Turbolader-Diagnose: Wenn der elektrische VTG-Aktuator streikt

Eine optimale Verbrennung setzt voraus, dass dem Motor in jeder Betriebssituation die richtige Luftmasse zur Verfügung steht. Eine entsprechend gute Zylinderfüllung erfordert unter anderem eine an den jeweiligen Betriebszustand angepasste Aufladung. Welches System zur Ladedruckregelung eingesetzt wird, hängt dabei vom jeweiligen Motor- und Emissionskonzept ab. Während Wastegate-Turbolader weiterhin weit verbreitet sind, kommen zunehmend auch Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) zum Einsatz.
Im Vergleich zum Wastegate-Turbolader ermöglicht die VTG-Variante mit elektrischer Verstellung eine präzisere Regelung des Ladedrucks. Der wirksame Turbinenquerschnitt wird ständig an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst, sodass sich die Antriebsenergie des Abgasstroms gezielter nutzen lässt. Dadurch kann die Turbine, insbesondere bei niedrigen Abgasmassenströmen, schneller beschleunigt werden, was das Ansprechverhalten des Turboladers verbessert.
Je nach Hersteller wird die Turbinengeometrie über verstellbare Leitschaufeln oder einen axial verschiebbaren Düsenring verändert. Beim Düsenring bleiben die Leitschaufeln feststehend, während seine axiale Bewegung den wirksamen Strömungsquerschnitt verändert.

Funktionsweise eines VTG-Laders

Wird der Strömungsquerschnitt verkleinert (Leitschaufeln schließen beziehungsweise der Düsenring bewegt sich in Richtung kleinerer Öffnung), steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Dadurch erhöht sich die Turbinendrehzahl, wodurch der Ladedruck ansteigt.

Wird der Strömungsquerschnitt dagegen vergrößert (Leitschaufeln öffnen beziehungsweise der Düsenring bewegt sich in Richtung größerer Öffnung), sinken die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, die Turbinendrehzahl sowie der erzeugte Ladedruck.

Im Bild ist die neueste Generation eines VTG-Laders von BorgWarner (V5 VTG) für Nutzfahrzeuge mit 9-17 Litern Hubraum, mit elektrisch verstellbaren Leitschaufeln zu sehen.

Elektrischer Aktuator

Aktuelle VTG-Systeme werden über rein elektrische Aktuatoren verstellt. Diese ermöglichen eine präzise Positionierung der VTG-Verstellung und kommen ohne zusätzliche pneumatische Komponenten aus. Somit wird nicht nur die Systemkomplexität reduziert, sondern auch die Anzahl möglicher Störquellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass elektrische Aktuatoren oftmals als eigenständige Baugruppe ausgeführt sind und bei einem Defekt auch unabhängig vom eigentlichen Turbolader ausgetauscht werden können.
Der elektrische Anschluss des im Schaltplan gezeigten Aktuators beschränkt sich auf lediglich vier Leitungen. Zwei Leitungen dienen der Spannungsversorgung, die beiden anderen der Kommunikation über den Datenbus.

Anbindung an den Datenbus

Die Datenbusanbindung geht weit über die reine Ansteuerung des VTG-Aktuators hinaus. Sie ermöglicht einen bidirektionalen Informationsaustausch zwischen Aktuator und Motorsteuergerät. Während das Motorsteuergerät die Soll-Stellungen vorgibt, überwacht der Aktuator selbstständig seine eigenen Funktionen und übermittelt die relevanten Parameter und Diagnosedaten zurück. Dadurch stehen dem Motorsteuergerät deutlich umfangreichere Informationen für die Überwachung und Fehlerdiagnose zur Verfügung. Je nach Hersteller und Modell werden unter anderem Parameter wie die Versorgungsspannung, die aktuelle Position der VTG-Verstellung, die Temperatur der Steuerelektronik sowie die Stromaufnahme des Elektromotors überwacht.
Die Auswertung der Stromaufnahme ermöglicht der internen Elektronik, Veränderungen des mechanischen Zustands des Verstellmechanismus frühzeitig zu erkennen. So führt zum Beispiel ein erhöhter Stellwiderstand, infolge von Verkokungen, Ablagerungen oder anderen mechanischen Beeinträchtigungen, zu einer erhöhten Stromaufnahme des Elektromotors.

