Die Geschichte des Turboladers: Wie Turbos die Automobilwelt veränderten

Wahrscheinlich haben Sie schon einmal ein kleines „Turbo”-Emblem an einem ansonsten unauffälligen Auto entdeckt. Hersteller tendieren dazu, diese Embleme bescheiden zu platzieren – klein in der Größe, in unauffälligen Stellen versteckt. Für Uninformierte ist es leicht, einfach vorbeizugehen. Aber für Kenner ist es ein Signal, bei dem es sich lohnt, innezuhalten. Was also hat es damit auf sich? Hier ist die vollständige Geschichte hinter dem Turboladen – woher es kommt, wie es funktioniert und warum es wichtig ist.

Warum Ingenieure mehr Leistung aus demselben Motor benötigten

Seit den Anfängen des Automobilbaus waren Konstrukteure von einer Frage besessen: Wie bekommt man mehr Leistung aus einem Motor? Die Gesetze der Physik geben eine klare Antwort – die Motorleistung ist direkt proportional zur Menge des in jedem Arbeitszyklus verbrannten Kraftstoffs. Mehr verbrannter Kraftstoff bedeutet mehr Leistung. Theoretisch einfach genug. In der Praxis ist es jedoch weitaus komplizierter.

Der entscheidende Faktor ist Sauerstoff. Kraftstoff verbrennt nicht alleine – er verbrennt als Teil eines Kraftstoff-Luft-Gemisches. Und dieses Gemisch muss exakt ausgewogen sein, nicht geschätzt. Für einen Benzinmotor beträgt das ideale Verhältnis ungefähr:

• 1 Teil Kraftstoff auf 14–15 Teile Luft, abhängig von Betriebsmodus, Kraftstoffzusammensetzung und anderen Variablen

Das bedeutet: Wenn man mehr Kraftstoff verbrennen möchte, muss man auch deutlich mehr Luft zuführen. Konventionelle Saugmotoren saugen Luft durch die Druckdifferenz zwischen Zylinder und Atmosphäre an. Das Ergebnis ist eine harte Grenze: Je größer das Zylindervolumen, desto mehr Sauerstoff gelangt pro Zyklus hinein. Amerikanische Hersteller der Mitte des 20. Jahrhunderts trieben dies auf die Spitze und produzierten Motoren mit riesigem Hubraum und enormem Kraftstoffhunger. Aber gab es einen intelligenteren Weg, mehr Luft in dasselbe Zylindervolumen zu pressen?

Die Erfindung des Kompressors: Gottlieb Daimlers Durchbruch

Die Antwort kam von einem bekannten Namen – Gottlieb Wilhelm Daimler, demselben deutschen Ingenieur, dessen Erbe in DaimlerChrysler fortlebt. Im Jahr 1885 entwickelte Daimler eine Methode, um mithilfe eines mechanisch angetriebenen Kompressors – im Wesentlichen ein direkt von der Kurbelwelle des Motors angetriebenes Gebläse – mehr Luft in die Motorzylinder zu pressen.

Es funktionierte. Hatte jedoch einen erheblichen Nachteil: Der Kompressor entnahm dem Motor direkt Energie, um sich selbst anzutreiben. Die Ingenieure wussten, dass es einen besseren Weg geben musste.

Alfred Büchi und die Geburt des Turboladers (1905)

Alfred J. Büchi, ein Schweizer Ingenieur und Erfinder, arbeitete bei den Gebrüdern Sulzer, wo er die Dieselmotorenentwicklung leitete. Büchi war auf zwei Ebenen frustriert:

• Dieselmotoren jener Zeit waren groß, schwer und leistungsschwach
• Mechanische Kompressoren raubten dem Motor Energie, die er für seinen eigenen Antrieb benötigte

Im Jahr 1905 patentierte Büchi eine revolutionäre Lösung: ein Ladeaggregat, das nicht von der Kurbelwelle des Motors, sondern von seinen eigenen Abgasen angetrieben wurde. Dies war der erste Turbolader der Welt.

