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Technik & Design: Antrieb

Freitag, 12. Dezember 2008 Der Turbo: ungebändigte Kraft

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Turbolader mit variabler Turbinengeometrie Turbolader mit variabler Turbinengeometrie

Nur wenige Motoren regen die Fantasie des Menschen so an wie der Turbo. Das Wort "Turbo" wird fast unbewusst mit Geschwindigkeit, Leistung und Wettstreit assoziiert. Obwohl Enzo Ferrari Saugmotoren den aufgeladenen Motoren vorzog (tatsächlich wies er wiederholt darauf hin, dass jeder imstande sei, Leistung aus einem Turbomotor herauszuholen), so wurde in Maranello dennoch, auch dank der Erfolge die mit dieser Art von Triebwerk erzielt wurden, seit jeher die Tradition in diesem Bereich gepflegt. In diesem Zusammenhang erinnert man sich unweigerlich an den Sieg, den Gilles Villeneuve 1981 in Monte Carlo mit dem 126 CK, in dem Leistung und Fahrbarkeit verschmolzen, errungen hat.

Turbo Motor mit glühendem Lader
Turbo Motor mit glühendem Lader
 

Renault führte in den Siebzigern diese Art Triebwerk, das deutliche Vorteile gegenüber den Saugmotoren bot, in der Formel 1 ein.
Es ist allgemein bekannt, dass ein Teil der Motorleistung in Form von Hitze über die Abgasanlage verloren geht. Beim Verlassen des Zylinders sind die Abgase jedoch noch heiss und können somit zur Energiegewinnung verwendet werden. Diese Gase werden bei der Turboaufladung genutzt, indem sie in eine Turbine geleitet werden, welche mit einem Verdichter verbunden ist. Dieser wiederum führt dem Motor verdichtete Luft mit höherem Druck zu. Die Leistung des Motors kann also erheblich gesteigert werden.
Die Geschichte der Aufladung hängt mit der Entwicklung der Flugzeugmotoren zusammen. Schon am Anfang dieses Jahrhunderts, als die Luftfahrt noch in ihren Kinderschuhen steckte, stellten die Konstrukteure fest, dass die Motorleistung beim Aufstieg schnell nachliess und somit die erreichbare Flughöhe deutlich beeinflusste. Tatsächlich sinkt die Leistung eines Saugmotors durch die Abnahme der Luftdichte in 2000 m Höhe auf 80% und in einer Höhe von 6500 m auf 50 % der Motorleistung am Boden.
Mit dem Ausbruch des Ersten Weltkriegs wurde dieses Problem besonders drängend. Die Steigerung der Flughöhe der Flugzeuge war in jener Zeit wahrscheinlich die grösste Herausforderung der Technik.
Zunächst wurden Gewicht und Leistung in Betracht gezogen: wenn beim Aufstieg die Höchstleistung reduziert wird, dann ist der Motor überdimensioniert. Daher kann er um so viele seiner Komponenten erleichtert und der Hubraum soweit vergrössert werden, bis er an die Grenze stösst, an der die Funktionsfähigkeit des Motors nicht mehr gewährleistet wird. Da die Höchstleistung abnahm konnte auch der Kompressionsdruck erhöht werden, ohne dass Klopfen auftrat (zu der Zeit sprach man von Überhitzen des Motors). In niedriger Flughöhe, in der eine volle Ausnutzung der Motorleistung den Motor zerstört hätte, wurde die Leistung auf ein entsprechendes Niveau gedrosselt. Dies war die Geburtsstunde der leichteren, aufgebohrten und hochverdichteten Motoren, mit allen erdenklichen Varianten und Zwischenformen.
Später stellte man fest, dass man die Dichte der angesaugten Luft beeinflussen konnte und somit ein Teil der Motorleistung mithilfe des Kompressors dazu genutzt werden konnte, sie zu steigern: der Motor trieb somit nicht nur den Propeller an, sondern auch einen Verdichter (zuerst Verdränger- und später Turboverdichter), der die Luft beim Einströmen verdichtete. Aufgrund der unwiderlegbaren Vorteile dieser Technik, wurde sie in der Zeit zwischen dem Ersten und Zweiten Weltkrieg beim Bau der Flugzeuge angewandt. Dies war die Ära des Schneider-Pokals, eines Rennens für leistungsstarke Wasser-Rennflugzeuge, bei dem der Italiener Francesco Agello 1934 auf dem Gardasee mit einer von einem FIAT-AS-6'Turbobotor angetriebenen Macchi-Castoldi MC 72 den Geschwindigkeitsweltrekord von 709,209 km/h erflog.
In der Zwischenzeit wurde auch die Abgasturbine entwickelt, die einen Grossteil der thermodynamischen Energie der Verbrennungsluft für den Prozess nutzbar macht. Die Leistung des Motors wurde gesteigert.
Die von Pratt & Whitney für die Luftfahrt entwickelten amerikanischen 18-Zylinder-Doppelsternmotoren waren mit drei Turbinen mit je einem Durchmesser von 280 mm ausgestattet, welche ihre Leistung aus den Abgasen bezogen, die dann an die Welle weitergeleitet wurden, wodurch wiederum die Motorleistung erhöht wurde.
Schliesslich wurde jener Turbolader entwickelt, bei dem das Turbinenrad und das Verdichterrad fest durch eine Welle verbunden sind. Die aus der Atmosphäre angesaugte und verdichtete Frischluft wird dem Motor zugeführt: der Verdichter wird in die Saugleitung und das Turbinenrad in die Abgasleitung eingebracht. Dies war die Geburtsstunde des Turbomotors wie wir ihn heute kennen.

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