Ein Benzinmotor setzt Energie frei, indem er Kraftstoff verbrennt, und dafür braucht der Kraftstoff Sauerstoff. Bei einem normalen Motor saugt der Kolben Luft bei etwa Atmosphärendruck an, daher ist die Luftmenge pro Hub durch das Zylindervolumen begrenzt. Ein Turbolader oder Kompressor ist ein Verdichter, der Luft mit höherem Druck hineinschiebt, sodass derselbe Zylinder mehr davon fasst. Die Zahlen unten sind Lehrbuchphysik, keine Prüfstandswerte eines echten Autos.
Mehr Luft, mehr Kraftstoff, mehr Leistung
Das Gemisch, das ein Benzinmotor braucht, ist durch die Chemie festgelegt: etwa 14.7 kg Luft pro 1 kg Benzin für eine vollständige Verbrennung (das stöchiometrische Verhältnis). Bei festem Verhältnis ist der verbrennbare Kraftstoff proportional zur Luftmasse, die in den Zylinder passt. Die Leistung ist grob proportional zum verbrannten Kraftstoff, daher lässt eine doppelte Luftmasse etwa doppelt so viel Kraftstoff verbrennen. In der Praxis fällt der Gewinn etwas geringer aus, aber die Luftmasse entscheidet.
Luftmasse ist Dichte mal Volumen. Das Zylindervolumen ist fest, also lässt sich die Masse nur erhöhen, indem man die Dichte erhöht. Genau das tut Aufladung.
Ladedruck ist Überdruck
Ein Ladedruckmesser zeigt den Druck über der umgebenden Luft an, den sogenannten Überdruck. Der Motor interessiert sich für den Absolutdruck, also den Messwert plus Atmosphärendruck. Auf Meereshöhe beträgt der Standard-Atmosphärendruck 1.013 bar (etwa 14.7 psi). Bei 1 bar Ladedruck also:
Absolutdruck = 1.013 + 1 = 2.013 bar
Das Verhältnis ist 2.013 ÷ 1.013 = 1.987, also verdoppelt 1 bar Ladedruck den Druck fast genau. Ein halbes bar ergibt 1.513 ÷ 1.013 = 1.49-fach, und 1.5 bar ergeben 2.513 ÷ 1.013 = 2.48-fach.
Dichte, und warum Hitze sie verdirbt
Für Luft als ideales Gas gilt P = ρ × R × T, also ist die Dichte ρ = P ÷ (R × T), mit T in Kelvin und R = 287 J/(kg·K) für Luft. Bei 20 °C (293.15 K) und 1.013 bar beträgt die Dichte 101,300 ÷ (287.05 × 293.15) = 1.204 kg/m³, also 1.204 g pro Liter.
Der Druck allein würde sie verdoppeln. Aber das Verdichten eines Gases erhitzt es. Für einen idealen Verdichter ohne Wärmeverlust gilt T₂ = T₁ × (P₂ ÷ P₁)^0.2857, wobei 0.2857 für Luft mit γ = 1.4 gleich (γ − 1) ÷ γ ist. Mit dem Druckverhältnis 1.987:
- 1.987^0.2857 = 1.217
- T₂ = 293.15 × 1.217 = 356.7 K, das sind 83.5 °C
Das ist der Bestfall. Echte Verdichter laufen heißer, und heiße Luft ist weniger dicht. Die Dichte beträgt jetzt bei 2.013 bar und 356.7 K das 1.987 × (293.15 ÷ 356.7) = 1.633-fache des Ausgangswerts, nicht das 1.987-fache. Die Hitze hat 18% der Dichte gekostet, für die man bezahlt hat.
Ein Ladeluftkühler ist ein Kühler für die verdichtete Luft. Angenommen, er kühlt die Füllung auf 40 °C (313.15 K) ab. Die Dichte beträgt dann 1.987 × (293.15 ÷ 313.15) = 1.860-fache des Ausgangswerts, also 14% mehr als die ungekühlten 1.633 (1.860 ÷ 1.633 = 1.139).
Pro Liter Zylinder sind das 1.204 g Luft ohne Aufladung und 1.204 × 1.860 = 2.24 g mit Ladeluftkühler. Bei 14.7 zu 1 entspricht das 0.082 g Kraftstoff gegenüber 0.152 g. Das sind ideale Werte bei einem vollständig gefüllten Zylinder.
