Funktionsprinzip Stauaufladung

Bei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) wird beim Ansaugen von Luft durch die Kolben ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt. Der Unterdruck steigt mit wachsender Drehzahl an und begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Eine der Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken, ist die Aufladung der Zylinder mittels eines Turboladers.
Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird durch den Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors so, dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt, als bei einem Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff für die Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung. Die führt zu einer Steigerung des Motor-Mitteldrucks und des Drehmoments, was die Leistungsabgabe erhöht. Wegen der größeren Gasmenge ist bei Otto-Turbomotoren meist eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses gegenüber vergleichbaren Saugmotoren nötig, da es sonst durch zu hohe Drücke und

Die Energie für die Aufladung wird durch die Abgasturbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch den Auspuff verloren ginge, wird somit zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch die Aufladung steigt grundsätzlich der Gesamtwirkungsgrad einer Maschinenanlage. Im Extremfall wird durch die komprimierte Ladeluft bereits während des Ansaugtaktes Leistung von der Maschine (4-Takt) abgegeben.
Durch Turbolader können Motoren mit gleicher Baugröße gegenüber unaufgeladenen Motoren größere Leistungen erzielen, ohne dass grundsätzlich andere Maschinenparameter geändert werden müssen. Meist erfordert der gegenüber der nicht aufgeladenen Version deutlich höhere Spitzendruck im Verbrennungsraum sowie das entsprechend höhere Motor-Drehmoment jedoch stärkere Dimensionierungen z. B. von Lagern (Kurbelwelle) und/oder Wandstärken (Kolbenboden).
Die Zuführung einer größeren Menge von Verbrennungsluft, verbunden mit dem Verdichtungsprozess, nennt man Aufladen. Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck adiabatisch abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft dadurch bis über 200 °C erwärmt werden. Neben der zusätzlichen Temperaturbelastung des Motors, verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Füllungsgrad des Motors verschlechtert. Der Grund dafür ist die geringere Dichte der heißen Luft, wodurch dem Motor eine geringere Sauerstoffmenge zugeführt wird. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den Ladedruck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkühlung größer als ca. 50 K sein, um eine wirksame Leistungssteigerung gegenüber einem Motor ohne Ladeluftkühlung zu erzielen. Um die thermische Belastung bei Volllast zu verringern, kann zusätzlich Kraftstoff eingespritzt werden. Bei Motoren, bei denen eine möglichst hohe Leistungsabgabe Vorrang vor der Lebensdauer hat, kann die Ladeluft auch durch eine zusätzliche Wassereinspritzung oder Einspritzung eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden, was eine weitere Steigerung der Leistung ermöglicht.

 Aufbau

Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sind. Aus dem Wort Turbine wurde der Name Turbo abgeleitet. Die Turbine wird durch den Abgasstrom angetrieben und treibt den Verdichter an, der seinerseits die angesaugte Luft verdichtet und in den Motor leitet. Im Inneren der beiden Gehäuse dreht sich jeweils ein Flügelrad bzw. Schaufelrad, das die Strömungsenergie in eine Drehbewegung umsetzt bzw. beim Lader umgekehrt die Drehbewegung in Strömungsarbeit. Ein Turbolader kann Drehzahlen bis zu 290.000 Umdrehungen pro Minute erreichen (z. B. smart Dreizylinder-Turbodiesel). Diese enorm hohen Drehzahlen können nur erreicht werden, weil die Turboladerwelle in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert ist. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf für Kühlzwecke. Durch die Entwicklung von keramischen Kugellagern werden die Turbolader robuster und haltbarer. Dabei gibt es ein oder zwei Keramiklager zusätzlich zur Gleitlagerung. Kugelgelagerte Turbolader haben eine geringere Gleitreibfläche, was sie schneller ansprechen lässt. Dadurch erfolgen ein schnellerer Drehzahlanstieg des Laders und ein früher einsetzender Ladedruck.

