Wozu man Turbolader erfunden hat

Ein Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich Turbo, dient der Leistungs- oder Effizienzsteigerung von Kolbenmotoren. Die Abgasturbine treibt den Verdichter an und erhöht den Luftdurchsatz oder vermindert die Ansaugarbeit des Kolbens. Der Turbo bezieht die Energie aus dem Restdruck der Abgase. Turbolader können den Druck (Stauaufladung) und die Bewegungsenergie der Abgase (Stoßaufladung) nutzen. In Verbindung mit einem Ladeluftkühler kann ein höherer Arbeitsdruck bei gleicher Temperatur im Zylinder erreicht werden. (Quelle: Wikipedia)

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Aufbau von Turboladern


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Geschichte der Turbolader


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Typische Problemfelder


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Funktion und Technik von Turboladern

Viertakt-Hubkolbenmotoren - Der Standardmotor für Turbolader

Mit einem Turbolader sollen hohe Drehmomente und somit höhere Motorleistungen erzielt werden. Dies gelingt, indem die angesaugte Luft verdichtet wird. Durch die erhöhte Dichte kann somit bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangen. Mit dem höheren Sauerstoffgehalt ist eine bessere Verbrennung möglich - die Leistung steigt.

Die Wärme- und Bewegungsenergie des Motorabgases werden genutzt, um die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben. Die Abgasturbine betreibt den Verdichter. Dieser presst die angesaugte Luft zusammen, wodurch sie sich erwärmt. Im Ladeluftkühler wird sie wieder abgekühlt.

Turbolader kommen in der Regel an Viertakt-Hubkolbenmotoren zum Einsatz. Ein Viertakt-Hubkolbenmotor wird über Ventile gesteuert. Im Gegensatz zum Zweitakt-Motor bei dem alle Arbeitstakte während einer Kurbelwellenumdrehung ablaufen, benötigt der Viertakt-Motor für einen Zyklus 2 Kurbelwellenumdrehungen.

Funktionsweise eines aufgeladenen Viertakt Ottomotors

  • 1. Takt Ansaugen
    Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle (unteren Totpunkt). Das Einlaßventil ist geöffnet. Das Luft-Kraftstoffgemisch wird durch den gebildeten Unterdruck angesaugt.
  • 2. Takt Verdichten
    Die Einlaßventile werden geschlossen und der Kolben bewegt sich in Richtung oberer Totpunkt. Da sich nun das Volumen des Luft-Kraftstoffgemisches vermindert, steigt gleichzeitig der Druck und die Temperatur des Gemisches.
  • 3. Takt Arbeiten
    Alle Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung wird das Luft-Kraftstoffgemisch beim Ottomotor durch die Zündkerze gezündet, beim Dieselmotor wird es so hoch kompriemiert, das es sich von selbst entzündet. Das Volumen des Luft-Kraftstoffgemisches vergrößert sich und die sich ausdehnenden Gase verrichten eine Arbeit in dem sie den Kolben in Richtung unteren Totpunkt drücken.
  • 4. Takt Ausschieben
    Bei Erreichen des unteren Totpunktes öffnet das Auslaßventil. Der Kolben bewegt sich nun in Richtung oberer Totpunkt. Durch das Öffnen des Auslaßventils sinkt der Druck auf einen Wert nahe dem äußeren Luftdruck. Am Ende dieses Taktes schließt sich das Auslaßventil und das Einlaßventil öffnet sich. Ein neuer Viertakt-Zyklus beginnt!

Um heutigen Gesichtspunkten wie Wirtschaftlichkeit, CO2-Ausstoß und Geräuschemmission gerecht zu werden, bietet sich hier die Turbolader-Aufladung besonders an.

Abgasenergie

Bei der Abgasturboaufladung wird ein großer Teil der eigentlich verlorenen Abgasenergie zum Antrieb des Turboladers genutzt. Innerhalb des Turboladers wird ein Turbinenrad durch diese Abgasenergie angetrieben, welches dann eine Welle antreibt, auf dessen Ende ein Verdichterrad sitzt. Dieses Verdichterrad komprimiert die Ansaugluft für den Motor.

