Abgasturbolader: interaktives Modell, Schritt für Schritt

Was das Modell zeigt

Treten Sie in einem kleinen Turboauto bei niedrigem Tempo aufs Gas, und eine Sekunde lang passiert kaum etwas. Dann zieht der Wagen, als wäre der Motor gewachsen. Die Pause und der Schub kommen beide von dem Teil in der Mitte dieses Modells: einem Abgasturbolader, einem kleinen Gebläse, das vom eigenen Abgas des Motors angetrieben wird und zusätzliche Luft in die Zylinder bläst.

Das Modell ist ein Vierzylinder-Ottomotor mit 2,0 Litern Hubraum, einem Turbolader, einem Frontladeluftkühler und den Rohren dazwischen. Der Turbolader ist entlang seiner Welle aufgeschnitten, die roten Flächen zeigen den Schnitt. Orange Punkte sind Abgas. Blaue Punkte sind Frischluft; sie werden lila, wenn sich die Luft erwärmt, und wieder blauer, wenn sie abkühlt. Gelbe Punkte sind Öl. Die Anzeige nennt die Drehzahl der Turboladerwelle, den Ladedruck, die Lufttemperatur nach dem Verdichter und nach dem Ladeluftkühler, die Luftmenge je Zylinder und die Leistung. Alles wird aus den Einstellungen unter Steuerung mit den Formeln weiter unten berechnet. Das Diagramm darunter zeigt die letzten acht Sekunden, sodass Sie sehen, wie der Turbo hinterherkommt, wenn Sie die Drosselklappe bewegen.

Die Zahlen sind Modellwerte für einen typischen kleinen Turbo-Ottomotor. Sie stammen nicht aus den Daten eines Herstellers, und der Abschnitt gegen Ende zählt auf, was das Modell weglässt.

Warum ein Motor dichtere Luft will

Ein Ottomotor verbrennt Kraftstoff mit dem Sauerstoff der angesaugten Luft, und wie viel Kraftstoff er verbrennen kann, begrenzt diese Luft. In der Ausstellung Viertaktmotor füllt sich jeder Zylinder einmal pro zwei Kurbelwellenumdrehungen. Das Volumen, das er füllt, legen Bohrung und Hub fest. Mehr Luft hineinzubekommen geht also nur, indem man die Luft verdichtet, bevor sie ankommt.

In diesem Modell hat jeder der vier Zylinder einen halben Liter Hubraum und füllt sich zu 90 Prozent davon (das ist sein Liefergrad). Außenluft bei 25 °C und normalem Luftdruck auf Meereshöhe hat eine Dichte von 1,184 kg/m³, also nimmt ein Zylinder, der aus eigener Kraft atmet, pro Ansaugtakt

0,9 × 0,0005 m³ × 1,184 kg/m³ = 533 mg Luft auf.

Bei 6.000 rpm sind das 107 Gramm Luft pro Sekunde für den ganzen Motor. Verbrannt bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 mit einem effektiven Wirkungsgrad von 30 Prozent, ergibt der Kraftstoff, den diese Luft verbrennen kann, 94 kW. Mit einem bar Ladedruck und arbeitendem Ladeluftkühler bekommt derselbe Zylinder 984 mg, und der Motor leistet 173 kW. Der Motor ist nicht gewachsen; die Luft ist enger gepackt.

Das Abgas dreht die Turbine, die Welle dreht den Verdichter

Das Abgas, das die Zylinder verlässt, ist heiß und steht unter Druck, und bei einem Motor ohne Turbo geht diese Energie durchs Endrohr verloren. Hier führen die vier Rohre des Abgaskrümmers es ins Turbinengehäuse, eine gusseiserne Spirale, die einmal um das Turbinenrad läuft und dabei enger wird. Die Verengung beschleunigt das Gas und versetzt es in Drall; es strömt durch die elf Schaufeln des Rads nach innen und verlässt es entlang der Achse ins Hosenrohr. Der Druck des Gases auf die Schaufeln dreht das Rad.