Besonderheiten der Stoßaufladung

Auch die Entwicklung der Stoßaufladung geht auf A. Büchi zurück. Bei Mehrzylindermaschinen mit Stoßaufladung werden die Abgase durch mehrere Rohrleitungen geführt und treten durch eine Düsengruppe in die Turbine ein. Die Abgasleitungen müssen dabei so zusammengeführt werden, dass die Ausstoßtakte der an der jeweiligen Leitung angeschlossenen Zylinder nicht gleichzeitig erfolgen. Bei der Stoßaufladung sinkt der Druck am Auslassventil nach anfänglichem starken Anstieg durch die Massenträgheit der ausgestoßenen Gasmasse unter den Spüldruck ab, was den Gaswechsel begünstigt. Die beschleunigte Gasmasse trifft auf die Turbine und treibt sie an. Im Vergleich zur Stauaufladung wirken die Abgase mit wesentlich stärker schwankendem Druck auf die Turbine.

Vorteile der Turboaufladung

Die Abgasturboaufladung ermöglicht die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung (bei konstantem Arbeitsvolumen) bzw. des Mitteldrucks, ohne vom Motor mechanische Antriebsleistung abzufordern, wie dies bei mechanischer Aufladung z. B. durch einen Kompressor geschieht. Diese Steigerung erlaubt entweder den Einsatz eines leistungsstärkeren Motors mit annähernd gleichen Abmessungen wie beim Ursprungsaggregat, oder ermöglicht ein so genanntes Downsizing des Motors, also das Erzielen einer vergleichbaren Leistung aus einer kleineren und ggf. leichteren Maschine.

Nachteile der Turboaufladung

Durch den Einsatz eines Turboladers erhöht sich das Drehmoment und die thermische Belastung des Motors, weswegen Motorkomponenten (z. B. Motorblock, Zylinderkopf, Zylinderkopfdichtung, Lager, Zylinder, Pleuel, Ventile, Kolben, Kolbenringe) und Antriebsstrang für diese zusätzliche Beanspruchung ausgelegt sein müssen. Die höhere Leistung erfordert auch ein entsprechend größer dimensioniertes Kühlsystem.
Vor allem bei aufgeladenen Ottomotoren, deren Abgasturbinen rot glühend heiß werden können, empfehlen manche Hersteller, den Motor nach Fahrten unter hoher Last nicht sofort abzustellen, sondern den Motor einige zehn Sekunden mit Standgas laufen zu lassen, um den Lader abkühlen zu lassen. Geschieht das nicht, kann die empfindliche Öl-Lagerung der Welle durch Überhitzung irreparabel beschädigt werden.
Eine Möglichkeit das zu verhindern, sind so genannte Nachlaufregler (englisch turbo timer). Diese lassen den Motor eine einstellbare Zeit nach Abschalten der Zündung weiterlaufen. Hierbei ist zu beachten, dass manche Versicherungsgesellschaften das Fahrzeug dann nicht mehr versichern, da der Motor bei abgezogenem Zündschlüssel weiterläuft. Solche Nachlaufregler besitzen im Geltungsbereich der StVZO in der Regel auch keine Allgemeine Betriebserlaubnis.
Vor allem in Kraftfahrzeugen ist eine erhebliche Regelungstechnik rund um den Turbolader notwendig, die allerdings auch die Störanfälligkeit steigert. Die Schadensdiagnose kann sich durch den Einsatz von Turboladern erheblich komplizieren. Moderne vollelektronische Diagnosesysteme wirken hier unterstützend. Insgesamt sind Ausfälle durch defekte Turbolader inzwischen sehr selten.
Im Teil „Aufbau des Turboladers“ wird beschrieben, dass die Lagerung in den Motorölkreislauf einbezogen ist. Die Gleitlager der Turbolader werden von einer motorgetriebenen Ölpumpe versorgt. Während des Beschleunigungsvorgangs (transientes Betriebsverhalten) erzeugt der Turbolader nicht ausreichend Ladedruck, sodass im Ansaugsystem ein kurzzeitiger Unterdruck entsteht, welcher Öl aus dem Turbolader-Lager ansaugen kann und den Verbrennungsräumen zuleitet. Je nach Fahrintervall liegen Schätzungen vor, dass 30 bis 40 % des Motorölverbrauchs aus der Lagerung des Turboladers kommen. Dieses Motoröl erzeugt Rußpartikel, die ohne Filterung teilweise – falls nicht verbrannt – ausgeleitet werden.
Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen fehlte vor allem älteren Turbomotoren für Kfz zunächst die richtige Abgasmenge, um den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Erst, wenn bei steigender Drehzahl ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung stand, setzte die Aufladung ein. Diesen Leistungsmangel bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man als Turboloch. Auch generell setzt die Aufladung bei plötzlichem Gasgeben verzögert ein, da sich erst ein ausreichender Abgasstrom einstellen muss. Diese Eigenheiten konnte man durch Regelsysteme und den Einsatz kleinerer Lader oder speziell geformter Kanäle im Zylinderkopf zu einem großen Teil kompensieren. Konstruktionsbedingt ist es hier so, dass bei verschieden großen Ladern ein kleiner Lader über ein schnelleres Ansprechverhalten aufgrund geringerer Masse verfügt, bei einem größeren Lader kann hingegen eine größere Leistung aus demselben Hubraum erzielt werden.

