Gesponsord

Fluitende Mercedes met bijzondere schade aan het compressorwiel

Een monteur krijgt een Mercedes Sprinter 318 3.0 CDI uit 2009 onder handen. Noodloop en een gekke hoge fluittoon, meldt de eigenaar. Wat is er aan de hand? De monteur leest foutcodes P2263 en P0299. En als hij de slang van het luchtfilter bij de turbo los haalt, ziet hij het al: schade aan het compressorwiel. Een bijzondere schade, want alleen de hoeken van de vanen hebben een tik gehad (zie foto boven). Hoe komt dit?

Ter vergelijking, zo zien vanen eruit bij inslag door een vreemd voorwerp.

Wat gebeurt er bij overspeed?

Vanen die omhoog verbuigen, dat komt eigenlijk altijd door overspeed. Overspeed betekent dat het compressorwiel een hogere rotatiesnelheid heeft dan het materiaal aan kan. Benieuwd wat er dan precies gebeurt? We leggen het uit aan de hand van de volgende voorbeelden.

De getekende lijnen op deze turbo verwijzen naar de detailtekening hieronder.

De lichtblauwe lijnen geven de drukverdeling weer.

Drukvariatie en stress op het materiaal

Een compressorwiel kan met gemak een omwentelsnelheid halen van meer dan 200.000 rotaties per minuut. In de afbeelding hierboven zie je hoe daarbij de druk verdeeld wordt over het materiaal. Aan de lichtblauwe lijnen is te zien dat dit niet gelijkmatig gaat. De drukvariatie resulteert in hogere trillingen en dus meer stress op de vaantoppen. In het schema hieronder is te zien hoe de stress zich opbouwt aan het uiteinde van de vanen.

In het onderstaande holografische beeld van een roterend compressorwiel is per vaan en positie nog duidelijker te zien waar de trillingen het hoogst zijn. De hoeken van de vanen die het donkerst zijn hebben de hoogste belasting.

Holografische afbeelding van een compressorwiel op werkbelasting.

Compressorwiel van gegoten aluminium

Met deze uitleg over de werkbelasting van het compressorwiel begrijpen we ook aan welke krachten het materiaal blootgesteld wordt bij overspeed. Een compressorwiel is ontwikkeld voor een specifieke toepassing en een werkbelasting die daarbij komt kijken. En de materiaalkeuze is daarbij een belangrijk punt. Meestal is een compressorwiel gemaakt van gegoten aluminium. Dat is prima bestand tegen deze werkbelasting en drukverschillen.

De vaantoppen van het compressorwiel verbuigen

Wat nou als de rotor sneller draait dan de bedoeling is? Bij de productontwikkeling is natuurlijk wel rekening gehouden met een ruime marge. Maar als een compressorwiel te lang of te vaak boven de specificaties moet werken, kan dit invloed hebben op de levensduur. De turbo in deze case is een duidelijk voorbeeld hiervan. Het te hoge toerental, de trillingen en de hoge belasting hebben tot gevolg dat de vaantoppen van het compressorwiel verbuigen. Door de draairichting en de constructie gaan ze omhoog staan. Als deze hoge belasting langer aanhoudt kunnen delen van de vanen afbreken, zoals ook in ons voorbeeld al te zien is. In gevallen met een extreem hoge en lange belasting kan het wiel zelfs helemaal doormidden breken.

Alternatieven voor gietaluminium

Gietaluminium is geschikt voor de meeste toepassingen. Zijn er ook alternatieven? Jazeker. Voor toepassingen met een hogere belasting dan standaard, wordt een compressorwiel gefreesd uit één stuk aluminium (MFS = Milled From Solid). Dan zit er minder inwendige spanning in het materiaal. Maar dit is geen standaard keuze, want het is kostbaarder om te produceren. Voor nóg extremere toepassingen is titanium een geschikt materiaal. Dit is namelijk heel sterk. Het nadeel van titanium is echter dat het zwaarder en duurder is.

Diverse oorzaken voor overspeed

Nu wel duidelijk is dat de schade bij deze Mercedes is ontstaan door overspeed, blijft natuurlijk wel de vraag wat de oorzaak is voor overspeed. Doordat turbo’s tegenwoordig worden aangestuurd door het motormanagement kan de oorzaak zeer divers zijn. Laten we daarom eens kijken naar de andere aanwijzingen.

Overspeedschade en te weinig turbodruk

Naast de extreme fluittoon gaf deze Mercedes nog meer noodsignalen af: P2263 en P0299. P2263, oftewel turbocharger boost performance, is een vrij algemene code. Maar P0299 staat voor boost pressure regulation - control range not reached, oftewel underboost. En dat is een interessante. Nu hebben we overspeedschade, wat erop wijst dat de turbo te lang op te hoge toeren heeft gedraaid, en een storingscode die aangeeft dat er te weinig turbodruk is. De monteur kan twee dingen controleren:

Misschien zijn de druksensoren vervuild of kapot. Verkeerde waarden kunnen de turboregeling beïnvloeden.
Misschien is er luchtlekkage in het inlaatsysteem. Als er valse lucht wordt aangezogen, kloppen de uitgelezen waarden niet meer. De lucht lekt weg, zodat de benodigde druk niet wordt behaald. Het motormanagement krijgt geen seintje van voldoende turbodruk en blijft de turbo dus maar ‘opjagen’.

Sporen van luchtlekkage

Aangezien er ook die typerende fluittoon is, besluit de monteur om eerst het luchtinlaatsysteem te bekijken. En daar ziet hij sporen van luchtlekkage in de vorm van zwarte aanslag. Zwart, doordat de lucht bij het inlaatsysteem nooit helemaal zuiver is. Want uitlaatgassen worden gerecirculeerd en ook de carterventilatie is op het luchtsysteem aangesloten. Omdat de turbo toch vervangen moet worden, haalt de monteur het gehele inlaatspruitstuk los om beter te zien waar de lekkage vandaan komt. Hij ziet dat er één bout ontbreekt. Later blijkt dat deze is afgebroken. Dit is dus de plek van het lek.

Na demontage van het spruitstuk is de vervuiling nog duidelijkerzichtbaar, in het kader hieronder zie je de gebroken bout.

Turbo vervangen en inlaatcircuit reinigen

Het is nu nog een klusje om de gebroken bout te verwijderen. De monteur vervangt de turbo volgens de standaard werkwijze, vervangt de inlaatspruitstukpakking en vernieuwt de bouten. Ook reinigt hij het hele inlaatcircuit om zeker te weten dat er geen vervuiling achter is gebleven. Aan het eind van het liedje kan de eigenaar weer fluitend op pad met een geruisloze storingsvrije auto.

Dit artikel is gesponsord door Turbo's Hoet.