Turboschade en mogelijke oorzaken

Turboschade en mogelijke oorzaken

De turbo is een fantastische uitvinding, maar is ook een kwetsbaar onderdeel van de motor. In dit artikel gaan we in op de werking van de turbo en hebben we het over de oorzaken en gevolgen van het optreden van schade aan de turbo.

Wat doet een turbo?

Een turbo verhoogt de vullingsgraad. Bij een verbrandingsmotor zorgt de neergaande zuiger en het gelijktijdig openen van de inlaatklep(pen) ervoor dat de cilinder zich vult met lucht (bij een dieselmotor) of een lucht-/brandstof mengsel (o.a. bij een benzinemotor). 

De verhouding tussen de ruimte die er is voor het lucht-/brandstofmengsel en het maximum mogelijk toe te voeren mengsel heet de vullingsgraad. De vullingsgraad kan worden verhoogd door meer mengsel toe te voeren.

Dat is de taak van de turbocompressor. Door met overdruk extra mengsel in de cilinder te blazen wordt de vullingsgraad hoger en een hogere vullingsgraad zorgt voor een hoger maximum koppel en een hoger maximum vermogen. 

De turbo, over het algemeen aangedreven door de uitlaatgassen, wordt erg heet en daarmee dus ook het mengsel. Een heet mengsel verlaagt juist de vullingsgraad, en om dit negatieve effect tegen te gaan moet het mengsel worden afgekoeld. Daarvoor dient de intercooler.

Fig.1 Een turbo kan wel eens op een lastige plaats gemonteerd zijn (Porsche GT3)

Hoe werkt een turbo?

De turbo wordt aangedreven door het uitlaatgas. Er zijn twee schoepenwielen in gemonteerd; het turbinewiel en het compressorwiel. Deze zijn aan dezelfde as bevestigd. De ruimten waarin zij draaien zijn wel van elkaar gescheiden. Zij draaien dus wel met dezelfde snelheid. Die snelheid kan oplopen tot 120.000 toeren per minuut. 

Het uitlaatgas drijft het turbinewiel aan. Het compressorwiel zet de aangezogen lucht onder druk. De inlaatlucht wordt dus met een overdruk in de cilinder geperst. Die overdruk is de turbodruk. 

Fig.2 Een conventionele turbocompressor

Voor het verbrandingsproces is het is belangrijk dat de motor koele lucht krijgt toegevoerd. Hoe meer zuurstofdeeltjes per cm3 lucht worden aangezogen, des te beter verbrandt de brandstof. Daarom wordt de door de turbo samenperste lucht eerst door een intercooler gestuurd. Om de motor te beschermen tegen een te hoge vuldruk, is er een veiligheidsventiel gemonteerd. Dat is de waste-gate. Die kan mechanisch, maar ook elektronisch door de motorregeleenheid worden aangestuurd. 

De smering gebeurt door de motorolie. De meeste turbocompressoren zijn ook vloeistofgekoeld (door het koelsysteem van de motor).

 

Oorzaken van turboschade

Door de hoge snelheid van de schoepenwielen zijn turbo’s heel gevoelig voor inwerking van vreemde voorwerpen. De hoge snelheid is de omtreksnelheid: toerental x diameter schoepenwiel. Ook van invloed zijn fluctuaties in de werking van de turbo, maar ook die van de motor.

Het turbinedeel kan overbelast raken door storingen in het inspuitsysteem, een vervuilde interkoeler en een niet goed functionerend koelsysteem. Deze factoren zorgen er voor dat het turbinegedeelte thermisch overbelast raakt.

En niet onbelangrijk; vreemde voorwerpen (bijvoorbeeld koolstofresten, afgebroken deeltjes van onderdelen) beschadigen het compressor- en het turbinewiel. 

