Verfahren wird als Aufladung bezeichnet. Um eine Aufladung zu erreichen wird ein Lader, der Luft in den Einlaßtrakt preßt, eingesetzt.

Grundsätzlich werden drei Arten von Ladern unterschieden:
 

Der Turbolader ist eigentlich schon ein alter Hut. Alfred Büchi, ein schweizer Ingenieur aus Winterthur, erfand den Turbolader und meldete ca. 1905 seine Erfindung zum Patent an. Büchi war aufgefallen, daß herkömmliche Verbrennungsmotoren einen äußerst schlechten Wirkungsgrad besitzen. Während maximal ein Drittel der als Kraftstoff eingebrachten Energie in Bewegung umzusetzen war, verschwand der Rest (ungefähr je zur Hälfte) über Kühlung und Abgas ungenutzt 'ins Freie'. Büchi's Idee bestand nun darin, die in Form von Temperatur und Kinetik vorliegende Energie des Abgases zum Antrieb einer Turbine zu nutzen. Diese Turbine, verbunden über eine im Lagergehäuse fixierte Läuferwelle, treibt einen Verdichter an, welcher Frischluft ansaugt und komprimiert in die Verbrennungsräume des Motors leitet. Hierdurch steigt u.a. der Füllungsgrad und damit auch die Leistung des Motors.

Beim Turbo-Lader sitzen auf ein und derselben Welle die Turbine und ein Verdichter. Das ergibt eine sehr kompakte Bauweise mit geringem Gewichts- und Leistungsbedarf. Der Nachteil des Turbo-Laders besteht darin, daß er nur mit Verzögerung anspricht. Zunächst muß die Abgasmenge und -energie steigen, dann erst wächst auch die Verdichterleistung. Früher führte das zum sogenannten Turboloch. Trat der Fahrer auf das Gaspedal, so passierte zunächst nicht viel, die Drehzahl stieg nur langsam und die Leistungsausbeute war eher gering. Erst wenn ein bestimmter Mindestwert erreicht war, lieferte der Verdichter seine volle Leistung, und das geschah fast schlagartig. Dieses Problem haben die Entwicklungsingenieure mit unterschiedlichen Ansätzen in den Griff bekommen. Der eine war, Turbolader immer leichter und effektiver zu machen um sie schneller ansprechen zu lassen. Eine Abstimmung auf hohe Leistungen schon bei kleinen Abgasmengen bedeutet allerdings einen Überschuß bei hohen Drehzahlen, der über ein 'Wastegate' genanntes Ventil abgeblasen werden muss.
Ein anderer Weg führte zu verstellbaren Turboladern. Bei niedrigen Drehzahlen wird der Strom des ankommenden Abgases so umgelenkt, daß er in einem günstigeren Winkel auf die Turbinenschaufeln trifft und sie schneller anschieben kann. Bei höheren Drehzahlen ändert sich die Strömungsführung so, daß stets eine gute Verdichterleistungen über ein sehr großes Drehzahlband erzielt wird. Ein Turbolader dreht maximal mit ca. 100.000 U/min.

Eine weitere Möglichkeit zur Leistungssteigerung bieten Ladeluftkühler. Die Verdichtung der Luft durch den Lader führt zu einer Erwärmung derselben. Warme Luft hat aber bei gleichem Druck eine geringere Dichte als kalte. Wird zwischen dem Verdichter und dem Einlassventil ein Kühler eingesetzt, so läßt sich die effektiv gelieferte Luftmasse erhöhen, so daß mehr Sauerstoff verbrannt werden kann und somit auch die Endleistung steigt.

War die Leistungssteigerung früher das Hauptargument für den Turbolader, so sind es heute in erster Linie Energieersparnis, verringerte Emissionen und somit auch der Umweltschutz.
 
 

Der G-Lader wurde 1905 von dem Franzosen Le Creux erfunden. Die Materialien, die zu dieser Zeit verfügbar waren, verhinderten es allerdings, daß sein Entwurf eine verläßliche Alternative wird. In den achtziger Jahren wurde von Volkswagen der G-Lader (entgegengesetzt zum Turbolader) als Weg zu mehr Leistung gewählt. Es wurde dabei der Originalentwurf von Le Creux als Basis für die Entwicklung des G-Laders benützt.

Über 400 Entwicklungsvariationen wurden hergestellt bevor die aktuelle Bauart des Laders entstand. Zuverlässigkeit und ein minimaler Aufwand wurden vereint. Maximaler Ladedruck bei 10.000 U/Min über einen Zeitraum von 800 Stunden soll ein Beleg für die Standfestigkeit des G-Laders sein. Ein Lader, der bereits nach 4 Teststunden auf der Strecke bleiben würde, hätte in einem Versuchsfahrzeug immerhin über 30.000km ohne Probleme hinter sich gebracht.

