Turbolader: Funktion und Reparatur

Turbolader

— 07.01.2016

Wenn der Turbo pfeift

Turbolader sind weit verbreitet und bei Dieseln wie Benzinern eine häufige Ursache für Schäden. Alles zur Funktion, Instandsetzung und dem Tausch von Turbos.

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'Was halten Sie vom Turbo-Trend?'

"Hubraum ist durch nichts zu ersetzen", lautet eine alte Stammtischweisheit. Und dennoch wurde seit Beginn der 2000er Jahre reichlich Hubraum ersetzt – ohne dass die Leistung dabei auf der Strecke blieb. Und zwar durch Turbolader. Stichwort Downsizing: Weniger Hubraum und weniger Zylinder bedeuten weniger innermotorische Reibung und damit weniger Kraftstoffverbrauch. In Verbindung mit der Aufladung durch Turbolader und der Direkteinspritzung des Kraftstoffs wurden die Emissions- und Verbrauchswerte der Autos ohne Leistungseinbußen optimiert. Aus einem kleinen 1,6-Liter-Vierzylinder-Benziner quetschen die Hersteller inzwischen bis zu 270 PS (Peugeot RCZ-R). Für solche Leistungssphären setzten die Autobauer vor nicht allzu langer Zeit noch Sechs- oder Achtzylindermotoren ein, mit vier Litern Hubraum und mehr.
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Die tollsten Turbos: Bestenliste

Die Funktion des Turboladers

Moderner Turbolader (Diesel): Die Zeiten großer Turbolöcher sind vorbei. Neue Technik und kleinere Lader verbessern das Ansprechverhalten.

Der Turbolader wird auch Abgasturbolader genannt, denn er nutzt die Energie des Abgases, um den Motor mit zusätzlicher Frischluft "aufzuladen" und so die Leistung zu erhöhen. Daher spricht man bei Turbomotoren auch von aufgeladenen Motoren. Im Wesentlichen besteht der Turbolader aus zwei Turbinen, dem Turbinenrad und dem Verdichterrad. Beide sind über eine Welle miteinander verbunden, aber in zwei getrennten Gehäusen verbaut. Das Turbinenrad sitzt im Abgastrakt des Motors am Auspuffkrümmer. Durch den Druck der heißen Abgase wird die Turbine in Bewegung gesetzt. Und zwar sehr schnell, mit bis zu 300.000 Umdrehungen in der Minute. Mit der gleichen Geschwindigkeit dreht sich am anderen Ende der Welle das Verdichterrad, das mit dem Ansaugtrakt des Motors verbunden ist. Das rotierende Verdichterrad saugt zusätzliche Frischluft an, verdichtet diese im Verdichtergehäuse und presst sie anschließend mit Überdruck in den Zylinder. Zur erhöhten Frischluftmenge kann nun zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt werden, wodurch die Leistung des Motors steigt. Zusätzlich besitzen leistungsstarke Turbomotoren oft einen Ladeluftkühler. Dieser hat die Aufgabe, einen Teil der Wärme, die bei der Verdichtung der Luft entsteht, wieder abzuleiten. Da Gase sich bei steigender Temperatur ausdehnen, beziehungsweise bei sinkender Temperatur zusammenziehen, ist durch die Abkühlung der Ladeluft ein höherer Luftdurchsatz im Brennraum möglich. Das wiederum erhöht den Wirkungsgrad und die Leistung des Motors.

Im Gegensatz zum Turbo, saugen sich Motoren ohne Aufladung die Frischluft allein durch Unterdruck in den Zylinder. Dieser entsteht durch die Abwärtsbewegung des Kolbens in einem der vier Arbeitstakte des Motors, dem sogenannten Ansaugtakt. Daher bezeichnet man Motoren ohne Aufladung auch als Saugmotoren.

Die Steuerung des Ladedrucks

Links im Teilaufschnitt die Unterdruckdose. Sie steuert den Ladedruck.

