Hella Turbo Aktuator

Das Prinzip eines Turbokompressors ist eigentlich sehr einfältig doch trotzdem so schlau um die gewaltige Kraft unter Kontrolle zu halten. Ohne irgendeine Form von Druckregelung bläst der Turbo permanent Luft in den Motor und dies ist nicht jederzeit gewünscht. Schlimmer noch, dies kann in bestimmten Fällen schwere Motorschäden zur Folge haben. Im Idealfall will man den Turbodruck der jeweiligen Situation kontinuierlich anpassen. Glücklicherweise gibt es Turboaktuatoren welche diese Aufgabe auf sich nehmen können, aber was macht so ein Turboaktuator genau? Und vielleicht noch interessanter: Was passiert wenn so ein Turboaktuator mal defekt geht?

ECU-FoMoCo-ESU-411

Was geht in den meisten Fällen defekt?

Beginnen wir bei den Defekten welche wir konstatieren. So wie gerade erklärt, kann so gut wie alles defekt gehen, wenn der Druck nicht gut geregelt wird. Es ist nämlich leider nicht alles im Motor beständig gegen den (zu) hohen Druck und die (zu) hohen Temperaturen. Glücklicherweise ist das System so ausgelegt, dass das Motor-ECU für einen sicheren Notlauf sorgt sobald ein unkorrekter Druck gemessen wird. Ein defekter Turboaktuator sorgt also nicht zwangsläufig für einen Motorschaden aber für Fehlercodes und weniger Leistung. An den abgespeicherten Fehlercodes kann oftmals gesehen werden, dass etwas mit dem Turbo oder der Druckregelung nicht stimmt:

  • P0234 – Engine Overboost Condition

  • P0299 – Turbo/Supercharger Underboost

  • P2263 – Turbo/Supercharger Boost System Performance

Viele Hersteller haben eigene Fehlercodes wie z.B. Ford:

  • P132A

  • P132B

Aber stellen Sie sich vor, dass der Turbo selbst in Ordnung ist, was kann am Aktuator defekt gehen? Wir werden gleich ins Detail gehen, wie das Regelsystem im Allgemeinen arbeitet. Wir können jedoch festlegen, dass ein Aktuator aus einem Elektromotor, einem Kunststoffwurmrad und einer Platine besteht. Leider sehen wir immer wieder bei all diesen Bauteilen Schwachpunkte. Glücklicherweise ist beinahe alles instandsetzbar. Die Reparatur (oder besser gesagt: die Überholung) ist somit auch kein Problem auch wenn die Autohersteller oftmals das Gegenteil behaupten. Am liebsten verkaufen diese einen neuen Turbo an den Kunden da ein einzelner Turboaktuator oftmals nicht zu bestellen ist.

Der Überholungsprozess

Einen Turboaktuator bezeichnen wir bei ACtronics als Mechatronik. Eine Komponente die Mechanik und Elektronik enthält. Dies bedeutet, dass die Überholung aus zwei Phasen besteht.

Die mechanischen Defekte werden durch unsere Mechatronik-Abteilung bearbeitet. Wir haben in unserem Hause Komponenten entwickelt, die gleichwertig oder sogar besser sind als die Originale, wodurch wir eine sehr hohe Qualität garantieren können. Wir behandeln während des Prozesses nicht nur die defekten Teile sondern merzen ebenfalls bekannte Schwachpunkte aus. Konkret bedeutet dies, dass alle mechanischen Teile vorsorglich ausgetauscht werden. Dies tun wir um eine hohe Qualität des überholten Bauteiles zu gewährleisten.

Fehler, welche sich auf die Elektronik beziehen, werden durch unsere Bond-Abteilung bearbeitet. Diese Abteilung verfügt über modernste Geräte, welche in der Lage sind, genaueste Verbindungen auf und zur Platine zu legen. Diese Methode nennen wir „bonden“ . Dies nutzt Ultraschall-Vibrationen um die neue Verbindung am bestehenden Kontaktpunkt zu befestigen. Diese Methode ist extrem genau und hat gegenüber dem Löten den Vorteil, dass keine der bestehenden Komponenten auf der Platine mit Hitze in Berührung kommt. Hier können wir somit eine höhere Qualität bieten als Reparaturen die durch Lötarbeiten ausgeführt wurden. Dabei muss erwähnt werden, dass „bonden“ nicht immer die beste Lösung ist um eine Verbindung zu legen. In bestimmten Situationen genießt das Löten Vorrang. Hierzu erscheint in Kürze ein eigener Artikel.

Nach dem Instandsetzen führen wir selbstverständlich immer einen ausführlichen Abschlußtest durch. Unsere Testaufstellung gibt uns die Möglichkeit alle Inputs aus dem ECU zu simulieren. Wir kontrollieren also nicht nur ob sich alles wie es soll bewegt, sondern überprüfen auch ob die Elektronik auf der Platine so arbeitet wie sie soll. Der Testaufbau selbst ist in der Lage die Kraft und Positionsmessungen durchzuführen. Wir wissen also nach dem Test sicher, dass das überholte Bauteil mindestens so gut funktioniert wie ein Original-Teil. Nettes Detail: Der Testaufbau ist durch unser Haus selbst entworfen und entwickelt worden. Dies zeigt nicht nur wie speziell wir zu Werke gehen sondern auch wie groß unsere Kenntnis tatsächlich ist.