Gewicht

Durch die Zuführung komprimierter Ansaugluft steigt die Leistung des Motors. Aufgeladene Motoren können kleiner (Downsizing) und somit leichter konstruiert und hergestellt werden als leistungsgleiche Saug-Motoren. Durch diese Gewichtseinsparung sinkt zu dem der Kraftstoffverbrauch.

CO2 Ausstoß

Die Verwendung heutiger Turbolader-Aufladesysteme verringert den CO2-Ausstoß durch eine bessere Füllung der Zylinder mit dem Luft-Kraftstoffgemisch unter nahezu allen Betriebszuständen und sorgt somit für eine „sauberere“ Verbrennung.

Verbrauch

Alle diese Betrachtungen zusammen addiert bringen die Grundvoraussetzungen für einen niedrigen Verbrauch. Eine reine Leistungssteigerung von Ottomotoren, wie aus der Anfangszeit der Turbolader, ist heute nicht mehr der Grund für eine Aufladung. Vielmehr steht bei dieser Technik heutzutage die Emmissionsminderung im Vordergrund.

Die Geschichte der Turbolader-Technologie

Die Anfänge der Turbotechnik

Im Jahre 1885 versuchten Gottlieb Daimler und 1896 auch Rudolf Diesel dem Motor durch Vorkompression mehr Luft zuzuführen um somit die Motorleistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Erst im Jahre 1905 entwickelte der Schweitzer Alfred Büchi den ersten Abgasturbolader und sicherte sich hierauf im gleichen Jahr auch die Patentrechte. Das Schweizer Militär wollte Alfred Büchi zu diesem Zeitpunkt zunächst vor Gericht bringen wegen der Annahme der unerlaubten Herstellung einer Kanone/Waffe.

Auch die erste erfolgreiche Aufladung (Abgasturbolader) wurde von Alfred Büchi, im Jahre 1925, umgesetzt. Er erzielte eine Leistungssteigerung von über 40%. Seit diesem Zeitpunkt wurde die Entwicklung der Abgasturbolader weiter ausgebaut. Erste Serienanwendungen wurden zunächst nur bei Großmotoren, wie z.B. Schiffsmotoren, eingesetzt. Im Fahrzeugmotorenbau begann die Entwicklung zunächst bei den Nutzfahrzeugmotoren und so wurde im Jahre 1938 von der Schweizer Maschinenfabrik Saurer der erste abgasturboaufgeladene Nutzfahrzeugmotor auf den Markt eingeführt.

Über 20 Jahre später kamen dann die ersten PKW mit Turbolader auf den Markt (zunächst nur in den USA) und zwar der Oldsmobile Jetfire und der Chevrolet Corvair Monza. Beide Fahrzeuge konnten sich trotz großem technischen Aufwandes leider nicht behaupten denn die Zuverlässigkeit fehlte.

Die Ölkrise und die Turbotechnik

Nach der ersten Ölkrise im Jahre 1973 hat sich die Aufladetechnik dann bei kommerziellen Anwendungen von Dieselmotoren wieder durchgesetzt. Vor diesem Zeitpunkt standen die meist zu hohen Entwicklungs- und Investitionskosten für Aufladetechnik den noch zu geringen Einsparungen beim Kraftstoff gegenüber. Durch eine Verschärfung der Schadstoffgesetzgebung zum Ende der Achtzigerjahre wurden Abgasturbolader verstärkt bei Nutzfahrzeugen eingesetzt. Zum heutigen Zeitpunkt ist nahezu jeder Nutzfahrzeugmotor durch Abgasturbolader aufgeladen.

Turbolader im Motorsport

In den Siebzigerjahren wurde das Wort Turbo zum Modebegriff für Kraft und Leistung. Die Turbolader nehmen Einzug in die Formel 1. Von jetzt an geht das Rennen: 3 Liter Saugmotoren gegen 1,5 Liter Turbomotoren… Doch die Turbos gewinnen überlegen!