Fehlercodes und Diagnose

Werden definierte Grenzwerte überschritten, übermittelt die Steuerelektronik entsprechende Status- und Diagnosedaten an das Motorsteuergerät. Abhängig von Art und Schwere des Fehlers wird ein entsprechender Fehlercode im Fehlerspeicher eingetragen. Nicht selten lassen sich bereits anhand der erfassten Fehlercodes erste Rückschlüsse auf die Art der Störung ziehen und dadurch die weiteren Prüfschritte bestimmen. Liegen mehrere Fehlercodes gleichzeitig vor, empfiehlt es sich, diese einschließlich ihrer Umgebungsparameter zu dokumentieren und anschließend den Fehlerspeicher zu löschen. So kann überprüft werden, welche Fehlercodes direkt oder erst während einer Probefahrt wieder auftreten.

Herstellerspezifische Parameter, reale Fahrbedingungen

Darüber hinaus liefern die herstellerspezifischen Parameter wertvolle Informationen über den aktuellen Betriebszustand des Systems. So lässt sich zum Beispiel überprüfen, ob die vom Motorsteuergerät angeforderte Position des VTG-Stellers tatsächlich erreicht wird und der Ladedruck den vorgegebenen Sollwerten entspricht. Wird die angeforderte Sollstellung nur verzögert oder überhaupt nicht erreicht, kann dies auf einen schwergängigen Mechanismus hinweisen.

Bestimmte Parameter sollten möglichst unter realen Fahrbedingungen beobachtet werden. So lässt sich erkennen, ob Abweichungen ausschließlich in bestimmten Last- oder Drehzahlbereichen auftreten, die in der Werkstatt so nicht nachvollzogen werden können. Ergänzend ermöglicht ein Stellgliedtest die Funktionsprüfung einzelner Aktuatoren. Der VTG-Aktuator wird dabei unabhängig vom aktuellen Motorbetrieb in bestimmte Positionen bewegt. Damit lässt sich recht einfach feststellen, ob der Aktuator grundsätzlich auf die Ansteuerung reagiert und die Stellbewegung ausführt.

Die Kalibrierung des Aktuators

Die integrierte Positionserfassung erfordert eine Kalibrierung des VTG-Aktuators. Erst wenn diese erfolgreich ausgeführt wurde, kann die Ist-Position der VTG-Verstellung eindeutig bestimmt und an das Motorsteuergerät zurückgemeldet werden. Je nach Hersteller erfolgt die Kalibrierung automatisch oder wird entsprechend mit dem Diagnosegerät angestoßen. Im Rahmen der Fehlersuche sollte daher zur Sicherheit auch überprüft werden, ob zuvor Arbeiten am VTG-System durchgeführt wurden, die eine erneute Kalibrierung erforderlich machen.

Weiterführende Messungen

Reichen die über das Diagnosegerät erfassten Informationen nicht für eine eindeutige Fehlerzuordnung aus, sind mit einem Multimeter weiterführende Messungen möglich. Hierzu sollte jedoch ein fahrzeugspezifischer Schaltplan herangezogen werden, um Fehlinterpretationen durch falsche Kontaktierungen zu vermeiden.
Eine fehlerfreie Spannungsversorgung und Masseanbindung bilden die Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Funktion. Zu beachten ist aber, dass sich durch eine einfache Spannungsmessung Übergangswiderstände nicht sicher ausschließen lassen. Korrodierte Steckverbindungen, beschädigte Leitungen oder lose Kontakte können trotz anliegender Versorgungsspannung erst unter Last zu einem unzulässigen Spannungsabfall führen. Sind keine Auffälligkeiten erkennbar, sollte die Prüfung durch eine Spannungsabfallmessung unter Last ergänzt werden.