Ladedruck-Regelung

Prinzipbedingt dreht sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller. Je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr antreibt. Letztlich steigt auch die Reibung in den Lagersitzen an und die Verdichterdrehzahl erreicht ein Drehzahlplateau. Auch kann der Verdichter seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors werden überschritten. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten, also die Aufladung des Motors zu begrenzen, bedarf es einer Einrichtung, die im allgemeinen Sprachgebrauch „Ladedruckregelung“ genannt wird. Diese Regelung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die einfachste Ladedruckregelung wird durch Abblasen überschüssiger komprimierter Luft auf der Verdichterseite durch ein Überdruckventil, Pop-Off-Ventil, realisiert. Solche Überdruckventile dienen bei heutigen Serienmotoren nur noch als Sicherheitsventile im Fall des Versagens anderer Bauteile, denn das Abblasen der verdichteten Luft hat schwerwiegende Nachteile:
· es wird Energie (Druck) ungenutzt entlassen
· Der Turbolader erreicht noch höhere Drehzahlen, weil der Druck auf der Verdichterseite absinkt
Eine bessere Variante der Ladedruckregelung ist das Bypassventil (auch Wastegate genannt) im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Ventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann Abgas an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbindet. Das Bypassventil und seine Stellglieder sind aufgrund ihrer Position im heißen Abgasstrom thermisch hoch belastet, damit störanfällig und waren einer der Gründe, warum einzelne Motorenbauer von der Turbo-Aufladung von Otto-Motoren wieder abkamen und Kompressorsysteme verwendeten, die ohne Bauteile im Abgasstrom arbeiten.
Siehe auch: Mechanische Motoraufladung

VTG (Variable Turbinengeometrie)

Die VTG lehnt sich an die Wirkungsweise der Francis-Turbine an. Sie dient dazu, die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen (z. B. Lastwechsel) besser anpassen zu können. Um das zu erreichen, befinden sich verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln werden dabei so geregelt, dass bei wenig Gasdurchsatz, aber hohem Leistungsbedarf das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz und geringerem Leistungsbedarf durch große Querschnitte die Strömungsgeschwindigkeit verringert werden, was die Leistung des Laders vermindert.
Turbolader mit VTG werden seit 1996 auch in Dieselmotoren für PKW eingesetzt. Der erste PKW-Serienmotor mit dieser Einrichtung war ein direkt einspritzender Dieselmotor (Marketingbezeichnung: TDI) von VW/Audi mit einer maximalen Leistung von 81 kW (110 PS). Dieser Motor erreicht (auch dank VTG) als erster PKW-Antrieb einen Motor-Wirkungsgrad von über 40 %.
Derzeit (2005) gilt bei Dieselmotoren die Leitschaufelkranz-Verstellung VTG als Standard.
Siehe auch: Turbodiesel
Porsche setzt im neuen 911 Turbo (997) (Verkaufsstart in Deutschland war im Juni 2006) den ersten Benzinmotor mit einer VTG ein. Um den mit bis zu 1000 °C gegenüber Dieselmotoren erheblich höheren Abgastemperaturen standzuhalten, müssen hochwarmfeste Legierungen eingesetzt werden. Entwickelt wurde der moderne VTG-Turbolader für Benzinmotoren in enger Zusammenarbeit mit BorgWarner Turbo Systems. Ob eine solche variable Technik allerdings auch in Motoren mit deutlich längerem Volllastbetrieb eingesetzt werden kann, bleibt trotz der verwendeten Legierungen fraglich

Umluftventil

Wirkungsweise ohne Umluftventil
Wenn die Drosselklappe bei Benzinmotoren geschlossen wird, stößt die in Bewegung befindliche Luftsäule auf die Klappe. Die Luftsäule (Drucksäule) kehrt um, läuft vor das sich drehende Verdichterrad des Turboladers und bremst dieses stark ab, was bei hohem Ladedruck auf Dauer zur Zerstörung des Turboladers führen kann (ohne oder bei einem defekten Umluftventil). Außerdem sind starke Strömungsgeräusche hörbar, hierbei wird der Verdichter ins Pumpen gedrückt.
 
