Hella Turbo Actuator

Het principe van een turbocompressor is eigenlijk heel eenvoudig, maar het is wel zo verstandig om dat brute geweld enigszins onder controle te houden. Zonder een vorm van drukregeling blijft de turbo onbeperkt lucht de motor inblazen en dit is lang niet altijd gewenst. Sterker nog, dit kan in bepaalde gevallen voor serieuze motorschade zorgen. In een ideaal scenario wil je de turbodruk eigenlijk continu aan kunnen passen aan de huidige omstandigheden. Gelukkig bestaan er turboactuatoren die deze taak inderdaad op zich kunnen nemen, maar wat doet zo’n actuator precies? En misschien nog interessanter: wat gebeurt er als zo’n turboactuator defect raakt?


Wat raakt er in veel gevallen defect

Laten we eerst eens beginnen bij de defecten die we tegenkomen. Zoals zojuist al is verteld, kan er van alles defect raken als de druk niet netjes wordt afgeregeld. Immers, niet alles in de motor is bestand tegen (te) hoge luchtdruk en (te) hoge temperaturen. Gelukkig is het systeem wel zo geregeld dat de ECU van de motor zorgt voor een veilige noodloop zodra er een foutieve druk wordt gemeten. Een defecte turbo actuator zorgt doorgaans dus niet voor verdere motorschade, maar alleen voor foutcodes en flink wat minder vermogen. Aan de opgeslagen foutcodes kan vaak gezien worden dat er inderdaad iets mis is met de turbo of de drukregeling:

  • P0234 – Engine Overboost Condition

  • P0299 – Turbo/Supercharger Underboost

  • P2263 – Turbo/Supercharger Boost System Performance

Hella Actuator

Veel merken hebben ook hun specifieke foutcodes, zoals bijvoorbeeld Ford:

  • P132A

  • P132B

Maar stel dat de turbo zelf verder in orde is, wat kan er dan defect raken aan de actuator zelf? We zullen straks verder in detail treden hoe het regelsysteem in zijn totaliteit werkt, maar we kunnen wel alvast verklappen dat de actuator in de basis bestaat uit een elektromotor, een kunststof wormwiel en een printplaat. Helaas zien we bij al die componenten meerdere zwakke punten. Gelukkig is zo ongeveer alles herstelbaar. Reparatie (of beter gezegd: revisie) is dan ook geen enkel probleem, ook al willen autofabrikanten je vaak anders laten geloven. Het liefst verkopen zij een complete turbo aan de klant. Sterker nog: een losse turbo actuator is in veel gevallen niet eens los te bestellen.

Het revisieproces

Een turboactuator beschouwen we bij ACtronics als Mechatronica: een component dat mechanica en elektronica bevat. Dit betekent ook dat het revisieproces twee fases kent.

De mechanische defecten worden door onze Mechatronica-afdeling behandeld. We hebben componenten in eigen huis ontwikkeld die gelijkwaardig aan of beter dan origineel zijn, waardoor wij een hoge kwaliteit kunnen garanderen. We behandelen bij dit proces niet alleen de defecte componenten, maar pakken altijd alle bekende zwakke punten aan. Concreet betekent dit dat alle bewegende delen uit voorzorg worden vervangen. Dit doen we om de kwaliteit van het gereviseerde product te kunnen garanderen.

Klachten die betrekking hebben op de elektronica worden door onze Bond-afdeling behandeld. Deze afdeling beschikt over hoogwaardige apparatuur die zeer nauwkeurig nieuwe verbindingen op en naar de printplaat kan aanleggen. Deze methode noemen we “bonden” en maakt gebruik van ultrasone trillingen om de nieuwe verbindingen te laten hechten aan het bestaande contactpunt. Deze methode is bijzonder nauwkeurig en heeft ten opzichte van solderen ook het voordeel dat alle bestaande componenten op de printplaat niet aan hitte worden blootgesteld. We kunnen hiermee in dit geval een kwaliteit garanderen die veel hoger ligt dan reparaties die uitgevoerd worden door middel van solderen. Daarbij moet overigens wel opgemerkt worden dat bonden niet altijd de beste keuze is om verbindingen aan te leggen. In bepaalde situaties heeft solderen de voorkeur. We zullen hier binnenkort een apart artikel aan wijden.

Na het herstellen voeren we natuurlijk altijd een uitgebreide eindtest uit. Onze testomgeving geeft ons de mogelijkheid om elke input vanuit de ECU te simuleren. Wij testen dus niet alleen of alles weer soepel beweegt, maar we kunnen ook controleren of de elektronica op de printplaat nog wel naar behoren reageert. De testapparatuur is zelfs in staat om koppel- en positiemetingen te doen. We weten na de test dus absoluut zeker dat het gereviseerde product minimaal net zo goed functioneert als een origineel exemplaar.
Leuk detail: de testapparatuur is in eigen huis ontworpen en ontwikkeld. Dit laat niet alleen zien hoe specialistisch we te werk gaan, maar ook hoe groot onze kennis werkelijk is.

