Wenn Sie einen Turbolader für eine Leistungssteigerung auswählen und ein Turbo-Verdichterkennfeld richtig lesen möchten, lautet die entscheidende Frage: Passt der Verdichter vom gewünschten Einsatzpunkt des Ladedrucks bis zur maximalen Betriebsdrehzahl zum Motor? Ein einzelner vielversprechender Betriebspunkt bei Spitzenleistung beantwortet diese Frage nicht.
Wenn Sie als Mechaniker einen Serienturbolader ersetzen, ist die passende Zuordnung zum Fahrzeug meist wichtiger als ein Kennfeldvergleich. Prüfen Sie zunächst, wie Sie vor der Bestellung die Passgenauigkeit des Turboladers verifizieren. Nutzen Sie die Kennfeldanalyse dann, wenn Umbauten die Anforderungen des Motors verändern.
Turbo-Verdichterkennfeld: Luftmassenstrom waagerecht, Druckverhältnis senkrecht
Die meisten Verdichterkennfelder für Fahrzeuganwendungen zeigen den korrigierten Massenstrom auf der waagerechten Achse und das Verdichterdruckverhältnis auf der senkrechten Achse. Prüfen Sie die Beschriftungen: Einheiten und Korrekturverfahren können unterschiedlich sein.
| Kennfeldelement | Beschreibung | Praktischer Nutzen |
|---|---|---|
| Waagerechte Achse | Meist korrigierter Luftmassenstrom in lb/min oder kg/s | Luftbedarf des Motors mit dem Fördervermögen des Verdichters vergleichen |
| Senkrechte Achse | Absoluter Austrittsdruck geteilt durch absoluten Eintrittsdruck | Ladedruck und Druckverluste im System berücksichtigen |
| Wirkungsgradinseln | Linien gleichen Verdichterwirkungsgrads | Erwärmung und Leistungsbedarf des Verdichters beurteilen |
| Drehzahllinien | Konstante Wellendrehzahl oder korrigierte Drehzahl | Betriebsdrehzahl und verfügbare Reserve prüfen |
| Pumpgrenze | Stabilitätsgrenze bei geringem Massenstrom | Vermeiden, dass bei unzureichendem Massenstrom ein zu hoher Druck gefordert wird |
| Stopfbereich | Grenze des nutzbaren Verdichterbetriebs bei hohem Massenstrom | Begrenztes Fördervermögen und nachlassende Leistung erkennen |
Der Massenstrom beschreibt die Luftmasse, die pro Zeiteinheit durch den Verdichter strömt. Er unterscheidet sich vom Volumenstrom: Ein Kubikfuß heißer Luft mit geringer Dichte enthält weniger Masse als ein Kubikfuß kühler Luft mit hoher Dichte.
Warum der Luftmassenstrom „korrigiert“ wird
Das Verhalten eines Verdichters verändert sich mit der Eintrittstemperatur und dem Eintrittsdruck. Der korrigierte Luftmassenstrom rechnet diese Eintrittsbedingungen auf Referenzbedingungen um, damit Sie Ihren Betriebspunkt mit dem veröffentlichten Kennfeld vergleichen können.
Den korrigierten Luftmassenstrom beim Turbolader berechnen Sie häufig wie folgt:
Korrigierter Massenstrom = tatsächlicher Massenstrom × √(Eintrittstemperatur ÷ Referenztemperatur) ÷ (Eintrittsdruck ÷ Referenzdruck)
Die Temperaturen müssen als absolute Temperaturen, normalerweise in Kelvin, und die Drücke als Absolutdrücke eingesetzt werden. Verwenden Sie die Referenzwerte des Kennfeldherausgebers. Gehen Sie nicht davon aus, dass alle Hersteller dieselben Werte verwenden.
Der korrigierte Massenstrom ist eine Größe zum Eintragen in das Kennfeld. Die Korrektur bedeutet nicht, dass der Motor tatsächlich zusätzliche Luft verbraucht.
