Verdichterkennfeld lesen: Pumpgrenze, Schluckgrenze und Wirkungsgrad

Was ein Verdichterkennfeld überhaupt zeigt

Ein Verdichterkennfeld ist ein Diagramm für genau einen Verdichter. Es zeigt, in welchem Bereich dieser Verdichter arbeiten kann. Zwei Achsen, mehrere gekrümmte Linien, dazwischen geschlossene Konturen für den Wirkungsgrad – auf den ersten Blick wirkt das wie reine Prüfstandsgrafik ohne Alltagsbezug. Tatsächlich beantwortet dieses eine Bild eine sehr praktische Frage: Passt dieser Verdichter zu diesem Motor, bei dieser Drehzahl, bei dieser Last, bei dieser Höhenlage? Ein Ladedruckwert allein beantwortet diese Frage nicht. Er sagt nichts darüber, wie weit der Verdichter dabei von seinen Grenzen entfernt ist.

Für die Tuningpraxis lohnt sich deshalb ein anderer Blickwinkel als die reine PS-Zahl. Wer Ladedruck erhöht, um mehr Luftmasse zu bekommen, verschiebt den Betriebspunkt im Kennfeld. Er wandert nach oben, weil das Druckverhältnis steigt, und meist auch nach rechts, weil mehr Luftmasse durch den Verdichter muss. Ob dieser neue Punkt noch innerhalb der nutzbaren Fläche liegt, entscheidet das Kennfeld, nicht der Ladedruckmesser am Instrument. Diese Unterscheidung ist der rote Faden dieses Beitrags.

Die X-Achse: korrigierter Massenstrom statt Rohwert

Die waagerechte Achse eines Compressor Maps trägt fast immer den korrigierten Massenstrom, nicht den roh gemessenen. Der Unterschied ist mehr als eine Formsache. Ein Verdichter, der bei kalter, dichter Winterluft getestet wird, transportiert bei gleicher Drehzahl eine andere Rohmasse als derselbe Verdichter an einem heißen Sommertag mit dünnerer Luft am Einlass. Ohne Korrektur wären zwei Messungen desselben Bauteils an zwei verschiedenen Tagen kaum vergleichbar. Die Korrektur normiert den gemessenen Massenstrom deshalb auf eine gemeinsame Referenztemperatur und einen gemeinsamen Referenzdruck. Erst dadurch sprechen unterschiedliche Messtage, Höhenlagen und Prüfstände dieselbe Sprache.

Praktisch bedeutet das: Ein roher Luftmassenwert aus dem Steuergerät lässt sich nicht direkt neben eine Kennfeldlinie legen. Er muss zuerst auf dieselbe Referenzbasis gebracht werden wie das Diagramm selbst. Sonst landet der Punkt an der falschen Stelle im Bild. Volumenstrom und Massenstrom bleiben dabei zwei verschiedene Größen. Ein Wert in Liter pro Sekunde sagt ohne Temperatur- und Druckangabe wenig über die tatsächlich bewegte Luftmasse aus – und genau diese Masse ist es, die am Ende mit Kraftstoff verbrannt wird.

Die Y-Achse: Druckverhältnis – und warum Absolutdruck zählt

Auf der senkrechten Achse steht das Druckverhältnis: Auslassdruck geteilt durch Einlassdruck, beide als Absolutwerte. Das ist der Punkt, an dem viele Alltagsmessungen kippen. Ein Ladedruckmesser am Ansaugtrakt zeigt meist nur einen Überdruck gegenüber der Umgebung an, den sogenannten Gauge-Wert. Für das Kennfeld zählt aber der Verhältniswert zwischen zwei absoluten Drücken, inklusive des Umgebungsdrucks selbst. Wird eine Ansaugung durch einen Filter oder eine enge Leitung vor dem Verdichter zusätzlich gedrosselt, sinkt der Einlassdruck unter den Umgebungsdruck. Das erforderliche Druckverhältnis steigt dann, obwohl der angezeigte Ladedruck am Instrument unverändert bleibt.

