Moderne turbo’s kwetsbaarder door downsizing en hogere milieu-eisen

De moderne turbocompressor (ook wel turbolader of kortweg turbo) krijgt door de trend van het downsizen van motoren een compacter ontwerp en moet harder werken om dezelfde prestaties te leveren. Daardoor draait hij onder hogere belasting en opereert hij dicht bij de grenzen van wat zijn ontwerp en materialen toelaten, waardoor het risico op slijtage en ernstige schade aanzienlijk toeneemt.

Functie en werking van een turbo

Een turbo gebruikt de energie van uitlaatgassen om extra lucht onder druk in de motor te blazen. Dit zorgt voor een efficiëntere en meer volledige verbranding, waardoor het vermogen toeneemt en de emissies afnemen.

Concreet comprimeert de turbo de aangezogen lucht via het compressorwiel naar de motor. Dat wiel is via een door olie gesmeerde as verbonden met het turbinewiel, dat wordt aangedreven door de uitlaatgassen. Hoe meer lucht, hoe meer brandstof er kan worden verbrand en dus hoe groter het vermogen.

Constructie en materiaal

Hogere mechanische belasting

In kleinere, moderne motoren moet de compactere turbo hogere toerentallen draaien en meer druk opbouwen om dezelfde hoeveelheid lucht – en dus vermogen – te leveren als grotere turbo’s in oudere motoren. Hierdoor draait de turbo vrijwel constant onder hoge belasting – zelfs tot 300.000 omw/min – wat extreme eisen stelt aan lagers, as en turbinehuis.

Hogere thermische belasting

Door hun kleinere thermische massa raken compacte turbines sneller oververhit. Hoewel fabrikanten hittebestendige legeringen toepassen, blijft dit een groot probleem. Bij benzinemotoren kan de uitlaatgastemperatuur boven 1.000 °C komen, wat kan resulteren in microstructuurveranderingen in het metaal, versnelde oxidatie en corrosie, en thermische vermoeiing met haarscheuren tot gevolg.

Bij onvoldoende koeling kan dit resulteren in scheuren in het turbinehuis of vervorming van het compressorwiel. In systemen met gecombineerde olie- en waterkoeling kan uitval van één van beide direct onherstelbare schade veroorzaken.

De compactere moderne turbo heeft minder thermische massa en geraakt zo makkelijker oververhit

Smering en interne slijtage

Voor een optimale werking moet de aangezogen lucht zowel vóór het compressorwiel als aan de uitlaatzijde schoon zijn. Vuil in de luchtstroom kan schoepen beschadigen, onbalans veroorzaken en slijtage versnellen.

Ook de olie die de turbineas smeert, moet schoon en van het juiste type zijn. Vervuilde olie werkt als schuurmiddel, terwijl ongeschikte olie onvoldoende bescherming of hittebestendigheid biedt. Beide kunnen de lagers beschadigen en de smering verstoren, met ernstige gevolgen voor de levensduur van de turbo.

Beschadigd compressorwiel van turbo — Beschadigde turbinewielvanen en nozzlevanen ten gevolge van de inslag van een vreemd object in de motor

Kleine toleranties en nauwe oliekanalen

De lagers in een turbo draaien op een uiterst dunne oliefilm die continu moet worden aangevoerd. Door de nauwe toleranties in de oliekanalen is het systeem gevoelig voor vervuiling: microscopisch kleine deeltjes kunnen al slijtage veroorzaken.

Door smallere oliekanalen zijn moderne turbo's gevoeliger voor verstopping

Bij oliestarving – geen of te weinig olie – kan een turbo bij hoge snelheden binnen enkele seconden zware schade oplopen. Oorzaken zijn onder meer te lage oliedruk (defecte oliepomp of versleten motor), verstopping van oliekanalen (sludge, cokesafzetting, metaalschilfers), te lage olievoorraad, verkeerde olieviscositeit of het direct afzetten van de motor na zware belasting.

Turbolagerbus uit turbocompressor — Sterk vervuilde component door vermenging van motorolie met dieselolie, veroorzaakt door lekkende brandplaatjes onder de injectoren. De diesel verdunt de olie en spoelt vervuiling los, waardoor vuil zich ophoopt in het carter en op motoronderdelen

Olieafvoerproblemen

Een probleemloze olieafvoer is net zo belangrijk als een goede toevoer. Sommige turbo’s zijn gevoelig voor terugstroming of ophoping van olie, bijvoorbeeld door verkeerd gemonteerde retourleidingen of hoge carterdruk. Dit kan leiden tot olielekkage, zowel naar het compressorhuis (inlaat) als naar het turbinehuis (uitlaat). In beide gevallen uit zich dat in blauwe rook uit de uitlaat.