Unterschied zwischen Druckverhältnis und Ladedruck beim Turbolader: Mit Absolutdrücken rechnen
Die grundlegende Berechnung lautet:
Druckverhältnis = absoluter Verdichteraustrittsdruck ÷ absoluter Verdichtereintrittsdruck
Eine Ladedruckanzeige zeigt üblicherweise den Überdruck gegenüber dem örtlichen Atmosphärendruck an. Ihr Messwert allein liefert keinen der beiden für diese Berechnung benötigten Absolutdrücke.
Durch den Filter und die Ansaugleitungen kann der Druck am Verdichtereintritt unter dem Atmosphärendruck liegen. Der Austrittsdruck muss über dem Druck im Ansaugkrümmer liegen, um die Druckverluste im Ladeluftkühler und in den Ladeluftleitungen auszugleichen.
Veröffentlichte Kennfelder verwenden üblicherweise Totaldrücke. Werkstattmessungen an statischen Druckmessstellen liefern eine Näherung. Für eine präzise Abstimmung müssen Messstellen und Druckdefinitionen mit denen des Kennfelds übereinstimmen.
Wirkungsgradinseln: Warum ihre Lage wichtig ist
Eine Wirkungsgradinsel im Verdichterkennfeld eines Turbos wird durch eine Konturlinie begrenzt, die Betriebspunkte mit ähnlichem Verdichterwirkungsgrad einschließt. Der Bereich mit dem höchsten Wirkungsgrad liegt im Allgemeinen innerhalb umliegender Konturen mit niedrigeren Wirkungsgraden.
Eine Wirkungsgradangabe beschreibt, wie nahe die Verdichtung einem idealen Prozess kommt. Sie bedeutet weder, dass dieser Prozentsatz der Luft den Motor erreicht, noch, dass derselbe Prozentsatz der Motorleistung erhalten bleibt.
Bei gleicher Eintrittstemperatur und gleichem Druckverhältnis erzeugt ein weniger effizienter Verdichter heißere Austrittsluft und benötigt für einen gegebenen Massenstrom mehr Wellenleistung. Das bedeutet:
- Der Ladeluftkühler muss mehr Wärme abführen.
- Die Lufttemperatur im Ansaugkrümmer kann höher ausfallen.
- Die Turbine muss mehr Leistung bereitstellen.
- Bei anhaltender Last bleiben geringere thermische Reserven.
Auch bei hohem Wirkungsgrad erwärmt die Verdichtung die Luft. Ziel ist es, unnötige Erwärmung in dem für das Fahrzeug relevanten Betriebsbereich zu vermeiden.
Bei einem Lkw, der längere Zeit unter Zuglast arbeitet, sollten Sie diese dauerhaften Betriebspunkte in einem Verdichterkennfeld für Diesel-Turbolader untersuchen. Ein kurzer Aufenthalt in der besten Wirkungsgradinsel nahe der maximalen Motordrehzahl reicht nicht aus.
Drehzahllinien, Pumpen und Stopfen
Drehzahllinien verbinden Punkte mit gleicher Verdichterdrehzahl. Manche Kennfelder zeigen die tatsächliche Wellendrehzahl in rpm, andere die korrigierte Drehzahl. Lesen Sie die Legende, bevor Sie die Werte mit einer Wellendrehzahlgrenze vergleichen.
Diese Linien stehen in keinem festen Verhältnis zur Motordrehzahl. Die Drehzahl eines Turbos hängt vom Gleichgewicht zwischen Turbinenleistung und Leistungsbedarf des Verdichters ab. Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem Beitrag darüber, wie schnell sich ein Turbo dreht.
Extrapolieren Sie nicht über veröffentlichte Drehzahlgrenzen hinaus, nur weil ein nicht dargestellter Bereich nahe an einer eingezeichneten Linie liegt.
Die Pumpgrenze
Die linke Begrenzung kennzeichnet üblicherweise die Pumpgrenze. In ihrer Nähe versucht der Verdichter, den Druck aufrechtzuerhalten, während relativ wenig Luft hindurchströmt. Außerhalb des stabilen Bereichs können Druck und Massenstrom schwanken; auch eine Strömungsumkehr ist möglich.