Dasselbe passiert in großer Höhe. Bei niedrigerem Umgebungsdruck braucht ein Verdichter ein höheres Druckverhältnis, um denselben absoluten Ausgangsdruck zu erzeugen, den er auf Meereshöhe mit weniger Arbeit erreicht hätte. Zwei Fahrzeuge mit identischem Ladedruck können deshalb unterschiedlich stark ausgelastete Verdichter haben, je nachdem, wo und wie sie fahren. Ein Boostwert ohne Angabe von Einlass- und Auslassdruck als Absolutwerte bleibt für eine Kennfeldaussage unvollständig. Auf dem Display sieht er trotzdem plausibel aus.

Wirkungsgradinseln: der Bestpunkt ist nicht der ganze Betriebsbereich

In das Kennfeld sind geschlossene, ringförmige Linien eingezeichnet, die Bereiche gleichen Wirkungsgrads markieren – die sogenannten Wirkungsgradinseln. Ihr Zentrum liegt beim höchsten erreichbaren Wirkungsgrad des Verdichters. Mit jedem Ring nach außen sinkt der Wert. Wichtig ist: Diese Bestmarke beschreibt nur einen einzigen Punkt, nicht den gesamten nutzbaren Bereich. Ein Verdichter kann außerhalb dieser Insel arbeiten und trotzdem sinnvoll funktionieren, nur eben mit spürbar schlechterem Wirkungsgrad und dadurch mit mehr Wärmeeintrag in die angesaugte Luft.

Zwei Betriebspunkte mit exakt demselben Ladedruck können deshalb sehr unterschiedliche Verdichteraustrittstemperaturen erzeugen, je nachdem, wie nah sie an der Wirkungsgradinsel liegen. Für die Praxis heißt das: Ein Fahrzeug, dessen typischer Fahrbereich weit außerhalb der Bestmarke liegt, arbeitet zwar noch innerhalb der äußeren Grenzen des Kennfelds, erzeugt dabei aber mehr Hitze. Diese Hitze muss der Ladeluftkühler erst wieder abführen. Genau das ist der Grund, warum zwei baugleiche Turbolader in zwei unterschiedlich abgestimmten Fahrzeugen völlig verschieden warm werden können.

Die Pumpgrenze: wenn die Strömung kippt

Die linke Begrenzungslinie des Kennfelds heißt Pumpgrenze oder Surge Line. Sie markiert den Bereich, in dem die Strömung durch den Verdichter instabil wird: Bei zu geringem Massenstrom und gleichzeitig hohem Druckverhältnis kann die Luft kurzzeitig zurückschlagen, bevor sie wieder nach vorn beschleunigt wird. Das äußert sich als pulsierendes Geräusch und als spürbare Unruhe im Ladedruckverlauf. Im ungünstigen Fall belastet es zusätzlich die Lagerung des Turboladers. Unterhalb der Volllast tritt dieser Zustand vor allem dann auf, wenn eine Last plötzlich wegfällt – etwa beim schnellen Schließen der Drosselklappe, während der Turbo noch mit hoher Drehzahl dreht.

Dieser transiente Fall beim Gaswegnehmen ist ein eigener Mechanismus. Er unterscheidet sich vom stationären Pumpen unter Teillast. Beim Schließen der Drosselklappe bricht der Massenstrom durch den Verdichter sehr schnell ein, während die Turbowelle wegen ihrer Massenträgheit noch für kurze Zeit weiterdreht. Genau für diesen Fall setzen viele Fahrzeuge ein Bypassventil ein, das die Luft am Verdichterausgang kurzzeitig ableitet oder zurückführt, damit der Massenstrom nicht schlagartig gegen eine geschlossene Drosselklappe anläuft. Ohne diese Entlastung würde der Betriebspunkt bei jedem Gaswegnehmen kurz die Pumpgrenze streifen. Das Ventil kauft dem System also Zeit.

