Grundlegendes zur Aufladung
von Verbrennungsmotoren

Bei einem Verbrennungsmotor ist bekanntlich die Leistung das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment. Zur Leistungssteigerung gilt es also mindestens einen der beiden Faktoren zu erhöhen.

Das Drehmoment bezogen auf den Hubraum kann unter Ausnutzung des Atmosphärendrucks nur eine gewisse Höhe erreichen. Viel interessanter als die Leistungskurve eines Motors ist eigentlich die Drehmomentkurve. Bei aufmerksamem Studium veröffentlichter Drehmomentkurven fällt auf, dass selbst bei hochentwickelten, aber straßentauglichen Serienmotoren mit vier Ventilen, Werte um 100 bis 110 Nm pro 1000 ccm die Grenze darstellen. Allenfalls gelingt es, das Drehmoment-Maximum zu einer höheren Drehzahl hin zu verschieben. Der Drehzahl sind Grenzen durch die mechanische Belastbarkeit der Bauteile gesetzt. Diese Grenze wird bei großen Einzelhubräumen naturgemäß eher erreicht. Je höher die Literleistung eines Saugmotors ist, desto "spitzer" wird dessen Charakteristik. Wenn die Grenze der Drehzahl, bezogen auf den Hubraum, erreicht ist, bleibt nur die Erhöhung des Drehmoments durch Aufladung.

Die Aufladung eines Verbrennungsmotors hat neben der Leistungssteigerung noch weitere Vorteile. Mechanisch neigt der Motor zu mehr Effizienz, da er die gleichen physikalischen Größen behält (keine Hubraumerweiterung), bleiben Pump- und Reibungsverluste nahezu gleich. Da der Motor aber durch die Aufladung mehr Drehmoment und somit Leistung freisetzt, wird das Verhältnis von abgegebener Leistung und Verlustleistung günstiger. Durch die Aufladung wird in der Regel das Drehmoment erheblich gesteigert, deshalb darf die Drehzahl gegebenenfalls sogar reduziert werden, wodurch weniger Massenkräfte wirken. Die Massenkräfte steigen im Quadrat zur Drehzahl. Aus diesen Sachverhalten resultiert, dass die Leistungssteigerung durch Aufladung in der Regel vom Serienmotor problemlos verkraftet wird. Lediglich an der Verdichtung und der Motorkühlung müssen in manchen Fällen Modifikationen vorgenommen werden. Selbstverständlich müssen alle Einstellungen wie Zündwinkel, Gemisch, Steuerzeiten usw. penibelst ausgeführt werden.

Unabhängig vom maximalen Drehmoment wird der Drehmomentverlauf harmonischer, da die Steuerzeiten nicht zu Gunsten der Drehmomentverlagerung in hohe Drehzahlbereiche verlängert werden müssen. Passend ausgelegte Ansaug- und Auspuffanlagen sind natürlich auch bei Aufladung von Vorteil.

Zur Aufladung in Frage kommen die drei Varianten von Ladern:

• der Abgasturbolader, bestehend aus zwei Strömungsmaschinen, folglich rein gasdynamisch am Motor angekoppelt
• der mechanisch von der Kurbelwelle angetriebene Verdrängerlader, z.B. Rootsgebläse, Schraubenkompressor, Flügelzellenlader, etc.
• der mechanisch von der Kurbelwelle angetriebene Strömungsverdichter, eine Mischung aus beiden Erstgenannten.

Das Mittel der Wahl zur Aufladung ist nach meiner Meinung der mechanisch angetriebene Verdrängerlader.

Generell ist zunächst festzustellen, dass jeder Ladertyp Antriebsleistung benötigt. Turbolader können zu einem gewissen (kleinen) Prozentsatz Energie aus sonst verlorenem Abgas nutzen. Der Rest der benötigten Antriebsleistung wird dem Lader durch den Staudruck im Abgassystem zugeführt (sprich: vom Motor angetrieben). Ohne Lader wird der Abgasrestdruck im Abgassystem entspannt und durch Schwingungsvorgänge zur Zylinderspülung verwendet. Dieser Vorgang wird demnach durch die Abgasturbine behindert. Das höhere Druckniveau erschwert die Ausschubarbeit des Kolbens (= Verlustleistung). Auch verbleibt heißes Abgas im Verhältnis zur Höhe des Gegendrucks im Zylinder, was den nachfolgenden Ladungswechsel verschlechtert und die Temperatur steigert. Die rein dynamische Ankopplung an den Motor erfordert enormen Abstimmungsaufwand.

Beim mechanisch angetriebenen Strömungsverdichter werden diese Probleme umgangen. Nachteilig dabei ist, dass Strömungsverdichter nur in einem engen Betriebsbereich gute Wirkungsgrade erzielen, also durch die starre Anbindung an die Motordrehzahl eigentlich nur bei stationärem Motorbetrieb zu brauchbaren Ergebnissen führen. Auch sind große Zünd- und damit Ladungswechselabstände, bedingt durch niedrige Zylinderzahl, für Strömungsverdichter schlecht beherrschbar.

Anders der Verdrängerlader, der im Prinzip ein Kolbenverdichter ist (egal ob Drehkolben oder Hubkolben). Er passt sich in jedem Bereich automatisch an die Schlucklinie des Motors an, erleidet durch Stillstand der Luftsäule keinen Strömungsabriss und erzielt über weite Drehzahlbereiche brauchbare Wirkungsgrade und den gewünschten Ladedruck.

Beim mechanisch angetriebenen Lader wird die Ladungswechselarbeit komplett vom Motor in den Lader verlegt. Da der Kolben nicht selbst ansaugen muss, kann diese gesparte Arbeit von der Verdichtungsleistung des Laders abgezogen werden. Das heißt, die vom Hersteller auf einem Laderprüfstand ohne Motor ermittelte Laderantriebsleistung wird um die eingesparte Saugleistung des Motors reduziert und widerlegt somit die weitläufige Auffassung, dass der mechanisch angetriebene Lader Unmengen Antriebsleistung dem Motor entzieht. Für meine KOMPRESSOR-GUZZI by A. Köhler somit der Lader der Wahl!

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