Am anderen Ende derselben Stahlwelle sitzt das Verdichterrad, es dreht also genau gleich schnell. Luft aus dem Filter tritt entlang der Achse ein, und die gekrümmten Schaufeln schleudern sie am Rand nach außen. Die Aluminiumspirale um den Verdichter wird dabei weiter, bremst die schnelle Luft und wandelt ihre Geschwindigkeit in Druck um. Dasselbe Ideenpaar, eine Turbine, die heißem Gas Arbeit entzieht, und ein Verdichter, der sie kalter Luft zuführt, treibt auch ein Strahltriebwerk an, nur gibt es hier keine Brennkammer dazwischen; das Verbrennen übernehmen die Zylinder des Motors.

Wie schnell dreht er? Garrett, einer der größten Hersteller, gibt an, dass seine größten Turbolader mit bis zu 63.000 rpm drehen und seine kleinsten mit mehr als 300.000 rpm. Das Verdichterrad des Modells hat 50 mm Durchmesser und muss für ein bar Ladedruck mit etwa 142.000 rpm drehen. Sein Rand bewegt sich dann mit

2π × 0,025 m × 142.300 / 60 s = 373 m/s,

schneller als der Schall in der Außenluft. Auf dem Bildschirm drehen sich die Räder 2.000-mal langsamer, als die Anzeige sagt.

Eine Welle, die auf Öl schwimmt

Die meisten Turbolader lagern die Welle in einfachen Gleitbuchsen auf einem Ölfilm, manche Sportturbos verwenden stattdessen spezielle Kugellager. Im Modell bringt eine umflochtene Leitung Motoröl von der Hauptölbohrung zur Oberseite des Lagergehäuses. Das Öl füllt den Spalt um zwei Bronzebuchsen, die zwischen Welle und Gehäuse schwimmen, und die Welle läuft auf diesem Film, ohne Metall zu berühren. Ein Axiallager neben dem Verdichter nimmt die Kraft in Längsrichtung auf. Danach fällt das Öl durch den großen Ablauf unten und fließt zurück in die Ölwanne. Deshalb ist der Rücklaufschlauch dick und zeigt gerade nach unten.

Das Öl trägt auch Wärme ab. Die Turbinenseite steckt im Abgas, die Verdichterseite atmet Außenluft, und das Lagergehäuse ist die Brücke dazwischen. Aus demselben Grund haben manche Turbolader einen Kühlmittelmantel am Lagergehäuse, der das Öl vor Überhitzung schützt.

Verdichten macht Luft heiß

Pumpen Sie einen Fahrradreifen auf, und der Pumpenzylinder wird warm. Ein Verdichter tut dasselbe viel schneller, und die Luft hat keine Zeit, die Wärme abzugeben. Bei einem idealen, verlustfreien Verdichter beträgt die Austrittstemperatur

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ),

wobei PR das Druckverhältnis ist und γ für Luft 1,4 beträgt. Ein bar Ladedruck über den 1,013 bar außen ergibt ein Druckverhältnis von 1,987. Ausgehend von 298,15 K (25 °C):

298,15 K × 1,987^0,286 = 362,8 K, also etwa 90 °C.

Ein echter Verdichter verschenkt einen Teil seiner Arbeit als zusätzliche Wärme. Das Modell rechnet mit einem Wirkungsgrad von 72 Prozent, durch den der Temperaturanstieg geteilt wird:

T₂ = 298,15 × (1 + (1,2168 − 1) / 0,72) = 387,9 K, also etwa 115 °C.

Das ist die Zeile „Nach Verdichter“ in der Anzeige. Schieben Sie die Ladedruckgrenze auf 1,5 bar, steigt sie auf 148 °C. Diese Arbeit kostet Leistung: 90 kJ je Kilogramm Luft, etwa 18 kW bei 6.000 rpm, alles von der Turbine aus dem Abgas geholt.

Kühlen gibt der Ladung die Dichte zurück

Heiße Luft ist dünne Luft. Das ideale Gasgesetz verbindet die drei Größen als ρ = p / (R T), mit R = 287 J/(kg·K) für Luft. Bei einem bar Ladedruck verlässt die Luft den Verdichter mit 201.325 Pa und 387,9 K:

ρ = 201.325 / (287,05 × 387,9) = 1,808 kg/m³.