Damit der Ladedruck des Turbos bei steigender Drehzahl nicht ein kritisches Niveau erreicht, bedarf es einer Regulation. Sonst wäre eine Überbelastung des Turbos und weiterer Motorkomponenten die Folge. Die Regulation geschieht meist über ein Ventil (Wastegate-Ventil), das an der Abgasseite des Turboladers verbaut ist. Im geöffneten Zustand führt es die Abgase am Turbinenrad vorbei, sodass sich die Turbinendrehzahl und in der Konsequenz der Ladedruck reduzieren. Wann und wie weit das Ventil öffnet, wird durch die Unterdruckdose gesteuert. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Membran und einer Feder und ist über eine Leitung mit der Frischluftseite des Laders verbunden. Ab einem gewissen Ladedruck, der in der Unterdruckdose gegen die Membran wirkt, gibt die Feder nach und öffnet über ein Stellwerk das Wastegate-Ventil im Abgastrakt des Turbos.
Mehr Leistung durch mehr Ladedruck
Im Tuning wird oft eine Erhöhung des maximalen Ladedrucks angestrebt, um eine weitere Steigerung der Motorleistung zu erzielen. Um das zu erreichen, darf sich das Wastegate-Ventil erst bei einem höheren Druck öffnen. Auf mechanischem Weg wird das etwa durch eine Erhöhung der Federvorspannung erreicht. Bis in die 90er-Jahre waren auch sogenannte Dampfräder verbreitet. Dabei reduzierte ein zusätzliches Ventil den Druck, der in der Unterdruckdose ankommt. Der Name Dampfrad leitet sich davon ab, dass sich das Ventil mechanisch vom Innenraum des Autos steuern ließ. In modernen Autos wird der Durchsatz über elektromagnetische Ventile gesteuert, die sich entsprechend programmieren lassen (Chiptuning). Die inzwischen verbreitete Overboost-Funktion (erhöhter Ladedruck unter Volllast für eine begrenzte Zeit) wird beispielsweise über eine veränderte Taktung des Magnetventils erzeugt.

Variable-Turbinen-Geometrie-Lader (VTG)

Video: So funktioniert ein Turbo

Mehr Dampf durch heiße Luft

Anstelle eines Wastegate-Ventils verfügen insbesondere Turbolader von Dieselmotoren über spezielle Leitschaufeln, die das Anströmen der Abgasturbine durch die Abgase steuern. Solche Turbolader bezeichnet man als VTG-Lader (variable Turbinengeometrie). Die Leitschaufeln werden wie das Wastegate-Ventil über ein Stellwerk der Unterdruckdose gesteuert. Sind die Leitschaufeln geschlossen, führt der Abgasstrom an der Turbine vorbei. Im niedrigen bis mittleren Drehzahlbereich öffnen sich die Schaufeln nur minimal, was die Anströmung der Turbine und das Ansprechverhalten insgesamt begünstigt. Unter Volllast öffnen sich die Schaufeln schließlich vollständig. Da VTG-Systeme empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren, werden sie nur bei Dieselmotoren eingesetzt, wo die Abgastemperatur deutlich geringer ist. Nur Porsche setzt VTG-Turbinen bei Benzinern ein (911 Turbo und 718 Boxster/Cayman S). Die hohen Temperaturen erfordern allerdings teure Werkstoffe, die bei Volumenmodellen nicht in Frage kommen.

Defekte – manchmal hilft Turbolader reinigen

Selten ist regulärer Verschleiß für einen auftretenden Defekt am Turbolader verantwortlich. In vielen Fällen beruhen Turboladerschäden auf einer mangelnden Ölversorgung. Die Lagerflächen der Verbindungswelle zwischen Turbinenrad und Verdichterrad werden durch einen integrierten Kreislauf permanent mit Öl geschmiert. Ist die Ölversorgung des Turboladers beeinträchtigt, bilden sich schnell Riefen auf der Lagerfläche der Welle. In der Folge kann die Welle reißen. Gründe für die mangelnde Ölversorgung: schlechtes Öl, Fremdkörper oder Kraftstoff im Öl, ein verstopfter Ölfilter und auch verstopfte Ölkanäle im Motor. Auch das heiße Abstellen eines Turbomotors sollte unbedingt vermieden werden. Nach einer längeren Volllastfahrt wird die Abgasseite des Turbos extrem heiß (bis zu 1000° Celsius). Nach dem Ausschalten des Motors ist auch die Öl- und Kühlwasserversorgung des Turboladers unterbrochen. Die Wärme wird nicht mehr abgeleitet, und das "stehende" Öl kann zu Ölkohle verbrennen, was die Ölkanäle verstopft und im Anschluss die Ölversorgung beeinträchtigt. Kritisch ist auch verbennendes Öl im Motor. Die dabei entstehende Ölkohle kann Leitungen blockieren oder sich auf der Turbine absetzen. Das führt zu thermischen Problemen, einer Unwucht der Turbine und damit zur Schwergängigkeit des Turbos. Derart verdreckte Turbolader können unter Umständen mit speziellen Sprays gereinigt werden. Im optimalen Fall sogar ohne Demontage des Turbos – die denkbar günstigste Form der Turboladerreparatur. Solch ein Turbolader-Reinigungsset soll Verschmutzungen wie Kohle, Gummi und Lack von den Turbinen lösen, ohne dabei den Katalysator zu beschädigen.