Wirkungsweise mit Umluftventil
Um dieses uneffektive Abbremsen zu verhindern, wird die Luftsäule mittels des Umluftventils abgelassen. So kann sich der Lader frei weiterdrehen, ein erneuter Druckaufbau wird verkürzt und ein schnelleres Beschleunigen des Turboladers, zugunsten eines besseren Ansprechverhaltens nach dem Schaltvorgang, erzielt.
Universelle (meist als offene Systeme vorgesehen) aus dem Zubehörmarkt lassen sich fast immer in einem festgelegten Bereich auf das Ansprechen bei einer bestimmten Druckschwelle einstellen, werksseitige verfügen seltener über diese Möglichkeit, um unsachgemäße Veränderungen der Werkseinstellung zu verhindern.
Umluftventile sind heutzutage in fast allen Turboladermotoren eingebaut und werden auch bei amerikanischen Indy-500-Rennfahrzeugen eingesetzt.
 
Offene/Geschlossene Systeme
Beim offenen Umluftventil wird die überschüssige Luft nicht zurück in den Ansaugkanal (geschlossenes Umluftventil/System), sondern abrupt nach außen abgeleitet. Der Anbau an einen Motor mit Luftmengen- oder Luftmassenmesser kann problematisch sein, da die Luft, die ins Freie statt in den Ansaugtrakt gelangt, bereits vom Motorsteuergerät erfasst wurde und die Kraftstoffmenge zur richtigen Gemischbildung darauf angepasst wird. Als Folge der fehlenden Luft kommt es zu einer Überfettung des Gemisches, die Motorleistung sinkt, der Motor kann stottern, die Lambdasonde und der Katalysator können durch in den Auspuff gelangendes Benzin, welches sich entzündet, zerstört werden. Daher ist von einem Umbau auf ein offenes System (ohne Neuprogrammierung des Motorsteuergerätes) dringend abzuraten. Außerdem erlischt die „Allgemeine Betriebserlaubnis“ (ABE) des Fahrzeuges, da ungefilterte, ölhaltige Abgase (durch die Ölschmierung des Turboladers und der eventuell Kurbelgehäuseentlüftung, die in das Ansaugsystem führt) in die Umwelt abgelassen werden.
 
Ventilarten
Beim Umluftventil sind zwei Ventilarten gängig, Membran oder Kolben. Der Kolben spricht feinfühliger an und schließt schneller, jedoch besteht die Gefahr eines Kolbenklemmers und damit einer Fehlfunktion (bleibt offen oder öffnet nicht).
Eine Sonderform stellen die elektronisch gesteuerten (sonst rein druckgesteuerten) Ventile dar. Über ein Steuergerät oder eine einfache elektrische Schaltung wird das elektrische Ventil geöffnet oder geschlossen und kann damit auch unabhängig vom Druck beliebig gesteuert werden. Dabei ist auch die Nutzung in einem Dieselmotor, da ohne Drosselklappe, möglich, dort hat es jedoch keinen technischen Sinn und dient lediglich dem Showeffekt durch das je nach Ladedruck laute Abblasgeräusch bei einem offenen System.
Das charakteristische Geräusch bei Membranventilen ist ein hell pfeifendes Zischen, wogegen Kolbenventile bei hohem Ladedruck nur laut zischen und bei niedrigem Ladedruck die Eigenschaft haben zu „flattern“. Jedoch variieren die Ablassgeräusche auch stark je nach Bauart und Hersteller dieser Ventile.
Technisch nicht ganz korrekt ist, dass die elektronisch gesteuerten Ventile (technisch gesehen überflüssige Ventile bei Dieselmotoren) ebenfalls als Blow-Off-Ventile bzw. Pop-Off-Ventile bezeichnet werden, da die Blow-Off-Ventile im eigentlichen Sinne stets druckgesteuert sind.
 