De Hella turbo actuator in detail

Techneuten en turbospecialisten zullen deze uitleg waarschijnlijk (terecht) iets te kort door de bocht vinden, maar een turbo is nog het beste kort te omschrijven als een dubbel uitgevoerd schoepenrad in een gezamenlijk huis. Het schoepenrad aan de uitlaatzijde begint te draaien doordat de uitlaatlucht erlangs blaast. Deze draaiende beweging wordt via een as naar het schoepenrad aan de inlaatzijde overgebracht. Deze begint hierdoor ook te draaien waardoor de speciaal gevormde schoepen de lucht de motor in “scheppen”. Hoe hoger de snelheid van het schoepenrad is, hoe hoger de druk wordt waarmee de lucht de motor in wordt verplaatst.

En hier zit ook precies het probleem: een turbo weet gewoon niet van ophouden. Het zou eigenlijk veel mooier zijn als deze toevoer van uitlaatgassen zo geregeld kan worden, dat er altijd de juiste hoeveelheid stuwkracht wordt gegenereerd en dit niet puur afhankelijk is van het motortoerental en de stand van de gasklep. Gelukkig zijn diverse techneuten met dit idee aan de slag gegaan en kwamen met de volgende oplossing: turbocompressoren met variabele geometrie. Dit nieuwere type turbo maakt gebruik van instelbare schoepen rondom het centrale ronddraaiende schoepenwiel aan de uitlaatzijde. Door de stand van deze schoepen met een stelring te verstellen, kan de hoeveelheid uitlaatgas die bij het schoepenwiel aankomt, gevarieerd worden. Probleem opgelost!

Verstelbare schoepen in een turbo met VGT

Nou ja, opgelost… nog niet helemaal. Het variabele schoepensysteem bestaat slechts uit mechanische delen en kan zichzelf daardoor niet bedienen. Daarvoor zijn de turboactuatoren dus bedacht. Deze kunnen trekken aan de gaffel die de verstelbare schoepen bedient. Turboactuatoren kun je grofweg opdelen in drie categorieën: de pneumatisch geregelde actuatoren, de elektrisch geregelde actuatoren en de hybride actuatoren. Echter, bij turbo’s met variabele geometrie komen eigenlijk alleen elektrisch geregelde en hybride actuatoren voor. Daarom zullen we de techniek achter de pneumatische actuatoren hier niet behandelen.

Elektrisch geregelde actuatoren

Elektrisch geregelde actuatoren zijn ontworpen om te reageren op de elektrische input die vanaf de ECU gestuurd wordt. De mate waarin de schoepen worden versteld, is dus afhankelijk van de beslissing die de ECU maakt. De ECU beschikt over werkelijk allerlei informatie zoals motortemperatuur en inlaatdruk, maar kan ook reageren op inputs van opties zoals instelbare rij-modus (zoals: neutral, dynamic, sport). Dit is voor autofabrikanten bijzonder interessant, want dit biedt nog meer extra instelmogelijkheden zoals een lager ingestelde turbodruk bij koude motor of een iets hoger ingestelde turbodruk zodra de sport-stand wordt geactiveerd. Daarom zien we elektrisch geregelde actuatoren ook zo vaak terug in auto’s met moderne turbomotoren. Audi, BMW, Citroën, Ford, Jaguar, Mercedes-Benz, Peugeot, Volvo, VW… allemaal gebruiken ze de elektrisch geregelde actuator van Hella, vaak in combinatie met een turbo van Garrett.

Hella actuator

Wist u dat?

De schoepen van een VGT (turbocompressor met variabele geometrie) kunnen door roetaanslag vast gaan zitten. Dit beïnvloedt niet alleen de werking van het systeem, maar dit kan ook de turbo actuator beschadigen. Controleer daarom altijd of de schoepen van een VGT vrij kunnen bewegen zodra een turbo actuator defect raakt. Dit om te voorkomen dat de nieuwe actuator opnieuw overbelast raakt. Het controleren kun je het beste doen door de stang aan de gaffel eerst los te maken en de gaffel dan heen en weer te bewegen.

Internals Hella Turbo Actuator

Zoals al eerder uitgelegd, bestaat de elektrisch geregelde turboactuator van Hella in de basis uit een elektromotor, een wormwiel en een printplaat. De input vanuit de ECU wordt door de printplaat verwerkt en geeft de elektromotor het signaal om een bepaalde tijd linksom of rechtsom te draaien. Hierdoor beweegt het wormwiel de gaffel van de VGT naar de gewenste positie. Dit hoeft niet geheel open of dicht te zijn, want de verstelling kan continu aangepast worden door de gaffel iets bij te laten draaien.

