6 verschiedene Arten von Turboladern und die Vorteile jedes

Was ist der Unterschied zwischen Einzel-, Twin-, Twin-Scroll-, variabler Geometrie- oder sogar elektrischen Turboladern? Was sind die Vorteile der einzelnen Konfigurationen?

Die Welt der Turbolader hat fast so viel Vielfalt wie Motoranordnungen. Werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Arten:

Elektrische Turbolader Einzel-Turbolader

Einzel-Turbolader allein haben eine grenzenlose Variabilität. Durch die unterschiedliche Größe des Verdichterrads und der Turbine ergeben sich völlig unterschiedliche Drehmomentkennlinien. Große Turbolader bringen hohe Spitzenleistung, aber kleinere Turbolader liefern besseres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, da sie schneller ansprechen. Es gibt auch Einzel-Turbolader mit Kugel- und Gleitlagern. Kugellager bieten weniger Reibung für das Verdichterrad und die Turbine, um sich zu drehen, und sprechen somit schneller an (was jedoch mit Kosten verbunden ist).

• Vorteile:

• Kostengünstige Möglichkeit zur Steigerung der Motorleistung und -effizienz.

• Einfach, im Allgemeinen die einfachste der Turbolader-Optionen zu installieren.

• Ermöglicht die Verwendung kleinerer Motoren, um die gleiche Leistung wie größere Saugmotoren zu erzeugen, was oft Gewicht einsparen kann.

• Kosten und Komplexität, da Sie jetzt den Elektromotor berücksichtigen und sicherstellen müssen, dass er kühl bleibt, um Zuverlässigkeitsprobleme zu vermeiden. Das gilt auch für die zusätzlichen Steuerungen.

• Einzel-Turbolader haben tendenziell einen recht schmalen effektiven Drehzahlbereich. Dies macht die Dimensionierung zu einem Problem, da Sie zwischen gutem Drehmoment im unteren Drehzahlbereich oder besserer Leistung im oberen Drehzahlbereich wählen müssen.

• Das Ansprechverhalten des Turboladers ist möglicherweise nicht so schnell wie bei alternativen Turbolader-Konfigurationen.

2. Twin-Turbo

Genau wie bei Einzel-Turboladern gibt es viele Optionen bei der Verwendung von zwei Turboladern. Sie könnten einen einzelnen Turbolader für jede Zylinderbank haben (V6, V8 usw.). Alternativ könnte ein einzelner Turbolader für niedrige Drehzahlen verwendet werden und zu einem größeren Turbolader für hohe Drehzahlen überbrückt werden (I4, I6 usw.). Sie könnten sogar zwei ähnlich große Turbolader haben, bei denen einer bei niedrigen Drehzahlen und beide bei höheren Drehzahlen verwendet werden. Beim BMW X5 M und X6 M werden Twin-Scroll-Turbolader verwendet, einer auf jeder Seite des V8.

• Vorteile:

• Für parallele Twin-Turbos bei 'V'-förmigen Motoren sind die Vorteile (und Nachteile) den Einzel-Turbo-Konfigurationen sehr ähnlich.
• Für sequentielle Turbos oder die Verwendung eines Turbos bei niedrigen Drehzahlen und beider bei hohen Drehzahlen ermöglicht dies eine viel breitere, flachere Drehmomentkurve. Besseres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, aber die Leistung nimmt bei hohen Drehzahlen nicht ab wie bei einem kleinen Einzel-Turbolader.

• Nachteile:

• Kosten und Komplexität, da Sie fast die doppelten Turbolader-Komponenten haben.
• Es gibt leichtere, effizientere Möglichkeiten, ähnliche Ergebnisse zu erzielen (wie unten besprochen).

3. Twin-Scroll-Turbolader

Twin-Scroll-Turbolader sind in fast jeder Hinsicht besser als Single-Scroll-Turbos. Durch die Verwendung von zwei Scrolls werden die Abgasimpulse aufgeteilt. Bei Viertaktmotoren (Zündfolge 1-3-4-2) könnten beispielsweise die Zylinder 1 und 4 einen Scroll des Turboladers speisen, während die Zylinder 2 und 3 einen separaten Scroll speisen. Warum ist das von Vorteil? Nehmen wir an, Zylinder 1 beendet seinen Arbeitstakt, wenn sich der Kolben dem unteren Totpunkt nähert, und das Auslassventil beginnt sich zu öffnen. Während dies geschieht, beendet Zylinder 2 den Auslasstakt, schließt das Auslassventil und öffnet das Einlassventil, aber es gibt eine gewisse Überlappung. In einem herkömmlichen Single-Scroll-Turboladerkrümmer stört der Auspuffdruck von Zylinder 1 Zylinder 2 beim Ansaugen von Frischluft, da beide Auslassventile vorübergehend geöffnet sind, wodurch der Druck, der den Turbolader erreicht, reduziert und die Luftmenge, die Zylinder 2 ansaugt, beeinträchtigt wird. Durch die Aufteilung der Scrolls wird dieses Problem beseitigt.

• Durch die direkte Verbindung eines Elektromotors mit dem Verdichterrad können Turboloch und unzureichende Abgase durch das Drehen des Verdichters mit elektrischer Energie bei Bedarf praktisch eliminiert werden.

• Mehr Energie wird an die Abgasturbine gesendet, was mehr Leistung bedeutet.
• Ein breiterer Drehzahlbereich mit effektivem Ladedruck ist basierend auf den verschiedenen Scroll-Designs möglich.
• Mehr Ventilüberschneidung ist möglich, ohne die Abgasentleerung zu behindern, was mehr Abstimmungsflexibilität bedeutet.