Der Hella-Turbo-Aktuator im Detail

Technikfanatiker und Turbospezialisten werden diese Erklärung wahrscheinlich zu Recht etwas kurz empfinden. Aber ein Turbo ist noch am besten kurz zu beschreiben als ein doppelt ausgeführtes Schaufelrad in einem gemeinsamen Gehäuse. Das Schaufelrad an der Auslassseite beginnt sich durch die austretende Auslassluft zu drehen. Diese Drehbewegung wird über eine Welle an das Schaufelrad an der Einlassseite übertragen. Dieses beginnt dadurch auch zu drehen wodurch mittels der speziell geformten Leitschaufeln Luft in den Motor „geschaufelt“ wird. Je schneller das Schaufelrad dreht, desto höher der Druck mit dem die Luft in den Motor gedrückt wird.

Und hier steckt auch das Problem: ein Turbo hält normalerweise nichts von anhalten. Eigentlich wäre es viel besser wenn die Zufuhr der Abgase so geregelt werden könnte, dass jederzeit die richtige Menge an Staudruck ansteht und diese nicht allein von Motordrehzahl und Drosselklappenstellung abhängig wäre. Glücklicherweise sind Technikfreaks an diese Problematik heran gegangen und haben eine Lösung namens „Turbokompressoren mit variabler Geometrie“ entwickelt. Dieses neue System nutzt verstellbare Leitschaufeln rund um das zentral drehende Schaufelrad an der Auslassseite. Durch das Verstellen mittels eines Stellringes dieser Leitschaufeln kann die Menge an Abgas, die am Schaufelrad ankommt, variiert werden. Problem gelöst!

Hella Turbo Aktuator Defekt

Naja, gelöst… nicht komplett. Das variable Schaufelsystem besteht einzig aus mechanischen Teilen und kann sich somit nicht selbst regeln. Dafür wurden die Turboaktuatoren erfunden. Diese können die Betätigungsgabel regeln, welche die verstellbaren Leitschaufeln bedient. Turboaktuatoren kann man grob in drei Kategorien unterteilen: die pneumatisch geregelten Aktuatoren, die elektrisch geregelten Aktuatoren und die hybriden Aktuatoren. Bei Turbos mit variabler Geometrie kommen nur elektrisch geregelte und hybride Aktuatoren vor. Darum vernachlässigen wir hier die Technik der pneumatischen Aktuatoren.

Elektrisch geregelte Aktuatoren

Elektrisch geregelte Aktuatoren wurden entwickelt um auf die elektrischen Inputs aus dem ECU zu reagieren. Die Verstellwinkel sind damit abhängig von der Entscheidung des ECU. Das ECU verfügt über allerlei Informationen wie z.B. die Motortemperatur und Einlassdruck, kann aber auch auf Inputs wie z.B. durch regelbare Fahrsysteme (z.B. neutral, dynamic, sport) reagieren. Dies ist für Autohersteller besonders interessant, weil noch mehr Einstellmöglichkeiten wie z.B. niedriger eingestellter Turbodruck, bei kaltem Motor oder höherem Turbodruck sobald der Sport-Modus gewählt wird. Darum sind oft elektronisch geregelte Turboaktuatoren in Autos mit modernen Turbomotoren zu finden. Audi, BMW, Citroen, Ford, Jaguar, Mercedes-Benz, Peugeot, Volvo, VW… alle nutzen den elektronisch geregelten Aktuator von Hella oftmals in Kombination mit einem Garrett-Lader.

ECU-FoMoCo-ESU-411

Wussten Sie schon?

Die Schaufeln eines VGT (Turbokompressor mit variabler Geometrie) können durch Flugrost festlaufen. Dies beeinflusst nicht nur die Funktion des Systems sondern kann auch den Aktuator beschädigen. Darum kontrollieren Sie immer auch die Schaufeln auf Freigängigkeit falls ein Aktuator defekt geht um einen erneute Beschädigung eines überholten Aktuators zu vermeiden. Dies können Sie am besten kotrollieren wenn Sie die Betätigungsstange von der Verstellgabel lösen und dann die Verstellgabel bewegen.

Hella Turbo Actuator elektrisch-geregelte-aktuatoren

Sowie bereits schon erklärt, besteht der elektrisch geregelte Turboaktuator im Prinzip aus einem Elektromotor, einem Kunststoffwurmrad und einer Platine. Der Input aus dem ECU wird durch die Platine ausgewertet und gibt an den Elektromotor den Befehl, sich eine bestimmte Zeit links oder rechts herum zu drehen. Hierdurch wird die Verstellgabel des VGT in die gewünschte Position gestellt. Die muss nicht vollständig offen oder geschlossen sein, da die Verstellung kontinuierlich angepasst werden kann, indem die Verstellgabel betätigt wird.

