SGApedia

Turbo, Turbolader, VTG

Bild von dieselsmell

1. Einleitung

Alle im SGA eingesetzten Dieselmotoren verfügen über eine Turboaufladung. Im PKW-Bereich sind Saug-Motoren, also Motoren, die über keinen Turbolader verfügen, fast ausgestorben. Im SGA verrichtet der Turbolader seinen Dienst weitgehend im Verborgenen. Er befindet sich hinter dem Motor. Dadurch sieht man ihn eigentlich nur von unten, wenn man die untere Motorverkleidung abbaut oder wenn man durch den Auspufftunnel auf den Motor schaut.

Turbo
Bild1: Blick durch den Auspufftunnel auf den Turbolader

Die meisten interessieren sich erst für ihn, wenn das Fahrzeug akuten Leistungsmangel hat und ein Fehler im Bereich der Turboaufladung vermutet wird. Folgende Symptome könnten auf einen Defekt hindeuten:

- Maximalgeschwindigkeit ist auf ebener Fahrbahn auf ca. 120 km/h begrenzt.
- akuter Leistungsmangel insbesondere wenn es bergauf geht
- Fahrzeug fährt zunächst normal, zeigt bei stärkerer Belastung plötzlich Leistungsmangel, der erst bei einem Neustart des Fahrzeuges verschwindet.

Um es vorwegzunehmen: Die Turbolader im SGA sind sehr robust und gehen nur selten kaputt. Wenn ein Turbolader mal ausfällt, dann durch einen Lagerschaden oder sich auflösende Turbinenschaufeln.

Relativ häufig treten jedoch Probleme auf, die indirekt mit dem Turbolader zu tun haben. Diese betreffen den VTG-Verstellmechanismus bzw. das Druckbegrenzungsventil (bei Wastegateladern). Bei einem solchen Problem muß der Turbolader nicht ersetzt werden. In der Praxis passiert dies leider häufig. Wenn z.B. das VTG-Gestänge schwergängig geworden ist, wird eine Werkstatt oft den Turbolader erneuern, weil es viel Zeit in Anspruch nimmt, das Gestänge wieder gängig zu machen und der Erfolg manchmal nicht dauerhaft gewährleistet werden kann. Mit zwei Stunden Geduld kann der Hobby-Mechaniker das Gestänge jedoch problemlos wieder gängig machen.

Ein sehr häufiger Grund für einen scheinbar defekten Turbolader sind beschädigte Unter- bzw. Überdruckschläuche. Dies führt dazu, das der VTG-Mechanismus nicht mehr bewegt werden kann (bei VTG-Ladern) das die Ladedruckregelung über das Wastegate nicht mehr funktioniert (bei 90Ps Dieseln) oder das der Ladedruck nicht richtig gemessen wird (alle VEP-Diesel bis 5/2000)
Die Fehlersuche ist hier beschrieben: http://www.sgaf.de/viewtopic.php?t=32618

Die Aussage einer Werkstatt "Der Turbo ist kaputt" sollte man also etwas hinterfragen. Den Werkstätten kann man keinen Vorwurf machen, wenn sie bei einem schwergängigen VTG-Mechanismus den kompletten Lader ersetzen wollen. Unsere Gesetzgebung zwingt sie dazu, auf Reparaturen 6 Monate Gewährleistung zu geben. Hat das Gängigmachen des VTG-Verstellmechanismus keinen dauerhaften Erfolg, muss die Werkstatt den Turbolader dann auf eigene Kosten ersetzen. Um dieses Risiko auszuschliessen, wird kaum noch etwas wirklich repariert, die Werkstätten sind zu Teiletauschern mutiert.