Er zijn twee soorten turboactuatoren van Hella: een REA (Rotary Electronic Actuator) en een SREA (Simple Rotary Electronic Actuator). Beide versies gebruiken een 5-pins stekker. Echter, het gebruik van de pinnen verschilt wel:

SREA:

SREA Hella Turbo Actuator

  • 1. Motor rechtsom roteren

  • 2. Motor linksom roteren

  • 3. Massa

  • 4. 5V PWM-signaal (1 kHz)

  • 5. 5V

REA:

REA Hella Turbo Actuator

  • 1. 12V

  • 2. Massa

  • 3. CAN-L

  • 4. 5V PWM-signaal (1kHz)

  • 5. CAN-H

Behalve de bezetting van de pinnen, verschillen beide types natuurlijk op meer punten van elkaar, zoals bijvoorbeeld de manier waarop de stand van de gaffel wordt bepaald en aangepast. De SREA krijgt door middel van een eenvoudig bloksignaal naar pin 1 of 2 de opdracht om de elektromotor een bepaalde tijd te laten draaien. Hierdoor verstelt de gaffel zich in de juiste positie. De REA gebruikt echter een CAN-bericht om te bepalen welke actie gewenst is. De huidige hevelstand van de gaffel wordt gemeten op de PCB (printplaat). De sensor die deze stand meet, heet een C.I.P.O.S. sensor. Deze waarde wordt vergeleken met de waarde die gewenst is en mocht het nodig zijn, dan wordt de elektromotor aangestuurd om de gaffel in de juiste stand te bewegen. Dit lijkt omslachtig, maar heeft ook zo zijn voordelen. Zo is de positie van de gaffel ten alle tijden bekend en kunnen eventuele afwijkingen uitgefilterd worden. Bovendien kan de ECU nu de stand van de gaffel gebruiken als input voor eventuele handelingen en/of berekeningen. Het systeem wordt hierdoor in zijn geheel dus een stuk dynamischer.

Hybride actuatoren

Er bestaan ook turbo’s met variabele geometrie bekend die geen gebruik maken van de elektrische Hella turboactuator, maar waarbij de afregeling gedeeltelijk pneumatisch gebeurt, zoals bijvoorbeeld bij bepaalde JTD-motoren van de Fiat-groep het geval is. Maar waarom is deze keuze eigenlijk gemaakt? Er zijn situaties waarbij je eigenlijk wel elektrisch geregelde actuatoren wilt gebruiken, maar waarbij dat gewoonweg niet kan. Door bijvoorbeeld ruimtegebrek of door de configuratie van de te gebruiken turbo kan het dan nodig zijn om naar een andere oplossing te zoeken. Hiervoor zijn de hybride actuatoren bedacht

Hoewel de naam doet vermoeden dat het hier gaat om één component, bestaat een hybride actuator eigenlijk uit een “ouderwetse” pneumatische turboactuator een sensor die de positie doorgeeft en een kleine elektrische stelklep, die afgeregeld wordt door de ECU. De pneumatische actuator maakt hierbij gebruik van de overdruk in het inlaattraject om de stelring van de schoepen te verstellen. Deze afstelling wordt echter gemanipuleerd door de kleine elektrische stelklep. Een signaal vanuit de ECU laat deze klep meer openen of sluiten waardoor de pneumatische turboactuator meer of minder overdruk vanuit de inlaat ontvangt. Door hiermee te variëren, kun je afregelen hoe de gaffel wordt bediend en dus in welke stand de stelschoepen gaan staan.

Om eerlijk te zijn: het systeem werkt net iets minder nauwkeurig en is net iets minder dynamisch van opzet dan de REA van Hella, maar voldoet eigenlijk prima als alternatief. De elektrische regelklep is bij dit concept niet alleen kleiner van formaat dan de complete Hella turboactuator, maar maakt het ook mogelijk om turbocompressoren te gebruiken waarbij het gebruik van een turboactuator van Hella vanwege de configuratie niet mogelijk is. Bovendien is de elektronica in dit concept verder verwijderd is van de enorme temperatuurschommelingen rondom de turbocompressor. Vooral bij motoren waarbij de warmte minder goed afgevoerd kan worden, kan een hybride actuator daarom een goed compromis zijn. Wij kunnen ons in ieder geval wel voorstellen dat een autofabrikant in bepaalde gevallen kiest voor een alternatieve oplossing en niet voor de Hella turboactuator.

Demontage van de unit

Het grootste probleem tijdens demontage is waarschijnlijk de bereikbaarheid van de Hella Turbo Actuator (Garret Turbo). Dit verschilt heel erg per auto. Zodra er eenmaal genoeg ruimte is gecreëerd, zal het voor de geoefende monteur niet lastig zijn om de turbo actuator te demonteren. Eerst zullen de stekker en de gaffel van de VGT ontkoppeld moeten worden. De gaffel zit met een borgveer gezekerd. Zodra dit is gelukt, hoeven er alleen nog 3 bouten losgedraaid te worden om de turboactuator van de turbo af te kunnen nemen.

Let wel op bij montage:
Er is stelruimte gecreëerd bij de 3 bouten waarmee de turboactuator vastzit. Je kunt de actuator dus niet “op goed geluk” vastdraaien. Raadpleeg de auto-specifieke documentatie voor verdere instructies rondom de afstelling.

Video

We hebben op YouTube ook nog een mooie video gevonden die de Hella turbo actuator in actie laat zien.