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Aktualisiert am 31.12.2011
© 2011 virto GmbH
Vor 100 Jahren: Alfred Büchi erhält das Patent auf den Turbomotor

16.11.2005

Porsche VTG 2005
Das Grundprinzip des Turboladers blieb über die letzten 100 Jahre gleich
Doppelpfeil

Verbrennungsmotoren setzen nur einen Teil der eingesetzten Energie in nutzbare Leistung um, beträchtliche Teile gehen als Abwärme verloren, mehr als 35 Prozent verpuffen im Abgasstrom. Dazu kommt, dass die Saugwirkung des nach unten wandernden Kolbens nicht ausreicht, der Brennkammer die größtmögliche Menge zündfähigen Gemischs zuzuführen. Diese Problematik war schon den Pionieren der Motorentechnik bekannt.

Für die Idee einer "Verbrennungskraftmaschinenanlage, bestehend aus einem Kompressor (Turbinenkompressor), einem Kolbenmotor und einer dahintergeschalteten Turbine" des Schweizers Alfred Büchi (* 11. Juli 1879 ; † 27. Oktober 1959), erhielt dieser schon 1905 im Deutschen Reich das kaiserliche Patent mit der Nr. 204630. Die Maschine war zu ihrer Zeit so abenteuerlich wie vieles andere, da weder die Werkstoffe noch die Brennstoffe vorhanden waren, um sie serienreif und haltbar umzusetzen. Dennoch: Büchis Idee ist die Geburtsstunde des Turboladers.

Die Funktionsweise des Abgasturboladers ist einfach und einleuchtend. In den Abgasstrom wird eine kleine Turbine eingebaut, die durch das vorbeiströmende Abgas auf Drehzahlen von über 100 000 1/Min gebracht wird. Über eine starre Welle ist diese mit einem Verdichter gekoppelt, der von der Turbine angetrieben wird und dem Motor die Verbrennungsluft mit hohem Druck zuführt. Dadurch wird mehr Luft in den Zylinder eingebracht. Damit kann der Motor aus dem gleichen Hubraum mehr Leistung schöpfen, ohne dass der Treibstoffverbrauch im gleichen Ausmaß ansteigt. Der Nachteil des Turbomotors ist das Ansprechverhalten, da erst Abgasdruck vorhanden sein muss, damit er Aufladedruck bereitstellen kann. Ein kleinerer Lader mindert diesen Effekt, kann aber auch weniger Ladedruck aufbauen. Moderne Regelelektronik, Doppelladersysteme, variable Geometrie der Schaufeln und Registeraufladung mit zwei hintereinander geschalteten Turboladern sind Wege, die Fahrbarkeit der aufgeladenen Motoren zu verbessern.

In den Jahren 1909 bis 1915 arbeitet Büchi als Ingenieur bei Sulzer in Winterthur, wo er an der Entwicklung großer Schiffsdieselmotoren mit Turbolader arbeitet. Dieser Motorentyp ist es dann auch, der als erster in Serie mit einem Lader ausgestattet ist. Schiffsmotoren sind Langsamläufer mit großem Hubraum und arbeiten die meiste Zeit bei relativ konstanten Drehzahlen. Die Belastungen durch die Druckerhöhung lassen sich dadurch einfacher beherrschen. Aber schon 1917 nutzt der Franzose Auguste Rateau den Turbolader, um einem Flugzeugmotor zu höherer Leistung zu verhelfen.

Eine besondere Demonstration der Möglichkeiten eines Turbomotors zeigte in den Vereinigten Staaten Dr. Stanford Moss von General Electric 1918 baute er einen Abgasturbolader an einen Liberty V12-Flugmotor und testete ihn auf der Spitze des Pikes Peaks. Auf 4260 Metern Höhe verbesserte sich die Leistung von 221 PS auf 356 PS. Die Bedeutung der Aufladung für Flugzeuge war damit eindrucksvoll bewiesen.

1923 hatte das deutsche Verkehrsministerium die Passagierschiffe "Danzig" und die "Preussen" in Auftrag gegeben. Die beiden Schiffe hatten jeweils zwei Zehnzylinder-Dieselmotoren, deren Leistung mit Hilfe der Abgasaufladung von 1.750 PS auf 2.500 PS gesteigert wurde. 1924 brachte BBC den ersten Turbolader für Zweitakt-Schiffsdieselmotoren heraus.

Der Krieg gibt dem Turbolader einen Entwicklungsschub, denn er ist der Königsweg, um Flugzeugmotoren auf Spitzenleistungen zu bringen. Die Entwicklung der ersten Strahltriebwerke stellt zudem auch die Werkstoffe bereit, die die Entwicklung standfester Turbolader möglich machten.