2. Funktionsweise des Turboladers:

Der Turbolader besteht aus zwei kleinen Turbinen (Schaufelrädern), von denen eine im Abgasstrom und die andere im Ansaugstrom des Motors sitzt. Beide Turbinen sind mit einer Welle fest miteinander verbunden.
Der aus dem Motor kommende Abgasstrom muß durch die Abgas-Turbine strömen. Diese wird dadurch in eine Drehbewegung versetzt. Der Turbolader wird somit von der Turbine im Abgasstrom angetrieben. Die Drehzahl der Turbine ist abhängig davon, wieviel Abgas sie durchströmt. Bei Vollgas erreicht die Turbine weit mehr als 100.000 U/min. Im unteren Drehzahlbereich kann man den Turbo pfeifen hören. Dann dreht er sich gerade mit 15.000 - 25.000 U/min. Höhere Frequenzen kann der Mensch nicht hören, daher pfeift der Turbo nur bei niedriger Drehzahl.

Die Turbine im Ansaugstrom dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Turbine im Abgasstrom. Die Turbine im Ansaugstrom sorgt dafür, dass die angesaugte Luft verdichtet wird. Obwohl beide Turbinenräder ähnlich aussehen, nennt man die im Ansaugstrom befindliche Turbine aufgrund ihrer Funktion Verdichterrad. Wenn Luft verdichtet wird, passt mehr Luft in die Brennkammer. Ein Dieselmotor braucht für eine gute Verbrennung einen hohen Luftüberschuss. Je mehr Luft sich im Zylinder befindet, desto mehr Diesel kann eingespritzt werden, um sie zu verbrennen. Daraus folgt, dass Turbo-Motoren eine höhere Leistung und ein höheres Drehmoment als Saugmotoren haben. Je höher die Luft im Zylinder verdichtet wird, desto mehr Leistung hat der Motor. Um den Turbolader und den Motor nicht zu zerstören, wird der maximale Ladedruck bei PD-Motoren begrenzt. Der 90 PS VEP-Diesel hat max. 0,8 bar Ladedruck, der 110 PS VEP-Diesel 0,95 bar, der 115 PS PD-Diesel 1,1 bar, der 130 PS PD-Diesel 1,3 bar und der 150 PS PD-Diesel 1,5 bar Ladedruck.


3. Ladedruckbegrenzung (Wastegate-Lader) und Ladedruckregelung (VTG-Lader)

Leider arbeiten Turbolader nur in einem kleinen Drehzahl/Lastbereich optimal. Bei geringer Motor-Drehzahl erzeugen sie nur sehr wenig Druck. Bei hoher Drehzahl dagegen soviel, dass er begrenzt werden muß.
Die Auslegung eines Turbolader wird daher immer ein Kompromiss sein. Einerseits sollte das sogenannte Turboloch, also der Bereich, wo der Turbolader nur wenig Ladedruck erzeugen kann möglichst klein sein, andererseits möchte man bei hoher Drehzahl nicht zu hohen Ladedruck erzeugen, der dann z.B. abgeblasen werden muß.

Um das Drehzahlband, indem der Turbolader optimal arbeitet, etwas zu vergrössern, wird beim SGA bei allen Dieselmotoren (Ausnahme: 90 PS Dieselmotoren) ein Turbolader mit einer verstellbaren Turbinengeometrie (VTG) eingesetzt. Dabei werden nicht die Schaufeln der Turbine selbst verstellt, sondern die Leitschaufeln, durch die das Abgas strömen muß, um zur Turbine zu gelangen.

Die 90 PS Dieselmotoren haben einen sogenannten Wastegate-Turbo. Wastegate bedeuted auf Deutsch Abfalltür. Wenn bei diesen Turboladern der Ladedruck zu hoch wird, öffnet ein Druckbegrenzungsventil eine Klappe (Wastegate). Ein Teil des unter Druck stehenden Abgasstromes kann dann an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff strömen.