Der Lader hat zwei Lufteinlässe und einen Auslaß. Ein Einlaß kommt direkt vom Luftfilter, der andere läßt die unbenutzte komprimierte Luft zirkulieren. Die Laderdrehzahl ändert sich stets proportional zur Motordrehzahl (Faktor: 1.6x Kurbelwellendrehzahl). Der Antrieb des Laders erfolgt durch zwei Riemen, die auch die Lichtmaschine antreiben. Die komprimierte Luft wird durch den Auslaß und den Ladeluftkühler zum Einspritzsystem geleitet. Hier befindet sich ein Bypassventil, welches die komprimierte Luft auf den Einlaß der Zylinder und den zweiten Einlaß des Laders verteilt. Das Ventil ist direkt an der Drosselklappe angeschlossen und wird so lastabhängig gesteuert. Nur bei voller Öffnung der Drosselklappe, also bei Vollast, wird die gesamte komprimierte Luft des Laders in den Motor geleitet. Ansonsten wird nur ein Teil dieser Luft in den Motor geleitet, der Rest wird wieder zum Lader zurückgeführt.

Intern besteht der G-Lader aus einer doppelten spiralförmigen Kammer, die, aufgrund ihrer G-Form, dem Lader seinen Namen gab. Luft wird in die äußere Spirale gepresst und dann mittels eines Magnesiumverdichters nach innen geleitet. Der Verdichter dreht sich exzentrisch, ähnlich dem Prinzip eines Wankel-Motors. Die heiße Luft, die den Lader verläßt, wird anschließend durch einen Ladelufkühler geleitet.

Bei einer Motordrehzahl von 5800U/min beträgt die Drehzahl am G-Lader ca. 11.000 U/min. Der G-Lader verbraucht durch den Antrieb von der Kurbelwelle selbst ca. 18 PS (bei Nenndrehzahl). Die Ansaugluft wird fast über den gesamten Drehzahlbereich auf 0,7 bar verdichtet.
 
 

Die Lösung der externen Luftzuführung wird beim Kompressor mit einem mechanisch arbeitenden System bewerkstelligt. Der Antrieb des Kompressors erfolgt hierbei wie beim G-Lader direkt durch die Kurbelwelle. Schon in der Anfangszeit der Entwicklung wurden zu diesem Zwecke Kompressoren in unterschiedlichen Bauformen eingesetzt.
Sie werden grundsätzlich vom Motor über einen Riemen angetrieben. Das kostet natürlich etwas Leistung - dieser Verlust wird aber durch die zusätzlich gewonnenen Pferdestärken mehr als kompensiert.
 
 

 

Gegenüber anderen Verfahren besteht der große Vorteil darin, daß der Überdruck unabhängig von der Drehzahl stets konstant ist und daß es keine Verzögerungen beim Ansprechverhalten gibt. Dies ist der Grund dafür, daß immer mehr Fahrzeuge mit Kompressormotoren dieser Bauart ausgestattet werden.
Inzwischen ist die Kompressor-Fraktion, Mercedes-Benz ist hier der Vorreiter unter den Großserienherstellern, nicht untätig gewesen und tritt in Konkurrenz zu den Lader-Leuten. Zweischraubenkompressor heißt ein Gerät, mit dem man die Nachteile der Abgaslader weitgehend elimiert hat. Der Wirkungsgrad ist ausgesprochen hoch, wobei auch im unteren Drehzahlbereich sehr schnell ein ordentlicher Ladedruck und damit Drehmoment aufgebaut wird.

Wie bei allen Ladern, kann auch beim Kompressor durch die Verwendung eines Ladeluftkühlers zusätzliche Mehrleistung erzielt werden.

Jedes dieser Aufladungssysteme hat naturgemäß ihre Vor- und Nachteile. Daß der G-Lader von Volkswagen bereits wieder aus dem Sortiment gestrichen wurde, ist wohl doch ein Indiz dafür, daß sich diese Technik nicht durchsetzen wird. Vermehrte Berichte über mangelhafte Standfestigkeit der G-Lader tun ihr übriges dazu. Die Turbolader- und die Kompressortechnik werden wohl auch in Zukunft um ihre Machtstellung im Motorenbau kämpfen müssen.
Es wird sich zeigen, ob und wenn ja, welches der beiden Systeme sich durchsetzen wird. Denkbar wäre auch eine Kombination aus beiden...