Ein zu groß dimensionierter Verdichter kann bei gleichzeitig hoher Ladedruckanforderung im unteren Motordrehzahlbereich dazu führen, dass ein Betriebspunkt des Motors zu nahe an dieser Grenze liegt. Das Schließen der Drosselklappe erzeugt einen anderen, instationären Zustand, den stationäre Betriebspunkte nicht vollständig beschreiben.
Planen Sie einen angemessenen Abstand ein, statt einen Zielpunkt direkt auf die Linie zu legen. Gehäusekonfiguration und Einbaubedingungen spielen eine Rolle. Deshalb gibt es keinen universellen Sicherheitsabstand, der für jedes Kennfeld geeignet ist. Unser Ratgeber zu Verdichterpumpen und Turboflattern erklärt die Symptome und Betriebsbedingungen.
Der Stopfbereich
Auf der Seite hoher Massenströme liefert eine weitere Drehzahlerhöhung irgendwann kaum noch zusätzlichen nutzbaren Massenstrom. In einzelnen Strömungsquerschnitten kann Schallgeschwindigkeit erreicht werden, während Wirkungsgrad und erreichbares Druckverhältnis abnehmen.
Der rechte Kennfeldrand ist nicht unbedingt eine einzige, eindeutig markierte Stopfgrenze. Betrachten Sie die veröffentlichten Begrenzungen als zu prüfende Betriebsgrenzen, nicht als Ziele, die überschritten werden sollten.
Horizontale Achse: korrigierter Luftmassenstrom.
Vertikale Achse: Verhältnis der Absolutdrücke.
Grenze bei geringem Durchsatz: Pumpgrenze.
Konturen: Wirkungsgradinseln im Kennfeld.
Grenze bei hohem Durchsatz: Stopfgrenze.
Qualitative Darstellung, keine gemessenen Prüfdaten oder Betriebsgrenzen.
Rechenbeispiel: Druckverhältnis und Luftmassenstrom abschätzen
Betrachten wir einen hypothetischen Viertakt-Ottomotor. Die folgenden Werte sind Annahmen zur Veranschaulichung, keine technischen Daten eines bestimmten Fahrzeugs und keine empfohlenen Ladedruckeinstellungen:
- Hubraum: 2.0 Liter.
- Motordrehzahl: 6,000 rpm.
- Volumetrischer Wirkungsgrad: 90%, bezogen auf die Bedingungen im Ansaugkrümmer.
- Angestrebter Ladedruck im Ansaugkrümmer: 100 kPa Überdruck, ungefähr 14.5 psi.
- Örtlicher Atmosphärendruck: 100 kPa absolut.
- Druckverlust im Ansaugtrakt: 5 kPa.
- Druckverlust zwischen Verdichter und Ansaugkrümmer: 10 kPa.
- Verdichtereintrittstemperatur: 300 K, ungefähr 80°F.
- Lufttemperatur im Ansaugkrümmer: 323 K, ungefähr 122°F.
- Referenzbedingungen des hypothetischen Kennfelds: 100 kPa absolut und 300 K.
Die getrennte Betrachtung von Eintritts- und Ansaugkrümmertemperatur ist wichtig. Der Luftmassenstrom in die Zylinder hängt von der Luftdichte im Ansaugkrümmer ab. Die Kennfeldkorrektur verwendet dagegen die Bedingungen am Verdichtereintritt.
Schritt 1: Druckverhältnis beim Turbolader berechnen
Der absolute Druck im Ansaugkrümmer beträgt:
100 kPa Atmosphärendruck + 100 kPa Ladedruck = 200 kPa
Der erforderliche Verdichteraustrittsdruck beträgt:
200 + 10 = 210 kPa absolut
Der Verdichtereintrittsdruck beträgt:
100 − 5 = 95 kPa absolut
Daraus folgt:
Druckverhältnis = 210 ÷ 95 ≈ 2.21
Würden Sie den Ansaugkrümmerdruck durch den Atmosphärendruck teilen, ergäbe sich 2.00. Damit würden Sie die Druckanforderung an den Verdichter unterschätzen.