Durch die Einführung der sportlichen Turbomotoren im Motorsport wurde eine hohe Popularität erzielt und fast jeder Fahrzeughersteller hatte zu diesem Zeitpunkt einen sportlichen PKW mit aufgeladenem Ottomotor als Spitzenmodell im Programm. Die damaligen Klassiker waren z.B. Saab 99 Turbo, BMW 2002 Turbo, Renault 5 Turbo und auch Audi Sportquattro.

Leider hielt dieser Modetrend nur wenige Jahre an, da der aufgeladene Ottomotor zwar als leistungsstark, aber nicht als sparsam galt. Des Weiteren hatten die damaligen Ottomotoren mit großen Turboladern meist auch das typische „Turboloch“ und somit ein verzögertes Ansprechverhalten. Diese Einbußung des Komforts wurden daher von den Kunden meist nicht akzeptiert. Die Entwicklung des Abgasturboladers stand als Folge dann erstmals still.

Der Durchbruch der Turbolader-Technologie

Der eigentliche Durchbruch der Abgasturboaufladung im Pkw gelang mit der Einführung der ersten aufgeladenen Dieselmotoren im Mercedes Benz 300 SD im Jahre 1978 und 1981 im VW Golf Turbodiesel. Mit Hilfe des Turboladers konnten der Wirkungsgrad des Pkw-Dieselmotors erhöht und die Fahrleistungswerte des Ottomotors annähernd erreicht werden. Vor allem wurden bei den Turbodieselmotoren die Schadstoffemissionen deutlich verringert.

Seit 1999 konnten alleine in Deutschland eine Verdoppelung der Neuzugelassenen Turbodieselfahrzeuge verzeichnet werden. Auch die Aufladung von Ottomotoren wird heute nicht mehr primär unter dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit, Kraftstoff zu sparen und damit durch den geringeren Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) die Umwelt weniger zu belasten.

Zum heutigen Zeitpunkt geht der Trend eindeutig zu den Abgasturboladern bei den Diesel– und Ottomotoren. Auch ein Luxus-Sportwagen wie z.B. der Bugatti Veyron mit 1001PS ist mit 4 Turboladern ausgerüstet.

Ein Teil der Faszination für die Turbotechnik aus den Sechziger- und Siebzigerjahren ist auch heute noch geblieben. Hauptgrund für die Anwendung der Abgasturboaufladung ist aber die Nutzung der Abgasenergie zur Verminderung des Verbrauches, Senkung der Schadstoffemissionen und vor allem dem Downsizing (Reduzierung der Motorgröße und Kosten).

Turbolader-Fehlersuche für Einsteiger und Fortgeschrittene

In vielen Fällen ist der Turbolader gar nicht die Quelle des Übels. Ein hoher Anteil der von Werkstätten als Defekt eingestuften Turbolader weist keine Mängel auf und wird unnötig ausgetauscht. Nach dem Austausch des vermeintlich defekten Turboladers kommt spätestens dann das böse Erwachen, wenn der Fehler immer noch vorhanden ist.

Typische Symptome und deren Ursachen:

(Quelle: www.mr2-tech.de)

Blaurauch

  • Kolbenringdichtung defekt
  • Abgasanlage hat zu hohen Strömungswiderstand/Undichtigkeiten vor Turbine
  • Kurbelgehäuseentlüftung verstopft und deformiert
  • Lagergehäuse des Turboladers verkokt, verschlammt
  • Luftfilteranlage verschmutzt
  • Ölzu- und -ableitungen verstopft, undicht oder deformiert
  • Turbolader Lagerschaden
  • Ventilführung, Kolbenringe, Motor und Zylinderlaufbuchsen verschlissen/erhöhtes Blow-By
  • Verschmutzung des Verdichters oder Ladeluftkühlers