Der Druck hat sich fast verdoppelt, die Dichte aber nur um den Faktor 1,53 erhöht, weil ein guter Teil des Gewinns in Wärme gegangen ist. Heiße Luft in den Zylindern bringt das Gemisch außerdem näher ans Klopfen, bei dem sich der Kraftstoff vor dem Funken von selbst entzündet.

Der Ladeluftkühler ist ein Kühler für die Ansaugluft. Die Ladung strömt durch flache Rohre, während der Fahrtwind an der Front durch die Lamellen dazwischen bläst. Der Ladeluftkühler im Modell nimmt 75 Prozent des Temperaturanstiegs heraus:

T₃ = 387,9 − 0,75 × (387,9 − 298,15) = 320,6 K, also etwa 47 °C.

Bei gleichem Druck beträgt die Dichte jetzt 201.325 / (287,05 × 320,6) = 2,188 kg/m³, das 1,85-Fache der Außenluft. Schalten Sie den Ladeluftkühler unter Steuerung aus, fällt die Leistung bei 4.000 rpm von 115 kW auf 95 kW, ohne dass sich der Ladedruck ändert.

Den Ladedruck an einer Grenze halten

Bei hoher Drehzahl gibt es weit mehr Abgas, als der Turbo braucht. Im Modell könnte das Abgas bei 6.000 rpm und Vollgas den Verdichter auf ein Druckverhältnis von etwa 3 treiben, weit über das, wofür der Motor gebaut ist. Das Wastegate verhindert das. Es ist eine Klappe im Turbinengehäuse, die einen direkten Weg zum Austritt öffnet, sodass ein Teil des Gases am Turbinenrad vorbeiströmt. Eine Druckdose, ein dichtes Gehäuse mit Feder und Membran, drückt die Klappe auf, wenn der Ladedruck die Grenze erreicht. Garrett beschreibt es so: Bei einem voreingestellten Wert öffnet das Wastegate und lässt das Abgas an der Turbine vorbeiströmen.

Der Regler „Ladedruckgrenze“ verschiebt diesen voreingestellten Wert. Bei 4.000 rpm ist die Klappe etwa 16 Prozent offen; bei 6.000 rpm etwa zur Hälfte, und die Anzeige zeigt, dass der Ladedruck bei einem bar bleibt, während die Drehzahl steigt. Setzen Sie die Grenze auf null, bleibt die Klappe ganz offen; der Motor atmet dann wie ein Saugmotor und leistet bei 6.000 rpm etwa 94 kW.

Warum die Leistung spät kommt

Der Turbo kann nur so schnell hochdrehen, wie ihn das Abgas antreibt, und bei wenig Gas gibt es nicht viel Abgas. Treten Sie voll durch, und der Motor bekommt zunächst nur die Luft, die er selbst ansaugen kann. Das gibt etwas mehr Abgas, das den Turbo etwas schneller dreht, das etwas mehr Ladedruck gibt, und so weiter, bis die Grenze erreicht ist. Dieses Warten heißt Turboloch.

Das Modell lässt die Wellendrehzahl mit einer Verzögerung auf ihren Zielwert steigen, die umso länger ist, je weniger Abgas da ist. Bei 2.000 rpm steigt die Welle beim Sprung von 15 Prozent auf Vollgas von etwa 19.800 auf 101.600 rpm; nach 0,7 Sekunden ist sie auf halbem Weg und nach 2,4 Sekunden bei 90 Prozent. Bei 3.500 rpm braucht derselbe Sprung 1,7 Sekunden bis 90 Prozent. Der letzte Schritt des Rundgangs führt diesen Versuch vor, und im Diagramm hinken die rote Linie der Wellendrehzahl und die blaue Linie des Ladedrucks der grauen Linie der Drosselklappe hinterher.