 

1. Beschadiging door ‘vreemde’ voorwerpen

Dit zien we vooral aan de kant van het compressorwiel. De meest voorkomende voorwerpen zijn bouten, moeren, stukken poetslap en dergelijke. Vooral de harde items veroorzaken veel en meestal onherstelbare schade. Dit valt vaak te constateren aan de kant van de schoepen die volop in de (ingaande) stroming staan. De meest ernstige vorm is het compleet wegslijten van de schoepen tot op de as.

Dergelijke schades kunnen worden voorkomen als de juiste luchtfilters worden gebruikt. Dat verhindert ook vuilafzetting op de schoepen. Let ook op koolafzetting. Deze wordt veroorzaakt door een niet goed gemonteerde of met vuil verzadigde carterontluchting. 

Aan de turbinezijde komt schade voor door afgebroken motoronderdelen (stukken van een klep, zuigerveren en zuigerschades). Ook stukken kool (hard geworden verbrandingsresten) of resten van gietwerk kunnen schade veroorzaken. En in de laatste plaats – maar wel een belangrijke – heeft ook een niet-vakkundige montage van de turbo invloed op de werking. Let vooral ook op de aanhaalmomenten. 

 

2. Onbalans

Bij sneldraaiende stromingsmachines – zoals dus turbocompressoren – is de kwaliteit van het balanceren van wezenlijk belang. Onbalans kan worden veroorzaakt door losraken van onderdelen (delen van schoepen kunnen zijn afgebroken) of de vorming van afzettingen op de schoepen. Verder kunnen eenzijdige slijtage of defecte lagers onbalans veroorzaken. 

Onbalans is te merken aan trillingen als de motor draait, lagerslijtage en afzetting van metaalresten op de as van de turbo.

 

3. Breuken

Trillingen zorgen er voor dat er metaaldeeltjes uit het compressor- en turbinewiel breken. In het ergste geval barst het compressorwiel. De eigenlijke oorzaak is het optreden van spanningen in het compressorwiel. 

 

Een aantal schadebeelden

Hieronder een aantal schadebeelden met de bijbehorende "mogelijke" oorzaken.

Beschadiging door vreemde voorwerpen aan de compressorzijde (1)

Fig 3 & 4

Schadebeeld:

Beschadiging aan de schoepen (Fig.3) van het compressorwiel waar de lucht binnenkomt. In een vergevorderd stadium worden de schoepen afgeslepen tot aan de naaf (Fig.4).

Mogelijke oorzaken

• Vreemde voorwerpen in de inlaatleiding
• Achtergebleven zaken na een reparatie (schroeven, moeren, stukken poetslap, enzovoort);
• Het losraken van het compressorwiel door het niet aanhalen van de bevestigingsmoer met het voorgeschreven aanhaalmoment als de turbo wordt gemonteerd.

 

Beschadiging door vreemde voorwerpen aan de compressorzijde (2)

Fig. 5

Schadebeeld:

Vuilafzetting aan de binnenwand van het compressorhuis

Mogelijke oorzaak

• Een ontbrekend, beschadigd of niet goed gemonteerd luchtfilter.

 

Beschadiging door vreemde voorwerpen aan de turbinezijde

Fig. 6

Schadebeeld:

Beschadigingen aan de toevoerzijde van het turbinewiel (buitenzijde schoepen)

Mogelijke oorzaken

• Klep gebroken (in- of uitlaatklep), beschadigingen van de zuigerveren;
• het losraken van gietresten uit het uitlaatspruitstuk of in het turbinehuis, die bij het monteren niet verwijderd zijn (ook bouten en moeren en dergelijke).

 

Vuil in de olie

Fig. 7

Schadebeeld:

• Gelijkmatig verdeelde sporen over de omtrek van de buiten- en binnenzijde van het radiale lager;
• Gelijkmatig verdeelde sporen op de aanlegvlakken van het axiale lager;
• Gelijkmatig verdeelde sporen over de omtrek van het asoppervlak in de omgeving van het loopvlak van het radiale lager;
• Aanvreten bij de olietoevoerboringen van het axiale en radiale lager;
• Verstopte toevoerboring in het axiale lager;
• Gelijkmatig verdeelde sporen over de omtrek van de radiale lageraanlegvlakken in het lagerhuis.

