Wie funktionieren Turbolader und Kompressoren in Kolbenmotoren?

Mar 09, 2024

Viele haben die Begriffe gehört; Heute zerlegen wir sie.

Motoren erzeugen Strom, indem sie Luft und Kraftstoff verbrennen. Luft und Kraftstoff zusammen werden als Gemisch bezeichnet, manchmal auch Ladung genannt. Bei einem Kolbenmotor hängt die Leistung des Motors von der Menge bzw. dem Gewicht der Ladung ab, die von den Zylindern im Motor aufgenommen werden kann.

Das Gewicht des Gemisches, das von den Kolben in die Zylinder gesaugt werden kann, hängt maßgeblich von seiner Temperatur und seinem Druck ab. Wenn ein Flugzeug steigt, führt die verringerte Luftdichte zu einem verringerten Luftdruck und letztendlich gelangt weniger Sauerstoff in die Zylinder. Aus diesem Grund verliert ein Saugmotor mit zunehmender Höhe an Leistung.

Um die Leistung eines Kolbenmotors zu steigern, kann dieser entweder mit Turbo- oder Kompressoraufladung ausgestattet sein.

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einer Kompressorbaugruppe. Turbine und Kompressor sind auf derselben Welle montiert; Wenn sich also die Turbine dreht, dreht sich auch der Kompressor.

Der Kompressor eines Turboladers ist direkt mit dem Ansaugsystem der Zylinder verbunden, während die Turbine mit dem Abgassystem verbunden ist. Der Kompressor ist auch dem Lufteinlass des Motors ausgesetzt.

Turbolader können die Triebwerksleistung für den Start erhöhen und es Flugzeugen ermöglichen, in größere Höhen zu steigen. Ein normal angesaugter Motor kann nur einen Druck auf Meereshöhe von 29,92 Zoll Quecksilber erzeugen. Beim Aufstieg sinkt der Druck aufgrund der verringerten Luftdichte. Mit einem Turbolader kann ein Motor deutlich mehr Leistung erzeugen. Beispielsweise kann einer der leistungsstärksten Kolbenmotoren, der jemals gebaut wurde, der Pratt & Whitney R-4360, der aufgeladen ist, beim Start einen Krümmerdruck von 60 Zoll Quecksilbersäule erzeugen, etwas mehr als das Doppelte des normalen Atmosphärendrucks.

Unabhängig davon, ob ein Triebwerk über einen Turbolader verfügt oder nicht, verliert es dennoch an Leistung, wenn das Flugzeug steigt. Bei einem Turbo- oder Kompressormotor verliert der Motor jedoch viel weniger Leistung. Dies ermöglicht größere Höhen und das Erreichen größerer Geschwindigkeiten.

Wenn sich ein Turbolader dreht, strömt Luft in den Kompressor und erhöht so den Luftdruck. In Turboladern verwendete Kompressoren sind meist Zentrifugalkompressoren und bestehen aus zwei Hauptteilen: einem Laufrad und einem Diffusor. Wenn die Luft auf das Laufrad trifft, wird sie beschleunigt und aus dem Laufrad herausgeschleudert. Vom Laufrad aus wird die Luft, die nun deutlich an kinetischer Energie gewonnen hat, in den Diffusor geleitet. Der Diffusor besteht aus Flügeln, die divergierende Kanäle bilden. Wenn der Luftstrom durch diese Kanäle strömt, verringert die vergrößerte Fläche die Geschwindigkeit der Luft und erhöht ihren Druck. Es handelt sich um eine einfache Umwandlung von kinetischer Energie (Geschwindigkeit) in potentielle Energie (Druck).

Die Turbinenbaugruppe eines Turboladers treibt den Kompressor an. Dabei werden die Abgase der Motorabgase auf die Turbine geleitet und diese so in Drehung versetzt. Die Menge der Abgase, die in die Turbine strömen darf, wird durch ein sogenanntes Wastegate gesteuert.

Dies ist der wichtigste Teil eines Turboladers, da er seine Geschwindigkeit oder Rotation steuert. Das Wastegate ist im Wesentlichen ein Ventilmechanismus, der die Abgasmenge steuert, die in die Turbine des Turboladers strömt. Wenn das Wastegate vollständig geschlossen ist, werden fast alle Abgase des Motors zur Turbine geleitet. Dadurch erhöht sich die Drehzahl der Turbine und des Turboladers.

Das Wastegate muss entsprechend gesteuert werden, um ein Absinken zu verhindernÜberhöhung Situation. Overboosting ist ein Zustand, bei dem der Motor zu viel Druck erfährt, was zu schweren Schäden führt. Es gibt zwei Methoden, mit denen das Wastegate gesteuert werden kann. Die eine besteht darin, dem Piloten die Wastegate-Steuerung zu überlassen, und die andere (was die bevorzugteste Methode ist) besteht darin, über einen automatischen Mechanismus zur Steuerung zu verfügen.

Der Absolute Pressure Controller (APC) steuert das Wastegate automatisch, um eine Überladung zu verhindern. Der APC enthält eine Aneroidkapsel, die den Druck am Kompressorauslass des Turboladers erfassen kann. Es nutzt den Öldruck der Motorschmierung zur Steuerung des Wastegate-Aktuators, der über einen Federmechanismus verfügt. Wenn am Kompressorauslass ein zu hoher Druck festgestellt wird, lässt das APC Öl aus dem Wastegate-Aktuator ab, wodurch der Federmechanismus das Wastegate öffnet und ein Teil der Abgase in die Atmosphäre entweichen kann. Wenn der Motor Leistung benötigt, wird auf Befehl des APC Öl zum Wastegate-Aktuator geleitet, der diesen schließt und die Abgase in die Turbine umleitet.

