Bi-Turbo

 

Wie funktioniert ein Bi-Turbo-System?

Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einer Turbine und einem Verdichter. Beide Bauteile sitzen auf einer gemeinsamen Welle.

Die aus den Zylindern ausströmenden Abgase treiben das Turbinenrad an. Über die gemeinsame Welle wird die Drehbewegung auf das Verdichterrad übertragen. Dieses saugt Umgebungsluft an und verdichtet sie, bevor sie über die Ladeluftführung in den Motor gelangt.

Durch die Verdichtung kann bei gleichem Ansaugvolumen eine größere Luftmasse und damit mehr Sauerstoff in die Zylinder gelangen. Dadurch lässt sich eine größere Kraftstoffmenge verbrennen. Der Motor kann mehr Leistung und Drehmoment erzeugen, ohne dass dafür zwangsläufig ein größerer Hubraum erforderlich ist.

Bei einem Bi-Turbo-System wird diese Aufgabe auf zwei Turbolader verteilt. Wie die Aufteilung erfolgt, hängt von der jeweiligen Konstruktion des Motors und der verwendeten Regelung ab.

 

Parallele Bi-Turbo-Aufladung

Bei der parallelen Bi-Turbo-Aufladung arbeiten beide Turbolader gleichzeitig. In der Regel werden zwei baugleiche oder ähnlich dimensionierte Lader verwendet.

Diese Bauweise ist besonders bei V-Motoren verbreitet. Dabei kann jede Zylinderbank ihre Abgase zu einem eigenen Turbolader leiten. Bei einem V8-Motor treibt beispielsweise jede Gruppe aus vier Zylindern einen der beiden Lader an.

Auf der Ansaugseite müssen die beiden Systeme nicht vollständig getrennt bleiben. Die von den Turboladern verdichtete Luft kann anschließend in einer gemeinsamen Ladeluftführung zusammengeführt und auf die Zylinder verteilt werden.

Auch bei Reihenmotoren ist eine parallele Aufteilung möglich. Dabei werden die Abgasströme unterschiedlicher Zylindergruppen getrennt zu den beiden Turboladern geführt.

Zwei kleinere Turbolader besitzen häufig geringere rotierende Massen als ein einzelner entsprechend großer Lader. Dadurch können sie schneller beschleunigen und früher Ladedruck aufbauen. Gemeinsam stellen sie dennoch den Luftdurchsatz bereit, der bei höheren Drehzahlen und hoher Motorleistung erforderlich ist.

 

Sequenzielle Bi-Turbo-Aufladung

Bei einer sequenziellen Aufladung arbeiten die beiden Turbolader nicht über den gesamten Betriebsbereich in gleicher Weise. Abhängig von Motordrehzahl, Last und Abgasmenge werden sie unterschiedlich stark angeströmt oder nacheinander zugeschaltet.

Bei niedrigen Drehzahlen arbeitet häufig zunächst nur ein Turbolader. Dieser kann vergleichsweise klein ausgelegt sein und bereits bei einer geringen Abgasmenge schnell Drehzahl aufbauen. Dadurch entsteht früh ein nutzbarer Ladedruck.

Steigen Drehzahl und Motorlast, wird der zweite Turbolader zunehmend in die Abgas- und Ladeluftführung einbezogen. Die Umschaltung erfolgt über Bypassklappen, Regelventile, Wastegates oder andere Stellglieder.

Das Ziel besteht darin, ein schnelles Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen mit einem hohen Luftdurchsatz im oberen Leistungsbereich zu verbinden.

Die Regelung eines sequenziellen Systems ist technisch aufwendig. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Betriebszuständen müssen möglichst gleichmäßig erfolgen. Fehlerhafte Stellglieder, undichte Leitungen oder klemmende Umschaltklappen können zu schwankendem Ladedruck und einer ungleichmäßigen Leistungsentfaltung führen.

 

Zweistufige Aufladung

Eine zweistufige Aufladung ist nicht automatisch mit jeder sequenziellen Bi-Turbo-Anlage gleichzusetzen. Bei einer echten zweistufigen oder seriellen Aufladung wird die Ansaugluft nacheinander durch zwei Verdichter geführt.

Der erste Turbolader verdichtet die angesaugte Luft vor. Anschließend wird sie im zweiten Verdichter weiter komprimiert. Die Druckverhältnisse beider Verdichterstufen wirken dabei zusammen.

Häufig kommen unterschiedlich große Turbolader zum Einsatz. Der kleinere Hochdrucklader übernimmt einen großen Teil der Aufladung bei niedrigen Drehzahlen. Der größere Niederdrucklader kann bei zunehmender Abgasmenge einen höheren Luftdurchsatz bereitstellen.

Abhängig vom Betriebszustand werden die Abgas- und Ladeluftströme über Klappen und Bypassleitungen geregelt. Bei hoher Drehzahl kann der kleinere Turbolader teilweise oder weitgehend umgangen werden, damit er den Luftdurchsatz nicht begrenzt.

Die Aufteilung auf zwei Verdichterstufen ermöglicht hohe Gesamtdruckverhältnisse, ohne dass ein einzelner Turbolader über einen sehr großen Betriebsbereich arbeiten muss. Zweistufige Systeme werden deshalb häufig bei Dieselmotoren verwendet, die bereits bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erzeugen sollen.

 

Unterschied zwischen sequenzieller und zweistufiger Aufladung

Bei einer sequenziellen Aufladung steht die abhängig vom Betriebszustand unterschiedliche Nutzung der beiden Turbolader im Vordergrund. Ein Lader arbeitet zunächst allein, bevor der zweite zugeschaltet oder stärker beteiligt wird.

