Extreme Hitze und eisige Kälte: In genau diesem thermischen Spannungsfeld befindet sich der Arbeitsbereich von Turboladern. Während auf der einen Seite aktuell winterliche Kaltluft angesaugt und verdichtet wird, bringt auf der anderen Seite glühend heißes Abgas mit bis zu 950° C die Turbine auf Touren.
Während vor Jahren der Turbo noch Sportwagen vorbehalten war, ist er aus dem modernen Motorenbau nicht mehr wegzudenken. Das Downsizing sorgt dabei für weitere Verbreitung der Abgasturbine: Turbo statt Hubraum ist die Devise. Kleine Motoren mit geringerem Hubvolumen haben weniger innere Reibung – das spart Sprit.
Das Leistungsdefizit wird per Turbo aufgefüllt. Für eine vollständige Verbrennung im Motor ist ein Mischungsverhältnis von 1 kg Kraftstoff und 14,7 kg Luft, das entspricht etwa 11 m³, notwendig (stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis). Um eine bestimmte spezifische Leistung zu erreichen, muss eine entsprechende Menge Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt werden. Bei Saugmotoren ist diese Menge vornehmlich durch den Hubraum vorgegeben, bei aufgeladenen Triebwerken zusätzlich vom Ladedruck und der Temperatur der einströmenden Luft. Durch die Aufladung und die Absenkung der Lufttemperatur durch den Ladeluftkühler wird die Dichte der Ansaugluft erhöht und damit letztlich die Sauerstoffmenge vergrößert.
Durch die Aufladung wird also der Füllungsgrad und somit der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors spürbar verbessert. Darüber hinaus kann das Drehmoment deutlich angehoben werden, wodurch eine Leistungssteigerung erzielt werden kann. Der im Vergleich zum Saugmotor leistungsgleiche turboaufgeladene Downsizing-Motor kann also mit kleinerem Hubraum und daher geringerem Gewicht ausgelegt werden.
Das Herzstück des Turboladers ist das Laufzeug, bestehend aus dem Turbinenrad, der Welle und dem Verdichterrad. Das Turbinenrad befindet sich an der Abgasseite. Es ist fest, etwa durch Reib- oder Laserschweißen, mit der Welle verbunden. Das Verdichterrad ist am anderen Ende der Läuferwelle aufgeschraubt.
Zum Antrieb des Turboladers wird der Abgasstrom aus dem Motor durch die Turbine geleitet. Dadurch wird das Turbinenrad in eine sehr schnelle Drehbewegung versetzt. Über die Läuferwelle wird das Verdichterrad mit angetrieben. Die Turbinendrehzahl ist von Bauart und Abgasmenge abhängig.
In kleinen Turboladern erreicht das Laufzeug bis zu 300 000/min (z.B. im kleinen Smart-Motor). Damit ein zu hoher Druck den Motor und den Turbolader nicht zerstören kann, wird der maximale Ladedruck meist über eine Ladedruckregelung begrenzt. Viele Turboladerschäden lassen sich auf eine Fehlfunktion von Peripheriebauteilen zurückführen.
Damit bei einem möglichen Austausch der neue Turbolader nicht nach kurzer Zeit mit demselben Schaden ausfällt, haben wir hier typische Schadensbilder und deren mögliche Ursachen zusammengestellt. Ebenso zeigen wir, wie solche Schäden langfristig vermieden werden können.
Turboladerschäden durch Schmierungsmangel
Schmierungsmangel zählt zu den häufigsten Ausfallursachen eines Turboladers. Wird der Turbo mit zu wenig oder dem falschen Öl versorgt, ist das Gleitlager schnell am Ende. Gründe hierfür sind Hitze und Reibung bei den sehr hohen Drehzahlen der Turbine.
Schadensbild
► Das Verdichter- und das Turbinenrad können aufgrund eines Lagerschadens am Turboladergehäuse anschlagen.
Erkennbar ist dies an den Anlaufspuren am Gehäuse.
► Das Laufzeug erreicht so nicht mehr die maximale Drehzahl und kann dadurch nicht mehr den vollen Ladedruck aufbauen. Ursache hierfür ist die durch den Schmierungsmangel bedingte Mischreibung. Folge ist nachlassender Ladedruck, der Motor verliert Leistung.
► Reduzierter Ladedruck kann aufgrund eines zu fetten Kraftstoff-Luft-Gemisches zu Schwarzrauchbildung führen.
► Der Wellenschaft weist eine deutliche Verfärbung auf.
Diese entsteht durch Reibungshitze zwischen der Welle und den Lagern. Ursache ist Schmierungsmangel.