Wie ein Turbolader funktioniert

Das Konzept des Turboladens ist elegant einfach. Hier ist das Grundprinzip Schritt für Schritt:

1. Heiße Abgase verlassen den Motor und strömen in das Turbinengehäuse
2. Diese Gase drehen ein Schaufelrad – den Turbinenrotor – ähnlich wie Wind eine Windmühle antreibt, jedoch mit extremer Drehzahl
3. Der Turbinenrotor sitzt auf derselben Welle wie ein Verdichterrad
4. Wenn die Turbine dreht, treibt sie den Verdichter an, der verdichtete Luft in die Zylinder presst
5. Mehr Luft in den Zylindern bedeutet, dass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann – was zu höherer Leistungsabgabe führt

Das Wort „Turbolader” selbst leitet sich von den lateinischen Wurzeln turbo (Wirbel) und compressio (Verdichtung) ab – eine treffende Beschreibung des Vorgangs im Inneren.

Die Rolle des Ladeluftkühlers

Es gibt noch ein weiteres Element in diesem System. Wenn Luft den Verdichter durchläuft und von den heißen Turboladerkomponenten erwärmt wird, dehnt sie sich aus – das bedeutet, dass weniger Sauerstoff in dasselbe Volumen passt. Um dem entgegenzuwirken, verwenden turbogeladene Motoren einen Ladeluftkühler: einen Kühler, der im Luftpfad zwischen Verdichter und Motorzylindern angebracht ist.

Die Aufgabe des Ladeluftkühlers ist unkompliziert, aber entscheidend:

• Er kühlt die verdichtete Luft, bevor sie in die Zylinder gelangt
• Kühlere Luft ist dichter, das heißt, mehr Sauerstoffmoleküle passen in denselben Raum
• Dies ermöglicht noch höheren Ladedruck – und noch größere Leistungssteigerungen
• Er hilft auch, Motorklopfen (vorzeitige Zündung) zu verhindern, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen

Wesentliche Vorteile des Turboladens gegenüber dem Saugmotor

Die Effizienzgewinne durch Turboladen sind erheblich. Im Gegensatz zu einem mechanisch angetriebenen Kompressor – der Motorleistung zum Betrieb verbraucht – gewinnt ein Turbolader Energie aus Abgasen, die sonst ungenutzt bleiben würden. Entscheidend ist, dass die Turbine diese Gase nicht nennenswert abbremst, sondern sie abkühlt und dabei Energie zurückgewinnt. Die wichtigsten Vorteile sind:

• Nur ca. 1,5 % der Motorenergie wird für den Eigenbetrieb des Turboladers verbraucht
• Höhere Leistungsabgabe aus einem Motor mit kleinerem Hubraum
• Reduzierte Reibungsverluste durch einen leichteren und kompakteren Motor
• Bessere Kraftstoffeffizienz im Vergleich zu einem Saugmotor gleicher Leistung
• Sauberere Abgase, besonders relevant für moderne Dieselmotoren

Klingt nach der perfekten Lösung – doch das Turboladen brachte erhebliche technische Herausforderungen mit sich, die seine breite Einführung um Jahrzehnte verzögerten.

Die Herausforderungen: Extreme Hitze, Drehzahl und Turboloch

Turbolader arbeiten unter extremen Bedingungen:

• Turbinenrotoren können mit bis zu 200.000 U/min drehen
• Abgastemperaturen können 1.000 °C (1.832 °F) erreichen
• Bauteile müssen unter dauerhafter thermischer und mechanischer Belastung strukturelle Integrität und präzise Toleranzen aufrechterhalten

Aus diesem Grund setzte sich das Turboladen erst im Zweiten Weltkrieg weit verbreitet durch – und zunächst nur in der Luftfahrt, wo der technische Aufwand gerechtfertigt war. In den 1950er Jahren adaptierte Caterpillar die Technologie erfolgreich für seine Traktoren, während Cummins die ersten Turbodiesel-Lkw-Motoren entwickelte. Turbogeladene Personenwagen kamen erst 1962, als der Oldsmobile Jetfire und der Chevrolet Corvair Monza nahezu zeitgleich auf den Markt kamen.