Der Turbo



4. Funktionsweise und Fehlerauswirkung des Wastegates bei den 90 PS Dieselmotoren


Bei diesen Motoren wird der Ladedruck mit Hilfe des Wastegates begrenzt. Wenn der Ladedruck des Turbos zu hoch wird, also bei höherer Drehzahl und Last, öffnet das Druckbegrenzungsventil die Wastegate-Klappe im Turbolader. Der Mechanismus ist einfach:
Ein Gummischlauch leitet verdichtete Luft von der Verdichter-Seite des Turbos zu einer Membrandose. Die Membrandose ist eine zweigeteilte Kammer, die durch eine bewegliche Gummimembran geteilt ist. Auf die eine Seite der Membran drückt die verdichtete Luft. Auf der anderen Seite befindet sich eine Feder. Dort ist auch eine Stange an der Membran befestigt. Diese Stange ist mit dem Wastegate verbunden. Wenn kein Turbolader-Druck anliegt, sorgt die Feder in der Membrandose dafür, dass das Wastegate geschlossen bleibt. Wenn jedoch ein Ladedruck von 0,6 bar anliegt, erzeugt der Druck eine grössere Kraft auf die Membran als die Feder. Sie wird überdrückt und die Stange öffnet das Wastegate einen Spalt..

Die Feder in der Membrandose ist so eingestellt, dass das Wastegate bereits bei einem Ladedruck von 0,6 bar öffnet. Der Motor und der Turbolader sind jedoch für einen Ladedruck von ca. 0,8 bar ausgelegt. Wenn ein höherer Ladedruck als 0,6 bar benötigt wird, muss die Membrandose "betrogen" werden. In die Druckleitung von der Verdichter-Seite des Turbolader zur Membrandose ist ein elektro-pneumatischer Wandler (oft auch Druckregelventil genannt) eingebaut. Wenn ein höherer Ladedruck als 0,6 bar aufgebaut werden soll, bekommt der Wandler kurze Stromimpulse vom Motor-Steuergerät. Im Inneren des Wandlers öffnet kurzzeitig ein Magnetventil und erlaubt es einem Teil des Überdruckes im Druckschlauch zu entweichen. Dadurch öffnet die Membrandose erst bei einem höheren Druck als 0.6 bar.


4.1 Akuter Leistungsmangel

Wenn das Wastegate aufgrund einer Fehlfunktion immer geöffnet bleibt, kann der Turbo bei kleiner/niedriger Last keinen Ladedruck aufbauen und der Motor zeigt Leistungsmangel.

Wenn ein solcher Defekt auftritt, sollten auch die Druckschläuche von der Verdichter-Seite des Turboladers zum Ladeluftkühler und zurück sorgsam überprüft werden. Um einen undichten Luftschlauch zu finden, ist es sinnvoll, dass eine zweite Person den Motor auf eine Drehzahl zwischen 2500 und 3500 U/min bringt. Wenn einer der Druckschläuche undicht ist, kann man die entweichende Luft eventuell zischen hören oder man spürt sie mit der Hand während man die Schläuche abtastet.


4.2 Zeitweiliger Leistungsmangel (Notlaufprogramm)
Wenn die Membrandose das Wastegate z.B. aufgrund einer Fehlfunktion des elektro-pneumatischen Wandlers oder eines undichten Druckschlauches nicht mehr öffnet, erkennt dies das Steuergerät und schaltet in das sogenannten Notlaufprogramm um. Das Notlaufprogramm hat einerseits zum Ziel, den Motor vor Beschädigung z.B. durch zu hohen Ladedruck zu schützen, andererseits aber auch es dem Fahrer zu gestatten, die Autobahn noch zu verlassen und eine Werkstatt aufzusuchen. Im Notlaufprogramm wird die Leistung des Fahrzeuges drastisch reduziert.

Das Notlaufprogramm erkennt man daran, dass der SGA zunächst normal fährt jedoch plötzlich an Leistung verliert, wenn man eigentlich stark beschleunigen möchte. Dieser Leistungsmangel hält dann an bis der Motor ausgemacht wird. Nach einem Neustartläuft der SGA zunächst wieder normal. Der Fehler tritt nur ab und zu auf.


4.3 Höchstgeschwindigkeit wird nicht erreicht bzw. starker Rauch bei hoher Last

Wenn die Höchstgeschwindigkeit nicht mehr erreicht wird, ist ein verschmutzter LMM eine wahrscheinliche Ursache. Bei starkem Schwarzrauch kommt als Ursache auch ein defektes AGR-Ventil in Frage, wenn zuvor kein Defekt in der Verschlauchung des Turboladers gefunden werden konnte.