Warum eine einfache Spannungsmessung oft nicht ausreicht

Beispiel: Während des Betriebs nimmt der VTG-Aktuator etwa 4 A auf. Gleichzeitig verursacht ein korrodierter Steckkontakt einen Übergangswiderstand von 2 Ω.

• Ohne Last: Bei abgezogenem Stecker wird an den Kontakten eine Versorgungsspannung von circa 24 V gemessen. Da der Aktuator nicht angeschlossen ist, fließt kein Strom. Gleichzeitig entsteht am vorhandenen Übergangswiderstand praktisch kein Spannungsabfall, sodass die Spannungsversorgung zunächst einwandfrei erscheint.
• Unter Last: Nach dem Einstecken und Ansteuern des Aktuators fließt ein sogenannter Arbeitsstrom. Im vorliegenden Beispiel werden 4 A angenommen. Erst jetzt macht sich der vorhandene Übergangswiderstand bemerkbar: An ihm fallen nach dem Ohmschen Gesetz 8 V ab (U = R × I = 2 Ω × 4 A = 8 V), sodass am Aktuator nur noch eine Versorgungsspannung von 16 V anliegt (24 V − 8 V = 16 V).

Obwohl die Spannungsversorgung zuvor unauffällig war, führt die reduzierte Versorgungsspannung nun zu Fehlfunktionen oder einem Fehlereintrag im Motorsteuergerät. Auch die beiden Datenbusleitungen lassen sich mit einem Multimeter überprüfen. Allerdings ist dabei zu beachten, dass auch andere Komponenten des Bussystems für mögliche Störungen in Frage kommen können. Anhand des Schaltplans lassen sich die einzelnen Busteilnehmer aber leicht identifizieren und für die weiteren Messungen vom Bussystem abstecken.
Da über diese Leitungen aber nur sehr geringe Signalströme fließen, ist eine aussagekräftige Spannungsabfallmessung im aktiven Zustand nicht möglich. Manche Hersteller geben daher vor, dass Datenbusleitungen mittels Widerstandsmessung zu überprüfen sind. Der gemessene Leitungswiderstand sollte dabei möglichst unter 0,5 Ω liegen. In der Praxis kann jedoch selbst eine Leitung, bei der nur noch wenige Litzen elektrisch leitend sind, diese Prüfung bestehen, unter Last aber einen Spannungsabfall verursachen. Aufgrund der geringen Signalströme führen solche Schäden aber auch nicht immer zu einer von der Eigendiagnose erkannten Kommunikationsstörung. Im Verdachtsfall lassen sich die Leitungen unter folgenden Prüfbedingungen ebenfalls unter Last prüfen. Dazu sind zunächst die Steckverbindungen sowohl am Aktuator als auch am Motorsteuergerät zu trennen. Anschließend werden die Leitungen über einen externen Prüfstromkreis kontrolliert. Hierzu wird eine Leitungsseite mit einer externen Spannungsversorgung und die gegenüberliegende Leitungsseite über eine 21-Watt-Glühlampe miteinander verbunden. Die Glühlampe dient dabei als Last und ermöglicht eine Spannungsabfallmessung unter Betriebsbedingungen.

Fehlerbild, Diagnosedaten und Messmittel

In Abhängigkeit vom Fehlerbild und Bussystem bestehen noch weitere Prüfmöglichkeiten wie zum Beispiel die Überprüfung der Busaktivität und der Abschlusswiderstände. Steht ein Oszilloskop zur Verfügung, lässt sich außerdem das CAN-Bus-Signal analysieren. Aufgrund der stetig erweiterten Diagnosefunktionen moderner Steuergeräte und Diagnosegeräte sind diese Messungen heute jedoch eher selten erforderlich.
Die dargestellten Prüfschritte stellen deshalb eine mögliche Vorgehensweise dar. Welche Prüfungen im Einzelfall sinnvoll sind und in welcher Reihenfolge sie erfolgen, hängt vom Fehlerbild, der Aussagekraft der Diagnosedaten und den verfügbaren Messmitteln ab.

Den Beitrag finden Sie auch in der Print-Ausgabe 3-2026 der Krafthand-Truck.