Turbolader: Aufbau und Funktionsweise
Lagerung
Lagerungssystem eines Turboladers (Schnittbild)
Der Läufer eines Turboladers dreht mit bis zu 300 000 Umdrehungen pro Minute.
Die Lebensdauer des Laders soll dabei der des Motors entsprechen, welche für
ein Nutzfahrzeug mit bis zu einer Million Kilometer angesetzt wird. Nur speziell
für Turbolader entwickelte Gleitlagerungen sind heute in der Lage, diese hohen
Anforderungen kosteng ünstig zu erfüllen.
Radiallagerung
Bei einer Gleitlagerung dreht sich die Welle verschleißfrei auf einem Ölfilm
innerhalb der Gleitlagerbuchse. Im Fall des Turboladers erfolgt die Ölversorgung
aus dem Motorölkreislauf. Die Lagerung ist so aufgebaut, dass sich zwischen
dem stehenden Lagergehäuse und der drehenden Welle eine mit etwa halber Wellendrehzahl
mitrotierende Schwimmbuchse aus Messing befindet. Dadurch ist es möglich, die
Lagerung dieser schnell drehenden Wellen so abzustimmen, dass es in keinem Betriebspunkt
zu einer Festkörperberührung zwischen Welle und Lagerung kommt.
Der Ölfilm in den Lagerspalten hat neben der Schmierfunktion auch eine Dämpfungsfunktion,
die zu einer stabilen Wellenbahn des Läufers beiträgt. Durch die Spaltbreiten
werden die hydrodynamische Tragfähigkeit und das Dämpfungsverhalten der
Lagerung optimiert. Die Schmierfilmdicke in den Innenspalten wird dazu unter dem
Gesichtspunkt der Tragfunktion ausgelegt, während die Außenspalte im
Hinblick auf die Dämpfung der Lagerung ausgelegt wird. Die Lagerspalte betragen
nur wenige Hundertstelmillimeter. Mit zunehmender Spaltbreite wird die Dämpfung
weicher und die Tragfähigkeit geringer.
Eine besondere Form der Gleitlagerung stellt die Einbuchsenlagerung dar. Die Welle
dreht sich innerhalb einer stehenden Buchse, die von außen mit Öl umspült
wird. Dabei kann der äußere Spalt speziell auf die Lagerdämpfung
ausgelegt werden, da keine Drehbewegung stattfindet. Der so mögliche geringere
Lagerabstand führt zu einer kompakten Bauweise des Turboladers.
Axiallagerung
Weder die Schwimmbuchsenlagerung noch die Einbuchsenlagerung nehmen Kräfte
in axialer Richtung auf. Durch die unterschiedlich hohen Gaskräfte, die auf
das Verdichterrad und das Turbinenrad in axialer Richtung wirken, würde der
Läufer in axialer Richtung verschoben. Das Axiallager, ein Keilflächen-Gleitlager,
nimmt diese Kräfte auf. Als Anlaufflächen dienen zwei kleine Scheiben,
die fest auf der Welle verspannt sind. Das Axiallager ist im Lagergehäuse fixiert.
Ein Ölabweisblech verhindert, dass Öl in die Nähe der Wellenabdichtung
gelangt.
Ölablauf
Das Schmieröl strömt mit ca. 4 bar in den Turbolader. Der Ölablauf
erfolgt nahezu drucklos. Die Leitung muss daher wesentlich größer im
Durchmesser sein als der Ölzulauf. Das Lager soll möglichst senkrecht
von oben nach unten durchströmt und der Ölablauf oberhalb des Motorölspiegels
in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden. Wird der Ölablauf
behindert, kommt es zu einem Ölrückstau in der Lagerung. Das Öl strömt
dann durch die Dichtringe in den Verdichter und in die Turbine.
Abdichtung
Das Lagergehäuse ist gegen die heißen Abgase der Turbine, die sonst in
das Lagergehäuse strömen könnten, und gegen Ölverlust aus dem
Lagergehäuse abzudichten. Turbinen- und verdichterseitig befindet sich je ein
Kolbenring in einer Nut auf der Läuferwelle. Diese Kolbenringe drehen sich
nicht mit, sondern sind im Lagergehäuse fest verspannt. Diese berührungslose
Art der Abdichtung, eine Art von Labyrinthdichtung, erschwert die Ölleckage
durch die vielen Strömungsumlenkungen und bewirkt, dass nur geringe Abgasmengen
in das Kurbelgehäuse gelangen.
Turbolader mit Wassergekühltem Lagergehäuse
Für Ottomotoren, bei denen die Abgastemperaturen noch 200 bis 300 Kelvin höher
liegen als bei Dieselmotoren, werden meist wassergekühlte Lagergehäuse
eingesetzt. Während des Motorbetriebes ist das Lagergehäuse
in den Kühlkreislauf des Motors integriert. Nach dem Abstellen wird die Stauwärme
mittels eines kleinen Kühlkreislaufes abgeführt, der von einer thermostatisch
geregelten elektrischen Wasserpumpe angetrieben wird.