Schritt 2: Volumenstrom in die Zylinder abschätzen
Ein Viertaktmotor durchläuft alle zwei Kurbelwellenumdrehungen einen Ansaugtakt. Mit dem angenommenen volumetrischen Wirkungsgrad gilt:
Volumenstrom = 0.002 m³ × (6,000 ÷ 2) × 0.90
Das ergibt 5.4 m³/min beziehungsweise 0.090 m³/s, bezogen auf die Bedingungen im Ansaugkrümmer.
Der volumetrische Wirkungsgrad ist ein Maß für die Zylinderfüllung. Verwenden Sie nach Möglichkeit belastbare Motordaten und prüfen Sie, wie die zugehörigen VE-Werte definiert sind, bevor Sie sie in eine Berechnung einsetzen.
Schritt 3: Volumenstrom in Massenstrom umrechnen
Bei der Näherung mit dem idealen Gasgesetz für Luft ergibt sich die Dichte aus dem Druck geteilt durch das Produkt aus der spezifischen Gaskonstante der Luft und der absoluten Temperatur.
Unter den angenommenen Bedingungen im Ansaugkrümmer gilt:
Luftdichte ≈ 200,000 ÷ (287 × 323) ≈ 2.16 kg/m³
Dann ergibt sich:
Tatsächlicher Massenstrom ≈ 0.090 × 2.16 ≈ 0.194 kg/s
Das entspricht ungefähr 25.7 lb/min.
Diese Abschätzung setzt vernachlässigbare Ladeluftleckagen und keinen Beitrag durch Abgasrückführung voraus. Bei komplexeren Motorkonfigurationen müssen zusätzliche Einflüsse berücksichtigt werden.
Schritt 4: Massenstrom für das Kennfeld korrigieren
Eintritts- und Referenztemperatur betragen jeweils 300 K, sodass der Temperaturkorrekturfaktor 1 beträgt. Die Druckkorrektur ergibt:
Korrigierter Massenstrom ≈ 0.194 ÷ (95 ÷ 100) ≈ 0.204 kg/s
Das entspricht ungefähr 27.0 lb/min.
Der in dieses hypothetische Kennfeld einzutragende Punkt lautet somit:
27.0 lb/min korrigierter Luftmassenstrom bei einem Druckverhältnis von 2.21.
Für ein reales Kennfeld mit anderen Referenzbedingungen müssen Sie den korrigierten Massenstrom neu berechnen.
Mehrere Motordrehzahlen eintragen
Wiederholen Sie die Berechnung für mehrere Motordrehzahlen mit realistischen Annahmen zu Ladedruck, Temperatur und volumetrischem Wirkungsgrad (VE). Gehen Sie nicht automatisch davon aus, dass überall der maximale Ladedruck zur Verfügung steht.
Zur Veranschaulichung bleiben die zuvor verwendeten Temperaturen und Druckverluste unverändert, während Drehzahl, VE und Ladedruck variiert werden:
| Motordrehzahl | Angenommener VE | Angenommener Ladedruck im Ansaugkrümmer | Druckverhältnis | Korrigierter Luftmassenstrom |
|---|---|---|---|---|
| 2,500 rpm | 85% | 50 kPa Überdruck | 1.68 | 8.0 lb/min |
| 4,000 rpm | 90% | 100 kPa Überdruck | 2.21 | 18.0 lb/min |
| 6,000 rpm | 90% | 100 kPa Überdruck | 2.21 | 27.0 lb/min |
Konstante Druckverluste vereinfachen dieses Beispiel. Tatsächlich verändern sich die Druckverluste im Ansaugtrakt und im Ladeluftkühler mit dem Massenstrom. Auch die Ansaugkrümmertemperatur und der VE variieren.
