Ein Turbo, der mechanisch passt oder für die richtige Leistung angegeben ist, kann dennoch für dauerhaften Anhängerbetrieb, die Lastübernahme eines Generators oder eine Neumotorisierung ungeeignet sein. Wenn Sie einen Diesel-Turbolader richtig auswählen möchten, müssen Sie Luftversorgung, Abgasenergie und Betriebsgrenzen gemeinsam prüfen. Ausgangspunkt ist die Arbeit, die der Motor leisten muss; der Raddurchmesser kommt später.
Turbolader dimensionieren: Wo beginnt die Auslegung für Dieselmotoren?
Erfassen Sie Hubraum, Betriebsdrehzahlen, angestrebtes Drehmoment oder angestrebte Leistung, Kraftstoffzufuhr, Höhenlage und Ansauglufttemperatur. Ermitteln Sie die zulässigen Werte für Zylinderdruck, Abgastemperatur und Turboladerdrehzahl anhand der maßgeblichen Motor- und Turboladerspezifikationen. Allein aus dem Ladedruck lassen sich diese Grenzen nicht bestimmen.
Bei der Auswahl eines Diesel-Turbos bestimmt das Einsatzprofil, welche Betriebspunkte Vorrang haben:
| Anwendung | Abzustimmende Betriebspunkte | Priorität in der Praxis |
|---|---|---|
| Lkw oder mobile Arbeitsmaschinen | Volllastpunkte über den Drehzahlbereich und hohe Last bei niedriger Drehzahl | Luftversorgung bei Drehmomentanforderung |
| Generator mit fester Drehzahl | Lastpunkte von geringer Last bis zur Nennleistung | Wirkungsgrad im Dauerbetrieb und Ansprechverhalten bei Lastsprüngen |
| Schiffsantrieb mit Festpropeller | Punkte entlang der tatsächlichen Propellerlastkurve | Dauerbetrieb und Beschleunigung |
Richten Sie die Anforderungen an diesen Prüfpunkten aus:
- Berücksichtigen Sie die niedrigste Drehzahl, bei der der Motor eine hohe Last tragen muss.
- Berücksichtigen Sie die üblichen Arbeitspunkte, nicht nur die Nennleistung.
- Berücksichtigen Sie die erwarteten Bedingungen bei heißem Wetter, in Höhenlagen und bei Lastwechseln.
Luftdurchsatz anhand von Luftaufnahme und Kraftstoffzufuhr abschätzen
Um den Luftbedarf eines Turboladers für einen Viertaktmotor abzuschätzen, berechnen Sie den Ansaugvolumenstrom in Litern pro Sekunde aus dem Hubraum in Litern, multipliziert mit der Drehzahl in rpm und dem volumetrischen Wirkungsgrad, geteilt durch 120. Der Divisor berücksichtigt einen Ansaugtakt je zwei Kurbelwellenumdrehungen und rechnet Minuten in Sekunden um.
Dieser Volumenstrom gilt unter den Bedingungen im Ansaugkrümmer. Multiplizieren Sie ihn mit der dortigen Luftdichte, um den Massenstrom zu erhalten; die Dichte hängt von Absolutdruck und Temperatur ab. Beziehen Sie den volumetrischen Wirkungsgrad auf dieselben Bedingungen, damit Sie die Ladedruckkorrektur nicht doppelt anwenden.
Prüfen Sie das Ergebnis anhand der Kraftstoffzufuhr gegen: Der erforderliche Frischluftmassenstrom entspricht dem Kraftstoffmassenstrom multipliziert mit dem angestrebten Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis. Verwenden Sie die gemessene Kraftstoffzufuhr oder eine Schätzung anhand von Leistung und spezifischem effektivem Kraftstoffverbrauch. Aus dem Hubraum allein lassen sich weder der Kraftstoffmassenstrom noch der erforderliche Ladedruck bestimmen.
