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Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte der Turboaufladung

Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte der Turboaufladung

Vielleicht gibt es keine solche Person, die mindestens einmal in ihrem Leben das Auto mit dem Präfix “Turbo” gesehen hat. Die Hersteller scheinen diese Inschrift absichtlich unauffällig zu machen, damit der Einwohner vorbeigeht. Aber eine Person, die weiß, wird unbedingt anhalten und sich für das Auto interessieren. Im Folgenden werden wir Ihnen sagen, warum das passiert.

Konstrukteure (seit es diesen Beruf gibt) zerbrechen sich die Köpfe darüber, wie sie die Motorleistung erhöhen können. Gemäß den Gesetzen der Physik hängt die Motorleistung direkt von der Menge an Kraftstoff ab, die in einem Arbeitszyklus verbrannt wird. Je mehr Kraftstoff verbrannt wird, desto höher ist die Leistung.

Sauerstoff wird benötigt, um Kraftstoff zu verbrennen. Es ist also kein Kraftstoff, sondern ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in den Zylindern verbrennt. Es ist notwendig, Kraftstoff mit Luft in den richtigen Proportionen zu mischen. Zum Beispiel besteht eine Mischung für Benzinmotoren aus einem Teil des Kraftstoffs und 14-15 Teile der Luft, abhängig von der Betriebsart, der Zusammensetzung des Kraftstoffs und anderen Faktoren.

Wie man sieht, braucht es viel Luft. Wenn wir die Kraftstoffzufuhr erhöhen, müssen wir auch die Luftzufuhr erhöhen. Konventionelle Motoren ziehen es aufgrund der Druckunterschiede im Zylinder und in der Atmosphäre in sich. Die Abhängigkeit ist in diesem Fall direkt — je größer das Volumen des Zylinders ist, desto mehr Sauerstoff wird bei jedem Zyklus in ihn gelangen. Auf diesem Weg gingen die Amerikaner, deren Autos sind berühmt für riesige Motoren mit einem unbändigen “Appetit”. Aber gibt es eine Möglichkeit, mehr Luft in das gleiche Volumen zu pumpen?

Ja, es gibt eine, und es wurde von Gottlieb Wilhelm Daimler erfunden. Also, dieser Deutsche verstand sich gut mit Motoren, und in 1885 erfand er einen Weg, um mehr Luft in sie zu pumpen. Er kam auf die Idee, für diese Zwecke ein Gebläse, das ein Ventilator (Kompressor), die direkt durch die Motorwelle gedreht und gepumpt Druckluft in die Zylinder war zu verwenden. 

Der Schweizer Ingenieur und Erfinder Alfred J. Büchi hat alle übertroffen. Er war verantwortlich für die Entwicklung von Dieselmotoren in der Firma der Sulzer Brüder, und er mochte absolut nicht die Tatsache, dass die Motoren groß und schwer waren und wenig Leistung entwickelten. Er wollte auch keine Energie vom Motor nehmen, um den Antriebskompressor zu drehen. Daher patentierte Herr Büchi 1905 den weltweit ersten Kompressor, der die Abgasenergie als Stromquelle nutzte. Einfach gesagt, er erfand den Turbo.

Die Idee eines cleveren Schweizers zum Genie ist einfach. Die Abgase drehen das Flügelrad genau so, wie die Winde die Flügel der Mühle drehen. Der einzige Unterschied — die Größe des Rades ist klein, und es gibt viele Klingen. Das Flügelrad wird als Turbinenrotor bezeichnet und ist auf einer Welle mit dem Kompressorrad montiert. Somit kann der Turbolader bedingt in zwei Teile unterteilt werden — den Rotor und den Kompressor. Der Rotor dreht sich durch die Abgase, und der angeschlossene Kompressor pumpt zusätzliche Luft in die Zylinder und erfüllt die Funktion eines “Lüfters”. All diese komplizierte Konstruktion heißt Turbolader (aus dem Lateinischen “turbo” — für Wirbel und “compressio” für Kompression).

Bei einem Turbomotor muss die Luft, die in die Zylinder eindringt, oft noch zusätzlich gekühlt werden. In diesem Fall kann der Druck erhöht werden, indem mehr Sauerstoff in den Zylinder gepumpt wird. Die kalte Luft (die sich bereits im Zylinder des Verbrennungsmotors befindet) ist leichter zu komprimieren als die heiße Luft.

Die Luft, die durch die Turbine fließt, wird durch Kompression sowie durch Abgase erhitzte Teile des Turboaufladens erhitzt. Die Luft, die dem Motor zugeführt wird, wird durch einen Zwischenkühler gekühlt. Dies ist ein Heizkörper, der auf dem Luftweg vom Kompressor zu den Zylindern des Motors installiert ist. Wenn er durch ihn geht, gibt er der Atmosphäre seine Wärme. Und bei der kalten Luft ist die Dichte höher, was bedeutet, dass in den Zylinder noch mehr Luft gepumpt werden kann.