Gängige Bezeichnungen
Englischsprachige Bezeichnungen für Abblasventil, Ablassventil oder (Schub-)Umluftventil, die auch häufig verwendet werden: Blow-Off-Valve (BOV), Pop-Off-Valve (POV) (wobei diese Bezeichnung falsch ist, da es sich dabei um ein Überdruckventil handelt, das den Motor vor zu hohen Ladedrücken schützen soll (siehe Ladedruckregelung), es also nichts mit dem Abbremsen der Turbine zu tun hat).

Weitere Bauarten

Biturbo/Twin Turbo
Als Biturbo und „Twin Turbo“ bezeichnet man die parallele Verwendung von zwei Ladern. Bi ist die lateinische Vorsilbe für zwei, Twin bedeutet „Zwilling“ (englisch). Bei dieser Konstruktionsform werden anstelle eines einzelnen größeren zwei kleinere Lader verwendet. So würde bei einem Vierzylinder-Biturbo-Motor jeder Turbolader von zwei Zylindern mit Abgas versorgt werden. Durch die Verwendung von zwei kleineren Ladern mit entsprechend geringeren Trägheitsmomenten kann das Ansprechverhalten beim Gasgeben verbessert werden. In geringem Umfang wurden auch Motoren mit mehr als zwei Turboladern entwickelt, um eine weitere Verbesserung des Ansprechverhaltens zu erreichen. So kam beim Bugatti EB110 ein Vierfachturbo zum Einsatz.
 
Sequenzieller Biturbo
Bei einem sequenziellen Biturbo werden nicht beide Turbinen ständig durch das Abgas angetrieben, sondern die zweite Turbine wird erst bei entsprechendem Leistungsbedarf zugeschaltet und treibt dann den zweiten Verdichter an. Ist das geschehen, arbeiten die Lader nach dem Prinzip des Biturbo parallel. Vorteil dieser Technik ist, dass in den niedrigen Lastbereichen das gesamte Abgas auf nur eine Turbine wirkt, was den Wirkungsgrad des Laders verbessert. Der 2.2-l-Dieselmotor von Ford/PSA (DW12BTED4) ist mit diesem System ausgerüstet.
 
Registeraufladung
Als Registeraufladung bezeichnet man die parallele, abwechselnde Verwendung von Turboladern. Dabei wird ein kleinerer Lader, der aufgrund der geringen Massenträgheit schnell hochdreht, für niedrige Drehzahlen verwendet. Ab einer bestimmten Drehzahl wird auf einen großen Turbolader umgeschaltet, der dann genügend Luftmasse und Druck für das hohe Luftvolumen höherer Drehzahlen bereitstellt. Die verschiedenen Turbolader können optimal auf ihren Wirkungsbereich abgestimmt werden, und der kleine Lader minimiert das so genannte Turboloch: Bei niedrigen Drehzahlen war der zumeist große Lader nicht in der Lage, eine gewisse Drehzahl zu erreichen, um damit einen Überdruck im Ansaugbereich aufzubauen. Unterhalb dieser kritischen Marke arbeitet ein normaler Turbomotor wie ein Saugmotor. Die Register-Aufladung ist im Automobilbau allerdings bis heute nur selten anzutreffen. Erstes Serienfahrzeug mit Register-Turbo war der Porsche 959.
Es kommen auch Aufladekonzepte zum Einsatz, bei denen es sich technisch gesehen um Kombinationen aus Registeraufladung und mehrstufiger Aufladung handelt, so bei den Motoren in den BMW-Modellen 535d (Baureihe E60/61), 335d, 123d und bei den 129-PS- und 150-PS-Dieselmotoren des neuen Mercedes-Benz Sprinters. Hierbei arbeiten die Verdichter des kleineren und des größeren Laders in Reihe auf der Ansaugseite. Wird wenig Leistung benötigt, wird die Luft nur durch den Verdichter des kleineren Laders komprimiert. Bei höherer Last wird dann durch Steuerung des Abgasstroms und geregelte Überbrückung des ersten Verdichters der größere Lader wirksam. Durch eine Kennfeldregelung der Gassteuerung auf der Abgas- wie auf der Frischgasseite im Zusammenspiel mit der Kraftstoffeinspritzung können Drehmomentschwankungen im Übergangsbereich weitgehend unterdrückt werden.
Mehrstufige Aufladung
Bei einer mehrstufigen Aufladung wird die Luft durch mehrere hintereinander geschaltete Verdichter komprimiert. Die so erreichbaren Verdichtungsverhältnisse sind nur unter Bedingungen stark verringerten Außendrucks sinnvoll einsetzbar, so dass diese Technik nur bei der Entwicklung von Flugmotoren eine Rolle spielte.
Bei mehrstufiger Aufladung werden meist mechanische Lader und Turbolader kombiniert. So enthielt der Versuchsmotor Daimler Benz DB624 (Prüfstandserprobung ab 1944) eine Kombination aus zwei mechanischen Getriebeladern und einem Abgasturbolader. Die konzipierte Volldruckhöhe lag bei 15.000 bis 17.000 Metern. Beim Antrieb des ab 1989 entwickelten Höhenforschungsflugzeugs Grob Strato 2C war ein mehrstufiger „Compound“-Lader vorgesehen, wobei das Abgas des Motors sowohl einen Abgasturbolader als auch den Niederdruck- und Mitteldruckverdichter eines Strahltriebwerks antreiben sollte, dessen Komponenten in der Triebwerksgondel untergebracht waren. Nach dem Passieren des Turboladers wurde das Abgas dazu in die Turbinensektion des Strahltriebwerks geleitet. Die von den Verdichterstufen des Triebwerks komprimierte Luft wurde dem Verdichter des Turboladers zugeführt. Das Verdichtungsverhältnis betrug maximal 1:45, was großvolumige Ladeluftkühler notwendig machte. Die konzipierte maximale Flughöhe lag bei 24.000 Metern[2]. Das Projekt wurde jedoch aus finanziellen und politischen Gründen nicht verwirklicht.
 