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Turbolader-Schäden durch Chiptuning

Turboladerschaden durch Rußpartikelfilter

Das Turbinenrad ist mit der Welle fest verbunden. Das Verdichterrad wird aufgeschraubt. Bekommt die Welle einen Schlag, kann der Instandsetzer helfen.

Auch Probleme an der Abgasanlage sind eine häufige Ursache für Schäden am Turbolader. Besonders anfällig sind Dieselmotoren mit Rußpartikelfilter. Setzt sich der Partikelfilter zu, beispielsweise wenn das Auto überwiegend im Stadtverkehr eingesetzt wird, wo der Filter nicht freibrennen kann, entsteht ein Rückstau im Abgastrakt, der direkt auf die Turbine wirkt. Die dabei auf das Turbinenrad wirkenden Kräfte können so stark sein, dass die Welle einen Schlag erhält. In der Folge kommt es zu einem typischen Symptom: dem Pfeifen des Turboladers. Das ungewöhnliche Geräusch kündigt von einer beschädigten Turboladerwelle. Das Pfeifen kann auch in der Anfangsphase einer mangelnden Ölversorgung auftreten. Wer solche Pfeifgeräusche an seinem Turbomotor feststellt, sollte das Auto schnellstens in einer Werkstatt untersuchen lassen, um gravierenden Schäden vorzubeugen. Jegliche mechanische Beschädigungen an der Auspuffanlage, die den Abgasdurchsatz verringern, haben den selben gefährlichen Effekt. Beispielsweise ein durch einen Parkrempler zugedrücktes Auspuffendrohr. Solche harmlos wirkenden Schäden müssen bei Turbomotoren umgehend behoben werden.
So sparen Sie richtig Asche: Rußpartikelfilter reinigen

Schäden durch Fremdkörper

Fremdkörper-Einschlag: Dieses Verdichterrad hat es schwer erwischt. Schone kleine Teilchen im Ansaugtrakt können große Schäden anrichten.

Eine weitere bekannte Ursache für Schäden am Turbolader sind Fremdkörper, die in den Ansaugtrakt gelangen. Aufgrund der enormen Rotationsgeschwindigkeit, können bereits kleinste Partikel Schäden anrichten. Bei Fahrzeugen mit hoher Laufleistung sind die Verdichterräder über die Jahre regelrecht glattgeschliffen. Im besten Fall verringert sich nur die Motorleistung, weil das Verdichterrad weniger Luft in den Motor schaufelt. Denn beschädigte oder abgebrochene Flügel am Verdichterrad sorgen für eine Unwucht, wodurch die Welle oder ihre Lager einen Schlag bekommen können, oft folgt dabei auch eine Undichtigkeit des Ölkreislaufs. Im Endstadium schleifen die rotierenden Räder im Gehäuse, und der Turbo zerlegt sich selbst. Beschädigte Verdichterräder lassen sich relativ leicht diagnostizieren, da sich das Verdichterrad nach der Demontage der Zuluftleitung unter die Lupe nehmen lässt. Komplizierter ist es auf der Abgasseite, wo das Turbinenrad erst nach der kompletten Demontage des Turboladers sichtbar wird. Hier sind es allerdings meist keine Fremdkörper, die das Turbinenrad beschädigen, sondern sich auslösende Motorteile, etwa des Auspuffkrümmers. Auch Motorschäden durch einen Zahnriemenriss sind eine Gefahrenquelle. Werden bei der Instandsetzung nicht alle Metallpartikel entfernt, die sich aus beschädigten Ventilen oder Kolben gelöst haben, kann es bei der Inbetriebnahme des Motors sofort wieder zu einem kapitalen Schaden kommen, der den Motor erneut lahmlegt.
Symptome bei Turboladerschäden
Symptom: Mögliche Fehler: Maßnahme:
Pfeifen des Turboladers Pfeift der Turbolader mit steigender Drehzahl, ist die Welle beschädigt oder ausgeschlagen. Das pfeifende Geräusch entsteht durch die metallische Reibung. Turbolader überholen/instand setzen
Bläulicher Rauch Deutet auf eine Ölundichtigkeit im Turbolader hin, etwa durch eine ausgeschlagene Laderwelle. Das Öl zur Lagerung und Kühlung der Welle gelangt in den Auspuff und verbrennt. Turbolader überholen/instand setzen
Erhöhter Ölverbrauch Lagerschaden des Turboladers, Ölzuleitungen defekt oder verstopft. Ölleitungen des Turboladers kontrollieren und ggf. ersetzen
Schwarzer Rauch Kann durch eine zu geringe Luftzufuhr enstehen. Bei der Verbrennung entsteht ein Missverhältnis zugunsten des Kraftstoffanteils, schwarzer Rauch entsteht. Eine Undichtigkeit der Frischluftleitung könnte die Ursache sein. Schläuche und Anschlüsse der Saug- oder Druckluftleitungen auf Dichtigkeit überprüfen, evtl. austauschen. Tiefliegende Leitungen (Ladeluftkühler) können sich bei Aufsetzern lösen/beschädigen.
Leistungsverlust I Fehlt permanent Leistung, kann das Verdichterrad beschädigt sein. Abgebrochene Schaufeln drücken nicht mehr genug Luft in die Zylinder.
Neues Verdichterrad, Turbolader überholen, Ansaugtrakt vor künftigem Fremdkörpereinfall schützen.
Leistungsverlust II Ist die VTG-Einheit verrußt, kommt es zum Klemmen der Leitschaufeln. Der Lader kann so nur verspätet oder gar keinen Druck mehr aufbauen.
Lader zerlegen und reinigen, Ursache für erhöhte Rußbildung abstellen.
Zu hoher Ladedruck Das Ventil zur Ladedruckregulierung, Steuerleitungen oder Unterdruckdose ist defekt. Unterdruckdose tauschen, Ventil freigängig machen, Steuerleitung reparieren.
Geräusche am Turbolader Staudruck der Abgasanlage zu hoch, Verdichterrad oder Turbinenrad beschädigt, Undichtigkeit vor der Turbine (zum Beispiel am Krümmer). Auspuff auf Schäden prüfen, Verdichter oder Turbine instand setzen, Undichtigkeit beseitigen.
Defekte treten auch im Bereich der Unterdruckdose und am Wastegate-Ventil auf. So kann beispielsweise das Magnetventil, die Membran der Unterdruckdose oder das Schlauchsystem zwischen den Komponenten defekt oder undicht sein. Das gilt ebenso für das Gestänge der Unterdruckdose, welches das Wastegate-Ventil öffnet, beziehungsweise bei VTG-Ladern den Anstellwinkel der Leitschaufeln steuert. Denn die Mechanik kann im Laufe der Zeit seine Freigängigkeit verlieren.