5. Funktionsweise und Fehlerauswirkung der VTG-Verstellung

Bei allen Dieselmotoren ab 110 PS kommt im SGA ein Turbolader mit variabler Turbinen Geometrie (VTG) zum Einsatz. Der Ladedruck wird hier durch die Verstellung der Leitschaufeln der Abgasturbine geregelt. Die Leitschaufeln haben sehr viel Ähnlichkeit mit einem Sonnenschutzrollo, bei dem man die Lamellen schwenken kann. Bei geringer Motordrehzahl werden die Leitschaufeln (Lamellen) so verstellt, dass sie nur einen kleinen Spalt freilassen. Das Abgas staut sich dann und wenn es sich schliesslich doch durch den Spalt der Leitschaufeln zwängt, hat es eine höhere Geschwindigkeit, die sich auf die Turbine überträgt. Bei hoher Drehzahl/Last, werden die Leitschaufeln dagegen ganz geöffnet, sie bieten dem Abgasstrom dann kaum Widerstand. Die Abgasmenge ist bei Volllast so groß, dass die Turbine sowieso schnell genug läuft.
VTG-Lader haben kein Druckbegrenzungsventil und kein Wastegate. Die Leitschaufeln werden über ein Gestänge verstellt, welches in der VTG-Membrandose endet. In dieser Dose befindet sich eine Gummimembran. Auf einer Seite der Membran befindet sich eine Feder. Diese Feder sorgt dafür, dass das Gestänge im Ruhezustand von der Dose weggedrückt wird. Die VTG wird dadurch ganz geöffnet.

Liegt an der Membran Unterdruck an, wird sie gedehnt und das an der Membran befestigte VTG-Gestänge zur Dose hin gezogen. Dabei muss die Federkraft überwunden werden. Damit die Leitschaufeln feinfühlig verstellt werden können, muß der Unterdruck ebenso feinfühlig geregelt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines elektro-pneumatischen Wandlers, der oft fälschlicherweise als Druckregelventil bezeichnet wird. Der Wandler erhält seine Signale vom Steuergerät und schaltet blitzschnell zwischen dem konstanten Unterdruck der Vakuumpumpe und dem Atmosphärendruck hin und her. Je nach Schaltfrequenz stellt sich so der zur VTG-Regelung notwendige Unterdruck ein.

Die Praxis zeigt, dass die VTG-Verstellung drei Schwachpunkte hat:
- Die Haltbarkeit des Wandlers lässt zu wünschen übrig
- Die Unterdruckschläuche, die den Wandler mit der VTG-Membrandose verbinden, werden porös, knicken, fallen ab oder werden von scharfen Marderzähnen perforiert.
- Das VTG-Gestänge wird manchmal schwergängig, so dass die von der Membrandose erzeugte Kraft nicht ausreicht, um es zu verstellen, oder ausreichend schnell zu verstellen.

Der Grund für die Schwergängigkeit liegt darin, dass der Verstellmechanismus Russ ansetzt.
An jedem der ca. 9 verstellbaren Leitschaufeln ist ein Hebel angebracht, der zum Aussendurchmesser des Turboladers zeigt. Dieser Leitschaufel-Verstellhebel greift in den Verstellring. Der Verstellring wird wiederum von der VTG-Stange hin- und herbewegt.

VTG-Verstellung
Bild3: Die Leitschaufelverstellung eines VTG-Turboladers


6. Fehlersuche bei VTG-Turboladern

Bei der Fehlersuche sind wieder zwei verschiedene Ursachen zu unterscheiden, die sich jedoch ähnlich auswirken.