Die Schluckgrenze: wenn mehr Drehzahl nichts mehr bringt

Am rechten Rand des Kennfelds liegt die Schluckgrenze, auch Choke Line genannt. Dort fällt der Wirkungsgrad steil ab, weil die Strömung im Verdichter Geschwindigkeiten erreicht, bei denen sie sich nicht mehr effizient weiter beschleunigen lässt. Eine höhere Turbodrehzahl bringt in diesem Bereich kaum noch zusätzlichen Massenstrom. Dafür steigen Wärme und mechanische Belastung deutlich. Wer die Schluckgrenze mit der maximalen Leistung gleichsetzt, verwechselt zwei verschiedene Dinge. Die Schluckgrenze beschreibt eine Strömungsgrenze des Verdichters, keine garantierte Leistungsangabe für ein bestimmtes Fahrzeug.

In der Praxis bedeutet das: Ein Turbo, der nahe an seiner Schluckgrenze betrieben wird, liefert zunehmend schlechtere Effizienz für jeden zusätzlichen Anteil an Luftmasse. Genau deshalb wählen Tuner für höhere Zielleistungen meist einen größeren Verdichter, statt denselben bis an den Anschlag zu treiben. Ein größeres Rad verschiebt die gesamte nutzbare Fläche des Kennfelds nach rechts. Dadurch entsteht Reserve, statt die vorhandene Fläche bis zum letzten Prozentpunkt auszureizen.

Drehzahllinien: die Grenze, die beim Tuning gern übersehen wird

Neben Pumpgrenze und Schluckgrenze verlaufen im Kennfeld noch gekrümmte Drehzahllinien, die jeweils eine bestimmte Turbowellendrehzahl markieren. Diese Grenze ist unabhängig von Pumpen und Schlucken. Ein Betriebspunkt kann rein strömungstechnisch noch innerhalb der Kennfeldfläche liegen und trotzdem eine Turbodrehzahl verlangen, die über der mechanisch zulässigen Grenze des Bauteils liegt. Für die Praxis heißt das: Ein Kennfeld wird nicht nur auf Pump- und Schluckgrenze gelesen, sondern auch darauf, welche Drehzahllinie der jeweilige Betriebspunkt kreuzt.

Gerade bei Höhenfahrten oder starker Anhebung des Ladedrucks kann sich die benötigte Drehzahl schneller erhöhen als der Ladedruck selbst. Der Grund: Der Verdichter muss bei dünnerer Ansaugluft mehr Arbeit pro transportierter Masseneinheit leisten. Eine reine Boostgrenze in der Motorsteuerung schützt deshalb nicht automatisch vor einer Überdrehzahl des Turboladers. Dafür braucht es entweder eine direkte Drehzahlüberwachung oder ein Kennfeld, das ausreichend Abstand zur höchsten zulässigen Linie lässt. Mehr Höhe heißt also nicht automatisch weniger Belastung.

Warum ein einzelner Betriebspunkt nicht das ganze Kennfeld ist

Ein Motor bewegt sich beim Fahren ständig zwischen Drehzahlen und Lastzuständen, nicht an einem festen Punkt. Beim Beschleunigen aus niedriger Drehzahl liegt der Betriebspunkt zunächst nahe an der Pumpgrenze, weil der Massenstrom noch gering ist, während der Fahrer bereits viel Ladedruck fordert. Mit steigender Drehzahl wandert der Punkt weiter nach rechts, durch die Wirkungsgradinsel hindurch. Bei hoher Last kann er in Richtung Schluckgrenze weiterwandern. Ein einziger Betriebspunkt – etwa der bei Volllast und Nenndrehzahl gemessene – beschreibt deshalb nie das gesamte Verhalten eines Fahrzeugs. Wie sich der Ladedruck von dort aus über die Last bis zum tatsächlichen Drehmoment am Rad weiterträgt, erklärt der Beitrag Vom Ladedruck zum Drehmoment.