Als olie stagneert in de turbo en wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, polymeriseert/verkoolt ze, waardoor harde afzettingen ontstaan (cokesvorming). Dit kan uiteindelijk de smering blokkeren en de turbo doen vastlopen.

Aerodynamische en mechanische ontwerpaspecten

Compressor surge en overspeed

Een slechte afstemming tussen software, motor, inlaat- en uitlaatsysteem kan leiden tot compressor surge: drukgolven die terug de compressor in slaan. Ook kan overspeeding optreden, waarbij het compressorwiel sneller draait dan zijn ontwerplimiet. Beide verschijnselen kunnen ervoor zorgen dat er onderdelen breken in de turbo, versnellen erosie van de turbinebladen en zorgen voor trillingen die de levensduur verkorten, vaak vergezeld van extra geluid.

Variable Nozzle Turbine (VNT)

Veel moderne turbo’s gebruiken verstelbare schoepen om de turbodruk te regelen. Dit VNT-mechanisme is gevoelig voor roetaanslag veroorzaakt door een vervuild inlaatsysteem en een te volle roetfilter. Het kan vastlopen door thermische uitzetting en functioneert slecht bij een verkeerde afstelling als een revisie niet professioneel is uitgevoerd.

Meerdere turbo's installeren leidt niet tot minder storingen

Steeds vaker komt het voor dat er in motoren twee of meer turbo's gemonteerd worden. Het achterliggende idee is dan dat dit tot minder storingen zou leiden, maar dit is helaas niet het geval.

Maatregelen voor een maximale levensduur

Door fabrikanten

Toepassen van keramische lagers of speciale coatings om slijtage te verminderen.
Optimaliseren van koelkanalen en oliecirculatie voor stabielere werking en betere warmteafvoer.
Gebruik van hittebestendige superlegeringen voor maximale bescherming tegen extreme temperaturen.
Gebruik van hoogwaardige motorolie kan bijdragen aan een langere levensduur.

Door gebruikers

Olie- en filterwissels strikt volgens voorschrift uitvoeren – en bij voorkeur relatief korte wisselintervallen hanteren.
Na zware belasting de motor nog kort stationair laten draaien om warmte en hitte in de turbo gecontroleerd af te voeren.
Hoogwaardige brandstof gebruiken voor schonere verbranding en minder afzettingen.

Demontage- en montagevoorschriften

Demontage van de turbo

Reiniging van turbo in straalcabine — Reinigen van een turbo-onderdeel met een speciaal straalmiddel, in een gesloten straalcabine – het straalproces verwijdert hardnekkige aanslag en vuil zonder dat straalmiddel of deeltjes in de werkruimte terechtkomen

Bij diagnose van turboschade moeten alle defecte onderdelen in het olie-, lucht- en uitlaatsysteem worden vervangen en de werkende onderdelen zorgvuldig worden gereinigd.

Als eerste stap wordt de olie ververst en het oliefilter vervangen. Wanneer er vervuiling in het oliesysteem wordt vastgesteld, moet de carterpan inclusief carterfilter worden gedemonteerd en gereinigd. Bij ernstige vervuiling is het bovendien aan te raden het volledige oliecircuit te spoelen.

Daarna volgt een controle van de luchtinlaat. Hierbij moet de luchtfilter worden vervangen indien nodig, en eventuele olie- of roetafzettingen in het systeem verwijderd worden. Ook de olietoevoer- en retourleidingen verdienen bijzondere aandacht: deze dienen volledig vrij te zijn van blokkades en worden bij voorkeur altijd vervangen.

Tot slot moeten de carterventilatieleidingen worden gereinigd en de carterdruk gecontroleerd. Een correcte werking van het oliecircuit en een stabiele carterdruk zijn essentieel om een nieuwe turboschade te voorkomen.

Montage van de turbo

Vervolgens mag de turbo aan de uitlaat worden gemonteerd. Gebruik nooit een vloeibaar pakkingmateriaal, dit kan de turbosmering blokkeren en aan de uitlaatzijde afbrokkelen en in het turbinewiel terecht komen. Vóór het starten van de motor dient het lagerhuis van de turbo te worden gevuld met de voorgeschreven olie.

Aandachtspunten na de montage

Na de montage is het belangrijk om te checken of de turbo voldoende olie krijgt en of de druk goed is. Te weinig olie kan zijn levensduur drastisch inkorten. Daarom is het belangrijk om de motor voorzichtig te laten starten en de oliedruk te laten opbouwen in 30 à 60 seconden. Laat de motor vervolgens vijf à tien minuten stationair draaien.

Controleer vervolgens alle slangverbindingen rond de turbo op eventuele lekkages. Indien u na deze stappen geen problemen gevonden heeft, kan de klant veilig en wel weer de baan op.

Met medewerking van Turbo Direct, Turbo's Hoet en Turboshop.nl