1. Der Turbolader baut keinen Druck auf, das Fahrzeug hat akuten Leistungsmangel. Einen steilen Berg kommt man nur noch im 1. Gang herauf, auf der Autobahn wird eine Maximalgeschwindigkeit von 120 km/h erreicht (akuter Leistungsmangel)

2. Der Turbolader baut bei starker Beschleunigung zuviel Druck auf. Um den Motor und den Turbolader vor Schaden zu bewahren aktiviert das Steuergerät das Notlaufprogramm. Im Notlaufprogramm wird die Einspritzmenge drastisch reduziert und das Fahrzeug hat deutlich weniger Leistung. Das Notlaufprogramm soll es dem Fahrer erlauben, noch nach Hause zu fahren und eine Werkstatt aus eigener Kraft aufzusuchen. Das Notlaufprogramm erkennt man daran, dass der SGA zunächst normal fährt, jedoch plötzlich an Leistung verliert, wenn man eigentlich stark beschleunigen möchte. Dieser Leistungsmangel hält dann an, bis der Motor ausgemacht wird. Nach einem Neustartl äuft der SGA zunächst wieder normal. Der Fehler tritt meistens zunächst nur sporadisch, später dann regelmässig auf. (Notlaufprogramm)


6.1 Akuter Leistungsmangel

Ein defekter LMM und ein Defekt im Bereich des Turboladers sind die häufigsten Ursachen für akuten Leistungsmangel. Beide Ursachen sind ohne Diagnosegerät nicht ganz einfach auseinanderzuhalten. Nachdem man den LMM als Fehlerursache ausgeschlossen hat, sollte zunächst geprüft werden, ob das VTG-Gestänge nach dem Start des Fahrzeuges einfährt. Es ist leicht einsichtig, dass man für diese Prüfung einen zuverlässigen Helfer benötigt und die Prüfung lebensgefährlich ist, wenn man keine Grube bzw. Hebebühne besitzt und infolgedessen unter das auf Rampen stehende Fahrzeug kriechen muss. Fährt das VTG-Gestänge nach dem Start schnell und ohne zu hakeln ca. 1 cm ein, ist ein Defekt des Turboladers selbst eine wahrscheinliche Ursache. Bewegt sich (fast) nichts, stehen die Chancen gut, dass der Fehler ohne allzu grossen Aufwand behoben werden kann.

Dann bei laufendem Motor den Unterdruckschlauch von der Membrandose des Turboladers abziehen und mit dem Finger auf dem Schlauch kontrollieren, ob Unterdruck anliegt. Liegt Unterdruck (ca. 600 mbar) an, ist vermutlich das VTG-Gestänge schwergängig.

6.1.1 Kein Unterdruck an der Membrandose vorhanden
Wenn kein oder kaum Unterdruck anliegt, ist ein Loch in einem der Unterdruckschläuche oder ein defekter Wandler die wahrscheinlichste Ursache. Dazu sollten alle Unterdruckschläuche hinter dem Motor und auch der zum Vakuumspeicher vor dem Motor führende Schlauch eingehend geprüft werden. Leider liegen die Schläuche teilweise hinter einem Wärmeschutzblech. Die Demontage des Bleches und der Tausch des Druckwandlers ist in einem separaten Artikel in der Knowledge-Base beschrieben. Sind die Schläuche unversehrt, sollte der unterste Schlauch am elektro-pneumatischen Wandler abgezogen werden um zu prüfen, ob dort Unterdruck anliegt. Liegt dort Unterdruck an, ist vermutlich der Wandler defekt.

6.1.2 Unterdruck an der Membrandose vorhanden
In diesem sollten zunächst die Druckschläuche von der Verdichter-Seite des Turboladers zum Ladeluftkühler und zurück sorgsam überprüft werden. Um einen undichten Luftschlauch zu finden, ist es sinnvoll, dass eine zweite Person den Motor auf eine Drehzahl zwischen 2500 und 3500 U/min bringt. Wenn einer der Druckschläuche undicht ist, kann man die entweichende Luft eventuell zischen hören oder man spürt sie mit der Hand während man die Schläuche abtastet.

Wenn Unterdruck anliegt und die VTG-Verstellung bewegt sich nicht oder nur zögerlich oder keinen Zentimeter muss diese gängig gemacht werden.