Turbo-Compound
Die Turbocompound-Technologie kombiniert einen herkömmlich arbeitenden ATL mit einer zweiten, nachgeschalteten Abgasturbine, die ihrerseits mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Diese zweite Turbine nutzt die Energie des nach dem Austritt aus dem ersten Lader immer noch heißen Abgases. Resultat ist ein nochmals höheres Drehmoment bei insgesamt nochmals gesteigerter Energieausnutzung, also eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads.

Turboaufladung bei Kraftfahrzeugen

Anwendung bei Ottomotoren
 
Bei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung ist der Ladedruck durch die entstehende Verdichtungswärme des Treibstoff-Luftgemisches im 2. Takt begrenzt. Eine Überschreitung bedeutet ungesteuerte Selbstentzündung und damit Motorklopfen oder Motorklingeln. Der Klopfbeginn kann mittels hochoktanigem Treibstoff, durch einen effektiven Ladeluftkühler oder durch Wasser-Methanol-Einspritzung nach oben versetzt werden. In den meisten Fällen werden jedoch die Steuerzeiten verändert und die Verdichtung herabgesetzt, um diesem Effekt vorzubeugen.
Bei Dieselmotoren für PKW wie auch für LKW ist der Abgas-Turbolader mittlerweile „Stand der Technik“, da sich beim Diesel nur durch Turboaufladung dem (Benzin-)Ottomotor angenäherte Literleistungen erreichen lassen. Ohne Turboaufladung müsste ein vergleichbar leistungsfähiger Motor nahezu den doppelten Hubraum und somit wesentlich höheres Gewicht aufweisen. Zudem verlagert die spezifische Drehmoment-Charakteristik eines Turbo-Diesels im Vergleich zum Saug-Diesel den Bereich maximaler Kraftentfaltung in niedrigere Drehzahlbereiche. Dadurch bieten solche Motoren eine hohe „Elastizität“, so dass zum Beschleunigen seltener in niedrigere Gänge geschaltet werden muss.
 
