Aufladung

Aufladung ist der mechanische Prozess, bei dem verdichtete Luft mit einem Druck höher als der atmosphärische in die Zylinder eines Motors geleitet wird. Ein Standard-Saugmotor nimmt Luft mit etwa 14,7 psia an; Aufladesysteme drücken diese Luft mit Ladedruck herein, typischerweise 6 bis 15 psia über dem atmosphärischen Druck je nach Anwendung, sodass mehr Sauerstoffmoleküle in jede Brennkammer gelangen. Diese dichtere Ladung verbrennt mehr Kraftstoff und erzeugt mehr Leistung aus dem gleichen Hubraum.

Zwei Haupttechnologien bewerkstelligen das: Kompressoren und Turbolader. Kompressoren sind riemen- oder zahnradgetriebene Verdichter, die mechanisch an die Kurbelwelle des Motors gekoppelt sind; sie reagieren sofort, verbrauchen aber Motorleistung beim Betrieb. Turbolader nutzen die Energie der Abgase, um eine Turbine anzutreiben, die ein Verdichterrad antreibt; sie belasten den Motor kaum, führen aber eine geringfügige Turbo-Verzögerung ein, eine Verzögerung zwischen Drosselklappenöffnung und Ladedruck-Ankunft. Jeder Ansatz hat verschiedene Wirkungsgradkurven, Kosten, Einbaubeschränkungen und thermische Eigenschaften, die bestimmen, welche Motoren sie eignen.

Der grundlegende Vorteil ist thermodynamische Dichte. Auf Meereshöhe verdoppelt das Drücken von Luft auf 10 psia absoluten Druck ungefähr den Sauerstoffgehalt, der bei gleichem Hubraum in einen Zylinder eintritt, verglichen mit Saugbetrieb. Ein 2,0-Liter-Turbomotor kann eine Leistung erzeugen, die einem 4,0-Liter-Saugmotor entspricht, während er bei normaler Fahrweise wesentlich weniger Kraftstoff verbraucht. Dieser Kompromiss zwischen Kraftstoffverbrauch und Leistungsabgabe hat Aufladung seit den frühen 2000er Jahren zur dominierenden Bauart in Automobil- und Industriemotoren gemacht.

Wärmestau, Selbstentzündung und Auswirkungen auf die Haltbarkeit

Das Verdichten von Luft erzeugt Wärme. Aufladung erhöht typischerweise die Ansauglufttemperatur um 40 bis 80 Grad Celsius über Umgebungstemperatur; Ladekühler oder Ladeluftkühler (Luft-Luft oder Luft-Flüssigkeit) entfernen diese Wärme, bevor die Luft die Zylinder erreicht, verbessern die Dichte und verringern das Klopfrisiko. Ohne Kühlung wird Selbstentzündung (Detonation) wahrscheinlich und beschädigt Kolben und Ventile. Deshalb erfordern Aufladesysteme fast immer Kraftstoff mit höherer Oktanzahl und sorgfältige Motorabstimmung, um den Verbrennungsdruck und das Zündzeitverhalten zu beherrschen.

Die höheren Spitzendrücke in aufgeladenen Zylindern üben erhebliche mechanische Belastung auf Pleuelstangen, Kolben, Ventile und Ventilsitze aus. Motoren, die für Aufladung ausgelegt sind, verwenden stärkere Materialien, andere Kolbengeometrien, verstärkte Blockversteifungen und verbesserte Ventilbauteile im Vergleich zu Saugmotoren. Das Turboladen eines Standard-Saugmotors ohne innere Modifikationen führt typischerweise zu verkürzter Motorlebensdauer oder katastrophalem Ausfall unter dauerhafter Aufladung. Lagerhaltbarkeit, Ölkühlkapazität und thermisches Management werden zu kritischen Konstruktionskriterien.

Aufladung kommt in Schiffsmotoren, Stromaggregaten, Nutzfahrzeugen und leistungsstarken Automobilen vor. Industrielle Dieselmotoren arbeiten üblicherweise mit 2 bis 3 bar Ladedruck im Dauerbetrieb. Rennmotoren können mit 4 bis 5 bar und speziellen Kraftstoffen sowie Materialien betrieben werden. Der Aufwand und die Kosten von Aufladesystemen rechtfertigen sich nur, wenn Leistungsdichte, Effizienz oder Einhaltung von Vorschriften (Emissionen pro Leistungseinheit) die mechanischen Kosten und die Wärmemanagemenlast überwiegt.