Je mehr Abgase in die Turbine gelangen, desto schneller dreht sie sich und je mehr zusätzliche Luft in die Zylinder eindringt, desto höher ist die Leistung. Die Effizienz dieser Lösung im Vergleich zum Beispiel mit dem Antriebslader ist 1.5%. Der Turbinenrotor erhält Energie aus den Abgasen nicht durch ihre Verlangsamung, sondern durch Kühlung — nach der Turbine sind die Abgase immer noch schnell, aber ihre Temperatur ist niedriger.Darüber hinaus erhöht die freie Energie, die für die Komprimierung der Luft ausgegeben wird, die Effizienz des Motors. Und die Fähigkeit, mehr Leistung bei geringerem Arbeitsvolumen zu erhalten, bedeutet weniger Reibungsverlust, weniger Gewicht des Motors (und des Autos als Ganzes). All dies macht Turbo-Autos sparsamer im Vergleich zu atmosphärischen Analoga der gleichen Leistung. Aber es gibt auch Fallstricke.

Erstens kann die Drehzahl der Turbine 200 Tausend Umdrehungen pro Minute erreichen, und zweitens erreicht die Glühtemperatur 1,000 °C! Was bedeutet das? Und die Tatsache, dass ein Turbolader herzustellen, der solch großen Lasten für eine lange Zeit standhalten kann, ist teuer und schwierig.

Daher wurde der Turboaufladung nur während des Zweiten Weltkriegs und ausschließlich in der Luftfahrt weithin anerkannt. In den 50er Jahren gelang es der amerikanischen Firma Caterpillar, sie an ihre Traktoren anzupassen, und Cummins-Handwerker entwarfen die ersten Turbodiesel für ihre Lastwagen. Turbomotoren sind auf Serienautos noch später erschienen. Dies geschah im Jahr 1962, als fast gleichzeitig Oldsmobile Jetfire und Chevrolet Corvair Monza veröffentlicht wurden.

Die Komplexität und die hohen Kosten der Konstruktion — nicht alle Mängel. Tatsache ist, dass der Wirkungsgrad der Turbine stark von der Motordrehzahl abhängt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist das Abgasvolumen gering, der Rotor dreht sich schlecht und der Kompressor startet fast keine zusätzliche Luft in die Zylinder. Daher kommt es vor, dass der Motor überhaupt nicht weniger als dreitausend Umdrehungen pro Minute arbeitet, und erst dann, nach vier oder fünftausend, wird er “schießt” genannt. Dieses Phänomen wird ein Turboloch genannt.

Eine sequentielle Turboaufladung hilft, die Verzögerung des Turboaufladens fast vollständig loszuwerden. Bei niedrigen Motordrehzahlen arbeitet ein kleiner Turbolader, der die Traktion auf den “unteren” erhöht, und der zweite, größere, wird bei hohen Drehzahlen mit zunehmendem Abgasdruck eingeschaltet. Im letzten Jahrhundert auf dem Porsche 959 verwendet serielle Turboaufladung, und heute, zum Beispiel, Turbodiesel BMW und Land Rover sind nach einem solchen Schema angeordnet.

In den Benzinmotoren von Volkswagen spielt die Rolle des kleinen “Kraftwerks” den Kompressor des Antriebs.

Gerade Motoren verwenden oft einen Einzelturbolader mit zwei Spiralen und einer Doppelarbeitsvorrichtung. Jede der Spiralen ist mit Abgasen aus verschiedenen Zylindergruppen gefüllt. Gleichzeitig versorgen beide die Gase jedoch mit einer einzigen Turbine und drehen sie effektiv bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten.

Aber es gibt immer noch häufiger ein paar identische Turboaufladungen, die die einzelnen Zylindergruppen parallel bedienen. Eine typische Schaltung für V-Turbomotoren, bei denen jedes Aggregat seinen eigenen Kompressor hat. Der V8-Motor der M GmbH, der auf dem BMW X5 M und X6 M debütierte, ist zwar mit einem Querauslasskrümmer ausgestattet, wodurch der Zweispiralkompressor die Abgase aus den Zylindern verschiedener Blöcke erhält, die in der entgegengesetzten Phase laufen. 

Es ist auch möglich, die Effizienz des Turboladers über den gesamten Drehzahlbereich zu erhöhen, indem die Geometrie des Arbeitsteils geändert wird. Abhängig von der Drehzahl innerhalb der Spirale drehen sich spezielle Klingen, und die Form der Düse ändert sich. Das Ergebnis ist eine Art “Superturbine”, die im gesamten Drehzahlbereich perfekt funktioniert. Viele Wissenschaftler haben diese Ideen im Laufe der Jahre getragen, aber sie konnten erst vor kurzem umgesetzt werden. Darüber hinaus erschien zuerst auf Dieselmotoren Turbinen mit variabler Geometrie, glücklicherweise ist die Temperatur der Gase dort viel niedriger. Und der Porsche 911 Turbo war das erste Benzinauto, das eine solche Turbine auf sich selbst getestet hat.

Die Konstruktion von Turbomotoren wurde vor langer Zeit geändert. In den letzten Jahren hat das Interesse an ihnen stark zugenommen. Turbolader waren vielversprechend, nicht nur in Bezug auf die Beschleunigung des Motors, sondern auch in Bezug auf die Verbesserung der Effizienz und Sauberkeit des Abgas. Dies gilt insbesondere für Dieselmotoren. Heute hat fast jeder Diesel eine Präfix “turbo”. Zur gleichen Zeit, die Installation der Turbine auf Benzinmotoren ermöglicht es Ihnen, ein gewöhnliches Auto in eine echte “Bombe” zu verwandeln.

Dies ist eine Übersetzung. Man kann den ursprünglichen Artikel hier lesen: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html

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