In vielen Fällen lohnt die Reparatur

Ob Leistungsverlust, pfeifende Geräusche, steigender Ölverbrauch, oder Rauchentwicklung – sobald Symptome eines Turboladerschadens festgestellt werden, sollte der Motor in einer Fachwerkstatt untersucht werden. Das Spektrum der Fehlerquellen ist groß. Und die Ursachen sind für den Laien schwer zu überprüfen. Da viele Schäden schleichend auftreten, kann ein rechtzeitiger Werkstattbesuch viel Geld sparen. Hat sich der Turbolader erst komplett zerlegt, können zerbrochene Teile auch den Motor selbst beschädigen. Starker Ölverlust kann auf der anderen Seite den teuren Katalysator zerstören. In vielen Fällen lohnt sich das Überhohlen oder Instandsetzen des Turbos. Allerdings trauen sich nicht alle Werkstätten an diese Arbeit ran. Denn für die Instandsetzung wird Erfahrung und Spezialwerkzeug benötigt. Beispielsweise müssen alle rotierenden Teile vor dem Einbau feingewuchtet werden. Selbst Vertragswerkstätten bevorzugen den kompletten Tausch der Turboladereinheit. Reparaturkosten in Höhe von mehreren Tausend Euro sind die Folge, denn allein der neue Turbolader kostet meist über 1000 Euro. Eine Instandsetzung ist günstiger. Zu Preisen zwischen 200 und 600 Euro werden die beschädigten Teile ausgetauscht und der Lader neu abgedichtet. Zu den Reparaturkosten kommen dann noch die Kosten für Aus- und Einbau des Turboladers.

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Überholte Turbolader mit zwei Jahren Gewährleistung

Die Demontage des Turboladers lässt sich von einer Werkstatt erledigen. Nach dem Ausbau wird der Turbo zum Spezialisten geschickt. Der untersucht das Schadensbild, hält Rücksprache mit der Werkstatt zur Ursachenbehebung und nimmt die Instandsetzung des Turbos vor. Viele Instandsetzer halten die gängigsten Turbolader vor und liefern überholte Lader mit bis zu zwei Jahren Gewährleistung im Tausch gegen das Altteil. Die Preise für generalüberholte Turbos beginnen bereits bei unter 300 Euro, oft weniger als die Hälfte des Neupreises. Wichtig ist jedoch, dass auch alle Schadensursachen in der Peripherie des Turboladers behoben wurden, damit es nicht erneut zum Schaden kommt.

Turbolader: Permanenter Fortschritt

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