Hoher Ölverbrauch

  • Abgasanlage hat zu hohen Strömungswiderstand/Undichtigkeiten vor Turbine
  • Kolbenringdichtung defekt
  • Kurbelgehäuseentlüftung verstopft und deformiert
  • Lagergehäuse des Turboladers verkokt, verschlammt
  • Luftfilteranlage verschmutzt
  • Ölzu- und -ableitungen verstopft, undicht oder deformiert
  • Turbolader Lagerschaden
  • Ventilführung, Kolbenringe, Motor und Zylinderlaufbuchsen verschlissen/erhöhtes Blow-By
  • Verschmutzung des Verdichters oder Ladeluftkühlers

Ladedruck zu hoch

  • Kraftstoffanlage/Einspritzanlage defekt oder falsch eingestellt
  • Ladedruckregelklappe/Ventil öffnet nicht
  • Steuerleitung zu Regelklappe/Ventil defekt

Leistungsmangel/Ladedruck zu niedrig

  • Abgasanlage hat zu hohen Strömungswiderstand/Undichtigkeiten vor Turbine
  • Fremdkörperschaden an Verdichter oder Turbine
  • Kraftstoffanlage/Einspritzanlage defekt oder falsch eingestellt
  • Ladedruckregelklappe/Ventil schließt nicht
  • Luftfilteranlage verschmutzt
  • Mangelnde Ölversorgung des Turboladers
  • Motorluftsammler gerissen/fehlende, lose Dichtungen
  • Saug- und Druckleitung deformiert oder undicht
  • Steuerleitung zu Regelklappe/Ventil defekt
  • Turbinengehäuse/Klappe beschädigt
  • Turbolader Lagerschaden
  • Ventilführung, Kolbenringe, Motor und Zylinderlaufbuchsen verschlissen/erhöhtes Blow-By
  • Verschmutzung des Verdichters oder Ladeluftkühlers

Ölleckage am Verdichter

  • Abgasanlage hat zu hohen Strömungswiderstand/Undichtigkeiten vor Turbine
  • Kolbenringdichtung defekt
  • Kurbelgehäuseentlüftung verstopft und deformiert
  • Lagergehäuse des Turboladers verkokt, verschlammt
  • Luftfilteranlage verschmutzt
  • Ölzu- und -ableitungen verstopft, undicht oder deformiert
  • Turbolader Lagerschaden
  • Ventilführung, Kolbenringe, Motor und Zylinderlaufbuchsen verschlissen/erhöhtes Blow-By
  • Verschmutzung des Verdichters oder Ladeluftkühlers

Ölleckage an der Turbine

  • Kolbenringdichtung defekt
  • Kurbelgehäuseentlüftung verstopft und deformiert
  • Lagergehäuse des Turboladers verkokt, verschlammt
  • Ölzu- und -ableitungen verstopft, undicht oder deformiert
  • Turbolader Lagerschaden
  • Ventilführung, Kolbenringe, Motor und Zylinderlaufbuchsen verschlissen/erhöhtes Blow-By

Schwarzrauch

  • Abgasanlage hat zu hohen Strömungswiderstand/Undichtigkeiten vor Turbine
  • Fremdkörperschaden an Verdichter oder Turbine
  • Kraftstoffanlage/Einspritzanlage defekt oder falsch eingestellt
  • Ladedruckregelklappe/Ventil schließt nicht
  • Luftfilteranlage verschmutzt
  • Mangelnde Ölversorgung des Turboladers
  • Motorluftsammler gerissen/fehlende, lose Dichtungen
  • Saug- und Druckleitung deformiert oder undicht
  • Turbinengehäuse/Klappe beschädigt

Turbolader erzeugt Geräusche

  • Abgasanlage hat zu hohen Strömungswiderstand/Undichtigkeiten vor Turbine
  • Abgasleckage zwischen Turbinenauslass und Auspuffrohr
  • Fremdkörperschaden an Verdichter oder Turbine
  • Mangelnde Ölversorgung des Turboladers
  • Motorluftsammler gerissen/fehlende, lose Dichtungen
  • Saug- und Druckleitung deformiert oder undicht
  • Turbinengehäuse/Klappe beschädigt
  • Turbolader Lagerschaden
  • Verschmutzung des Verdichters oder Ladeluftkühlers

Verdichter/Turbinenrad defekt

  • Fremdkörperschaden an Verdichter oder Turbine
  • Mangelnde Ölversorgung des Turboladers
  • Turbinengehäuse/Klappe beschädigt
  • Turbolader Lagerschaden

Typische Schäden an Turboladern

(Quelle: http://www.turbolader.net/Technik/Schaeden.aspx)

Nachdem aus den Anfängen der Turboära bekannt, noch das heiße Abstellen sowie Ölmangel als Hauptursache für das Ende eines Turboladerlebens galten, ist es heute die Überdrehzahl und der Ausfall der VTG-Einheit.