Markieren Sie diese Punkte im Kennfeld des infrage kommenden Verdichters und verbinden Sie sie zu einem angenäherten Betriebsverlauf. Prüfen Sie:
- Hat der Betriebspunkt bei niedriger Motordrehzahl ausreichend Abstand zur Pumpgrenze?
- Liegen häufig genutzte Betriebspunkte in Bereichen mit günstigem Wirkungsgrad?
- Nähert sich der Bedarf bei maximaler Motordrehzahl dem Stopfbereich oder einer Drehzahlgrenze?
- Würden höhere Außentemperaturen oder eine größere Höhenlage einen Betriebspunkt in einen problematischen Bereich verschieben?
Ohne das tatsächliche Verdichterkennfeld lässt sich anhand dieser Zahlen nicht feststellen, ob ein Turbo geeignet ist. Sie beschreiben den Bedarf, keine garantierte Leistung.
Das Verdichterkennfeld kann auch nicht belegen, dass die Turbine genügend Leistung bereitstellt, um den Zielpunkt bei niedriger Motordrehzahl zu erreichen. Die Turbinenauslegung und die Ladedruckregelung über Wastegate oder VGT müssen gesondert betrachtet werden.
Häufige Fehler, die das Ergebnis verändern
Die Höhenlage ignorieren. Ein niedrigerer Atmosphärendruck senkt den Verdichtereintrittsdruck. Um einen vorgegebenen absoluten Ansaugkrümmerdruck aufrechtzuerhalten, ist deshalb ein höheres Druckverhältnis erforderlich. Wenn Ihr Zielwert stattdessen ein als Überdruck angegebener Ladedruck ist, müssen Sie auch den absoluten Ansaugkrümmerdruck neu berechnen.
Den Ansaugwiderstand ignorieren. Ein Filter mit hohem Strömungswiderstand oder ein zu klein dimensionierter Ansaugquerschnitt senkt den Druck am Verdichter. Verwenden Sie die Eintrittsbedingungen unter Last, statt anzunehmen, dass am Verdichterrad Atmosphärendruck anliegt.
Den Druckverlust im Ladeluftkühler ignorieren. Der Ladedruck im Ansaugkrümmer liegt stromabwärts des Verdichters an. Der Verdichter muss den zusätzlichen Druck bereitstellen, der im Ladeluftsystem verloren geht.
Die falsche Temperatur verwenden. Die Verdichtereintrittstemperatur gehört in die Korrekturberechnung. Die Ansaugkrümmertemperatur gehört in die Berechnung der Luftdichte für die Zylinderfüllung.
Einheiten oder Kennfelddefinitionen vermischen. Unterscheiden Sie zwischen kg/s und lb/min, zwischen Absolutdruck und Überdruck sowie zwischen korrigiertem und tatsächlichem Massenstrom. Gehen Sie nicht davon aus, dass sich eine CFM-Angabe auf dieselben Referenzbedingungen bezieht.
Warum ein OE-Ersatz passend abgestimmt bleiben muss
Behalten Sie bei einem Serienmotor die vorgesehene Turboladerspezifikation bei oder verwenden Sie eine nachweislich gleichwertige Ausführung. Wenn Sie ein Verdichterkennfeld beim Austausch eines Serienturboladers heranziehen, beschreibt es nur einen Teil des Verhaltens der gesamten Baugruppe.
Turbinengeometrie, Gehäuse, Stellgliedkalibrierung, Öl- und Kühlmittelanschlüsse sowie die Motorsteuerung beeinflussen die Kompatibilität. Ein größerer Verdichter kann einige Betriebspunkte in eine günstige Wirkungsgradinsel verschieben und gleichzeitig an anderer Stelle Probleme verursachen.
Identifizieren Sie die Einheit mithilfe unserer Anleitung zum Ermitteln der Turbolader-Teilenummer. Wenn Sie den Austausch der Rumpfgruppe erwägen, lesen Sie unseren Vergleich zwischen dem Austausch der CHRA und dem Austausch des kompletten Turboladers. Eine Rumpfgruppe muss zur umgebenden Baugruppe passen; der Raddurchmesser allein reicht dafür nicht aus.