Überschreitet die Temperatur einen bestimmten Wert, kommt es zum Aufschweißen des Lagermaterials auf die Welle
oder gar zum kompletten Verschweißen der Lagerbuchse mit der Welle.
► Ein gebrochener Wellenschaft ist die Folge von langem Betrieb des Turboladers mit schlechter Ölversorgung.
Das Material der Welle kann ausglühen und brechen.
► Wenn sich fest im Lagergehäuse eingebaute Lagerbuchsen durch Reibungshitze mit der Welle verschweißen, können sich die Buchsen im Lagergehäuse verdrehen.
► Ebenso ist es möglich, dass die Welle aufgrund der Mischreibung schlagartig im Lagergehäuse blockiert. Unter Umständen kann sich die Sicherungsmutter des Verdichterrads lösen.
► Durch das Anlaufen am Gehäuse kann das Laufzeug stark unwuchtig werden. Auf Dauer kann so das Radiallager brechen.
► Bedingt durch falsches Öl oder Heißabstellen des Motors kann das Lagergehäuse verkoken. Die Radiallager können dann fressen. Das Axiallager weist Fressspuren oder Ölkohleablagerungen auf. Ausgeschlagene Lager können ein zu starkes Taumeln der Welle verursachen, wodurch auch der Lagerbund beschädigt werden kann.
Schadensursache
► Schuld an schmierungsbedingten Schäden ist häufig ein zu niedriger Ölstand im Motor. Dadurch erhält nicht nur der Motor, sondern auch der Turbolader eine nur unzureichende Ölschmierung und Ölkühlung.
► Das verwendete Öl ist nicht ausreichend temperaturbeständig. Dadurch wird vermehrt Ölkohle gebildet. Dies kann diverse Probleme hervorrufen. Die Ölzulaufleitung des Turboladers und die Ölbohrungen im Lagergehäuse des Turboladers können verkoken.
► Die Ölzulaufbohrung kann verkoken, wenn der Motor häufiger heiß abgestellt wird. So kann der Turbolader nicht mehr ausreichend mit Öl versorgt werden.
► Hohe Drehzahlen bei kaltem Motor. Es besteht die Gefahr, dass die Ölversorgung im Turbolader noch nicht ausreicht und dadurch der Ölfilm im Lager abreißt.
► Fremdkörper im Ölkreislauf, beispielsweise Schmutz oder Dichtungsreste, könne die Ölzulaufleitung des Turboladers und/oder das Lagergehäuse verstopfen, eine sichere Schmierung ist nicht mehr gewährleistet.
► Zu dickflüssiges Öl: Eine hohe Viskosität des Öls verzögert den Transport zu den Lagerstellen, wodurch auch die rechtzeitige Versorgung des Turboladers nicht gewährleistet ist.
Bei niedrigviskosem, dünnflüssigem Öl hingegen reicht die Tragfähigkeit des Öls nicht mehr aus, was vermehrt zu Verschleiß fördernder Mischreibung führen kann.
► Bei Betrieb mit Biodiesel oder Pflanzenöl kann das Motoröl versulzen. Dadurch wird es dickflüssig und kann nicht mehr durch die dünnen Ölbohrungen im Turbolader transportiert werden.
► Verlegte Ölbohrungen. So kann etwa die Lagergehäuse-Zulaufbohrung durch eine falsche Flanschdichtung oder durch Flüssigdichtmittel teilweise verschlossen sein.
Abhilfe/Vermeidung
► Der Motor muss warm und kalt gefahren werden.
► Der Motor muss stets ausreichend mit Öl versorgt sein.
► Es dürfen nur vom Fahrzeug- oder Motorenhersteller freigegebene Motoröle verwendet werden.
► Es sollte vermieden werden, ausschließlich Kurzstrecken zu fahren.
► Die Wartungsintervalle gemäß Herstellerangaben sind unbedingt einzuhalten.
► Es sollten nur qualitativ hochwertige und exakt für das Fahrzeug vorgesehene Ölfilter verwendet werden.
► Es ist immer der entsprechende Anbauteilesatz für den entsprechenden Turbolader zu verwenden.
► Beim Betrieb des Motors mit Biodiesel oder Pflanzenöl sind die Service-Intervalle mindestens zu halbieren.
Turboladerschäden durch verunreinigtes oder überaltertes Motoröl
Auch Verunreinigungen des Öls wie Ruß, Kraftstoff, Wasser, Verbrennungsrückstände oder Metallabrieb können aufgrund der extrem hohen Drehzahlen des Turboladers starke Beschädigungen am Turbolader hervorrufen.