Neben der Haltbarkeit gab es eine weitere Herausforderung, die für Autos typisch war: das Turboloch. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist das Abgasvolumen begrenzt, sodass die Turbine langsam dreht und der Verdichter kaum Druck aufbaut. Der Motor kann sich unter 3.000 U/min träge anfühlen und dann oberhalb von 4.000–5.000 U/min plötzlich an Kraft gewinnen. Je größer die Turbine, desto ausgeprägter das Turboloch. Kleinere Turbinen reduzieren das Turboloch, opfern aber Spitzenleistung.

Moderne Lösungen: Wie Ingenieure das Turboloch überlisteten

Im Laufe der Jahrzehnte entwickelten Ingenieure mehrere clevere Ansätze, um das Turboloch zu minimieren und dabei die Leistungsgewinne zu bewahren:

• Sequentielles Biturbo: Ein kleiner Turbolader mit geringer Massenträgheit übernimmt niedrige Drehzahlen, während ein größeres Aggregat bei hohen Drehzahlen einsetzt. Verwendet im legendären Porsche 959 und heute in BMW- und Land-Rover-Turbodieseln. Volkswagen-Benzinmotoren verwenden anstelle des kleinen Turbos einen riemengetriebenen Kompressor für noch schnelleres Ansprechen im unteren Drehzahlbereich.
• Twin-Scroll-Turbolader: Ein einzelner Turbolader mit zwei getrennten Abgaseinlässen (Spiralkanälen), von denen jeder von einer anderen Zylindergruppe gespeist wird. Dies hält die Turbine sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen effizient am Laufen und reduziert das Turboloch, ohne ein zweites Turboaggregat hinzuzufügen. Häufig in Reihensechszylinder- und Vierzylindermotoren.
• Paralleles Biturbo: Zwei identische Turbolader für getrennte Zylinderbänke. Standard bei V-Motoren, bei denen jede Bank ihr eigenes Aggregat erhält. BMWs M-Abteilung ging mit einem bankübergreifenden Abgaskrümmer am X5 M und X6 M noch weiter und ermöglichte es einem Twin-Scroll-Verdichter, Gase aus entgegengesetzten Zylinderbänken in entgegengesetzten Zündphasen anzusaugen.
• Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG): Verstellbare Leitschaufeln im Turbinengehäuse ändern den Strömungsweg der Abgase in Abhängigkeit von der Motordrehzahl – und geben dem Turbolader bei jeder Drehzahl effektiv die richtige „Größe”. Zunächst bei Dieselmotoren eingesetzt (wo niedrigere Abgastemperaturen die Umsetzung erleichterten), wurde die Technologie schließlich von Porsche mit dem 911 Turbo auf Benzinmotoren übertragen.

Turboladen heute: Von der Leistung zur Effizienz

Was als luftfahrttechnische Herausforderung begann, ist zur dominierenden Technologie in modernen Antriebssträngen geworden. Heute geht es beim Turboladen nicht mehr nur um Leistung – es ist zentral für Kraftstoffeffizienz und Emissionsstandards. Fast jeder auf dem Markt erhältliche Dieselmotor trägt selbstverständlich das Präfix „Turbo”. Und in der Benzinwelt haben turbogeladene Motoren mit kleinem Hubraum größere Saugmotoren weitgehend in allen Segmenten – Mainstream, Luxus und Sport – verdrängt.

Das schlichte kleine Emblem auf der Rückseite eines ansonsten gewöhnlichen Autos erzählt eine Geschichte, die mehr als ein Jahrhundert umspannt – von Büchis Patent aus dem Jahr 1905 bis zu den heutigen Twin-Scroll-Systemen und Systemen mit variabler Geometrie. Und diese Geschichte ist noch nicht zu Ende.

Dies ist eine Übersetzung. Das Original können Sie hier lesen: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html