Es gibt noch einen zweiten, getrennten Effekt. Bei niedriger Drehzahl kann das Abgas den Turbo nicht schnell genug für vollen Ladedruck drehen, egal wie lange man wartet. Im Modell ergibt Vollgas bei 2.000 rpm nur 0,45 bar, und voller Ladedruck kommt erst oberhalb von etwa 3.500 rpm. Das ist die Ladedruckschwelle. Hersteller bekämpfen beides mit kleineren und leichteren Rädern, Twin-Scroll-Gehäusen, verstellbaren Leitschaufeln in der Turbine und neuerdings mit Elektromotoren auf der Welle.

Worin sich dieses Modell von einem echten Turbo unterscheidet

• Der Turbolader ist ungefähr maßstabsgetreu gezeichnet, aber Gehäusewände, Schaufelformen und Rohrverläufe sind vereinfacht.
• Verdichterwirkungsgrad, Wirkungsgrad des Ladeluftkühlers und Liefergrad des Motors sind feste Zahlen. In einem echten Motor ändern sie sich mit Durchsatz und Drehzahl, und Hersteller beschreiben Verdichter mit einem Kennfeld statt mit einem einzelnen Wert.
• Die Abgasseite ist eine einzige Formel dafür, wie viel Druck die Turbine liefern könnte; den Rest nimmt das Wastegate. Pulse der einzelnen Zylinder, Abgasgegendruck und Abgastemperatur sind nicht modelliert.
• Der Motor verbrennt seinen Kraftstoff bei einem festen Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 und einem festen Wirkungsgrad von 30 Prozent. Echte Turbomotoren fahren bei vollem Ladedruck fetter und nehmen die Zündung zurück, um Klopfen zu vermeiden.
• Druckverluste in Filter, Rohren und Ladeluftkühler sind weggelassen, ebenso das Schubumluftventil, das den Druck ablässt, wenn die Drosselklappe schließt.

Vom Schiffsmotor zum kleinen Benziner

Das Patent des Schweizer Ingenieurs Alfred Büchi von 1905 gilt gewöhnlich als Beginn der Abgasturboaufladung. Brown Boveri stellte im Juni 1924 seinen ersten Turbolader für Großmotoren fertig, den VT402, und die deutschen Passagierschiffe Preussen und Hansestadt Danzig, 1926 vom Stapel gelaufen, waren die ersten Schiffe mit turboaufgeladenen Motoren, gebaut unter Büchis Aufsicht. Dann folgten die Flugzeuge: Ab Ende der 1930er-Jahre flog die Boeing B-17 mit Turboladern von General Electric, die die Leistung ihrer Motoren in der dünnen Luft der Höhe hielten. Im Auto bremsten Turboloch und Bauraum sie lange aus. Heute ist ein Turbo ein gängiger Weg, aus einem kleineren Motor mehr Leistung zu holen, was Ingenieure Downsizing nennen.

Warum ein Bar die Luftmenge nicht genau verdoppelt

Eine Ladedruckanzeige misst gewöhnlich den Druck über dem Umgebungsdruck. Das Gasgesetz verwendet dagegen den vom Vakuum aus gemessenen Absolutdruck. Als bewusst gerundetes Beispiel nehmen wir 1 bar absoluten Umgebungsdruck und eine unveränderte Ansaugtemperatur an. Ein Ladedruck von 1 bar bedeutet dann 2 bar absolut. Nach ρ = p / (R T) verdoppelt eine Verdopplung des Absolutdrucks die Dichte und damit die Luftmasse im gleichen Zylindervolumen. Ein zusätzliches Bar verdoppelt die Luft aber nicht immer: Ausgehend von 2 bar absolut ergibt ein weiteres Bar das Verhältnis 3 / 2.

Die Temperatur verändert das Ergebnis. Angenommen, die Verdichtung erwärmt die Luft von 300 K auf 400 K und verdoppelt dabei den Absolutdruck. Das sind Beispielannahmen, keine weiteren Modelleinstellungen. Das Dichteverhältnis wird 2 × 300 / 400 = 1,50. Wird die Ladung bei gleichem Druck auf 330 K gekühlt, ergibt sich 2 × 300 / 330 = 1,82. Der Kühler hat in dieser Rechnung keinen Druck hinzugefügt. Er ermöglicht mehr Masse im bereits vorhandenen Volumen. Hier müssen Kelvin verwendet werden. Celsiuswerte zu dividieren wäre falsch, weil deren Skala nicht am absoluten Nullpunkt beginnt.