Schadensbild
► Kleinste Fremdkörper im Öl verursachen Riefen in den Lagerbuchsen.
Wie bei Kolben in Verbrennungsmotoren werden zur Wellenabdichtung in Turboladern kleine Kolbenringe eingesetzt. Sind diese verschlissen, können sie den Turbolader nicht mehr ausreichend abdichten, Öl gelangt auf die Turbinenseite. Erkennbar ist dies am erhöhten Ölverbrauch.
► Das Lagerspiel des Laufzeugs vergrößert sich aufgrund der verschlissenen Lagerbuchsen. Dies führt zu Taumelbewegungen und zum Anlaufen des Turbinen- bzw. des Verdichterrads am Gehäuse.
Im weiteren Verlauf kann die Welle brechen.
► Der Lagerbund, d. h. die Anlaufscheibe des Axiallagers, weist Riefen auf.
► Im Axiallager sind Riefen oder Fressspuren erkennbar.
► Durch eine blockierte Ölrücklaufleitung kann das im Turbolader befindliche Öl nicht mehr abfließen und wird stattdessen zur Verdichter- und Turbinenseite herausgedrückt. Auf der Turbinenseite kann dann das Öl auf der Welle festbrennen und verkoken.
Bedingt durch die Ölkohleschicht können dann das Lagergehäuse und die Kolbenringe frühzeitig verschleißen.
► Die Welle des Laders weist an den Lagerstellen deutliche Verschleißspuren auf.
Schadensursache
Überwiegende Ursache für übermäßigen Verschleiß durch Schmutzeintrag ist das Überschreiten der Wartungsintervalle. Ist der Ölfilter gesättigt, kann er nicht mehr ausreichend Schmutz aus dem Öl filtern. In diesem Fall gelangen die abrasiven Schmutzpartikel durch das geöffnete Bypass-Ventil des Ölfilters in den Motorkreislauf.
► Wurde der Motor instand gesetzt, jedoch vor dem Zusammenbau nicht ordnungsgemäß gereinigt, befindet sich Schmutz möglicherweise schon vor der ersten Inbetriebnahme im Motor.
► Nach einem Schaden/einer Reparatur wurde der Ladeluftkühler nicht erneuert. Angesammeltes Motoröl, Späne oder Bruchstücke aus dem vorangegangenen Schaden gelangen gefährlich zeitversetzt in den Motor.
► Unterliegt der Motor starkem Verschleiß, gelangen Verschleißpartikel über den Ölkreislauf in den Lader.
► Ist die Zylinderkopfdichtung oder der Ölkühler undicht, gelangt Wasser in den Ölkreislauf und verdünnt das Öl. Dadurch wird dessen Schmier- und Tragfähigkeit reduziert.
► Durch Defekte, die im Motor zu Verbrennungsstörungen führen, kann unverbrannter Kraftstoff ins Öl gelangen. Auch diese Ölverdünnung schwächt die Tragfähigkeit des Ölfilms.
Abhilfe/Vermeidung
► Die Wartungsintervalle gemäß Herstellerangaben sind unbedingt einzuhalten.
► Es sollten nur qualitativ hochwertige und exakt für das Fahrzeug vorgesehene Ölfilter verwendet werden.
► Es dürfen nur vom Fahrzeug- oder Motorenhersteller freigegebene Motoröle der richtigen Spezifikation verwendet werden.
► Beim Tausch von Turboladern nach Schäden dieser Art sind grundsätzlich ein neuer Ladeluftkühler und ein neuer Luftfilter einzubauen. Darüber hinaus ist ein Ölwechsel inklusive Ölfilterwechsel durchzuführen.
► Das Luftfiltergehäuse sowie die gesamte Ladeluftstrecke sollten durch Ausblasen und Aussaugen gereinigt werden.
Ölaustritt am Turbolader – was sind die Ursachen?
Zeigt der Motor einen erhöhten Ölverbrauch und raucht blau, sollte der Turbolader unbedingt in die Ursachenanalyse einbezogen werden. Wichtig: Aus einem Turbolader wird nur dann Öl aus dem Gehäuse gedrückt, wenn in seinem Umfeld abweichende Betriebsbedingungen herrschen.
Schadensbild
► Aus der Turbinen- bzw. Verdichterseite des Turboladers wird Öl herausgedrückt.
► Aus der Abgasanlage entweicht Blaurauch.
► Im Ansaugtrakt/Ladeluftkühler hat sich Motoröl gesammelt.
