Turbolader: Funktion, Schäden, Symptome

Der Vorteil von Turboladern: Der Leistungszuwachs ermöglicht den Einsatz kleinerer Motoren mit weniger Hubraum – die naturgemäß weniger Kraftstoff verbrauchen. Allerdings sind Turbolader auch umstritten, da die Technik teuer ist und im Problemfall schwere Motorschäden verursachen kann.

 

"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 geblieben ist. Und zwar durch den 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. (Defekter Turbolader: Reparatur lohnt oft)

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.

Damit der Ladedruck des Turbos bei steigender Drehzahl kein 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.

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.

Anstelle eines Wastegate-Ventils verfügen insbesondere Turbolader von Dieselmotoren über Leitschaufeln, die das Anströmen der Abgasturbine durch die Abgase steuern. Solche Turbolader bezeichnet man als VTG-Lader (variable Turbinen-Geometrie). 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 begünstigt. Denn die Geschwindigkeit des auf die Turbine treffenden Abgasstroms ist durch die geringe Öffnung sehr hoch, zudem werden die Turbinenschaufeln am äußeren Rand angeströmt, wodurch eine höhere Hebelwirkung entsteht. Unter Volllast öffnen sich die Schaufeln schließlich vollständig, sodass die maximale Abgasmenge einströmen kann. Der Turbolader erreicht jetzt hohe Drehzahlen und damit hohen Ladedruck.

Da VTG-Systeme empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren, wurden sie bis vor wenigen Jahren nur bei Dieselmotoren eingesetzt, wo die Abgastemperatur deutlich geringer ist. Um mit den hohen Temperaturen eines Benziners fertigzuwerden, ist bei VTG-Systemen der Einsatz teurer Werkstoffe erforderlich. Porsche setzte als erster Hersteller VTG-Turbinen bei Benzinern ein (911 Turbo und 718 Boxster/Cayman S). Inzwischen erreicht die Technik aber auch die Großserie. So nutzt der 1.5-TSI-Motor des Golf 7 mit 130 PS einen VTG-Lader. Bald dürften weitere Volumen-Modelle folgen.

Viele aufgeladene Motoren verfügen inzwischen über zwei Turbolader. Solche Motoren werden als Biturbo- oder Twinturbo-Motoren bezeichnet. Statt eines großen Turboladers kommen zwei kleinere, identische Turbolader zum Einsatz, die sich für den Antrieb den Abgasstrom der Zylinder teilen. Bei einem V-Sechszylinder nutzt also jeder Turbolader die Abgase von einer Zylinderbank mit jeweils drei Zylindern. Der Vorteil von zwei Turboladern besteht in ihrer geringeren Massenträgheit. Ein großer Turbolader benötigt mehr Energie, und damit höhere Drehzahlen, um in Wallung gebracht zu werden und brauchbaren Ladedruck aufzubauen. Bis dahin arbeitet der Motor wie ein Saugmotor, also mit deutlich weniger Leistung, zumal ein Teil der Energie für den Antrieb der Turbinenleitschaufeln "verloren" geht.

Das Phänomen der fehlenden Leistung bis zu einem gewissen Drehzahlbereich wird als Turboloch bezeichnet und ist typisch für frühe Turbomotoren der 80er und 90er Jahre. Da dieses Ansprechverhalten nicht wünschenswert ist, setzten Motorenentwickler kleinere Turbolader ein. Denn hier werden die Turbinenräder früher vom Abgas auf die erforderlichen Drehzahlen gebracht, um dem Motor komprimierte Luft zu einzublasen. Um auch bei hohen Drehzahlen ausreichend verdichtete Luft zu fördern, kommen zwei Turbolader zum Einsatz. In seltenen Fällen sind es auch vier Turbolader, so wie beispielsweise beim Bugatti Veyron.

Anstelle zweier identischer Turbolader verfügen einige Motoren über einen kleinen und einen großen Turbolader. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens bei niedrigen Drehzahlen arbeitet zu Beginn nur der kleine Turbolader, der mit geringerer Verzögerung anspricht, oftmals bereits knapp über Leerlaufdrehzahl. Ab einer gewissen Motordrehzahl, wenn der Abgasstrom ausreicht, wird auch der große Turbolader zugeschaltet. Nun arbeiten beide Turbolader gleichzeitig. Man spricht hier von einer sequenziellen Aufladung, beziehungsweise von einem sequenziellen Biturbo. Abgrenzend von der sequenziellen Aufladung verfügen einige Motoren über eine Registeraufladung.

Der Unterschied zum sequenziellen Biturbo besteht im abwechselnden Einsatz des kleinen und des großen Turbos: Bei niedrigen Drehzahlen läuft auch hier nur der kleine Turbolader, der schneller auf Touren gebracht werden kann. Bei höheren Drehzahlen wird per Umschaltklappe der große Turbolader "aktiviert", während der der kleine Turbolader dann aussetzt. Somit laufen die beiden Turbolader nie gleichzeitig, sondern, je nach Drehzahl, nur im Wechsel.

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. (Turbolader-Schäden durch Chiptuning)

 

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)

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.

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.

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.

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.