Mit der starken Verbreitung des turboaufgeladenen Dieselmotors seit etwa 10 Jahren gewinnt auch der mittels Abgasturbolader aufgeladene Ottomotor mehr an Bedeutung. Im dynamischen Betriebsverhalten zeigen diese Motoren, vor allem bei Drehzahlen unter 2000 U/min, einen verzögerten Mitteldruckaufbau. Mit konventionellen Ansätzen ist dieses Problem nicht zufrieden stellend zu lösen, deshalb wurden Ansätze zur Unterstützung im dynamischen Betrieb erstellt. In dieser Arbeit wurden die Lösungen mit dem größten Potential zur Verbesserung untersucht. Die untersuchten Ansätze greifen zum Einen in das Gebiet der gezielten Einspeisung von dauerhaft verfügbarer Zusatzenergie und zum Anderen zur Verteilung der Verdichtungsarbeit auf zwei Aufladestufen. Als Zielstellung für die Verbesserungen des dynamischen Betriebsverhaltens wurde das Erreichen eines effektiven Mitteldruckes von 16.5 bar in einer Zeit kleiner einer Sekunde ab einer Motordrehzahl von 1700 U/min formuliert. Im Falle der Einspeisung von Zusatzenergie muss diese beliebig oft und in kurzen Abständen verfügbar sein. Im Kapitel Einspeisung von Zusatzenergie wurden die Konzepte elektrische unterstützter ATL sowie elektrischer Zusatzverdichter miteinander verglichen. Mit Hilfe rechnerischer Parameterstudien wurden die Randbedingungen für den Einsatz eines elektrischen Verdichters ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass die Dimensionierung des eingesetzten Boosterverdichters ein Kompromiss zwischen Potential im Transientbetrieb und ausreichender Kennfeldbreite zur Anhebung der stationären Volllast im untersten Motordrehzahlbereich ist. Die Berechnungen haben zudem ergeben, dass die zu erwartende Begrenzung der verfügbaren elektrischen Bordnetzleistung den eBooster vorrangig für den Einsatz von Motoren mit einem Hubraum kleiner 2.5 l prädestiniert. Eine weitere Variante sieht die serielle Anordnung eines mechanisch angetriebenen Zusatzverdichters vor. Für die Umsetzung als zuschaltbares System reduziert sich die Auswahl auf einen mit geringem Massenträgheitsmoment gekennzeichneten Spirallader. Als dritte Variante wurde eine geregelte zweistufige Aufladung aufgegriffen. Der Vergleich der Simulationsergebnisse wies für alle drei Varianten das Potential zur Umsetzung der formulierten Forderung zur Dynamikverbesserung nach. Bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min erreichten der Pscroll nach 580 ms und die beiden anderen Varianten nach jeweils 850 ms das Zielmoment. Gleichzeitig ergab die Analyse des für den Druckaufbau im System verantwortlichen Parameters Massenstrom der Strömungsmaschinen eine unterschiedliche Charakteristik der einzelnen Varianten. Während der Pscroll unabhängig von der Motordrehzahl sofort nach Lastaufschaltung eine hohe Überschussluftmasse, bezogen auf die vom Motor geschluckte Masse, fördert, vergeht sowohl beim eBooster als auch bei der zweistufigen Aufladung durch die notwendige Hochlaufzeit der Radialverdichter eine Zeitspanne bis zum Aufbau einer Überschussmasse. Die Zeitspanne während des Hochlaufs von der Ausgangsdrehzahl bis zur Enddrehzahl beträgt beim Pscroll nur etwa 80 ms, während bei den anderen Systemen ein Zeit von weniger als 400 ms auch theoretisch nicht darstellbar ist. Bei dem Übergang zu realen Hardwarekomponenten am Prüfstand vergrößerte sich der Abstand zwischen Pscroll und dem elektrischen Zusatzverdichter. Das System Pscroll greift auf weitestgehend bekannte und erprobte Technik zurück, wodurch gegenüber der Simulation keine Einschränkungen zu verzeichnen waren. Mit dem eBooster ergaben sich für den Elektromotor deutliche Abweichungen von dem für die Simulation zur Verfügung gestellten Wirkungsgradverlauf über der Drehzahl im Vergleich zum Tatsächlichen. Speziell in der Beschleunigungsphase ergeben sich gravierende Einbussen. Mit dem höheren Leistungsangebot am Prüfstand (4 kW statt 2.5 kW) gegenüber der Simulation konnte das Potential des Systems nachgewiesen werden. Bei einer Leistungsbeschränkung reduzieren sich die Gewinne spürbar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:24280 |
| Date | 17 December 2002 |
| Creators | Friedrich, Jürgen |
| Contributors | Zellbeck, H., Reuss, H.-C., Erdmann, H. D. |
| Publisher | Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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