Turboaufladung

Die MegaSquirt und Turboaufladung

Grundlegende Informationen und Grundvoraussetzungen

Dieser Beitrag widmet sich der Anpassung einer MegaSquirt auf einen mittels Turbolader zwangsbeatmeten Motor. Ebenso finden sie hier einige Tipps um einen Saugmotor mit Turbolader und MegaSquirt umzurüsten.

Bitte beachten Sie, dass Sie wenn sie einen MS-II Controller verwenden, auch den Beitrag Tuning Theorie und das Kapitel MegaTune Informations (http://www.megamanual.com/mt28.htm) englischen MegaManuals lesen sollten. Dort finden sie Information zum Beispiel über die Zündzeitpunkt-Spätverstellung (http://www.megamanual.com/mt28.htm#ap), IAT Retard (http://www.megamanual.com/mt28.htm#eb) und vielem mehr.

An der MegaSquirt selbst muss für den Einsatz an einem turbogeladenem Motor nichts modifiziert werden, da sie folgendes bereits mitbringt:

• Einen MPX5350 MAP Sensor – alle Geräte die seit 2003 verkauft wurden tragen diesen Sensor. Sehr frühe Versionen können möglicherweise diesen Sensor nicht enthalten. Sie können stattdessen aber auch den 4-bar sensor verwenden.
• Sie können einen maximalen Ladedruck („Boost“) von ca. 21 lbs. fahren – das stellt das Maximum des MPX4250 MAP-Sensors dar. Für Ladedrücke über diesem Bereich muss ein anderer MAP-Sensor verbaut und der Code darauf angepasst werden,

Die MS-II ermöglicht es ihnen den Zündzeitpunkt in allen Bereichen zu verstellen (zum Beispiel können sie den Zündzeitpunkt am Spitzenwert wieder zurücknehmen wenn Ladedruck-Spitzen auftreten) und ebenso existiert eine Tabelle zur Rücknahme in Abhängigkeit von der IAT.

---

Was ist Ladedruck (Boost)?

Ladedruck ist der Überdruck in der Ansaugbrücke gegenüber dem umgebenden Luftdruck. Der Umgebungs-Luftdruck ist vom Wetter und von der Höhe auf der man sich aufhält abhängig, kann sich also jederzeit ändern. Aus diesem Grund verwenden wir stets den Absolutdruck in Kilopascal (kPa).

Wenn zum Beispiel der Luftdruck auf Meeres-Niveau etwa 100 kPa beträgt, dann ist alles oberhalb dieser 100 kPa der Ladedruck. 
Ein Wert von ca. 200 kPa würde in diesem Beispiel einen Ladedruck von 1 Bar bzw. 14,5 psi bedeuten. 
Würde man den selben Wert – die 200 kPa – jedoch in Calgary in Alberta (Kanada) auf einer Höhe von 3.750 Fuß messen, 
wäre es schon ein Ladedruck von 16 psi, da dort der Luftdruck lediglich bei 90 kPa liegt. 
Wenn man ein Tiefdruckgebiet durchfahren würde, dann würde ein gleichgebliebener Druck-Messwert einen höheren Ladedruck signalisieren. 
Der Druck im Motor wäre jedoch in all diesen Fällen derselbe. 
Deshalb lässt der absolute Druck in kPa mehr Rückschlüsse zu auf das was im Motor los ist als der Ladedruck.

Wenn sie den Ladedruck jedoch trotzdem berechnen wollen, gibt es im unter dem Absatz "What is boost?" des originalen MegaManual (http://www.megamanual.com/index.html) einen kleinen Rechenr, welcher den MAP-Wert in kPa in Ladedruck sowohl in psi als auch in Bar konvertiert.

Es gibt eine Reihe von Aspekten bezüglich der Sensoren, dem Programmieren und noch anderen Hard- und Softwareangelegenheiten die sie bei turbo-aufgeladenen Motoren beachten müssen. All das wird im Laufe dieses Beitrags abgehandelt.

---

Einen Turbolader nachrüsten

Es gibt einige Überlegungen, die man anstellen sollte, wenn man einen Motor mittels Turbolader aufladen möchte. Glücklicherweise sind durch das gleichzeitige Umrüsten auf eine freiprogrammierbare Einspritzung (wie die MegaSquirt) ein paar der Überlegungen leichter nachzuvollziehen.

• Der Turbolader muss passend zum Hubraum und der anvisierten Leistung dimensioniert sein
• Die Kompression muss kompatibel zum erwünschten Ladedruck, der Ladeluftkühlung und dem Kraftstoff sein
• Es muss ausreichend Platz im Motorraum für, den Ladeluftkühler, der Verrohrung und dem Turbolader selbst sein
• Die Kapazität des Kühlsystems muss ausreichend groß sein, um auch mit der gestiegenen Motorleistung zurecht zu kommen
• Für einige Entscheidungen und Gesichtspunkten des Set-Ups ist es relevant, ob das Fahrzeug über eine Schalt- oder Automatikgetriebe verfügt.
• Es wäre hilfreich wenn sie vorab schon entscheiden, ob sie einen Ladeluftkühler, eine Wassereinspritzung oder sogar beides verbauen wollen, da dies den später verfügbaren Platz auch einschränkt.

Diese Anleitung handelt nicht alle Entscheidungen ab, die getroffen werden müssen. In diesem Zusammenhang ist das Buch „Turbochargers“ von Hugh MacInnes sehr zu empfehlen (Herausgeber HPBooks; ISBN 0-89586-135-6). Ein hervorragendes Buch, welches viele dieser Themen behandelt. Ein anderes neueres Buch, welches man empfehlen kann, heißt: „Maximum Boost Designing, Testing, and Installing Turbocharger Systems“ des Autoren Corky Bell. Zusätzlich sind im Internet bei [Hall Turbocharging] einige Rechner für die Auswahl des Turboladers und die Leistungsberechnung verfügbar.

