Wichtige Innovationen im Turboladerdesign

Motoren sind auf Turbolader angewiesen, um Leistung, Effizienz und Emissionsverhalten bereitzustellen. Turbolader sind eine Kernkomponente der Verbrennungsmotoren von Nutzfahrzeugen und entscheidend für die effiziente Stromerzeugung. Die Holset-Turbolader® von Cummins® Inc. werden auf die spezifischen Kunden- und Anwendungsanforderungen zugeschnitten, um das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung, Effizienz und Haltbarkeit zu gewährleisten.  

Die Komponenten, die das Design des Turboladers prägen

Bei der Konstruktion eines Turboladers wählen Ingenieure maßgeschneiderte Komponenten aus, um die Ziele in Bezug auf Motorleistung, Emissionen und Haltbarkeit zu erfüllen:

• Verdichterstufe: Die Konstruktion des Verdichterrads und des Verdichtergehäuses bestimmt zusammen mit dem Komponentenspiel das Gleichgewicht zwischen Luftmassenstrom, Druckverhältnis (Ladedruck) und Wirkungsgrad für die Anforderungen jedes Motors. Kompressoren mit Schaufel und Einlauftechnologien sind Beispiele für Innovationen, die zur Maximierung der Kompressorleistung eingesetzt werden.
• Lagersystem: Konstruktionen, die Reibungsverluste minimieren, verbessern den Gesamtwirkungsgrad des Turboladers und verkürzen die Anlaufzeit. Wälzlager (Kugellager) erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da sie eine starke Leistung und Haltbarkeit bieten.
• Turbinenstufe: Die Konstruktion von Turbinenrad, Düse und Gehäuse muss einen ausgewogenen Abgasmassenstrom, Expansionsverhältnis und Wirkungsgrad aufweisen, um genügend Leistung für den Kompressor zu erzeugen und gleichzeitig den richtigen Motorgegendruck aufrechtzuerhalten. So können beispielsweise Turbinen mit variabler Geometrie, die üblicherweise auf dem nordamerikanischen Markt für mittelschwere und schwere Lkw eingesetzt werden, den Ladedruck über unterschiedliche Motordrehzahlen und Lasten hinweg anpassen und gleichzeitig den für die Abgasrückführung erforderlichen Gegendruck bereitstellen. Dies trägt zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz über ein breiteres Spektrum von Betriebsbedingungen bei.

Konstruktion von Turboladern für maximale Leistung

Einzelne Turboladerkomponenten wirken sich auf die Gesamtleistung aus, aber die richtige Systemabstimmung oder die Auswahl der Komponenten für das Gesamtsystem stellt sicher, dass die Leistung auf die spezifischen Motoranforderungen abgestimmt ist. Die Abstimmung erfolgt in der Regel während der Verdichter- und Turbinenphase.

• Kompressorstufe: Ingenieure ermitteln einen Kompressor, der die Luftstromanforderungen des Motors auf der Grundlage des Motorhubraums, der Leistungsziele und der vom Motorhersteller festgelegten Anforderungen an das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfüllt. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist besonders wichtig für die Einhaltung von Emissionsstandards. Durch die Maximierung des Wirkungsgrads unter kritischen Betriebsbedingungen wird mehr Turbinenenergie für die Erzeugung von Ladedruck aufgewendet, anstatt überschüssige Wärme zu erzeugen. Wenn ein Motor beispielsweise bei gleichem Hubraum und Luft-Kraftstoff-Verhältnis mehr Leistung benötigt, ist in der Regel ein größerer Kompressor erforderlich.
• Turbinenstufe: Ingenieure wählen eine Turbine aus, die genug Leistung für den Kompressor erzeugt, um den Luftmassenstrom zu erfüllen und die Anforderungen unter allen Motorbetriebsbedingungen zu erhöhen. Die Turbine erzeugt Strom durch Abgasstrom und Druckausdehnung über die Turbine. Eine effizientere Turbine benötigt weniger Druckdifferenz, um die gleiche Leistung zu erzeugen, was dazu beiträgt, den Motorgegendruck zu reduzieren. Wenn ein Motor in der Praxis mehr Leistung bei gleichem Hubraum und Luft-Kraftstoff-Verhältnis benötigt, ist in der Regel eine kleinere Turbine erforderlich, um das richtige Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

Verbesserung des Wirkungsgrads in Turboladern

Jüngste Fortschritte in der Turboladertechnologie haben erhebliche Effizienzsteigerungen ermöglicht. Neben der Anpassung des aerodynamischen Designs an kritische Motorbetriebspunkte gehören zu den wichtigsten Entwicklungen:

• Verdichterstufe: In der neuesten Generation von Holset-Turboladerprodukten wurden Einlaufschichten eingeführt, um die Effizienz des Verdichters durch eine präzise Steuerung des Spiels zwischen Verdichterrad und Gehäuse zu verbessern. Kompressoren mit Schaufel werden auch verwendet, um die Effizienz des Kompressors zu steigern und gleichzeitig die Druckfähigkeit zu erhöhen und den Durchflussbereich eines Kompressors ohne Schaufel beizubehalten.
• Lagersystem: Neuere Mittelklasse- und Schwerlast-Turboladerplattformen sind mit Kugellagern ausgestattet, die Reibungsverluste im Lagersystem reduzieren. Dies verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Turboladers und das Einschwingverhalten für eine stärkere Leistung im unteren Drehzahlbereich.
• Turbinenstufe: Die Turbinentechnologie mit variabler Geometrie hat sich weiterentwickelt, wobei Holset-Turbolader durch die präzise Steuerung der Schlüsselabstände innerhalb der Düse erhebliche Verbesserungen an der Turbine erzielen. Wastegate-Turboladerprodukte haben auch die Effizienz der Turbine durch vollständig ummantelte Turbinenräder und optimierte Designs mit festen Düsen verbessert.

Da sich die Anforderungen an die Motorleistung und die Emissionen ständig weiterentwickeln, wird das Design des Turboladers ein wichtiger Innovationsbereich bleiben. Die Kombination aus präziser Komponentenabstimmung, optimierter Aerodynamik und kontinuierlichem technischen Fortschritt trägt dazu bei, dass Turbolader eine effiziente und zuverlässige Leistung für Nutzfahrzeuganwendungen liefern.