Mogelijke oorzaken

• Vuil in de olie;
• Olieverversingstermijnen overschreden;
• Het gebruikte oliefilter komt niet overeen met de specificatie zoals die door de motorfabrikant is gegeven.

 

Oliegebrek

Fig. 8 & Fig. 9

Schadebeeld:

• Slijtage van de aanlegvlakken van het axiale lager (Fig. 8). In een gevorderd stadium zijn de aanlegvlakken niet meer zichtbaar;
• Slijtage van het radiale draagvlak van het lager (aan de binnen- en buitenomtrek), dichtsmeren van de oliegroef en olietoevoerboringen;
• Slijtage van de radiale lageraanlegvlakken in het lagerhuis;
• Gelijkmatige afzetting van lagermateriaal op de omtrek van de as in de omgeving van het radiale lager. In een gevorderd stadium vastvreten van het radiale lager op de as of het lagerhuis.(Fig. 9)

Mogelijke oorzaken

• Het uitvallen van de olietoevoer (bijvoorbeeld een defecte oliepomp, breuk in de leiding of het knikken van de olietoevoerleiding, verstopte toevoerleidingen);
• Te geringe oliedruk voor de turbocompressor (slijtage);
• Het onmiddellijk belasten van de motor na de koude start;
• Gevolgschade naar aanleiding van olievervuiling.

 

Afzettingen van een teerachtige substantie

Fig. 10

Schadebeeld:

• Afzetting van olieresten/koolresten/teer op de as
• Vernislaag in de oliegroef van het axiale lager
• Vernisafzetting in de omgeving van de oliegroef/olieboring aan de turbinezijde van het radiale lager. In een gevorderd stadium sterke teerafzetting aan de achterzijde van het turbinewiel en op de afdichtingsringen van de turbine.

Mogelijke oorzaken

• De door de motorfabrikant voorgeschreven oliespecificatie is niet gebruikt.
• Sludgevorming/olieveroudering, onderhoudstermijnen met betrekking tot het olieverversen zijn niet in acht genomen.

 

Olielekkage

Schadebeeld:

• Het wegvloeien van olie aan de compressor- of turbinezijde;
• Het wegvloeien van olie tussen de achterwand van het compressorhuis en het lagerhuis;
• Het wegvloeien van olie bij de olietoevoerflens of olieafvoerflens.

Mogelijke oorzaken

• Werking van de turbo zonder dat er druk wordt opgebouwd;
• Carterdruk te hoog;
• Olie-afvoer verstopt of geblokkeerd;
• Oliepeil in het carter te hoog;
• Achterwand is bedekt met teerachtige substantie afkomstig van de olieafscheiding;
• O-ring tussen achterwand en het lagerhuis defect;
• Flensverbindingen los. 

 

Onbalans

Schadebeeld:

• Afvoer van lagermateriaal aan een zijde van het asoppervlak;
• Slijtage van het radiaallager en de lagerplaatsen in het lagerhuis.

Mogelijke oorzaken

• Overschrijding van de toelaatbare restbalans van het roterende turbocompressorgedeelte;
• Ontoelaatbare rondloopafwijking van de as;
• Onbalans door de inwerking van vreemde voorwerpen aan de turbine- of compressor zijde;
• Onbalans door overmatig sterke afzetting op het compressor- of turbinewiel.  

Nu zijn er ook nog een aantal schades die niet direct herleidbaar zijn naar een defect aan de turbo, maar die hun oorzaak vinden in de combinatie motor/verbrandingsproces en de turbo, zoals bijvoorbeeld vermogenstekort, rookontwikkeling, vuldruk te laag of te hoog en dergelijke. Dit zal een vervolg zijn op dit stuk. 

Bij de samenstelling van dit verhaal heb ik ondermeer gebruik gemaakt van het boek ‘Motorschade’ samengesteld door Ernst Greuter en bewerkt/vertaald door mijzelf.

 

Geschreven door Atte Roskam