► Der Motor weist einen Leistungsverlust auf.
► Im Motor entstehen unkontrollierte Überdrehzahlen (sogenanntes "Hochgehen") durch das im Ladeluftkühler angesammelte Motoröl, das in die Ansaugung des Motors geblasen und verbrannt wird.
► Verkoken der Leitschaufeln bei einem VTG-Turbolader.
Ursachen
► Ist die Ölrücklaufleitung des Turboladers verstopft
oder durch einen Knick verengt, kann das Öl aus dem Turbolader nicht mehr ablaufen (B).
Ursachen für eine verstopfte oder verkokte Rücklaufleitung sind etwa fehlende Hitzeschilde, eine schlecht verlegte Rücklaufleitung, das Heißabstellen des Motors, mangelhafte Ölqualität oder die Verwendung von Flüssigdichtmittel. Da der Turbolader weiterhin mit dem Öl aus dem Motorkreislauf versorgt wird, drückt dann das Öl zur Turbinen- bzw. Verdichterseite heraus.
► Wenn der Motor mit zu viel Öl befüllt ist, kann das Öl aus der Ölrücklaufleitung des Turboladers nicht mehr in die Ölwanne zurückfließen (C)
Zusätzlich panscht die Kurbelwelle das Öl auf. Dadurch entsteht Ölschaum, der eine zusätzliche Barriere für das rücklaufende Öl aus dem Turbolader bildet (D).
► Ist der Druck im Kurbelgehäuse zu hoch – entweder durch zu hohes Blow-by (E)
oder durch eine verstopfte Kurbelgehäuseentlüftung (F)
– überträgt sich dieser Druck ebenfalls in die Ölrücklaufleitung des Turboladers. Dadurch wird der Ölablauf aus dem Turbolader behindert, und das Öl drückt aus der Turbinen- bzw. Verdichterseite heraus.
Abhilfe/Vermeidung
► Der Motor darf nur mit der maximal vorgeschriebenen Ölmenge befüllt werden.
► Es dürfen nur vom Fahrzeug- oder Motorenhersteller freigegebene Motoröle verwendet werden.
► Die Ölrücklaufleitung muss exakt wie im Originalzustand verlegt werden. Darüber hinaus ist auf die korrekte Montage aller Hitzeschilder zu achten.
► Die Ölrücklaufleitung und die Anschlüsse bis zum Kurbelgehäuse sind auf Durchgängigkeit zu prüfen. Grundsätzlich empfiehlt sich, die Leitung und das Anschlussstück zu erneuern.
► Die Kurbelgehäuseentlüftung muss überprüft und bei Bedarf erneuert werden.
► Der Kolben und die Kolbenringe sind auf Verschleiß zu prüfen und ggf. auszutauschen.
► Beim Tausch des Turboladers sind wiederum grundsätzlich ein neuer Ladeluftkühler und ein neuer Luftfilter einzubauen. Darüber hinaus ist ein Ölwechsel inklusive Ölfilterwechsel durchzuführen.
Beschädigung des Turboladers durch angesaugte Fremdkörper
Ein eher seltenes Schadensbild bei Turboladern sind Defekte durch den Eintritt von Fremdkörpern wie Staub, Sand, Schrauben, Teilen von Kolbenringen oder Ventilen und Ablagerungen. Der Eintritt kann auf der Ansaug- oder auf der Abgasseite erfolgen und führt aufgrund der sehr hohen Drehzahlen meist zum Totalausfall des Turboladers. Auch Schäden am Ladeluftkühler können die Folge sein.
Schadensbild
► Bedingt durch einen Vorschaden können Fremdkörper aus dem Motor oder dem Auspuffkrümmer die Gaseintrittskanten des Turbinenrads beschädigen.
► Die Luftleitbleche der VTG-Einheit werden beschädigt und verbogen.
Ein deutlicher Leistungsverlust ist die Folge.
► Durch Fremdkörper in der Ansaugluft kommt es zu Schäden am Verdichterrad.
Dabei können die Fahnen komplett abgetragen werden. Darüber hinaus kann der Ansaugkanal des Verdichtergehäuses beschädigt werden.
► Durch im Ansaugtrakt gefrorenes Kondensat kann das Verdichterrad beschädigt werden. Kennzeichnend für diese Ursache ist der Schaden an lediglich einer Fahne: Aufgrund der hohen Drehzahlen zerbersten die Eispartikel beim Auftreffen auf die erste Fahne, wodurch in der Regel keine weiteren Fahnen beschädigt werden.
