Variabler Turbinen-Geometrie-Lader

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Der variable Turbinen-Geometrie-Lader (VTG-Lader) oder Variable Nozzle Turbocharger (VNT) ist ein Abgasturbolader, der nach dem gleichen Prinzip wie ein Wastegate-Turbolader arbeitet. Er besitzt ebenfalls ein Turbinen- und ein Verdichterrad, die auf einer Welle miteinander verbunden sind. Der Unterschied zum herkömmlichen Turbolader besteht darin, dass der VTG-Lader auf der Abgasseite verstellbare Leitschaufeln besitzt.

Die Leitschaufeln sind mit ihren Wellen auf einem Trägerring befestigt. Auf der Rückseite des Trägerrings haben die Wellen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, der in einen Verstellring greift. Alle Leitschaufeln werden gleichzeitig über den Verstellring verdreht. Der Verstellring wird entweder über einen Stellmotor oder durch eine Unterdruckdose bewegt.

Beim größten Unterdruck an der außen am Turbolader befestigten Druckdose erreichen die Leitschaufeln ihre flachste Stellung. Bei niedrigem Unterdruck an der Druckdose werden die Leitschaufeln durch eine Feder in der Druckdose steiler gestellt. Sie erreichen ihre steilste Stellung.

Werden die Leitschaufeln auf flach gestellt, ergibt sich für die Abgase ein geringerer Eintrittsquerschnitt in das Turbinengehäuse des Turboladers. Damit in derselben Zeit trotzdem die gleiche Abgasmenge durch das Turbinenrad strömen kann, müssen die Abgase schneller strömen. Das führt zur schnelleren Drehung des Turbinenrads, wodurch auf der anderen Seite mehr Frischluft gefördert und ein höherer Ladedruck erreicht wird. Das geschieht beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen und Volllast, wenn ein schneller Ladedruckaufbau benötigt wird.

Mit zunehmender Abgasmenge oder einem geringen Ladedruckbedarf werden die Leitschaufeln steiler gestellt. Der Eintrittsquerschnitt vergrößert sich, die Abgase strömen langsamer, das Turbinenrad dreht sich langsamer und der Ladedruck, sowie die Turbinenleistung bleiben annähernd konstant bzw. nehmen ab.

Da die meisten VTG-Lader mit Unterdruck oder elektrisch gesteuert werden, muss er im Gegensatz zu Wastegateladern (die sich mit eigenem Überdruck steuern) ständig geregelt werden. Die steilste Stellung der Leitschaufeln und somit der größtmögliche Eintrittsquerschnitt ist gleichzeitig die Notlaufstellung des VTG-Laders bei Ausfall der Regelung. Diese Stellung ermöglicht meist einen vernachlässigbaren Ladedruck und verhindert so eine zu starke, unkontrollierte Aufladung des Motors.

Vorteile des VTG-Laders:

Verringerung oder gar Vermeidung des Turbolochs
regelbar im gesamten Drehzahlbereich (etwa Motorbremse im Schubbetrieb)
großes Motordrehmoment im unteren und oberen Drehzahlbereich
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch einen geringeren Abgasgegendruck
Verringerung der Schadstoffanteile im Abgas über den gesamten Drehzahlbereich

Nachteile des VTG-Laders:

Verdrecken der VTG-Verstellung durch Abgasrückstände möglich bei falscher Motoreinstellung, häufigen Kurzstreckenbetrieb oder zu "gemütlicher" Fahrweise

Bei Vergleichen zur Francis-Turbine ist darauf zu achten, dass diese meist mit Wasser betrieben wird. Hier ist der Eintrittsquerschnitt für den verarbeiteten (Flüssigkeits-)Volumenstrom verantwortlich, nicht für die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases. Daher haben Francis-Turbine und VTG ihre maximale Leistung genau bei entgegengesetzten Stellungen der Leitschaufeln.