Bedingt durch Chiptuning oder Undichtigkeiten in ladedruckführenden Bereichen steigt die Turboladerdrehzahl unproportional stark an. Nach einem mehr oder wenig lang andauernden Pfeifgeräusch verabschieden sich die meisten Turbolader dann mit einem rasselnden Geräusch infolge ausgeschlagener Lager oder gar mit einem Wellenbruch.

Die hier aufgeführten Informationen dienen der Schadensfeststellung und sind ein Auszug aus unserem praxisorientierten Lehrgang "Schadensanalyse an Turboladern" zur Weiterbildung für Sachverständige, welchen wir Interessenten in regelmäßigen Abständen anbieten.

Schlagschäden

Schlagschäden infolge Eindringens von Fremdkörpern in das Turbinen- oder Verdichtergehäuse sind am Verdichter- und Turbinenrad deutlich zu erkennen. Bei der Montage eines neuen Turboladers sind der Luftansaugkanal und der Abgassammler auf Fremdkörper zu kontrollieren. Achtung! Turbolader mit derartigen Beschädigungen dürfen auf keinen Fall weiter betrieben werden.

Verschmutztes Öl

Verschmutztes Öl führt zu Turboladerschäden in Form von Riefenbildung auf den Lagerflächen. Woher kommt verschmutztes Öl?

  • Abrieb durch Motorverschleiß
  • Minderwertiges Öl
  • Schlechte Qualität oder Verstopfung des Ölfilters
  • Oftmals nach einer Motorinstandsetzung durch unzureichend gereinigte Ölkanäle im Motor

Störung der Ölzufuhr

Schon ein wiederholter, wenige Sekunden anhaltender Ölmangel, führt zu staken Verschleißspuren an den Lagerflächen, bläulicher Verfärbung und Lagermaterial auf den Lagersitzen der Läuferwelle.

  • Einbau des Turboladers ohne Vorfüllen des Schmiersystems
  • Zu geringe Öl- und Filterwechsel/Intervalle
  • Ölverdünnung durch Kraftstoff/ Glykol
  • Längere Standzeiten
  • Betrieb in übermäßiger Schräglage
  • Verlust der Dämpfungseigenschaften des Schmiermittels infolge von Überdrehzahl der Läuferwelle bedingt durch Chiptuning oder Undichtigkeiten.

Überhitzung

Ausfälle infolge übermäßig hoher Abgastemperaturen oder der häufigen Abschaltung des Motors ohne ausreichende Abkühlphase führt am Turbolader und Ölzulaufleitung zu Kohlenstoffablagerungen. Das turbinenseitige Lager und die Kolbenringabdichtung werden hierbei besonders in Mitleidenschaft gezogen. Mögliche Ursachen hierzu sind:

  • Verstopfung/ Verengung des Luftansaugfilters
  • Heißes Abschalten des Motors
  • Minderwertiges Öl
  • Fehlerhafte Motoreinstellung

Überdrehschaden

Ausfälle infolge übermäßig hoher Drehzahl des Turboladers an getunten Fahrzeugen oder bei undichten Druckschläuchen zwischen Turbolader und Ansaugrohr. Durch die überhöhte Drehzahl entsteht vor dem Verdichterrad ein extrem hohes Vakuum, wodurch Anlaufscheibe, als auch Axiallager schnell verschleißen. Bei Erreichen von überkritischen Drehzahlbereichen neigt die Läuferwelle, angeregt durch Restunwuchten, zum Durchbrechen.


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