Für eine seriöse Einordnung eines Turboladers zählt der gesamte Weg, den der Betriebspunkt beim typischen Fahren nimmt, nicht nur ein einzelner Spitzenwert. Wer Soll- und Istwert im Log gegeneinander liest, sieht diesen Weg tatsächlich, statt ihn nur zu vermuten. Ein Verdichter, der bei Volllast hervorragend arbeitet, aber im Alltagsdrehzahlbereich ständig nahe der Pumpgrenze läuft, ist für den Alltag schlechter gewählt als ein etwas kleinerer. Der kleinere hält über den ganzen Fahrbereich Abstand zu beiden Grenzen.

Turbine, Wastegate und Motor als gekoppeltes System

Das Verdichterkennfeld beschreibt nur eine Hälfte des Turboladers. Die Turbine auf der Abgasseite, das Wastegate oder die variable Turbinengeometrie, der Abgasgegendruck, die Motorluftanforderung und die Steuergeräteregelung bestimmen gemeinsam, welcher Punkt im Verdichterkennfeld überhaupt angefahren wird. Eine Änderung an Krümmer, Downpipe oder Ansaugtrakt kann deshalb denselben Zielladedruck bei einer anderen Turbodrehzahl oder mit einer anderen thermischen Belastung erreichen. Am Verdichter selbst hat sich dabei nichts geändert. Wer Ladedruckregelung und Wastegate versteht, sieht schneller, ob ein Problem tatsächlich vom Verdichter kommt oder von der Abgasseite dorthin getragen wird. Auch ein Fächerkrümmer mit Twin-Scroll-Anbindung verändert, wie die Abgaspulse die Turbine erreichen, und damit indirekt den Weg zum Betriebspunkt.

Deshalb lohnt sich bei jeder Kennfeldbewertung der Blick auf die Zylinderfüllung und den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors. Der Verdichter liefert nur die Luft, die der Motor auch tatsächlich ansaugen kann. Konstruktionen wie Twin-Scroll, VTG, Biturbo oder E-Turbo verändern genau dieses Zusammenspiel. Sie leiten den Abgasstrom anders auf die Turbine oder bringen eine zusätzliche elektrische Unterstützung ein – mit direkter Wirkung darauf, wie schnell und bei welcher Motordrehzahl der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld erreicht wird.

Warum Herstellerfaustformeln nur grobe Richtwerte sind

Turboladerhersteller veröffentlichen häufig einfache Faustformeln, die eine ungefähre Leistungsspanne mit einem bestimmten Verdichterrad verknüpfen. Solche Angaben sind ausdrücklich als grobe Orientierung gedacht, nicht als exakte Leistungsvorhersage für ein bestimmtes Fahrzeug. Zwischen einer Faustformel und der tatsächlichen Leistung liegen Motorgröße, Kraftstoff, Zündwinkel, Ladeluftkühlung, Abgasanlage und Kalibrierung. Sie alle übersetzen dieselbe Kennfeldfläche in unterschiedliche Fahrzeugleistungen. Auch die mittlere Kolbengeschwindigkeit und der effektive Mitteldruck setzen dem Motor eigene Grenzen, unabhängig vom Verdichter.

Wer eine solche Faustformel als feste Grenze für ein konkretes Fahrzeug liest, überträgt eine allgemeine Produktangabe auf einen speziellen Fall, für den sie nie gedacht war. Seriöser ist es, den tatsächlichen Betriebspunkt des eigenen Fahrzeugs im Kennfeld des jeweiligen Verdichters zu betrachten. Daraus lässt sich ableiten, wie viel Reserve zu Pump-, Schluck- und Drehzahlgrenze noch besteht. Das ist eine belastbarere Aussage als eine pauschale PS-Zahl, die für viele unterschiedliche Motoren gleichzeitig gelten soll.