Legen Sie das angestrebte Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis anhand validierter Motordaten und der Anforderungen an die Verbrennung fest. Es ist kein universeller Einstellwert für rauchfreien Betrieb. Dieser einfache Ansatz setzt einen Viertaktmotor ohne Abgasrückführung (AGR) voraus; rückgeführtes Abgas und die Spülung von Zweitaktmotoren müssen zusätzlich berücksichtigt werden.
Aus dem Ansaugkrümmerdruck das Verdichterdruckverhältnis bestimmen
Der Verdichter muss die Druckverluste von Filter, Ansaugleitungen, Ladeluftkühler und Druckleitungen überwinden. Sein Druckverhältnis ergibt sich aus dem absoluten Austrittsdruck geteilt durch den absoluten Eintrittsdruck. Verwenden Sie dabei die für sein Kennfeld vorgegebenen Druckdefinitionen.
- Addieren Sie den Druckverlust der Ladeluftstrecke zum erforderlichen absoluten Ansaugkrümmerdruck.
- Ziehen Sie den Druckverlust im Ansaugtrakt vom absoluten Umgebungsdruck ab.
- Teilen Sie das erste Ergebnis durch das zweite.
Der als Überdruck angegebene Ladedruck bezieht sich auf den örtlichen Umgebungsdruck. In größerer Höhe erfordert derselbe absolute Ansaugkrümmerdruck ein höheres Verdichterdruckverhältnis. Prüfen Sie außerdem die Lufteintrittstemperatur und die Turboladerdrehzahl.
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: Turbolader für eine Neumotorisierung mit Dieselmotor auslegen
Die folgenden gerundeten Zahlen sind Annahmen für einen fiktiven Motor. Sie stellen weder eine empfohlene Motorabstimmung dar noch eine Zusage, dass ein Turbolader passt:
- 6.0-Liter-Viertaktdieselmotor bei 2,200 rpm mit 90% volumetrischem Wirkungsgrad.
- Kraftstoffmassenstrom: 36 kg/h; gewähltes Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis: 24:1.
- Lufttemperatur im Ansaugkrümmer: 330 K, ungefähr 57°C.
- Umgebungsdruck: 100 kPa absolut; Verdichtereintritt: 95 kPa absolut bei 300 K (ein relativ stark beladener Luftfilter; ein sauberes System verursacht weniger Druckverlust).
- Druckverlust durch Ladeluftkühler und Druckleitungen: 15 kPa.
Der Ansaugvolumenstrom beträgt 6.0 × 2,200 × 0.90 ÷ 120 = 99 Liter/Sekunde beziehungsweise 0.099 Kubikmeter/Sekunde. Aus der Kraftstoffzufuhr ergibt sich ein Luftbedarf von 36 × 24 = 864 kg/h: 0.240 kg/s, ungefähr 32 lb/min.
Die Division von 0.240 durch 0.099 ergibt eine erforderliche Luftdichte im Ansaugkrümmer von etwa 2.42 kg pro Kubikmeter. Mit der idealen Gasgleichung ergibt sich bei 330 K ein absoluter Ansaugkrümmerdruck von ungefähr 230 kPa. Das entspricht beim angenommenen Umgebungsdruck einem relativen Ladedruck von 130 kPa, also rund 19 psi.
Nach Addition des Druckverlusts von 15 kPa ergeben sich etwa 245 kPa am Verdichteraustritt. Geteilt durch den Eintrittsdruck von 95 kPa ergibt das ein erforderliches Druckverhältnis von ungefähr 2.58.
Bei einem beispielhaften Kennfeld mit Bezugsbedingungen von 300 K und 100 kPa und einer angenommenen Eintrittstemperatur von ebenfalls 300 K entspricht der korrigierte Massenstrom dem tatsächlichen Massenstrom multipliziert mit 100/95. Bei abweichenden Eintrittstemperaturen müssen Sie zusätzlich die Temperaturkorrektur des Kennfelds anwenden.