Turbolader: angetrieben vom Abgas
Ein Turbolader setzt eine Turbine in den Abgasstrom. Das heiße Gas dreht sie, und eine Welle verbindet sie mit dem Verdichter auf der Ansaugseite. Es gibt keine mechanische Verbindung zur Kurbelwelle.
Der Nachteil: Er reagiert auf den Abgasfluss. Bei niedriger Drehzahl und wenig Gas ist zu wenig Gas da, um die Turbine zu drehen, also baut sich wenig Ladedruck auf. Die Motordrehzahl, ab der nützlicher Ladedruck anliegt, ist die Ladedruckschwelle. Nach einem plötzlichen Öffnen der Drossel müssen Turbine und Verdichter beschleunigen und der Gasfluss muss anwachsen, bevor der Druck steigt. Diese Verzögerung ist das Turboloch. Ein Wastegate lässt das Abgas an der Turbine vorbeiströmen, sobald der Zieldruck erreicht ist, damit der Ladedruck nicht weiter steigt, wenn der Abgasfluss zunimmt.
Kompressor: angetrieben über einen Riemen
Ein Kompressor wird von der Kurbelwelle angetrieben, meist über einen Riemen. Seine Drehzahl folgt der Motordrehzahl, daher steht Ladedruck fast ab Leerlauf zur Verfügung und reagiert in dem Moment, in dem die Drossel öffnet.
Der Preis ist der Verlust durch Nebenarbeit: Der Verdichter entnimmt seine Leistung der Kurbelwelle. Die Mindestarbeit zum Verdichten von Luft ist cp × T₁ × (Verhältnis^0.2857 − 1) pro Kilogramm, mit cp = 1,005 J/(kg·K). Das ergibt 1,005 × 293.15 × 0.2168 = 63.9 kJ/kg. Bei einem angenommenen Luftstrom von 0.1 kg/s sind das mindestens 6.4 kW oder 8.6 hp; ein echter Verdichter braucht mehr. Ein Turbo braucht dieselbe Verdichtungsarbeit, entnimmt sie aber dem Abgas, auf Kosten etwas Gegendrucks.
Beide erledigen dieselbe Aufgabe: Sie erhöhen den Absolutdruck der Ansaugluft. Der Turbo bezieht seine Energie aus dem Abgas und greift mit der Drehzahl. Der Kompressor nimmt sie von der Kurbelwelle und greift sofort. Die Kühlung der Füllung danach sorgt dafür, dass die Dichte erhalten bleibt, für die man bezahlt hat.
Worauf man im Prüfstandsdiagramm achtet
Ein kompressorgeladener Motor zeigt meist kräftiges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, während das Drehmoment eines Turbomotors mit dem Aufbau des Ladedrucks steigt. Die Formel aus dem Prüfstandsdiagramm-Beitrag, hp = Drehmoment × U/min ÷ 5,252, gilt weiterhin. Die Übersetzung entscheidet dann, wie gut man die Kurve nutzt; siehe Beitrag zu Getriebeübersetzungen.
Im Spiel
Pink Slip Kings nennt Ladedruck unter den Einstellungen, die du beim Tuning anpassen kannst, sowie einen Prüfstand zum Vergleich von Leistung und Drehmoment. Sein Eintrag beschreibt keine Turbolader, Kompressoren oder Ladeluftkühler, daher ist die Physik hier allgemeiner Hintergrund und keine Beschreibung, wie das Spiel sie modelliert. Das Spiel befindet sich im geschlossenen Test.
Pink Slip Kings: Drag Racing ist ein 3D-Drag-Racing-Spiel mit manueller Start- und Schaltsteuerung, detailliertem Tuning von Getriebeübersetzungen, Achsübersetzung, Ladedruck und Startdrehzahl, einem Prüfstand, Telemetrie und Rennzeitzetteln. Es läuft offline, hat keine Werbung und keine In-App-Käufe, und die Spielwährung und die Autos im Spiel können nicht gekauft oder gegen echtes Geld getauscht werden. Das Spiel befindet sich derzeit im geschlossenen Test.