Bei einer zweistufigen Aufladung wird die Ansaugluft dagegen tatsächlich in zwei aufeinanderfolgenden Verdichterstufen komprimiert.

Beide Prinzipien können miteinander kombiniert werden. Ein zweistufiges System kann ebenfalls abhängig von Drehzahl und Motorlast geregelt werden. Trotzdem beschreiben die Begriffe unterschiedliche technische Eigenschaften.

 

Unterschied zwischen Bi-Turbo und Twin-Scroll

Ein Bi-Turbo-Motor besitzt zwei separate Turbolader. Ein Twin-Scroll-System arbeitet dagegen grundsätzlich mit einem einzelnen Turbolader.

Beim Twin-Scroll-Turbolader ist das Turbinengehäuse in zwei getrennte Abgaskanäle unterteilt. Die Abgasimpulse bestimmter Zylinder werden bis unmittelbar vor das Turbinenrad voneinander getrennt geführt.

Dadurch beeinflussen sich die Druckwellen der einzelnen Zylinder weniger stark. Die im Abgas enthaltene Energie kann gezielter auf die Turbine wirken. Das verbessert insbesondere bei niedrigen Drehzahlen das Ansprechverhalten.

Die Bezeichnungen der Fahrzeughersteller können in diesem Zusammenhang missverständlich sein. Ausdrücke wie „TwinPower Turbo“ weisen nicht zwangsläufig auf zwei Turbolader hin. Je nach Motor kann sich eine solche Bezeichnung auch auf einen einzelnen Twin-Scroll-Turbolader oder weitere technische Merkmale des Aufladungssystems beziehen.

 

Vorteile der Bi-Turbo-Aufladung

Die Verwendung von zwei Turboladern ermöglicht eine genauere Anpassung der Aufladung an unterschiedliche Drehzahl- und Lastbereiche.

Abhängig von der Konstruktion können sich daraus folgende Vorteile ergeben:

• früher Aufbau des Ladedrucks,
• hohes Drehmoment über einen breiten Drehzahlbereich,
• hoher Luftdurchsatz bei großer Motorleistung,
• kompakte Abgasführung bei V-Motoren,
• bessere Anpassung der Turboladergröße an unterschiedliche Betriebszustände.

Ob ein Bi-Turbo-Motor tatsächlich schneller anspricht als ein Motor mit nur einem Turbolader, hängt von der gesamten Konstruktion ab. Entscheidend sind unter anderem die Größe der Turbinen und Verdichter, die Abgasführung, die Ladeluftkühlung, das Motormanagement und die verwendeten Regelventile.

Ein moderner einzelner Turbolader mit Twin-Scroll-Gehäuse oder variabler Turbinengeometrie kann in bestimmten Anwendungen ähnliche Ziele erreichen.

 

Nachteile und technischer Aufwand

Ein Bi-Turbo-System benötigt mehr Komponenten als eine einfache Aufladung mit nur einem Turbolader. Neben den beiden Ladern können zusätzliche Abgasleitungen, Ladeluftrohre, Stellmotoren, Bypassventile, Wastegates, Sensoren sowie Öl- und Kühlmittelleitungen erforderlich sein.

Dadurch steigen insbesondere:

• der konstruktive Aufwand,
• der Platzbedarf im Motorraum,
• die Anforderungen an die Temperaturregelung,
• die Zahl möglicher Fehlerquellen,
• der Aufwand für Diagnose und Reparatur.

Ein Leistungsverlust muss nicht unmittelbar auf einen mechanischen Schaden an einem der Turbolader hinweisen. Auch eine undichte Ladeluftleitung, ein defekter Drucksensor, ein klemmendes Regelventil oder eine gestörte Ölversorgung können ähnliche Symptome verursachen.

 

Typische Störungen eines Bi-Turbo-Systems

Mögliche Anzeichen einer Störung sind ein verzögerter Ladedruckaufbau, eine nachlassende Motorleistung oder ein ungleichmäßiger Drehmomentverlauf. Hinzu kommen je nach Fehlerursache ungewöhnliche Pfeif-, Schleif- oder Rasselgeräusche.

Weitere mögliche Symptome sind:

• erhöhter Ölverbrauch,
• sichtbarer Rauch aus dem Auspuff,
• Fehlermeldungen der Motorsteuerung,
• eingeschränkte Motorleistung im Notlauf,
• Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Ladedruck.

Diese Symptome sind nicht eindeutig. Auch Probleme mit der Abgasrückführung, dem Luftmassenmesser, der Einspritzung oder dem Abgassystem können vergleichbare Auswirkungen haben.

Vor dem Austausch eines Turboladers sollte deshalb das gesamte Aufladungssystem geprüft werden. Dazu gehören die Ladeluftstrecke, die Abgasführung, die Regelventile sowie die Öl- und Kühlmittelversorgung.

 

Was bedeutet Bi-Turbo?

Der Begriff Bi-Turbo sagt zunächst nur aus, dass ein Motor mit zwei Turboladern arbeitet. Er beschreibt nicht automatisch deren Größe, Anordnung oder Regelstrategie.

Die beiden Turbolader können parallel betrieben, sequenziell zugeschaltet oder als aufeinanderfolgende Verdichterstufen eingesetzt werden. Für eine genaue technische Einordnung sind daher die Konstruktion des Motors und die Angaben des Herstellers entscheidend.

 

Weiterführende Links & Quellen:

Verfügbare Ersatzlader - Turbolader kaufen

Garrett Motion: Grundlagen und Funktionsweise von Abgasturboladern

BorgWarner: Geregelte zweistufige Aufladung und Twin-Scroll-Technik