6.2 Zeitweiliger Leistungsmangel (Notlaufprogramm)

Wenn die Membrandose die Leitschaufeln beim starken Beschleunigen nicht mehr schnell genug öffnet , baut sich ein zu hoher Ladedruck auf. Wenn der Ladedrucksensor unzulässig hohe Werte an das Motor-Steuergerät meldet, schaltet diese in das sogenannten Notlaufprogramm um. Das Notlaufprogramm hat einerseits zum Ziel, den Motor vor Beschädigung z.B. durch zu hohen Ladedruck zu schützen, andererseits aber auch es dem Fahrer zu gestatten, die Autobahn noch zu verlassen und eine Werkstatt aufzusuchen. Im Notlaufprogramm wird die Leistung des Fahrzeuges drastisch reduziert.

Das Notlaufprogramm erkennt man daran, dass der SGA zunächst normal fährt jedoch plötzlich an Leistung verliert, wenn man eigentlich stark beschleunigen möchte. Dieser Leistungsmangel hält dann an bis der Motor ausgemacht wird. Nach einem Neustartläuft der SGA zunächst wieder normal. Der Fehler tritt nur ab und zu auf.

Wahrscheinliche Fehlerursachen sind ein schwergängiges VTG-Gestänge oder ein "weicher" oder geknickter Unterdruckschlauch. Einer der Schläuche zum Druckwandler führt zu einem Miniatur-Luftfilter, der an der Seitenwand hinter dem grossen Luftffilter angebracht ist. Wenn der Luftfilter nicht mehr durchlässig ist der der Schlauch dahin geknickt kann das Fehlerbild auch auftreten.



7. Gängigmachen der VTG-Verstellung


Idealerweise sollte man den Turbo auseinanderbauen, um den Verstellmechanismus zu reinigen. Durch geduldiges hin- und herbewegen kann man den Ruß davon überzeugen, die Lagerstellen zu verlassen und so die Leichtgängigkeit wieder herstellen. Man kann den Verstellmechanismus mit der Hand hin- und herbewegen. Einfacher ist es jedoch ein Stück Draht am VTG-Gestänge befestigen. Am anderen Ende des Drahtes kann man ein stück Holz befestigen, so dass sich ein T-Griff bildet. Dann ist es leichter, daran zu ziehen. Damit sich das Gestänge von Hand bewegen lässt, muss der Schlauch von der VTG-Membrandose abgezogen werden.

Dann ungefähr 200 Mal (mehr ist besser) kräftig an dem Draht ziehen, so dass das VT-Gestänge von einem Anschlag zum anderen bewegt wird. Anfangs wird das Gestänge vielleicht nur sehr wenig und sehr schwer beweglich sein. Mit der Zeit wird es dann immer einfacher gehen. Es ist nicht sinnvoll, beim Gängigmachen Kriechöl zu benutzen. Es kann die Lagerstellen sowieso nicht erreichen und führt eher dazu, dass eine Russ-Schmiere entsteht. Ziel der Übung ist jedoch, dass der Russ aus den Lagerstellen geschüttelt wird, und dann beim Fahren aus dem Auspuff geblasen wird. Nicht vergessen, am Ende der Prozedur den Schlauch wieder auf die Membrandose zu stecken.

Beim Vergleich der beiden Fotos erkennt man, (am besten anhand der Markierung auf der Schubstange) dass das VTG-Gestänge auf dem ersten Foto ausgefahren ist. Dies ist die Grundstellung , die Leitschaufeln sind offen. Auf dem zweiten Foto erkennt ist das VTG-Gestänge eingefahren. Es liegt nun Unterdruck an der Membrandose an und die Leitschaufeln sind geschlossen.

VTG mit Leitschaufeln offen
VTG mit Leitschaufeln geschlossen

Der gleiche Vergleich aus einer anderen Perspektive:
VTG mit Leitschaufeln offen
VTG mit Leitschaufeln geschlossen


SGA-Stichworte: Ladedruck, Leistungsmangel, Notlaufprogramm, Turbo, Turbolader, VTG, Wastegate

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