Das Exponat verwendet 1,013 bar Umgebungsdruck statt der gerundeten 1 bar. Daher entspricht sein Ladedruck von 1 bar einem Druckverhältnis knapp unter 2. Temperatur und Dichte weichen etwas vom Rechenbeispiel ab. Ein echter Ladeluftkühler verursacht außerdem Druckverluste; ein verstopfter Filter senkt den Verdichtereintrittsdruck. Garrett berücksichtigt in seiner Kennfeldanleitung die Verluste vor und hinter dem Verdichter beim tatsächlichen Druckverhältnis. Die Anzeige im Fahrzeug allein sagt nicht, wie stark der Verdichter arbeiten muss.

Bei der Leistung gibt es ein ähnliches Missverständnis. Mehr Sauerstoff erlaubt mehr Kraftstoff zu verbrennen, ersetzt den Kraftstoff aber nicht. Bei festem Gemisch und Wirkungsgrad des Exponats steigt die berechnete Leistung proportional zur Luftmasse. Ein echtes Steuergerät kann dagegen das Drehmoment begrenzen, die Zündung zurücknehmen oder das Gemisch ändern. Zwei Motoren mit gleichem angezeigtem Ladedruck können unterschiedliche Ansaugtemperaturen, Hubräume und Leistungen haben. Ladedruck ist eine nützliche Information, aber kein direktes Maß für PS oder mechanische Sicherheit.

Warum ein größeres Rad nicht einfach schneller drehen kann

Die zuvor berechnete Umfangsgeschwindigkeit verbindet die Drehzahlanzeige mit der tatsächlichen Geschwindigkeit an der Schaufelspitze. Beim Modellrad mit 50 mm Durchmesser ergeben 100.000 rpm etwa 262 m/s. Bei 250.000 rpm liefert dieselbe Rechnung etwa 654 m/s. Das sind geometrische Beispiele in einem plausiblen Drehzahlbereich kleiner Turbolader, keine freigegebenen Betriebspunkte dieses Rades. Ob ein echtes Rad standhält, bestimmen Werkstoff, Schaufelform und Herstellergrenze. Die farbigen Teilchen und die bewusst verlangsamte Drehung zeigen diese Spannungen nicht.

Bei gleichem Radius wächst die für die Kreisbewegung eines Schaufelteils notwendige Beschleunigung mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit. Doppelte Drehzahl erfordert daher vierfache Zentripetalbeschleunigung. Ein größerer Radius erhöht ebenfalls die Spitzengeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl. Deshalb kann ein großer Industrieturbolader viel langsamer als ein kleiner Pkw-Lader drehen, ohne weniger nutzbare Arbeit zu leisten. Die MIT-Vorlesung behandelt Fliehkraftspannungen als Drehzahlgrenze des Verdichters. Hohe Drehzahlen ohne Radgröße zu nennen, lässt einen großen Teil der Konstruktionsfrage aus.

Ein Verdichterkennfeld ergänzt eine weitere Grenze. Garrett trägt den Massenstrom waagerecht und das absolute Druckverhältnis senkrecht auf. Linien zeigen die Wellendrehzahl; Wirkungsgradinseln markieren Bereiche, in denen weniger Wellenarbeit als Wärme verloren geht. Auf der Seite kleiner Durchsätze bedeutet Pumpen oder Surge einen instabilen Strömungszustand, nicht bloß geringe Leistung. An der Grenze hoher Durchsätze beschränken Schlucken beziehungsweise Choke und fallender Wirkungsgrad den sinnvollen Betrieb. Noch mehr Druck zu verlangen kann Überdrehzahl verursachen. Ein größerer Verdichter ist nicht automatisch besser: Die Motorbetriebspunkte müssen im gesamten benötigten Drehzahlbereich zu seinem Kennfeld passen.