Ergänzen Sie zwei angenommene Betriebspunkte mit den jeweiligen Kraftstoffmassenströmen bei niedrigeren Drehzahlen; alle übrigen Annahmen bleiben unverändert:
| Motordrehzahl, rpm | Kraftstoff, kg/h | Tatsächlicher Luftmassenstrom, kg/s | Korrigierter Luftmassenstrom, kg/s | Druckverhältnis, gerundet |
|---|---|---|---|---|
| 1,400 | 24 | 0.160 | 0.168 | 2.69 |
| 1,800 | 30 | 0.200 | 0.211 | 2.62 |
| 2,200 | 36 | 0.240 | 0.253 | 2.58 |
Diese Punkte beschreiben den erforderlichen Bedarf. Sie beweisen nicht, dass ein infrage kommender Turbolader ihn decken kann. Der tatsächliche volumetrische Wirkungsgrad, die Temperatur und die Leitungsdruckverluste ändern sich mit den Betriebsbedingungen.
Ist die tatsächliche Ladelufttemperatur höher, wird für denselben Massenstrom mehr Druck im Ansaugkrümmer benötigt. Nimmt die Zylinderfüllung durch Abgasgegendruck ab, steigt der Druckbedarf erneut. Berechnen Sie den Betriebspunkt neu, statt anzunehmen, dass er unverändert bleibt.
Betriebslinien erstellen statt einen einzelnen Idealpunkt suchen
Tragen Sie den korrigierten Luftmassenstrom auf der horizontalen Achse und das Druckverhältnis auf der vertikalen Achse des Verdichterkennfelds des infrage kommenden Turboladers ein. Verwenden Sie die Bezugsbedingungen und Kennfeldeinheiten dieses Herstellers; ein unkorrigierter Luftmassenstrom kann zu einer falschen Position des Betriebspunkts führen.
Fordern Sie das Kennfeld für die exakte Kombination aus Verdichterrad und Verdichtergehäuse an; das Kennfeld eines ähnlichen Modells ist kein Ersatz.
Die Beispieltabelle zeigt eine angenommene Volllastbedarfslinie bei veränderlicher Motordrehzahl. Der Punkt bei niedrigerer Drehzahl erfordert nahezu denselben Druck bei deutlich geringerem Massenstrom. Dadurch kann ein Problem mit der Pumpgrenze sichtbar werden, das am Nennleistungspunkt verborgen bleibt.
Tragen Sie für einen Generator mit geregelter Drehzahl separate Lastkennlinien ein. Sein Massenstrom verändert sich weiterhin mit Ladedruck und Ansauglufttemperatur. Ein Festpropeller folgt einer anderen Lastkurve, wobei die aufgenommene Leistung häufig näherungsweise mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt. Antriebe mit Verstellpropeller und mobile Arbeitsmaschinen benötigen einen breiteren Betriebsbereich.
Bevorzugen Sie einen guten Wirkungsgrad an den Punkten, an denen der Motor seine Betriebsstunden verbringt. Halten Sie im gesamten Betriebsbereich die vom Lieferanten abgesicherten Abstände zu Pumpgrenze, Stopfgrenze und Drehzahlgrenzen ein. Es gibt keinen allgemeingültigen prozentualen Abstand zur Pumpgrenze, der einen einwandfreien Betrieb der Installation garantiert.
Prüfen Sie das dynamische Verhalten separat: Ein stationäres Kennfeld kann nicht jeden Beschleunigungsvorgang oder Lastsprung eines Generators vorhersagen.
Die Turbine prüfen, bevor die Auslegung als abgeschlossen gilt
In diesem Beispiel ohne AGR entspricht der gesamte Abgasmassenstrom näherungsweise der Summe aus Luft- und Kraftstoffmassenstrom: 0.250 kg/s bei Nennleistung. Ein Wastegate kann einen Teil dieses Massenstroms am Turbinenrad vorbeileiten.
