Stationäres und instationäres Betriebsverhalten von Abgasturboladern

193 Pages·2016·6.08 MB·German

by  Bernhardt Lüddecke (auth.)

Wissenschaftliche Reihe
Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
Herausgegeben von
M. Bargende, Stuttgart, Deutschland
H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland
J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland
Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraft fahrwesen (IVK) an der Universi-
tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit
mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr-
zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraft fahrwesen, Fahr-
zeugantriebe und Kraft fahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus-
arbeitung des Th emengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Th eorie und Simulation.
Schwerpunkte des Kraft fahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH).
Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraft übertragung
sowie Energie und Th ermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und
batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten.
Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Th emen Brennverfahrensent-
wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich
minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufl adesysteme und
-strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen
Fragestellungen.
Th emen der Kraft fahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride,
Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Soft wareent-
wicklung sowie Test und Diagnose.
Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter-
stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimula-
tor, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Th ermowindkanal sowie einen 1:1-Aero-
akustikwindkanal.
Die wissenschaft liche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert
über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb-
nisse der Forschungstätigkeiten am IVK.
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann
Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Lehrstuhl Kraft fahrwesen,
Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraft fahrwesen, Universität Stuttgart Kraft fahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss
Lehrstuhl Kraft fahrzeugmechatronik,
Institut für Verbrennungsmotoren und
Kraft fahrwesen, Universität Stuttgart
Stuttgart, Deutschland
Bernhardt Lüddecke
Stationäres und
instationäres
Betriebsverhalten
von Abgasturboladern
Bernhardt Lüddecke
Stuttgart, Deutschland
Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2015
D93
Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart
ISBN 978-3-658-12780-0 ISBN 978-3-658-12781-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-12781-7
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Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerTätigkeitalsDoktorandbeiderIHIChargingSystems
International(ICSI) GmbH in Heidelberg im Rahmen eines industriellen Forschungsprojektes,
welchesvomInstitutfürVerbrennungsmotorenundKraftfahrwesen(IVK)derUniversitätStuttgart
wissenschaftlichbetreutwurde.
AnersterStellemöchteichdenHerrenProf. Dr.-Ing. MichaelBargendeundDr.-Ing. Dietmar
Filsingerdafürdanken,dasssiediesesProjektermöglichtundwährendderletztenvierJahrestets
geförderthaben. HerrnProf. Bargendedankeichfürdieaufgeschlossene, sehrguteundstete
wissenschaftlicheBegleitungderArbeitsowiedieÜbernahmedesHauptreferates.Zudemmöchte
ichmichbeiHerrnProf.Dr.-Ing.PeterEiltsfürseinInteresseandieserArbeitsowiedieÜbernahme
desKoreferatesbedanken.HerrnDr.FilsingerdankeichfürdieInitiierungdesProjektsseitensder
ICSIGmbHsowiediehervorragendeundimmerwährendeUnterstützungwährenddergesamten
Laufzeit. ErhatdurchseinunermüdlichesEngagementsowiedurchfachlicheDiskussionenund
HinweisewesentlichzurerfolgreichenDurchführungdieserArbeitbeigetragen.
EinherzlicherDankgehtanmeineKolleginnenundKollegenausderAbteilungTechnologyfür
dieguteZusammenarbeitundHilfsbereitschaftindenzurückliegendenJahren.Siehabendurchihr
InteresseandenForschungsergebnissensowiekonstruktiveDiskussionenebenfallszumGelingen
dieserArbeitbeigetragen.IngleichemMaßebedankeichmichbeiallenStudenten,diedurchihre
PraktikaundAbschlussarbeitenwertvolleBeiträgegelieferthaben.
DesWeiterendankeichmeinenKolleginnenundKollegenausderAbteilungTestCenterfürdieBe-
reitstellungderexperimentellenInfrastruktursowiedieAnfertigungzahlreicherVersuchsteile.Ohne
dievorhandenegroßeFlexibilitätbeiderUmsetzungvonteilweiseaufwendigenVersuchsaufbauten
undHerstellungvonkomplexenVersuchsträgernwärederGewinneinigerErkenntnisseimRahmen
dieserArbeitnichtmöglichgewesen.
EbenfallsmöchteichdiesehrguteZusammenarbeitmitdenKollegendesIVKsowiedenendes
kooperierendenFKFSinStuttgartwürdigen.Ichwurdedortjederzeitfreundlichaufgenommenund
unterstützt.DieunkomplizierteBeratungundHilfestellungbeiVorbereitungundDurchführungder
motorischenUntersuchungenhatwesentlichzuderenGelingenbeigetragen.
BesondershervorhebenmöchteichdiegroßeUnterstützungmeinerEltern,WernerundBirgit,die
jederzeiteinoffenesOhrfürmichhabenundindenletztenzehnJahrenwesentlichzumErfolgvon
Studium,BerufslebenundPromotionbeigetragenhaben.GleichesgiltfürmeineLebensgefährtin
HenrikesowiefürmeineengstenFreundeFlorian,MikeundMarkus,dieauchinschwierigenund
herausforderndenZeitenstetsfürmichdawarenundsind.
AbschließendbedankeichmichbeimeinenfrüherenKommilitonenvonderTUDarmstadt,diemich