Wird die Drosselklappe plötzlich geschlossen, nimmt der Motor weniger Luft an, während das Rad weiterdreht. Der Betriebspunkt kann sich dadurch zur Pumpgrenze verschieben. Echte Anlagen entschärfen das durch ein Verdichter-Umluftventil oder ein Abblaseventil. Dieses ist vom Wastegate auf der Abgasseite zu unterscheiden. Das Exponat lässt dieses Ventil weg und besitzt kein Verdichterkennfeld. Es kann deshalb weder Pumpgeräusche vorhersagen noch einen Austauschlader freigeben. Der Drosseltest zeigt verzögerten Ladedruck, nicht jede Instabilität einer echten Ansauganlage.

Abgaspulse trennen oder den Turbineneintritt verändern

Eine Twin-Scroll-Turbine hat weiterhin nur ein Turbinenrad. Ihr Gehäuse enthält getrennte Abgaskanäle; ein geteilter Krümmer hält ausgewählte Zylindergruppen bis zum Rad auseinander. So bleiben nutzbare Abgaspulse erhalten, und die Zylinder stören sich weniger gegenseitig. BorgWarners technische Beschreibung einer Serienanwendung für einen Sechszylindermotor erklärt die bessere Reaktion bei niedriger Drehzahl. Twin-Scroll bedeutet nicht Biturbo. Eine Trennwand im Gehäuse allein bildet das System nicht nach, wenn die zugehörigen Krümmerkanäle nicht ebenfalls getrennt bleiben.

Variable Geometrie setzt an einer anderen Stelle an. Bewegliche Leitschaufeln um die Turbine verändern den wirksamen Eintrittsquerschnitt. Garrett beschreibt, dass sich die Leitschaufeln seiner Diesel-VGT bei niedriger Motordrehzahl schließen, um Turbinenleistung und Ladedruck zu erhöhen. Bei hoher Drehzahl öffnen sie sich für mehr Abgasdurchsatz und gegen Überdrehzahl. Das Rad selbst wird weder größer noch kleiner. Die Regelung kann die Turbine an mehr Durchflusszustände anpassen als ein festes Gehäuse. Der aufwendigere Stellantrieb und die heiße Abgasumgebung bleiben jedoch zu beherrschen.

Keine dieser Bauarten beseitigt den Energiebedarf für die Rotorbeschleunigung. Bessere Pulsnutzung oder ein passenderer Eintritt können die Reaktion verkürzen, aber ein schwacher Abgasstrom begrenzt weiterhin die verfügbare Energie. Eine kleinere Turbine kann untenherum helfen und bei hohem Durchsatz zum Hindernis werden. Eine größere kann diesen Widerstand senken, ist dafür aber schwerer zu beschleunigen. Die Wahl hängt von Motor und Einsatz ab, nicht von einer allgemeingültigen Rangfolge. Diese alternativen Gehäuse sind im Exponat nicht auswählbar. Sichtbar ist das zuvor beschriebene Beispiel mit fester Geometrie und Wastegate.

Wann weniger Hubraum Kraftstoff spart

Downsizing ersetzt einen größeren Motor durch einen kleineren, der bei hohem Leistungsbedarf aufgeladen wird. Der Ansatz nutzt, dass normales Fahren oft nur einen Bruchteil der Spitzenleistung verlangt. Ein kleinerer Motor kann weniger Reibung haben und bei gleichem Fahrleistungsbedarf mit weniger Drosselung arbeiten. Der Turbolader gleicht die Leistung aus, die durch den geringeren Hubraum sonst fehlen würde. Verglichen werden vollständige Motorsysteme bei gleicher Aufgabe. Das bedeutet nicht, dass ein nachgerüsteter Turbo an jedem Motor automatisch Kraftstoff spart.

Der Automotive-Trends-Bericht der EPA ordnet die Aufladung zusammen mit anderen Motortechniken ein und behandelt deren gemeinsame Wirkung auf Fahrleistung und Effizienz. Solche Flottendaten beschreiben Technikverbreitung und ganze Fahrzeuge; sie isolieren keine garantierte Einsparung durch den Turbolader allein. Fahrzeugmasse, Übersetzung, Fahrwiderstand und Abstimmung beeinflussen das Ergebnis. Ein fairer Vergleich verlangt deshalb gleichwertige Fahrzeuge auf demselben Fahrzyklus. Aus der Leistungsanzeige dieses Exponats lässt sich kein bestimmter Einsparprozentsatz ableiten, denn weder Fahrzeug noch Fahrzyklus werden modelliert.

