Die Abgasturboaufladung erweist sich als sinnvolles Hilfsmittel den Kraftstoffverbrauch eines Hubkolbenverbrennungsmotors bei gleichbleibender Fahrdynamik zu verringern und somit die Effizienz des Motors zu erhöhen. Zur optimalen Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie werden Abgassysteme moderner Pkw – Motoren äußerst kompakt ausgeführt, um der Abgasturboladerturbine ein möglichst hohes Enthalpiegefälle zur Verfügung zu stellen. Diese Umstände, sowie zunehmend kleinere Zylinderzahlen mit großen Zündabständen führen dazu, dass sich die Eintrittsbedingungen von Radialturbinen von Abgasturboladern heutiger Motoren periodisch ändern. Die Strömungsmaschine kann aufgrund ihrer Trägheit dem Druckanstieg nicht unverzögert folgen und wird vorwiegend bei niedrigen Schnelllaufzahlen betrieben.
Die Entwicklung von Abgasturboladern und deren Anpassung an den Verbrennungsmotor erfolgen überwiegend auf Grundlage von messtechnisch ermittelten Kennfeldern von Verdichter und Turbine. Diese werden an stationär betriebenen Heißgasprüfständen ermittelt. Aufgrund der stationären Leistungsbilanz zwischen beiden Strömungsmaschinen an diesen Prüfständen beschreiben stationär gemessene Turbinenkennfelder nicht den gesamten motorrelevanten Betriebsbereich der Turbine.
Für die Entwicklung innovativer Turboladerturbinen sind Untersuchungen der Turbinenwirkungsgrade und Durchsatzkennzahlen in diesen Betriebspunkten essentiell.
Zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen aufgeladenen Verbrennungsmotoren und Aufladesystemen stellt die Motorprozessrechnung eine wichtige Technologie dar. Die numerische Beschreibung des Turboladerverhaltens im Motorbetrieb erfolgt ebenfalls auf Basis von gemessenen Turboladerkennfeldern. Aufgrund des eingeschränkten Messbereichs der Turbinenkennfelder werden diese stark extrapoliert und beschreiben das thermodynamische Verhalten der Turboladerturbine fragwürdig.
Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Verfahren an einem erweiterten Heißgasprüfstand zur Vermessung und Untersuchung von Turboladerturbinen in motorrelevanten Betriebszuständen vor. Parallel wird ein Berechnungsmodell entwickelt, um Messergebnisse zu plausibilisieren und die numerische Beschreibung instationärer Turbinenströmungen zu untersuchen. Die Methode basiert auf der Ausnutzung zusätzlicher Beschleunigungsleistung zur Erhöhung der Aufnahme der Turbinenleistung, um niedrigere Schnelllaufzahlen unter motorrealistischen Randbedingungen untersuchen zu können. Mit Hilfe eines geeigneten Druckverlaufes werden temporär stationäre Strömungszustände erzeugt, sodass thermodynamische Zustände in der Turbine zuverlässig beschrieben werden können. Ferner werden Betriebsbedingungen der Turbinenuntersuchung denen der Turboladerturbine im Motorbetrieb angepasst. Kurzzeitig stellen sich quasi-stationäre Zustände ein, woraufhin phasenkorrigierte Messgrößen die Strömung in den Schaufelkanälen der Turbine belastbar beschreiben. Durch Variation der pulsierenden Strömung können Wirkungsgrad- und Massendurchsatzkennfelder mit hoher Abtastrate erweitert werden, wodurch verlässliche Interpolationen der Turbinenkennfelder bei niedrigen Laufzahlen möglich sind. Am Heißgasprüfstand lassen sich Turbineneintrittstemperatur, Druckamplitude und mittleres Druckverhältnis mit speziellen Impulsgeneratoren einstellen. Auch eine instationäre Massenstrommessung und Temperaturmessung ist möglich. Die instationäre Messmethode bildet eine Synthese mit stationären Turbinenvermessungen und deckt einen Großteil des Turbinenbetriebes aufgeladener Hubkolbenverbrennungsmotoren ab. Damit hat dieses Verfahren das Potential Turboladerkennfelder die am stationären Heißgasprüfstand ermittelt wurden sinnvoll zu ergänzen.
Ergebnisse der neuen Messmethode werden mit Resultaten äquivalenter Simulationsrechnungen auf Grundlage stationär und instationär ermittelter Kennfelder verglichen.
Auf Basis erweiterter Turbinenkennfelder können Wechselwirkungen zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Aufladeaggregat mit Hilfe der Motorprozessrechnung genauer untersucht werden. Dies ermöglicht eine ideale Anpassung des Abgasturboladers an den Motor, wodurch Effizienz und Dynamik verbessert sowie Abgasemissionswerte des Antriebes reduziert werden können.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-qucosa-63963 |
| Date | 12 January 2011 |
| Creators | Reuter, Stefan |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Fakultät Verkehrwissenschaften "Friedrich List", Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck, Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck, Prof. Dr.-Ing. Uwe Gampe |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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