Herstellerseitig wird normalerweise, nachdem ein bestimmter Verdichter für einen Motor mit konkreten Anforderungen festgelegt wurde, eine möglichst optimale Turbine hierzu ausgesucht.

Da hier der umgekehrte Weg gegangen wird, d.h. von einer gegebenen Turbine ausgehend ein Verdichter gesucht wird, der die Anforderungen der gewünschten Leistungssteigerung möglichst gut abdecken soll, müssen ein paar grundsätzliche Dinge zur Arbeitsweise einer Turbine gesagt werden.

Die Turbine entzieht dem heißen Abgas Energie, d.h. Druck und Temperatur und bringt damit das
Turbinenrad auf die vom Verdichter vorgegebene Drehzahl und sorgt über das entstehende Drehmoment
für die erforderliche Antriebsleistung. Falls z.B. bei niedrigen Drehzahlen des Motors noch nicht genügend Abgasenergie zur Verfügung steht, kann der Ladedruck auch nicht in voller Höhe aufgebaut werden.

Hierzu später beim Ansprechen.

Die Effizienz oder der Wirkungsgrad, mit der die Turbine diese Aufgabe erfüllt, ist kein fester Wert.
Vielmehr gibt es zu jedem Druckverhältnis (aus der sich über die Schlucklinien und die Temperatur die Turbinenleistung errechnen lässt) eine optimale Drehzahl. Ist diese Drehzahl höher oder niedriger,
fällt der Wirkungsgrad ab. Dies wird in den Wirkungsgradkurven zu den jeweiligen Drehzahlen dargestellt.

Beispielhaft ist hier ein Turbinenkennfeld mit freundlicher Genehmigung von BorgWarner-Turbosystems gezeigt.

Turbinenkennfeld

Hier wird deutlich, dass die Wirkungsgradkurven zunächst sehr schmal und spitz sind und erst bei höheren Drehzahlen breiter und flacher werden. Dieser Effekt bei niedrigen Drehzahlen lässt sich mit einem
Flugzeugflügel vergleichen, der bei einer Geschwindigkeit von 100 % auf 100 % Auftrieb ausgelegt ist.
Wenn dieser bei 2 / 3 Geschwindigkeit auch noch die Hälfte mehr (3 / 2, entsprechend der identischen Turbinenleistung) Auftrieb erzeugen soll, geht dies nur mit deutlich größerer Anstellung und entsprechend erhöhtem Widerstand. Wenn dies auf halbe Geschwindigkeit und doppelten Auftrieb weitergedacht wird,
tritt irgendwann der völlige Strömungsabriss ein. Beim Flugzeug wäre dies der Absturz.

Bereits damit wird verständlich, dass ein sehr viel größerer Verdichter, der bei größerem Raddurchmesser mit niedrigeren Drehzahlen arbeitet und wegen des höheren Durchsatzes gleichzeitig mehr an Antriebs-leistung und damit überproportional mehr Drehmoment erfordert, problematisch wird.

Lediglich bei hohen Druckverhältnissen und damit Strömungsgeschwindigkeiten in der Turbine flachen diese Effekte ab. Eine beliebige Steigerung der Druckverhältnisse ist jedoch nicht möglich. Insbesondere liegen die zulässigen Abgasdrücke bei Benzinmotoren wegen der höheren Abgastemperatur niedriger als bei einem Dieselmotor, dessen Abgase rund 200 Grad kälter sind.

Zur genauen Anpassung ist hier wie beim Verdichterkennfeld zu berücksichtigen, dass die Werte des Turbinenkennfeldes ebenfalls unter Normbedingungen, hier 600 Grad C und Umgebungsdruck, angegeben sind. Praktisch muß daher die jeweils tatsächliche Abgastemperatur einfliessen. Ebenso ist der Widerstand der Abgasanlage von sehr großer Bedeutung, da dieser nicht nur den Abgasgegendruck beeinflusst, sondern auch das Turbinendruckverhältnis verändert.

Wirkungsgradoptimiertes Turbinenrad
Aktuelle Verdichterrad-Technologie

Die Gesamteffizienz eines Turboladers ergibt sich erst aus der Berücksichtigung der Wirkungsgrade von Verdichter und Turbine bei den relevanten Betriebsparametern.

Für das objektive und subjektive Betriebsverhalten insgesamt, wie Ansprechen und Hochlaufzeit, sind weitere Parameter wie insbesondere die Massenträgheit des Laufzeugs wichtig.

Insgesamt haben diese Überlegungen ganz konkret für den 951 zu dem umfangreichen Vergleich und im Ergebnis zur Entwicklung einer eigenen Sonderkonstruktion geführt.

Unabhängig davon sind die Betrachtungen hier möglichst allgemein formuliert und nicht mit Zahlen überfrachtet. Insbesondere sind Tendenzen aufgezeigt, die eine Übertragung der Ergebnisse auf andere Fahrzeuge oder andere Laderkonstellationen zulassen.

Für Anregungen und Verbesserungen ist der Autor dem geneigten Leser in jedem Fall verbunden.3