Hoher Ladedruck bringt außerdem Grenzen mit sich. Höhere Ansaugdrücke und Temperaturen können dazu führen, dass unverbranntes Gemisch im Ottomotor selbst zündet, bevor es die normale Flamme erreicht. Die daraus entstehenden schnellen Druckschwingungen sind Klopfen, nicht die vorgesehene Funkenzündung. Kühlung hilft ebenso wie ausreichend klopffester Kraftstoff und ein passender Zündzeitpunkt. Auch das Verdichtungsverhältnis zählt, bezeichnet aber ein geometrisches Zylindervolumenverhältnis und nicht das Druckverhältnis des Verdichters. Beide beschreiben unterschiedliche Vorgänge und dürfen nicht addiert werden. Das Modell hält Gemisch und Wirkungsgrad fest und berechnet kein Klopfen. Steigende Leistungszahlen erlauben daher nicht, die Ladedruckgrenze eines echten Autos anzuheben.

Ein riemengetriebener Kompressor bezieht seine Arbeit von der Kurbelwelle und kann reagieren, ohne auf die Beschleunigung einer Abgasturbine zu warten. Dieser Wellenleistungsbedarf kostet dennoch Motorleistung. Ein elektrisch unterstützter Turbo fügt der gemeinsamen Turbinen-Verdichter-Welle Motordrehmoment hinzu. BorgWarners eTurbo-Unterlagen beschreiben auch Generatorbetrieb mit überschüssiger Turbinenenergie. Das separate Produkt eBooster ist ein elektrischer Verdichter zur Ergänzung eines normalen Turbos, nicht dieselbe Hardware wie ein Motor auf der Turbowelle. Batterieenergie, elektrische Verluste und Wärmeabfuhr bleiben Teil der Bilanz. Keines dieser Geräte liefert kostenlose Druckluft.

Drei Vergleiche auf dem Bildschirm

Zum Kühlungsvergleich halten Sie 4000 rpm, volle Drosselöffnung und die Ladedruckgrenze bei 1 bar. Warten Sie, bis sich Wellen- und Druckkurven beruhigt haben, und notieren Sie die Leistung. Ändern Sie nur den Ladeluftkühler. Das Modell liefert ungefähr 115 kW mit und 95 kW ohne Kühlung. Vergleichen Sie neben dem Ladedruck die Eintrittstemperatur zum Motor und die Luft je Zylinder. So prüfen Sie Dichte bei fast unverändertem Druck, nicht eine andere Motorgröße.

Für den Ansprechvergleich stellen Sie 2000 rpm ein und lassen das System bei 15% Drosselöffnung einschwingen. Öffnen Sie dann vollständig und beobachten Sie die letzten 8 s im Diagramm. Zuerst bewegt sich die Drosselkurve; der Ladedruck folgt der Rotorreaktion. Wiederholen Sie bei 3500 rpm mit derselben Anfangsöffnung. Vergleichen Sie keine Kurven direkt nach mehreren Einstellungsänderungen, weil ihre anfänglichen Wellendrehzahlen verschieden wären. Die einfache Verzögerungsgleichung macht den Versuch wiederholbar, ist aber kein gemessener Beschleunigungstest eines Serienmotors.

Für den Wastegate-Vergleich behalten Sie volle Öffnung und dieselbe Druckgrenze bei, während die Motordrehzahl von 4000 rpm auf 6000 rpm steigt. Das Wastegate öffnet weiter, obwohl der stationäre Ladedruck begrenzt bleibt. Mehr Öffnung bedeutet nicht, dass der Turbo nicht mehr arbeitet: Abgas treibt das Rad weiterhin an, doch ein größerer Anteil strömt daran vorbei. Setzen Sie abschließend die Druckgrenze auf null und vergleichen Sie nach dem Einschwingen die Leistung. Diese Versuche trennen Kühlung, Übergangsverhalten und Druckregelung, ohne Verbrauch, Klopfen oder andere Turbinenbauarten zu simulieren.