• Kosten und Komplexität im Vergleich zur Verwendung eines Einzel-Turbos oder eines herkömmlichen Twin-Scrolls.

• Erfordert eine spezifische Motoranordnung und ein spezifisches Auspuffdesign (z. B. I4 und V8, bei denen 2 Zylinder in gleichen Abständen jedem Scroll des Turboladers zugeführt werden können).
• Kosten und Komplexität im Vergleich zu herkömmlichen Einzel-Turbos.

Elektrische TurboladerTurbolader mit variabler Geometrie (VGT)

Vielleicht eine der außergewöhnlichsten Formen der Aufladung, VGTs sind aufgrund von Kosten und exotischen Materialanforderungen in der Produktion begrenzt (obwohl sie in Dieselmotoren recht verbreitet sind). Interne Leitschaufeln im Turbolader verändern das Verhältnis von Fläche zu Radius (A/R), um der Drehzahl zu entsprechen. Bei niedrigen Drehzahlen wird ein niedriges A/R-Verhältnis verwendet, um die Abgasgeschwindigkeit zu erhöhen und den Turbolader schnell hochzufahren. Wenn die Drehzahl steigt, erhöht sich das A/R-Verhältnis, um einen erhöhten Luftstrom zu ermöglichen. Das Ergebnis ist ein geringes Turboloch, eine niedrige Ladedruckschwelle und ein breites und gleichmäßiges Drehmomentband.

• Vorteile:

• Breite, flache Drehmomentkurve. Effektive Aufladung in einem sehr breiten Drehzahlbereich.
• Benötigt nur einen einzelnen Turbolader, wodurch eine sequentielle Turbo-Konfiguration in etwas Kompakteres vereinfacht wird.

• Nachteile:
• Wird typischerweise nur in Dieselanwendungen verwendet, bei denen die Abgase niedriger sind, sodass die Leitschaufeln nicht durch Hitze beschädigt werden.
• Für Benzinanwendungen halten die Kosten sie typischerweise fern, da exotische Metalle verwendet werden müssen, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Technologie wurde beim Porsche 997 eingesetzt, obwohl es aufgrund der damit verbundenen Kosten nur sehr wenige VGT-Benzinmotoren gibt.

Elektrische TurboladerVariabler Twin-Scroll-Turbolader

Könnte dies die Lösung sein, auf die wir gewartet haben? Während ich die SEMA 2015 besuchte, hielt ich am BorgWarner-Stand an, um mich über die neuesten Entwicklungen im Bereich der Aufladung zu informieren. Zu den Konzepten gehört der variable Twin-Scroll-Turbo, wie er im obigen Video beschrieben wird.

• Vorteile:

• Deutlich günstiger (theoretisch) als VGTs, was einen akzeptablen Fall für die Benzinaufladung darstellt.
• Ermöglicht eine breite, flache Drehmomentkurve.
• Robuster im Design im Vergleich zu einem VGT, abhängig von der Materialauswahl.
   
• Nachteile:Kosten und Komplexität im Vergleich zur Verwendung eines Einzel-Turbos oder eines herkömmlichen Twin-Scrolls.
• Die Technologie wurde schon einmal ausprobiert (z. B. Quick-Spool-Ventil), scheint sich aber in der Produktionswelt nicht durchzusetzen. Es gibt wahrscheinlich zusätzliche Herausforderungen mit der Technologie.
• 1.

Elektrische TurboladerDie patentierte Full Electric Turbocharger Technology von Aeristech ist eine neue, bahnbrechende Technologie, die Fahrzeugherstellern helfen wird, strenge zukünftige Emissionsvorschriften zu erfüllen und gleichzeitig ein hervorragendes Ansprechverhalten über den gesamten Motorbetriebsbereich zu gewährleisten, selbst bei niedrigen Motordrehzahlen und Fahrzeuggeschwindigkeiten. FETT ist die ultimative Lösung für extreme Motorverkleinerung und verbesserte Motoreffizienz unter Verwendung eines einstufigen Turboladers.

Das Hinzufügen eines leistungsstarken Elektromotors in den Mix eliminiert fast alle Nachteile eines Turboladers. Turboloch? Weg. Nicht genügend Abgase? Kein Problem. Der Turbo kann kein Drehmoment im unteren Drehzahlbereich erzeugen? Jetzt kann er es! Vielleicht die nächste Phase der modernen Aufladung, es gibt zweifellos auch Nachteile des elektrischen Weges.

Vorteile:

• Durch die direkte Verbindung eines Elektromotors mit dem Verdichterrad können Turboloch und unzureichende Abgase durch das Drehen des Verdichters mit elektrischer Energie bei Bedarf praktisch eliminiert werden.

• Durch den Anschluss eines Elektromotors an die Abgasturbine kann verschwendete Energie zurückgewonnen werden (wie in der Formel 1).
• Ein sehr breiter effektiver Drehzahlbereich mit gleichmäßigem Drehmoment.
• Nachteile:
   

• Kosten und Komplexität, da Sie jetzt den Elektromotor berücksichtigen und sicherstellen müssen, dass er kühl bleibt, um Zuverlässigkeitsprobleme zu vermeiden. Das gilt auch für die zusätzlichen Steuerungen.

• Verpackung und Gewicht werden zu einem Problem, insbesondere mit dem Hinzufügen einer Batterie an Bord, die erforderlich ist, um den Turbo bei Bedarf mit ausreichend Strom zu versorgen.
• VGTs oder Twin-Scrolls können sehr ähnliche Vorteile (wenn auch nicht ganz auf dem gleichen Niveau) zu deutlich geringeren Kosten bieten.