Anwendung bei Dieselmotoren
 
Prinzipbedingt benötigen Dieselmotoren keine Drosselklappe. Daher liegt auch bei Schubbetrieb ein Gasstrom am Turbolader an. Damit sinkt die Drehzahl der Turbine nicht soweit ab wie bei einem Ottomotor, was das Ansprechverhalten bei Lastwechseln verbessert. Dieseltechnik ist somit sehr gut geeignet für den wirkungsvollen Einsatz eines Turboladers. Daneben weisen Dieselmotoren einen höheren Wirkungsgrad, niedrigere Drehzahlen und eine geringere Abgastemperatur auf, daher ist das Material des Diesel-Turboladers weniger hohen Belastungen ausgesetzt.
Großdieselmotoren wurden schon frühzeitig mit Turboladern bzw. externen Kompressoren ausgestattet (z. B. Schiffsdieselmotoren erstmals 1925). Auch bei den ersten Diesellokomotiven Ende der 1930er wurden Abgasturbolader eingesetzt. Für LKW bringt 1951 MAN einen Motor mit einem selbstentwickelten Turbolader heraus, wobei der 8,72-Liter-Motor in der Leistung von 130 auf 175 PS gesteigert wurde. Der LKW Produzent Volvo baute ab 1954 einen Turbolader in seine Motoren ein, der wegen seiner Zuverlässigkeit den Durchbruch im LKW-Motorenbau brachte. Bei großen Nutzfahrzeugen werden sie seit den 1960er Jahren bei einem sehr hohen Anteil der ausgelieferten Fahrzeuge eingesetzt. Dieselmotoren in Personenkraftwagen werden seit 1979 mit Turboladern ausgestattet. Im europäischen Raum haben seit 1988 Personenkraftwagen mit Diesel-Turboladermotoren mit Ladeluftkühler und Direkteinspritzung eine sehr große Bedeutung erlangt.
 
Verwendung bei PKW und Motorrädern
Serien-PKW mit aufgeladenen Ottomotoren kamen erstmals Anfang der 1960er Jahre in Form des Oldsmobile Turbo Jetfire (V8, Hubraum: 215 cui ≈ 3,5 Liter, 160 kW, 218 SAE-PS; für diverse Modelle) und Chevrolets Corvair Spyder (V6 Turbo, Hubraum: 145 cui; ≈ 2,4 Liter, 110 kW, 150 SAE-PS) auf den Markt.
Pioniere dieser Bauart in Deutschland waren die Aggregate des „BMW 2002 turbo“ (1973) und des „Porsche 911 turbo“ (1975).
Ottomotoren werden nur zu geringen Anteilen mit Aufladung versehen, auch wenn in jüngster Zeit eine deutliche Zunahme zu verzeichnen ist, bevorzugt bei leistungsstarken Modellen. Der Trend geht jedoch zu so genannten Downsizing-Konzepten, bei denen kleinere Aggregate mit Aufladung an die Stelle größerer nicht aufgeladener Motoren treten. Ziele beim Downsizing (dt. Verkleinerung) sind vermindertes Gewicht, verminderte Reibung und verminderter Raumbedarf des Motors, wodurch zusätzlich das Gewicht von Karosserie und peripherer Mechanik verringerbar ist.
Aufgeladene Motoren – sowohl Benziner als auch Diesel – sind in der Herstellung meist teurer als vergleichbare Sauger, zudem regelungstechnisch komplex (Steuerung der druckmindernden Ventile wie das Wastegate oder das Umluftventil). Das bei Ottomotoren meist stärker als bei Dieselmotoren auftretende so genannte „Turbo-Loch“, das sich hauptsächlich im unteren Drehzahlbereich beim auf Schubphasen folgenden Gasgeben als Drehmoment-Schwäche zeigt, konnte durch Fortschritte bei der Konstruktion (VTG, kleinere und somit schneller ansprechende Lader, leichtere Schaufelräder mit geringerer Massenträgheit) und in der Regelungstechnik stark reduziert werden.
Der im Zusammenhang mit Turboladern nicht selten vorgebrachte Kritikpunkt des höheren Verbrauchs relativiert sich heute meist zu einem höheren absoluten Verbrauch des stärkeren Turbomotors. Moderne Turbo-Benzinmotoren verbrauchen bei optimaler Auslegung spezifisch weniger Kraftstoff als Saugmotoren gleicher Leistung (gemessen in Gramm/Kilowattstunde, früher in Gramm/PS-Stunde). Auch in der Formel 1 war der (heute dort laut Reglement untersagte) Turbomotor dem Saugmotor im spezifischen Verbrauch überlegen. Eine absolut höhere Leistung.