GM Jetfire Motor
GMs früher Versuch mit Turbomotoren scheiterte an der komplizierten Bedienung
Doppelpfeil

Auch nach dem Krieg blieb die Flugzeugindustrie federführend. Mit Wrights 18 Zylinder Turbocyclone Motor wurden nun Non-Stop-Atlantiküberquerungen mit Passagierflugzeugen möglich. Der Motor war eine Weiterentwicklung des Cyclone R-3350. Durch drei Abgasturbolader konnte die Startleistung von 2700 auf 3300 PS angehoben werden, bei großen Flughöhen war der Gewinn noch deutlicher. Zudem konnte der Treibstoffverbrauch um 18 Prozent gesenkt werden, was einer entsprechenden Reichweitensteigerung gleichkam. Dieser Motor wurde in das wichtigste Passagierflugzeug der Zeit um 1956 eingebaut, Lockheeds Super Constellation.

Ab 1960 wurde auch die Automobilindustrie wieder aktiv. GM bot für das Modelljahr 1962/63 gleich zwei sehr verschiedene Fahrzeuge mit Turbomotoren an. Der Pontiac F85 mit Jetfire-Motor war der erste Großserienpersonenwagen mit Abgasturbolader. Der Jetfire-Motor war eine Variante des Standard-V8 mit 3,5 Liter Hubraum, jenem Motor, der später als Rover-V8 weite Verbreitung finden sollte. Das Aufladesystem des Motors war sehr aufwändig. Um das Ansprechverhalten zu verbessern, hatte man eine hohe Kompression von 10,2 :1 beibehalten, was auf der anderen Seite den Ladedruck beschränkte. Garrett lieferte den Lader – die Version TO-3 war die erste mit Wastegate. Ein Turbo Rocket Fluid genanntes Gemisch, bestehend aus einer Hälfte destilliertem Wasser und einer Hälfte Methylalkohol, wurde bei hohem Ladedruck in den Vergaser eingespritzt, um die Klopfgrenze des Gemischs zu verbessern. Ladedruck konnte nur aufgebaut werden, wenn der Tank für dieses Zusatzgemisch nicht leer war. Die damit erzielte Leistung lag bei 215 PS bei 4.800 1/min, den Spurt von 0- 100 km erledigte der F85 in unter neun Sekunden.

Das Gesamtsystem war sehr komplex – über 50 Schlauch- und Rohrverbindungen sorgten für die notwendige Öl- und Kühlmittelversorgung – und der Wagen musste sehr sorgfältig behandelt werden. Da die Kühlung der Turbolader-Lager an der Ölversorgung des Motors hing, durfte dieser erst abgestellt werden, wenn sich der Lader abgekühlt hatte. Betriebseinschränkungen dieser Art überforderten den normalen Autofahrer, der Jetfire litt unter Kinderkrankheiten und falscher Bedienung durch die Kunden und wurde 1964 wieder aus dem Programm genommen.

Porsche 917/10 1972
Porsches Erfolg mit dem 917/10 fegte die CanAm aus dem Veranstaltungskalender
Doppelpfeil

Noch im gleichen Jahr stellte General Motors den Chevrolet Corvair Monza Turbo vor. Bei diesen Wagen wurde der luftgekühlte Sechszylinder-Boxermotor, im Heck montiert, per Abgasturbolader auf 150 PS gebracht. Der 2,4-Liter-Saugmotor der Standardmodelle stellte lediglich 84 PS bereit: Damit waren nur bescheidene Fahrleistungen möglich. Von 0- 100 km vergingen mehr als 21 Sekunden, die Höchstgeschwindigkeit lag bei nur 145 km/h. Da die Konstruktion des Corvairs eine deutliche Hubraumvergrößerung ausschloss und der Einbau großer wassergekühlter V8-Motoren im Heck das Auto unfahrbar gemacht hätten, war die Aufladung des Motors der einzige Weg zur Leistungsverbesserung. Im Ergebnis verdoppelte sich die Ausgangsleistung nahezu und entsprechend gut waren die Fahrleistungen: 0 –100 km/h in 10,9 Sekunden, die Höchstgeschwindigkeit lag nun bei 170 km/h. Das Modell blieb bis 1966 in Programm, ab 1965 lieferte der Motor 180 PS.