Für die Turbinenauswahl benötigen Sie außerdem Abgastemperatur, Expansionsverhältnis, Wirkungsgrad und den Strömungswiderstand der nachgeschalteten Abgasanlage. Fordern Sie Durchsatzdaten der Turbine oder eine vom Lieferanten abgesicherte Auslegung für das vorgesehene Einsatzprofil an. Ein Verdichterkennfeld allein zeigt nicht, ob die Turbine die erforderliche Wellenleistung bereitstellen kann.
Eine Turbine mit hohem Strömungswiderstand kann den gewünschten Ladedruck liefern und dabei überhöhten Abgaskrümmerdruck sowie hohe Ladungswechselverluste verursachen. Ein zu großer Strömungsquerschnitt kann dazu führen, dass bei niedriger Drehzahl nicht genügend Wellenleistung zur Verfügung steht. Überprüfen Sie sowohl die stationäre Leistung als auch das Ansprechverhalten.
Turbolader zu groß oder zu klein: Welche Probleme entstehen?
| Fehlauslegung | Wahrscheinliches Problem | Konsequenz für die Auslegung |
|---|---|---|
| Zu groß ausgelegter Verdichter | Bei geringem Luftmassenstrom liegen die Bedarfspunkte beim erforderlichen Druckverhältnis nahe an der Pumpgrenze. | Prüfen Sie die Punkte mit hoher Last bei niedriger Drehzahl. |
| Zu klein ausgelegter Verdichter | Bei hohem Luftmassenstrom nähern sich die Betriebspunkte der Stopfgrenze, Bereichen mit schlechtem Wirkungsgrad oder den Drehzahlgrenzen. | Prüfen Sie den Nennleistungspunkt und den Bedarf beim Betrieb in Höhenlagen. |
| Zu großer Turbinenströmungsquerschnitt | Geringer Ladedruck bei niedriger Drehzahl und langsameres Ansprechverhalten. | Prüfen Sie die verfügbare Abgasenergie bei der Lastübernahme. |
| Zu kleiner Turbinenströmungsquerschnitt | Überhöhter Abgaskrümmerdruck und begrenzter Durchsatz bei hoher Last. | Prüfen Sie den Abgasdruck und die Grenzen für den Dauerbetrieb. |
Allein anhand der Radgröße lässt sich die Fehlauslegung nicht diagnostizieren. Ein größerer Verdichter und eine Turbine mit hohem Strömungswiderstand können gemeinsam ein schlechtes Betriebsverhalten bei niedriger Drehzahl und überhöhten Abgasdruck bei Nennlast verursachen.
Gehäuse- oder Düsenquerschnitt gezielt anpassen
Innerhalb einer kompatiblen Turbinenbaureihe kann ein kleineres A/R-Verhältnis des Gehäuses oder ein kleinerer Düsenhalsquerschnitt das Ansprechverhalten bei niedriger Drehzahl verbessern, aber den abgasseitigen Strömungswiderstand bei hoher Last erhöhen. Ein größerer Strömungsquerschnitt kann die Durchsatzkapazität verbessern und zugleich das Ansprechverhalten bei niedriger Drehzahl verschlechtern. A/R-Werte unterschiedlicher Turbinenbaureihen erlauben keinen direkten Vergleich der Durchsatzkapazität.
Verwenden Sie vom Lieferanten unterstützte Gehäuse- und Düsenkombinationen. Änderungen an der Turbinengeometrie verschieben die Betriebspunkte, vergrößern aber nicht das Verdichterkennfeld. Die VGT-Regelung und die Wastegate-Einstellungen müssen innerhalb validierter Grenzen bleiben; sie können eine unzureichende Verdichterkapazität nicht ausgleichen.
Wann Sie die OE-Spezifikation beibehalten sollten
Wenn Kraftstoffzufuhr, Leistung, Regelung und Einsatzprofil dem Serienstand entsprechen, ist ein Turbolader mit OE-Teilenummer oder einer bestätigten Nachfolgeteilenummer in der Regel die richtige Wahl. Die ursprüngliche Auslegung berücksichtigt deutlich mehr als nur passende Flansche, besonders bei elektronisch geregelten Turboladern.