Es gibt zwei Arten Turboaktuatoren von Hella: ein REA (Rotary Electronic Actuator) und einen SREA (Simple Electronic Rotary Actuator). Beide Versionen nutzen einen 5-Pin-Stecker: Nur die PIN-Belegung ist unterschiedlich:

SREA:

SREA Hella Turbo Actuator

  • 1. Motor rechtsrum drehen

  • 2. Motor linksrum drehen

  • 3. Masse

  • 4. 5-Volt-PWM-Signal (1kHz)

  • 5. 5V

REA:

REA Hella Turbo Aktuator

  • 1. 12V

  • 2. Masse

  • 3. CAN-L

  • 4. 5-Volt-PWM-Signal (1kHz)

  • 5. CAN-H

Außer durch die Pin-Belegung unterscheiden sich die beiden Typen noch durch mehr Punkte voneinander wie z.B. die Ansteuerung der Verstellgabel. Der SREA bekommt durch ein einfaches Blocksignal auf PIN 1 oder 2 den Befehl den Elektromotor eine bestimmte Zeit zu bewegen. Hierdurch verstellt sich die Verstell-gabel in die korrekte Position. Der REA nutz einen CAN-Bericht um zu entscheiden, welche Aktion gewünscht ist. Der aktuelle Gabelstand wird auf der Platine gemessen. Der zuständige Sensor wird C.I.P.O.S- Sensor genannt. Der Istwert wird mit dem Sollwert verglichen und ggf. angepasst. Dies scheint umständlich hat aber auch seine Vorteile. Z.B. ist der Stand der Verstellgabel zu jeder Zeit bekannt und eventuelle Abweichungen können herausgefiltert werden. Darüber hinaus kann das ECU den Stand der Verstellgabel als Input für bestimmte Handlungen oder Berechnungen nutzen. Das gesamte System wird hierdurch dynamischer.

Hybride Aktuatoren

Es gibt ebenfalls Turbos mit variabler Geometrie, welche kein elektrisches Hella-Stellglied nutzen sondern die Regelung teils pneumatisch geschieht so wie es z.B. bei bestimmten JTD-Motoren der Fiat-Gruppe der Fall ist. Aber warum wurde diese Wahl getroffen ? Es gibt Situationen wo man gerne elektronisch geregelte Aktuatoren nutzen will dies aber einfach nicht geht. Durch beispielsweise Platzprobleme oder die Konfiguration der genutzten Turbos kann es möglich sein, eine andere Lösung zu nutzen. Hierfür sind die hybriden Aktuatoren gedacht. Obwohl der Name vermuten lässt, dass es hier um eine Komponente geht, besteht ein hybrider Aktuator eigentlich aus einem „altmodischen“ pneumatischen Aktuator und eine kleine, elektrische Stellklappe. Ein Signal lässt die Klappe sich schließen oder öffnen wodurch der pneumatische Turbodruck mehr oder weniger Überdruck aus dem Einlasstrakt empfängt. Durch das hiermit variieren, kann man die Stellung der Stellgabel und somit den Stand der Stellschaufeln beeinflussen.

Um ehrlich zu sein: Das System arbeitet etwas ungenauer und ist weniger dynamisch vom Setup als das REA von Hella aber eignet sich eigentlich prima als Alternative. Die elektrische Regelklappe ist nicht nur kleiner als der gesamte Hella-Turboaktuator sondern macht es außerdem möglich Turbokompressoren zu nutzen wo ein Einsatz des Hella-Turboaktuators aufgrund der Konfiguration nicht möglich ist. Überdies ist die Elektronik noch weiter von den Temperaturschwankungen rund um den Turbokompressor entfernt. Vor Allem bei Motoren bei denen die Hitze weniger gut abgeführt werden kann, kann der hybride Aktuator ein guter Kompromiss sein. Wir können uns schon vorstellen, dass ein Auto-Hersteller in bestimmten Fällen eine alternative Lösung und nicht den Hella-Turboaktuator wählt.

Demontage der Einheit

Das größte Problem während der Demontage ist wahrscheinlich die Zugänglichkeit des Hella-Turboaktuators. Dies unterscheidet sich stark von Auto zu Auto. Sofern erst einmal genug Raum geschaffen wurde, sollte es für einen geübten Monteur nicht schwer sein, den Turboaktuator zu demontieren. Erst müssen die Stecker und die Stellgabel vom VGT gelöst werden. Die Stellgabel ist mit einem Sicherungsring gesichert. Wenn dies geschehen ist, brauchen lediglich noch 3 Schrauben entfernt werden um den Turboaktuator vom Turbo zu lösen.

Bei der Montage zu beachten:

Es gibt etwas Spielraum im Bereich der 3 Schrauben mit denen der Turboaktuator befestigt wird. Man kann also den Turboaktuator nicht „auf gut Glück“ anschrauben. Ziehen Sie die fahrzeugspezifischen Unterlagen zu Instruktionen, bezüglich der Einstellung, zu Rate.

Video

Auf Youtube befindet sich auch ein anschaulicher Film über den Hella Turbo Actuatuor in Aktion.