So funktioniert ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie: Vorteile, Defekte und Wartung

Unter den verschiedenen Systemen der Aufladung eines Motors gibt es Turbolader mit fester oder variabler Turbinengeometrie, die als VGT bekannt sind. In beiden Fällen ist das Ziel dasselbe: Die Trägheit der Abgase nutzen, um mehr Luft in die Zylinder zu bringen, als der Motor allein ansaugen könnte, und so die Leistung zu steigern.

Einer der Hauptnachteile von Motoren mit herkömmlichen Turboladern ist jedoch, dass bei niedrigen Drehzahlen die Abgase nicht genug Kraft haben, um die Turbine anzutreiben, die die Ansaugluft verdichtet. Bei hohen Drehzahlen dagegen ist der Abgasstrom so groß und die Turbine wird mit so viel Energie angetrieben, dass ein Waste-Gate-Ventil aktiviert werden muss, wodurch ein Teil dieser Energie aus den Abgasen ungenutzt bleibt.

Genau dieses Problem lösen Turbolader mit variabler Geometrie, die, wie wir noch sehen werden, die Ansaugluft sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen wirksamer verdichten können.

Die ersten Entwicklungen von Turboladern mit variabler Geometrie stammen aus der Mitte der 1950er-Jahre, doch das erste Serienfahrzeug mit dieser Technik war der Fiat Croma Turbodiesel Anfang der 1990er-Jahre mit seinem 1,9-Liter-Motor, der außerdem zu den ersten Dieselmotoren mit Direkteinspritzung gehörte. Heute gibt es auch Lösungen, bei denen kleine Elektromotoren direkt zum Antrieb der Turbine eingesetzt werden. Andere Turbolader, die das Ansprechverhalten aufgeladener Motoren bei niedrigen Drehzahlen verbessern, sind die Twin-Scroll-Turbos.

Wie funktioniert ein Turbolader mit variabler Geometrie?

Der Unterschied zwischen einem Turbolader mit fester und einem mit variabler Geometrie (VGT) besteht darin, dass Letzterer über einen Mechanismus verfügt, der die Geschwindigkeit der auf die Turbine treffenden Abgase verändert, sodass sie sich schneller beschleunigt. Dabei wird nicht die Luftmenge verändert, sondern der Eintrittsquerschnitt.

Dazu verfügt er über ein System verstellbarer Leitschaufeln, die sich bei niedrigen Drehzahlen schließen, wodurch die Abgase beschleunigt werden und ihren Druck auf die Turbine erhöhen. Bei hohen Drehzahlen öffnen sich die Schaufeln, der Eintrittsquerschnitt der Abgase wird größer und die Geschwindigkeit sinkt. So kann der maximale Ladedruck bei höheren Motordrehzahlen erreicht werden.

Die Verstellung der Schaufeln kann mechanisch über einen Unterdruck- oder Druckaktuator erfolgen, doch bei moderneren Motoren wird meist ein kleiner Elektromotor verwendet, der von der elektronischen Steuereinheit (ECU) des Motors angesteuert wird.

Eine genauere Erklärung der Funktionsweise eines Turboladers mit variabler Geometrie findest du in diesem Video:

https://www.youtube.com/watch?v=AuQor-YnbZ8

Welche Vorteile bietet ein Turbolader mit variabler Geometrie?

Kennt man das Funktionsprinzip eines Turboladers mit variabler Geometrie, sind die Vorteile offensichtlich:

• Sie verringern oder beseitigen das „Turboloch“ bzw. die verzögerte Reaktion, die für turboaufgeladene Motoren beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen typisch ist.
• Sie optimieren die Funktion des Aufladesystems in allen Drehzahlbereichen des Motors und ermöglichen einen flacheren Drehmomentverlauf.
• Da der Ladedruck über die beweglichen Schaufeln gesteuert wird, ist kein Waste-Gate-Ventil erforderlich.
• Es handelt sich um eine einfachere Lösung als ein sequenzieller Doppelturbo. Dennoch gibt es Hochleistungsmotoren mit mehr als einem Turbolader, bei denen mindestens einer mit variabler Geometrie ausgeführt ist.
• Durch die optimierte Drehmomentabgabe verbessern sich die Leistungswerte und damit auch Verbrauch und Emissionen

Welche Nachteile hat ein Turbolader mit variabler Geometrie?

Da es sich um einen komplexeren Mechanismus mit mehr beweglichen Teilen handelt, sind Turbolader mit variabler Geometrie teurer als herkömmliche. Aus demselben Grund sind sie auch anfälliger für Defekte.

Ein weiterer Nachteil ist die Komplexität ihres Einsatzes in Benzinmotoren, bei denen die höheren Abgastemperaturen aufwendigere und teurere Entwicklungen erfordern.

Porsche gehörte zu den ersten Marken, die einen Turbolader mit variabler Geometrie in einem Benzinmotor verwendeten. Heute findet man sie auch in kleinen Motoren, vor allem zur Effizienzsteigerung und weniger für hohe Leistungswerte. Ein aktuelles Beispiel ist der 1.5-Hybridmotor des neuen Alfa Romeo Tonale.

Wartung, Pflege und Defekte von Turboladern mit variabler Geometrie

Da sie mehr bewegliche Teile besitzen, die zudem hohen Temperaturen und dem Abgasstrom ausgesetzt sind, haben Turbolader mit variabler Geometrie mehr Probleme als solche mit fester Geometrie.

Der häufigste Defekt ist, dass sich das System der variablen Schaufeln verklemmt. Das Problem dabei ist, dass der Turbolader nicht wie einer mit fester Geometrie weiterarbeitet, da die blockierten Schaufeln den Motor nur in einem bestimmten Drehzahlbereich korrekt arbeiten lassen. Die Symptome sind ein deutlicher Leistungsverlust mit entsprechend höherem Verbrauch. Häufig treten auch Sprünge in der Leistungsabgabe oder Totzonen auf, in denen der Motor scheinbar nicht mehr schiebt.

Wie bei Luftmassenmessern, AGR-Ventilen und Partikelfiltern ist eine der Hauptursachen für das Verklemmen eines Turboladers mit variabler Geometrie, hauptsächlich im Stadtverkehr oder mit dauerhaft sehr niedriger Drehzahl zu fahren, da dabei die Verbrennung am meisten Ruß erzeugt.

Der beste Weg, Defekte an einem Turbolader mit variabler Geometrie zu vermeiden, ist daher, die Fahrt nicht auf Stadtstrecken zu beschränken, sondern ab und zu auf Landstraßen zu fahren und den Motor auch im mittleren oder hohen Drehzahlbereich arbeiten zu lassen. Außerdem ist es unerlässlich, ein geeignetes Motoröl zu verwenden und die Wartungsintervalle einzuhalten.