Sequenzielle Aufladung

Die sequenzielle Aufladung ist ein Ansatz der Zwangsbeatmung, der einen der ältesten Zielkonflikte der Turboaufladung lösen soll: den Widerspruch zwischen Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen und Leistung bei hohen. Ein einzelner Turbolader, der auf kräftige Spitzenleistung ausgelegt ist, neigt bei niedrigen Drehzahlen zur Trägheit, weil dort zu wenig Abgasenergie zur Verfügung steht, um ihn rasch hochzudrehen, was das bekannte Turboloch erzeugt. Sequenzielle Systeme begegnen dem, indem sie zwei Turbolader mit unterschiedlichen Eigenschaften verwenden und sie nacheinander statt gemeinsam in Betrieb nehmen.

In einer typischen Auslegung übernimmt ein kleiner, trägheitsarmer Turbolader den unteren Drehzahlbereich. Da er leicht ist und sich mühelos hochdrehen lässt, sorgt er fast schon aus dem Leerlauf für ein spontanes Ansprechen und nutzbaren Ladedruck. Mit steigender Drehzahl und wachsendem Abgasstrom nimmt ein System aus Steuerventilen schrittweise einen zweiten, größeren Turbolader hinzu. Dieser größere Lader kann weit mehr Luft fördern und hält daher hohen Ladedruck bei hohen Drehzahlen aufrecht, wo dem kleinen Turbo sonst die Luft ausginge und er zum Engpass würde. Die Übergabe wird so gesteuert, dass der Ladedruck durchgehend anliegt, was dem Motor eine breite, flache Drehmomentkurve verleiht, die sich aus dem Stand willig und obenheraus kräftig anfühlt.

Für den Fahrer reizt die nahezu vollständige Beseitigung des Turbolochs in Verbindung mit der reinen Leistung eines großen Turbos, eine Kombination, die ein einzelner, fest ausgelegter Lader nur schwer liefern kann. Das machte sequenzielle Systeme für Leistungsmotoren attraktiv, bei denen sowohl Fahrbarkeit als auch hohe spezifische Leistung gefragt waren; zu den bekannteren Beispielen zählen der Mazda RX-7 mit zwei Turboladern am Kreiskolbenmotor und mehrere japanische Hochleistungsdiesel.

Der Ansatz darf nicht mit einfachen Parallel-Twin-Turbo-Anordnungen verwechselt werden, bei denen zwei baugleiche Turbolader jeweils eine Zylinderbank versorgen und gleichzeitig arbeiten. Das prägende Merkmal eines sequenziellen Systems ist die gestaffelte, rollenbasierte Übergabe zwischen unterschiedlich großen Turboladern, gesteuert durch ein oft verschachteltes Netz aus Steuer-, Wastegate- und Bypassventilen.

Diese Komplexität ist zugleich der größte Nachteil des Systems. Die Ventile und die Steuerlogik bringen Kosten, Gewicht und mögliche Fehlerquellen mit sich, und der Übergang zwischen den Turbos kann sich als Stufe in der Leistungsentfaltung bemerkbar machen, wenn er nicht sorgfältig abgestimmt ist. Aus diesen Gründen wurde die sequenzielle Aufladung in modernen Motoren weitgehend vom Turbolader mit variabler Turbinengeometrie verdrängt, der mit einer einzigen Einheit ein vergleichbar breites Arbeitsfeld erreicht, indem verstellbare Leitschaufeln die wirksame Größe der Turbine im laufenden Betrieb verändern. Auch Twin-Scroll-Auslegungen bieten einen Weg zu breitem, spontanem Ladedruck. Dennoch bleibt die sequenzielle Aufladung ein lehrreicher Meilenstein in der Entwicklung der Zwangsbeatmung und findet sich noch bei einigen Twin-Turbo-Auslegungen.