Überprüfen Sie bei einem geänderten Einsatzzweck die vorgeschlagene Auslegung unter repräsentativer Last, bevor Sie sie als abgeschlossen betrachten:
- Messen Sie Ladedruck, Ansauglufttemperatur, Abgaskrümmerdruck und Abgastemperatur an festgelegten Messstellen.
- Vergleichen Sie die Turboladerdrehzahl mit dem Grenzwert des Herstellers, sofern eine Messung möglich ist.
- Bestätigen Sie die Lastübernahme, das Rauchverhalten und die Funktion der Regelung über das gesamte vorgesehene Einsatzprofil.
Ohne ausreichende Kennfelder, Grenzwerte oder Prüfdaten bleibt ein vom OE-Standard abweichender Turbo eine ungeprüfte Wahl.
Häufige Fragen
Bedeutet mehr Ladedruck immer mehr nutzbare Luft?
Nicht unbedingt. Wärmere Ansaugluft hat eine geringere Dichte, und ein höherer abgasseitiger Strömungswiderstand kann die Zylinderfüllung verringern. Vergleichen Sie Luftmassenstrom, Ladelufttemperatur und Abgaskrümmerdruck am selben Betriebspunkt.
Ist mein Turbo zu groß für den Betrieb bei niedriger Drehzahl?
Prüfen Sie die Bedarfspunkte bei niedriger Drehzahl. Ein Verdichter kann beim erforderlichen Druckverhältnis zu nahe an der Pumpgrenze liegen, während eine große Turbine möglicherweise nicht schnell genug Wellenleistung aufbaut. Legen Sie beide Seiten getrennt aus.
Kann ein kleineres Turbinengehäuse einen zu großen Verdichter ausgleichen?
Es kann das Ansprechverhalten verbessern, verändert aber das Verdichterkennfeld nicht. Liegt die Kombination aus erforderlichem Luftdurchsatz und Druckverhältnis außerhalb dieses Kennfelds, lässt sich durch einen Gehäusewechsel keine passende Verdichterauslegung erreichen.
Benötigt ein Generator dieselbe Auslegung wie ein Lkw?
Nicht unbedingt. Ein Generator mit fester Drehzahl benötigt einen guten Wirkungsgrad bei gleichbleibender Last und ein akzeptables Ansprechverhalten bei Lastsprüngen. Ein Lkw muss über einen breiteren Drehzahlbereich mit Luft versorgt werden, auch bei hoher Kraftstoffzufuhr und niedriger Drehzahl.
Wann sollte ich den OE-Turbolader beibehalten?
Behalten Sie die OE-Spezifikation bei, wenn Motor, Kraftstoffzufuhr, Regelung und Einsatzprofil dem Serienstand entsprechen. Ziehen Sie eine andere Auslegung in Betracht, wenn sich dokumentierte Betriebsanforderungen ändern und das Gesamtsystem validiert werden kann.
Kann ich einen Diesel-Turbo allein anhand der Motorleistung auslegen?
Die Motorleistung liefert einen ersten Anhaltspunkt. Zusätzlich benötigen Sie Kraftstoffmassenstrom, Betriebsdrehzahl, angestrebten Luftdurchsatz, Druckverhältnis und Einsatzprofil. Zwei Motoren mit gleicher Leistung können unterschiedliche Verdichter-Turbinen-Kombinationen benötigen.
Welche Turboladergröße brauche ich als Ersatz?
Behalten Sie die OE-Spezifikation bei, wenn Motor, Kraftstoffzufuhr, Regelung und Einsatzprofil dem Serienstand entsprechen. Stimmen Sie bei geänderten Anforderungen Luftdurchsatz und Druckverhältnis über das gesamte Einsatzprofil ab und validieren Sie beide Seiten des Turboladers.
Wenn Sie einen Turbolader dimensionieren, wenden Sie sich mit der Teilenummer Ihres Turboladers, Angaben zum Motor und dem vorgesehenen Einsatzprofil an uns bei LeadTurbo, um Ersatzoptionen zu besprechen.