Ursachen
► Kommt es z. B. zum Abriss eines Ventils oder zum Bruch von Kolbenringen, treffen diese Teile über den Auspuffkrümmer auf die Leitschaufeln der VTG-Einheit und auf das Turbinenrad.
► Sowohl eine Undichtheit im Ansaugtrakt als auch ein verschmutzter oder defekter Luftfilter können die Ursache für das Eindringen von Fremdkörpern in den Ansaugtrakt sein.
► Im Winter kann es durch Kondensat zur Bildung von Eis im Ansaugtrakt kommen.
Abhilfe / Vermeidung
► Es ist auf die Dichtheit des Ansaugtrakts zu achten.
► Nach Arbeiten am Ansaugtrakt muss unbedingt sichergestellt werden, dass dort keine losen Teile bleiben.
► Der Luftfilter muss nach Vorgabe des Herstellers gewechselt, und das Luftfiltergehäuse sowie die Ladeluftstrecke sollten durch Aussaugen gereinigt werden.
► Es sollte vermieden werden, ausschließlich Kurzstrecken zu fahren.
Überhitzungsschäden am ATL durch zu hohe Abgastemperatur
Turbolader sind hitzeempfindlich und nur für einen definierten Temperaturbereich ausgelegt. Wird dieser überschritten, kann es schon nach wenigen Sekunden zu drastischen Schäden kommen.
Schadensbild
► Durch die Hitze entstehen im Gehäuse des Turboladers Risse.
► Ölleitungen können verkoken: Verkokt etwa die Zulaufleitung, wird der Turbolader nur unzureichend mit Öl versorgt. Verkokt die Rücklaufleitung, kann das Öl nicht mehr abfließen und aus dem Turbolader drückt Öl nach außen.
Ursachen
► Möglicherweise wurde durch Tuning das Temperaturniveau verändert.
► Im Motor sind Verbrennungsstörungen aufgetreten.
► Der Motor wurde heiß abgestellt.
Abhilfe/Vermeidung
► Der Turbolader darf ausschließlich im dafür vorgesehenen Fahrzeug verwendet werden.
► Der Turbolader darf nur im Original-Lieferzustand eingebaut und betrieben werden. Technische Veränderungen sind unzulässig.
► Der Motor muss nach hoher Beanspruchung, etwa Fahrten unter Volllast, immer unter moderaten Drehzahlen kalt gefahren werden.
Ausfall des Turboladers durch Überschreitung der Grenzdrehzahlen
Die in einem Turbolader verwendeten Teile sind für ein definiertes Drehzahlspektrum ausgelegt. Wird dieses überschritten, kann es binnen Sekunden zum kapitalen Turboladerschaden kommen.
Schadensbild
► Auf der Rückseite des Verdichterrads sind kleine Dellen zu sehen.
Das Material (meist Aluminium) hat sich bei der Überdrehzahl durch die hohen Zentrifugalkräfte plastisch verformt. Es beginnt zu fließen, und der Außendurchmesser vergrößert sich.
► Steigen die Drehzahlen noch weiter, kann es zum Anlaufen des Verdichterrads am Gehäuse und/oder zum Auseinanderbrechen kommen.
Ursachen
► Durch Tuning wurde die maximal zulässige Drehzahl des Turboladers überschritten.
► Durch Verkokung blockieren die VTG-Luftleitbleche in der Stellung für niedrige Drehzahlen. Werden dann die Motordrehzahlen erhöht, wird der Turbolader überdreht.
Die pneumatische oder elektrische Regelung ist defekt oder undicht.
Abhilfe/Vermeidung
► Der Turbolader muss immer im Lieferzustand belassen werden.
► Der Turbolader darf nur in den dafür vorgesehenen Fahrzeugen verwendet werden.
► Der Motor muss nach hoher Beanspruchung, wie Fahren unter Volllast, immer unter moderaten Drehzahlen kaltgefahren werden.
► Es dürfen nur vom Fahrzeug- oder Motorenhersteller freigegebene Motoröle verwendet werden.
► Die Wartungsintervalle gemäß den Herstellerangaben sind unbedingt einzuhalten.
Was lernen wir daraus?
Der Turbolader ist auch heute noch ein hoch belastetes, wie auch hochbelastbares Teil, das mit etwas Aufmerksamkeit seitens der Werkstatt wie auch des Autofahrers störungsfrei sehr hohe Kilometerleistungen erreichen kann.
Wenn es dann doch einmal zum Schaden kommen sollte, lässt sich dieser, mit etwas Übung – und unserer Anleitung – recht schnell und eindeutig diagnostizieren.