Arbeitsweise eines aufgeladenen Verbrennungsmotors

Mit einem Turbolader sollen hohe Drehmomente und somit höhere Motorleistungen erzielt werden. Dies gelingt, indem die angesaugte Luft verdichtet wird. Durch die erhöhte Dichte kann somit bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangen. Mit dem höheren Sauerstoffgehalt ist eine bessere Verbrennung möglich - die Leistung steigt. Um 1 kg Kraftstoff vollständig zu verbrennen, benötigt der Motor ca. 14 kg Luft (Lambda = 1). Bei Turbomotoren steigt durch den besseren Füllungsgrad an Luft der wirkungsgrad des Motors.

Die Wärme- und Bewegungsenergie des Motorabgases werden genutzt, um die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben. Die Abgasturbine betreibt den Verdichter. Dieser presst die angesaugte Luft zusammen, wodurch sie sich erwärmt. Im Ladeluftkühler wird sie wieder abgekühlt.

Turbolader kommen in der Regel an Viertakt-Hubkolbenmotoren zum Einsatz.
Ein Viertakt-Hubkolbenmotor wird über Ventile gesteuert. Im Gegensatz zum Zweitakt-Motor bei dem alle Arbeitstakte während einer Kurbelwellenumdrehung ablaufen, benötigt der Viertakt-Motor für einen Zyklus 2 Kurbelwellenumdrehungen.

Funktionsweise eines aufgeladenen Viertakt Ottomotors

• 1. Takt Ansaugen
  Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle (unteren Totpunkt). Das Einlaßventil ist geöffnet. Das Luft-Kraftstoffgemisch wird durch den gebildeten Unterdruck angesaugt.
• 2. Takt Verdichten
  Die Einlaßventile werden geschlossen und der Kolben bewegt sich in Richtung oberer Totpunkt. Da sich nun das Volumen des Luft-Kraftstoffgemisches vermindert, steigt gleichzeitig der Druck und die Temperatur des Gemisches.
• 3. Takt Arbeiten
  Alle Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung wird das Luft-Kraftstoffgemisch beim Ottomotor durch die Zündkerze gezündet, beim Dieselmotor wird es so hoch kompriemiert, das es sich von selbst entzündet. Das Volumen des Luft-Kraftstoffgemisches vergrößert sich und die sich ausdehnenden Gase verrichten eine Arbeit in dem sie den Kolben in Richtung unteren Totpunkt drücken.
• 4. Takt Ausschieben
  Bei Erreichen des unteren Totpunktes öffnet das Auslaßventil. Der Kolben bewegt sich nun in Richtung oberer Totpunkt. Durch das Öffnen des Auslaßventils sinkt der Druck auf einen Wert nahe dem äußeren Luftdruck. Am Ende dieses Taktes schließt sich das Auslaßventil und das Einlaßventil öffnet sich. Ein neuer Viertakt-Zyklus beginnt!

Um heutigen Gesichtspunkten wie Wirtschaftlichkeit, CO2-Ausstoß und Geräuschemmission gerecht zu werden, bietet sich hier die Turbolader-Aufladung besonders an.

Abgasenergie

Bei der Abgasturboaufladung wird ein großer Teil der eigentlich verlorenen Abgasenergie zum Antrieb des Turboladers genutzt. Innerhalb des Turboladers wird ein Turbinenrad durch diese Abgasenergie angetrieben, welches dann eine Welle antreibt, auf dessen Ende ein Verdichterrad sitzt. Dieses Verdichterrad komprimiert die Ansaugluft für den Motor.

Gewicht

Durch die Zuführung komprimierter Ansaugluft steigt die Leistung des Motors. Aufgeladene Motoren können kleiner (Downsizing) und somit leichter konstruiert und hergestellt werden als leistungsgleiche Saug-Motoren. Durch diese Gewichtseinsparung sinkt zu dem der Kraftstoffverbrauch.

CO2 Ausstoß

Die Verwendung heutiger Turbolader-Aufladesysteme verringert den CO2-Ausstoß durch eine bessere Füllung der Zylinder mit dem Luft-Kraftstoffgemisch unter nahezu allen Betriebszuständen und sorgt somit für eine „sauberere“ Verbrennung.

Verbrauch

Alle diese Betrachtungen zusammen addiert bringen die Grundvoraussetzungen für einen niedrigen Verbrauch. Eine reine Leistungssteigerung von Ottomotoren, wie aus der Anfangszeit der Turbolader, ist heute nicht mehr der Grund für eine Aufladung. Vielmehr steht bei dieser Technik heutzutage die Emmissionsminderung im Vordergrund.