Überdrehzahl und Hitze: was am Rand des Kennfelds passiert

Wird ein Verdichter dauerhaft nahe an seiner Drehzahl- oder Schluckgrenze betrieben, steigen zwei Größen gleichzeitig: die mechanische Belastung der Lagerung und die Temperatur der verdichteten Luft. Beides zusammen verkürzt tendenziell die Lebensdauer der Aufladung und erhöht die Anforderung an die nachgeschaltete Ladeluftkühlung. Für eine Bewertung der Motorhaltbarkeit nach einer Leistungssteigerung ist der Abstand zu diesen Kennfeldgrenzen deshalb ein eigener, oft unterschätzter Faktor. Zündwinkel, Klopfgrenze und mechanische Motorbelastung kommen dazu.

Praktisch heißt das nicht, dass jede Annäherung an den Kennfeldrand sofort schädlich ist. Turbolader werden für einen bestimmten Betriebsbereich konstruiert und dort auch dauerhaft betrieben. Entscheidend ist, ob der typische Fahrbereich eines Fahrzeugs mit ausreichendem Abstand innerhalb der Fläche liegt oder ob er regelmäßig an einer der drei Grenzen kratzt. Je öfter ein Betriebspunkt eine Grenze streift, desto weniger Reserve bleibt für Toleranzen in Fertigung, Alterung oder veränderte Umgebungsbedingungen wie Hitze oder Höhenlage. Dieselbe Vorsicht gilt für das Verdichtungsverhältnis im Brennraum, das sich nicht einfach in eine Druckzahl umrechnen lässt.

Ein Rechenbeispiel: Druckverhältnis und Austrittstemperatur einordnen

Ein einfaches Zahlenbeispiel zeigt, wie die Größen zusammenhängen. Daraus wird keine Aussage über ein bestimmtes Bauteil oder Fahrzeug. Angenommen, der absolute Druck vor dem Verdichter liegt bei 100 Kilopascal und der absolute Druck danach bei 200 Kilopascal. Daraus ergibt sich ein Druckverhältnis von 2,0 – einfach der Quotient aus beiden Absolutwerten. Wird zusätzlich ein Einlassverlust von 4 Kilopascal berücksichtigt, weil Filter und Leitung vor dem Verdichter selbst schon etwas Druck kosten, steigt das tatsächlich vom Verdichter zu leistende Druckverhältnis auf gut 2,08 – bei unverändertem Ausgangsdruck.

Der Unterschied zwischen der isentropen und der realen Austrittstemperatur in der letzten Zeile zeigt, warum der Wirkungsgrad keine akademische Randgröße ist: Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 0,72 liegt die tatsächliche Lufttemperatur nach dem Verdichter rund 26 Kelvin über dem theoretischen Idealwert. Dieses Beispiel ist ausdrücklich ein Rechenmodell zur Veranschaulichung des Zusammenhangs, keine Bauteilfreigabe und kein Zielwert für ein bestimmtes Fahrzeug – reale Zahlen hängen immer vom konkreten Verdichter, seiner Wirkungsgradinsel an diesem Punkt und den tatsächlichen Umgebungsbedingungen ab.

Häufige Fragen

Einordnung: wo die Angaben herkommen

Dieser Beitrag ordnet die Physik des Verdichterkennfelds ein und benennt seine Quellen im Klartext. Herstellerangaben werden dabei bewusst nicht als universelle Grenzwerte für beliebige Fahrzeuge umgedeutet, sondern als das behandelt, was sie sind: Angaben zu einem bestimmten Produkt, in einem bestimmten Prüfaufbau.

Umbauten am eigenen Fahrzeug. Ob ein Umbau auf öffentlichen Straßen betrieben werden darf, entscheidet der Genehmigungszustand des Fahrzeugs — die Genehmigung des Teils, der Einbau nach ihren Auflagen und, wo nötig, die Abnahme durch eine dafür zuständige Stelle. Solange diese Kette nicht vollständig ist, gehört der Umbau auf Privatgelände, Testflächen und in nicht öffentliche Bereiche.