Wenn sie sich von den obigen Empfehlungen leiten lassen wollen, benötigen sie als erstes den/die passenden Turbolader für ihren Motor.

Dieser Beitrag behandelt die Themen: Entwurf und Konstruktion des Abgaskrümmers, Verrohrung des Turboladers (inklusive des Ladeluftkühlers, falls vorhanden) und Abstimmen des aufgeladenen Motors mit der MegaSquirt.

Die Ladeluftkühlung

Der Zweck der Ladeluftkühlung ist es die Luft wieder abzukühlen, denn der Turbolader erhitzt diese wenn er sie komprimiert. Die Temperatur (T2) auf die die angesaugte Luft erhitzt wird hängt von folgenden Parametern ab:

• Der Verdichtung („Pressure Ratio“) P2/P1: Das Verhältnis des Ausgangsdruck P2 zum Eingangsdruck P1 des Verdichters
• Der Ansauglufttemperatur („IAT“) T1: Angegeben als absolute Temperatur (also °C + 273 oder °F + 460)
• Dem adiabatische Wirkungsgrad des Verdichters („Compressor adiabatic efficiency“) c: Die Temperatur würde ansteigen selbst wenn eine vollständige Verdichtung stattfinden würde. Allerdings findet keine vollständige Verdichtung statt, was die Temperatur noch höher ansteigen lässt. Moderne Turbolader liegen bei einem Wirkungsgrad von 65 - 80%, wenn sie für die entsprechende Anwendung ausreichend dimensioniert wurden.

Die Beziehung all dieser Parameter schaut so aus:

T2 ist ebenfalls eine absolute Temperatur.

Die durch die Komprimierung erhitzte Luft kann durch einen Ladeluftkühler („intercooler“, manchmal auch „aftercooler“ genannt) wieder etwas abgekühlt werden. Um die ganzen Berechnungen zu vereinfachen, können sie wiederrum einen Rechner auf der MegaManual-Seite http://www.megamanual.com/index.html im entsprechenden Kapitel "Turbocharging" verwenden, um zu bestimmen wie stark die Luft erhitzt wird, basierend auf der Verdichtung und des Wirkungsgrades des Verdichters und dem Wirkungsgrad des Ladeluftkühlers.

Heiße Ansaug-Luft ist der Leistung abträglich und erhöht die die Wahrscheinlichkeit das Klopfen auftritt. Ein Ladeluftkühler reduziert die Ansaugluft-Temperatur indem die Luft durch einen Wärmetauscher (wie ein kleiner Kühler) geführt wird, welcher Temperatur aus der Luft absorbiert und nach außen abgibt. Den Ladeluftkühler in den Luft-Weg zwischen dem Verdichter des Turbos und der Ansaugbrücke zu platzieren bringt zwei Vorteile:

• Die Temperatur der Luft wird reduziert, was die Dichte der Luft erhöht, was ein größeres Potential für mehr Leistung birgt. Das macht es nämlich möglich - egal bei welchem Ladedruck - mehr Luft und somit mehr Kraftstoff in der Zylinder zu bringen. In der Regel kann man bei einem für den Straßenverkehr durchschnittlichen Ladedruck von 5 bis 15 lbs/in von einem Leistungszuwachs von 10 – 20% ausgehen.
• Die Gefahr von einer klopfenden Verbrennung wird verringert; was wiederrum einen sicheren Betrieb mit mehr Ladedruck bei gleichbleibender Kraftstoffqualität bedeutet.

Nicht alle Ladeluftkühler sind gleich. Der Wirkungsgrad des Ladeluftkühlers hängt von dessen Aufbau ab. Hierbei gibt es zwei kritische Faktoren:

• Der thermische Wirkungsgrad (um wie viel kann die Temperatur reduziert werden?)
• Die Fließbehinderung („flow restriction“) die der Ladeluftkühler für die Luft darstellt (wie viel Druck geht verloren?)

Ungeachtet des thermalen Wirkungsgrades, kann ein Ladeluftkühler der Performance abträglich sein, wenn durch den Strömungswiderstand des Ladeluftkühlers zu viel Druck verloren geht.

Im Automotiv-Bereich gibt es generell zwei Varianten des Ladeluftkühlers: Den Luft-Wasser-Ladeluftkühler, welcher die Ansaugluft mittels Wasser (oder vielmehr dem Motor-Kühlwasser) abkühlt und den Luft-Luft-Ladeluftkühler, wobei die Umgebungsluft verwendet wird um die Ansaugluft abzukühlen, vergleichbar mit dem Kühler des Motors. Es sind viele Ladeluftkühler aus Serienfahrzeugen verfügbar; zum Beispiel sind solche aus Volvos, Saabs und dem Ford 2.31 sehr populär. In Pick-Up-Trucks wurden oftmals noch größere Ladeluftkühler verbaut.

Der Volvo-Ladeluftkühler ist relativ groß und Effizient. Er trägt die Teilenummer 317319. Seine Breite beträgt oben von Einlass- zu Auslassstutzen 73cm und unten inklusive der seitlichen Luftsammler ca. 59cm. Der Kern mit den Kühlrippen ist 45cm breit und 43cm hoch. Er ist 32mm dick. Einer der Stutzen steht rechtwinklig zum Kern, der andere hat einen Winkel dazu von ca. 30 Grad. Die Ein- und Auslassstutzen haben jeweils einen Außendurchmesser von 6,35cm und einen Innendurchmesser von 5,72cm. Diese Ladeluftkühler werden oft schon für ca. 150$ bei den Altteileverwertern gehandelt.