Während der Turbolader in den kommenden Jahren in der Serienfertigung bei Personenwagen keine Rolle mehr spielte, gewann er nun im Rennsport an Bedeutung. Mit dem Eindringen europäischer Hochleistungsmotoren in amerikanische Rennserien verloren die einheimischen Motoren an Bedeutung. Besonders Drake Offenhauser, die sich mit ihrem Hochleistungs-Vierzylinder in Indianapolis und ähnlichen Rennen einen Namen gemacht hatten, gerieten ins Hintertreffen. 1966 holte man zum Gegenschlag aus. Der Filigrantechnik von Cosworth wurde ein aufgeladenes 2,75-Liter-Aggregat entgegengestellt, das 600 PS leistete. Der ansonsten recht einfache Aufbau des Vierzylinders und sein robuster Charakter machten den Motor standfest – für die kommenden Jahre war er damit wieder die Messlatte bei amerikanischen Rundstreckenrennen. In den letzten Ausbaustufen liefert das Aggregat rund 1200 PS.

BMW 2002 Turbo
BMW kam Porsche mit dem 2002 Turbo zuvor, erzielte aber keinen nachhaltigen Verkaufserfolg

1971 nutzte Porsche die nun ausgereifte Technik. Gegen die großvolumigen V8-Motoren, mit denen die siegreichen CanAm-Rennwagen von McLaren, Lola oder Chapparal ausgerüstet waren, war man mit dem eigenen 5-Liter-12-Zylinder aus dem 917 unterlegen. Erste Überlegungen, 908-Motoren zu einem 16-Zylinder zu koppeln, hatten sich als nicht erfolgversprechend erwiesen. Somit blieb nur die Aufladung des Motors. Nach vielen Anfangsproblemen stand mit Beginn der Saison 1972 ein Aggregat zur Verfügung, das vom ersten Einsatz an Mass der Dinge in der Rennserie wurde. Die Überlegenheit führte schon 1973 zu einem faktischen Ende der CanAm: Keiner der Konkurrenten war in Lage, mit der Entwicklungskraft eines Herstellers mitzuhalten.

Bei der Wiederaufnahme der Serienfertigung von Personenwagen mit Turbomotoren war BMW allerdings schneller als Porsche. Auf der IAA 1973, mitten hinein in die erste Energiekrise, stellte man den 2002 Turbo vor. Mit 170 PS bei 4.800 1/min und einer Höchstgeschwindigkeit von 210 km/h wurden echte Sportwagenwerte erreicht. Mangels Nachfrage wurde die Produktion nach 1672 Exemplaren zwei Jahre später wieder eingestellt. Der Motor sollte aber noch einmal zu Ehren kommen: 1982 stellte Brabham-BMW den ersten Formel-1-Weltmeister, dessen Auto von einem Turbo-Motor angetrieben wurde.

Den endgültigen Durchbruch in der Serienfertigung schaffte Porsche mit dem Modell 930. Standfeste 260 PS und 343 Nm reichten für 250 km/h Spitzengeschwindigkeit und eine Beschleunigung von 0-100 km in unter fünf Sekunden. Damit konnte der Porsche auch mit den Exoten in der Sportwagenszene mithalten und bot gleichzeitig eine deutlich bessere Alltagstauglichkeit. Aber auch bei diesem Modell war die Fahrbarkeit noch nicht auf dem Stand, den Turbomotoren heute haben. Die Leistungsabgabe war von einer gewissen Antrittsschwäche und einem brachialen Schub beim Einsetzen des Laders geprägt.

Porsche 930 1974
Der Porsche 930 Turbo ist der Stammvater eine langen Reihe von Sportwagen mit Turboladern
Doppelpfeil

Den letzten Inovationsschritt bei Turbomotoren im PKW machte Mercedes-Benz mit der Vorstellung des ersten Turbo-Diesel-Personenwagens 1978.

Heute ist der Turbo aus modernen Dieselmotoren nicht mehr wegzudenken. Was anfangs nur zu dazu diente, die Leistungslücke zwischen PKW-Diesel und gleich großem Benzin-Motor nicht allzu groß werden zu lassen, führt heute dazu, dass moderne Dieselmotoren gute Benzin-Saugmotoren bei Leistung und Drehmoment in den Schatten stellen. Gleichzeitig profitieren aber auch die aufgeladenen Saugmotoren von der rapiden Entwicklung der Ladertechnik. Die nächste Generation wird, wie die modernsten Diesel schon heute, mit variabler Geometrie und Registeraufladung für noch mehr Leistung sorgen.

(Text: Dieter Roßbach )
(Fotos: General Motors, BMW AG, Porsche AG )

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