Häufige Fragen
Ist das Druckverhältnis dasselbe wie der Ladedruck?
Nein. Der Ladedruck wird üblicherweise als Überdruck gegenüber dem örtlichen Atmosphärendruck angegeben. Das Verdichterdruckverhältnis ergibt sich aus dem absoluten Verdichteraustrittsdruck geteilt durch den absoluten Eintrittsdruck und berücksichtigt dabei Strömungswiderstände und Druckverluste.
Warum verwenden Verdichterkennfelder einen korrigierten Luftmassenstrom?
Der korrigierte Luftmassenstrom bezieht die Betriebsbedingungen auf festgelegte Referenzwerte für Eintrittsdruck und Eintrittstemperatur. So können Sie Ihren berechneten Luftmassenstrom mit den Messdaten des Kennfelds vergleichen. Verwenden Sie immer die Referenzbedingungen und das Korrekturverfahren, die für das jeweilige Kennfeld angegeben sind.
Zeigt die Kennfeldinsel mit dem höchsten Wirkungsgrad den besten Turbo an?
Für sich allein genommen nicht. Ihr Motor benötigt einen geeigneten Betriebsverlauf über mehrere Drehzahl- und Lastbereiche, mit ausreichendem Abstand zur Pumpgrenze und zur Drehzahlgrenze. Auch die Turbinenabstimmung, das Ansprechverhalten, die Ladedruckregelung und die Einbaukompatibilität beeinflussen die Auswahl.
Kann ich einem Verdichterkennfeld entnehmen, wann der volle Ladedruck anliegt?
Nein. Es zeigt das Verhalten des Verdichters. Der Ladedruckaufbau hängt jedoch auch von der Abgasenergie, der Turbinenauslegung, dem Trägheitsmoment der rotierenden Teile, dem Motorbetrieb und der Ladedruckregelung ab. Ein eingezeichneter Betriebspunkt bei niedriger Motordrehzahl beschreibt eine Anforderung und beweist nicht, dass der Turbo diesen Punkt erreichen kann.
Kann ich das Kennfeld eines ähnlich großen Verdichterrads verwenden?
Nur für einen groben Vergleich. Schaufelgestaltung, Trim, Gehäusegeometrie und weitere Details beeinflussen die Leistung. Beschaffen Sie sich für eine Auswahlentscheidung ein Kennfeld der tatsächlichen Verdichterkonfiguration.
Benötige ich für einen Serienersatz ein Turbo-Verdichterkennfeld?
In der Regel hat die korrekte Zuordnung zur OE-Ausführung Vorrang. Prüfen Sie die Turbolader-Teilenummer, die Motorzuordnung, die Gehäuseanschlüsse und die Kompatibilität des Stellglieds. Ein Kennfeld wird vor allem dann hilfreich, wenn sich der Luftbedarf des Motors oder die Turboladerkonfiguration ändert.
Warum steigt der Luftmassenstrom beim Turbolader nicht weiter?
Der Luftmassenstrom eines Turboladers kann stagnieren, wenn sich der Verdichter seinem Stopfbereich nähert. In einzelnen Strömungsquerschnitten kann Schallgeschwindigkeit erreicht werden, sodass eine höhere Turbodrehzahl kaum zusätzlichen nutzbaren Massenstrom liefert, während Wirkungsgrad und erreichbares Druckverhältnis abnehmen. Prüfen Sie, ob sich der Betriebspunkt Ihres Motors bei maximaler Motordrehzahl dem Stopfbereich oder einer veröffentlichten Drehzahlgrenze nähert.
Benötigen Sie Hilfe bei der Identifizierung eines passenden Ersatzes? Kontaktieren Sie LeadTurbo mit Ihrer Turbolader-Teilenummer, den Fahrzeugdaten sowie Angaben zu Umbauten und Symptomen.
