Sauger, Turbo, Kompressor

Es ist nicht von der Hand zu weisen: Automotive Blogbeiträge machen den Großteil der Klicks aus. Das habe ich schon früher einmal erkannt und einen Blogeintrag über Automatikgetriebe geschrieben. Oder zwei. Genau der verlinkte Blogeintrag ist übrigens nach wie vor der Burner des gesamten Blogs! Wenn man in Google „Wie fährt man Automatikgetriebe“ eintippt, landen wir auf Platz 2.

Wiedemauchsei, offenbar wird es Zeit für einen neuen automotive blog entry. Heute geht es um den Unterschied zwischen Saugmotoren, Turbos und Kompressoren. Für Google:

Wie funktioniert ein Saugmotor?
Wie funktioniert ein Turbo?
Wie funktioniert ein Kompressor?

Weiter nach dem Piepton.

Der Saugmotor

Ein Verbrenner benötigt zum Arbeiten Kraftstoff und Luft. Im folgenden wird vereinfacht angenommen, dass der Zylinder immer gleich groß ist und pro Liter Luft eine Einheit Kraftstoff verbrannt werden kann (weil für mehr Kraftstoff reicht die Luft nicht aus.)

Wenn sich der Kolben im Zylinder nach unten bewegt, ist plötzlich mehr Raum als vorher da. Das Gas im Zylinder hat also mehr Raum als vorher: Es entsteht ein Unterdruck. Durch den Unterdruck wird durch den Ansaugtrakt Luft in den Zylinder gesaugt, bis der Druck im Zylinder in etwa dem Druck ausserhalb des Zylinders (also des Autos, [also ca 1 bar {auf der Erde}]) entspricht.

 Der Kompressor

Im Laufe der Zeit wollte man, dass Autos weniger Kraftstoff verbrauchen. Dieses Ziel lässt sich auf mehrere Arten realisieren, unter anderem:

• Man baut Autos so, dass sie geringeren Luftwiderstand haben: Dann hat man aber (tendentiell) weniger Platz!
• Man baut Autos leichter: Dann sind sie (tendentiell) weniger sicher.
• Man verringert die Leistung (Kommt nicht gut an)
• Man guckt was alles so Energie frisst und versucht, dass diese Sachen weniger Energie fressen

Bei einem Motor geht einiges an Energie in innerer Reibung verloren: Umso größer der Hubraum, umso mehr Wärme geht an den Wänden des Zylinders verloren (weil mehr Fläche da ist), und umso mehr Fläche reibt zB an den Kolbenringen. Wärmeverlust ist doof (weniger Druck der in den Hub des Kolbens geht -> weniger Wirkungsgrad) und Reibung sowieso. Daraus entstand das Prinzip des Downsizings: Irgendwie alles kleiner machen.

Der Hub der Kolben treibt die Kurbelwelle an. An die Kurbelwelle kann man neben dem Antrieb selbst noch andere Dinge hängen, die Rotation zum Arbeiten brauchen: zum Beispiel über den Keilriemen die Lichtmaschine. Oder eben einen Kompressor: Über die Kurbelwelle angetrieben, schaufelt er ähnlich wie eine Turbine mehr Luft in den Zylinder, als normalerweise „von selbst“ reingehen würde. Er erhöht also den Druck im Zylinder: Ist am Ende des Füllvorgangs ein Druck von 2,0 bar im Zylinder, spricht man von einem Ladedruck von 1,0 bar (Umgebungsdruck 1bar + 1bar Ladung). Nun kann man 2 Einheiten Kraftstoff im Zylinder gleicher Größe verbrennen! Yay!

Anders gesagt: Man könnte auch eine Einheit Kraftstoff in einem Zylinder halber Größe verbrennen. Bamm, downsizing!

Der Turbo

Das Doofe am Kompressor ist, dass der Motor Kraft aufwenden muss, um den Kompressor über die Kurbelwelle anzutreiben. Daher dachte man sich, man nimmt etwas, was eh schon da ist: Abgase! Abgase schießen mit nicht unerheblichem Druck aus dem Auslassventil und verschwinden in der Umwelt. Bei einem Turbo müssen sie davor eine Zwischenstation passieren: In der Turboeinheit treiben die Abgase beim Ausströmen eine Turbine an, die über ein verbundenes Schaufelrad Frischluft in den Zylinder schaufelt (ab da ähnlich wie ein Kompressor).

Da der Motor keine zusätzliche Energie aufwenden muss, um die Aufladung anzutreiben, steigt der Wirkungsgrad im Vergleich zum Kompressor.

Vergleich

Zunächst wirkt es so, als wäre der Fall klar: Turbo > Kompressor > Sauger. Leider erkauft man sich wie so oft Vorteile durch einige Nachteile:

Belastung durch Hitze: Leistung entsteht durch Hub, Hub entsteht durch Druck, Druck entsteht durch Hitze. Bei aufgeladenen Motoren ist die Verbrennung heisser. Daraus entstehen zwei Nachteile: Erstens entstehen bei sehr heissen Verbrennungen mehr Schadstoffe, zweitens wird der Motor und seine Komponenten durch die Hitze stärker belastet. Tendentiell halten aufgeladene Motoren (Turbos+Kompressoren) daher nicht so lange durch wie ihre Sauger-Kumpels. Dieser Problematik kann man natürlich mit geeigneter Materialwahl begegnen.

Mehr Komponenten:  Jede Komponente kann ausfallen, umso mehr Komponenten man hat, umso mehr kann ausfallen. Kompressoren sind hierbei haltbarer als Turbos: Sie drehen langsamer als Turbos (Fertigungsgenauigkeit muss bei Turbos daher höher sein -> teurer) und müssen statt hunderte Grad °C Abgastemperatur lediglich ein bisschen mehr als Umgebungstemperatur aushalten.

Gasannahme: Drückt man bei einem Saugmotor aufs Gas, stellt dieser sofort seine Leistung zur Verfügung. Bei einem Kompressor ist es genauso: Er ist an die Kurbelwelle gekoppelt und liefert daher konstant den passenden Druck. Ein Turbomotor ist auf das Abgas angewiesen: Der Abgasstrom muss sich zunächst aufbauen, um den Turbo in Rotation zu versetzen. Die Leistung baut sich also erst auf, man spricht auch von Turboloch. Dieses Problem kann man mindern, indem man mehrere Turbos einbaut, die für verschiedene Drehzahlen optimiert sind.

Ersparnis nur unter Teillast: Wird ein Motor unter Volllast betrieben, erhitzen sich die Brennräume stark. Ab einem gewissen Grad schaltet sich die sogenannte Volllastanreicherung ein, um dem Herr zu werden: Es wird mehr Benzin in die Brennräume gespritzt, als verbrannt werden kann. Das überschüssige Benzin wird zur  Kühlung verwendet. Nachdem aufgeladene Motoren heisser arbeiten, tritt dieser Zustand früher ein; Motoren verbrauchen dann deutlich mehr. Bei einem Turbo wird im schlimmsten Fall der Turbo selbst auch noch mit überschüssigem Benzin gekühlt. Alternativ wird der Turbo allerdings entweder wassergekühlt oder die Abgase am Turbo vorbeigeleitet, wenn dieser zu heiss wird.

Ok, hoffentlich war das interessant für euch! :-) Fragen gerne als Kommentar!