Wenn der Pilot beispielsweise beim Start Vollgas gibt, läuft der Motor mit maximaler Leistung und erzeugt viele Abgase, die zu einer Überladung führen können. Das APC erkennt den erhöhten Druck, der zum Öffnen des Wastegates führt. Nach dem Start sinkt der Kompressorauslassdruck, wenn das Flugzeug steigt. Dieser Druckabfall wird erneut von der APC erkannt, die dem Wastegate befiehlt, mit dem Schließen zu beginnen, um die Drehzahl des Turboladers zu erhöhen.

Irgendwann im Steigflug wird das Wastegate vollständig geschlossen und der Turbolader erreicht seine Höchstgeschwindigkeit. Die Höhe, in der dies geschieht, wird als bezeichnetKritische Höhe.Oberhalb dieser Höhe wird der Leistungsverlust des Motors im Steigflug immer größer und erreicht ähnliche Werte wie bei einem Saugmotor.

Ein Turbolader und ein Kompressor erreichen das gleiche Ziel auf zwei verschiedene Arten. Ein Turbolader ist meist eine vom Motor getrennte Einheit. Manchmal wird ein Turbolader auch als fremdangetriebener Kompressor bezeichnet.

Ein Kompressor wird intern angetrieben und ist Teil des Motors. Im Gegensatz zu einem Turbolader verfügt ein Kompressor über keine Turbine. Es verfügt lediglich über einen Kompressor, der von der Kurbelwelle des Motors angetrieben wird. Da der Motor selbst einen Kompressor antreibt, findet man sie nur bei sehr leistungsstarken Motoren. Wenn ein leistungsschwächerer Motor verwendet wird, kann es sein, dass dieser die Belastung eines Kompressors nicht aushält.

Da ein Kompressor wie ein Turbolader auch den Luftdruck erhöht, muss die Drehzahl kontrolliert werden, um einen übermäßigen Druck im Motor zu verhindern. In einem Kompressorsystem wird die Geschwindigkeit durch den Motorleistungshebel und den Drehzahl- oder Propellersteuerhebel gesteuert.

Der Leistungshebel bestimmt die Luftmenge, die in den Kompressor des Kompressors geleitet wird. Wenn der Leistungshebel nach vorne bewegt wird, wird mehr Luft in den Kompressor geleitet, wodurch sich der Druck der dem Motor zugeführten Luft erhöht. Aus diesem Grund wird der Leistungshebel oder die Drosselklappe eines aufgeladenen Motors manchmal als Boost-Steuerhebel bezeichnet.

Ein Drehzahlhebel steuert den Propellerblattwinkel. Wenn Sie den Hebel nach vorne bewegen, werden die Klingen feiner oder flacher und die Geschwindigkeit oder Drehzahl erhöht. Und wenn Sie den Hebel nach hinten bewegen, werden die Messer gröber und die Drehzahl verringert. Diese Funktion kann die Drehzahl eines Kompressors erheblich beeinflussen.

Die Kombination aus Leistungshebel und Drehzahlhebel bestimmt die Leistung des Kompressors.

Die Automatic Boost Control (ABC) ist ein System in einem aufgeladenen Motor, das die Drosselklappe automatisch steuert, um einen konstanten Ladedruck aufrechtzuerhalten.

Eine hohe Dichte am Boden und in geringer Höhe kann dazu führen, dass der Kompressor einen übermäßigen Druck erzeugt, der auf lange Sicht den Motor beschädigen kann. In diesem Fall kann die Drosselklappe nicht vollständig geöffnet werden, um die in den Kompressor und damit in den Motor eintretende Luftmenge zu begrenzen.

In großen Höhen kommt es aufgrund der verringerten Luftdichte zu einem Druckverlust, der vom ABC erkannt wird und die Drosselklappe öffnet.

Im Leerlaufbetrieb des Motors am Boden ist die Drosselklappe teilweise geöffnet, so dass keine Gefahr eines Überdrucks besteht. Denken Sie daran, dass sich mit der Drehung des Motors auch der Kompressor dreht. Am Boden kann es bei höheren Drücken in Kombination mit der Druckerhöhung durch den Kompressor zu einem Überdruck im Motor kommen.

Steigt das Flugzeug, wird die Drosselklappe immer weiter geöffnet, um den Druckverlust auszugleichen, bis eine Höhe erreicht ist, in der die Drosselklappe ganz nach vorne zeigt. Diese Höhe wird als bezeichnetVollgashöhe (FTH).

Wenn ein Flugzeug an seiner Höhe steigen darfNenndrehzahlUndBewerteter Boost, sein FTH wird als its bezeichnetBewertete Höhe, AberPiloten können die FTH-Höhe entweder erhöhen oder verringern.

Wenn die Absicht besteht, die FTH-Höhe zu erhöhen, kann das Flugzeug angeflogen werdenNenndrehzahlmit einemWeniger als der Nennboost.Während in diesem Zustand die Drehzahl bzw. die Motorgeschwindigkeit auf ihrem Nennwert gehalten wird, öffnet der Boost-Controller während des Steigflugs langsam die Drosselklappe und erhöht so die FTH-Höhe.

Wenn die FTH-Höhe verringert werden soll, kann das Flugzeug angeflogen werdenBewerteter BoostmitWeniger als die Nenndrehzahl . Da die Drehzahl oder Motorgeschwindigkeit unter dem Nennwert liegt, öffnet der Boost-Controller während des Steigflugs schnell die Drosselklappe und erhöht so die FTH-Höhe.

Journalist – Anas ist Pilot eines Airbus A320 und verfügt über mehr als 4.000 Stunden Flugerfahrung. Er freut sich, seine Betriebs- und Sicherheitserfahrung als Mitglied des Autorenteams in Simple Flying einbringen zu können. Sitz auf den Malediven.