durchsStudiumbegleitethabenunddieichseitmittlerweilemehralseinemJahrzehntebenfallszu
meinemengerenFreundeskreiszählendarf.
Großniedesheim BernhardtLüddecke
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis XV
Tabellenverzeichnis XXI
Symbolverzeichnis XXIII
1 Einleitung 1
1.1 ProblemstellungundMotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 AllgemeinerStandvonForschungundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 ZielederArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 VorgehensweiseundGliederungderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Grundlagen 9
2.1 AbgasgesetzgebungundKundenanforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 AspektederLeistungs-undEffizienzsteigerungvonMotoren . . . . . . . . . . . . 10
2.3 BetriebsverhaltenundHerausforderungenbeiAbgasturboaufladung . . . . . . . . 13
2.3.1 Quasi-StationärerundtransienterBetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 PositivesSpülgefälleundspülenderLadungswechsel . . . . . . . . . . . . 14
2.4 KomponentenvonAbgasturboladernundSchnittstellenzumMotor. . . . . . . . . 15
2.5 IntegraleundreduzierteKenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1 Verdichterkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2 Turbinenkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 WeitereKennzahlenundDefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7 GenauigkeitundVergleichbarkeitvonDatenausSimulationundExperiment . . . 22
3 ExperimentelleUntersuchungenunterstationärenRandbedingungen 27
3.1 PrüfstandundverwendeteMesstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 HeißgasprüfstandundMessaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Thermografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 StandderTechnikbeiderthermodynamischenVermessungvonAbgasturboladern. 31
3.3 SensitivitätsuntersuchungenzuVerdichterwärmeströmen . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 VariationdesIsolationszustands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 VariationderVerdichtereintrittstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 VariationderTurbineneintrittstemperaturohneWasserkühlung . . . . . . . 44
3.3.4 VariationderTurbineneintrittstemperaturmitWasserkühlung. . . . . . . . 47
3.3.5 VariationWasserkühlungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Wärmestrommodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1 Modellierungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.2 KalibrationderWärmestrommodellierungdurchParameter-und
Koeffizientenvariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3 BerechneteWärmeströmeunderreichteModellierungsgüte. . . . . . . . . 60
3.4.4 Exkurs:EinflussvonWärmeströmenaufdenVerdichtungsprozess . . . . . 62
VIII Inhaltsverzeichnis
3.5 ZusammenfassungderbisherigenErkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 ErweiterteTurbinenkennfeldvermessungdurchVariationder
Turbineneintrittstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 NumerischeUntersuchungenunterstationärenRandbedingungen 71
4.1 BerechnungsgebietundGeometrievereinfachungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 BezugssystemeundRandbedingungenimnumerischenModell . . . . . . . . . . . 73
4.3 TurbulenzmodellierungundWandbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4 UntersuchteBetriebspunkte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 BestimmungderTurbinenrotorleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.1 Berechnungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.1.1 RotorleistungsbestimmungausdemEnthalpiegefälle . . . . . . . 77
4.5.1.2 RotorleistungsbestimmungausdemRotordrehmoment. . . . . . 77
4.5.1.3 RotorleistungsbestimmungmittelsEulergleichung . . . . . . . . 78
4.5.2 SensitivitätsstudienunteradiabatenunddiabatenBedingungen . . . . . . . 79
4.5.2.1 WirkungsgradauswertungunteradiabatenBedingungen . . . . . 79
4.5.2.2 WirkungsgradauswertungunterdiabatenBedingungen. . . . . . 80
4.5.2.3 AngewandteBerechnungsweisefürdieBestimmungdes
TurbinenstufenwirkungsgradsausderCFD . . . . . . . . . . . . 83
4.6 EinflussdesBerechnungsgittersaufdieCFD-Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 83
4.6.1 AngewandtesVerfahrenzurBeurteilungdesGittereinflusses . . . . . . . . 83
4.6.2 KennzahlenderGCIMethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6.3 UntersuchteGitterfeinheitenundDiskussionderErgebnisseder
GCIMethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.7 VergleichderCFD-ErgebnissemitexperimentellenWerten . . . . . . . . . . . . . 89
4.7.1 WirkungsgradderTurbinenstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.7.2 DurchflussparameterderTurbinenstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5 ErweiterteMessverfahrenfürdieTurbinenkennfeldvermessung 95
5.1 Semi-instationäreMethodezurerweitertenTurbinenkennfeldvermessung. . . . . . 95
5.1.1 HighInertiaRotor(HIR)-Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.2 Auslegungsaspekte,EigenschaftenundLimitierungenderHIRMethode . . 97
5.1.3 HIRAuswertemethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.4 HIR-Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.5 NotwendigemodellbasierteKorrekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.6 DiskussionderHIR-Beschleunigungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.7 DiskussionderHIR-Verzögerungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 ErgänzendeUntersuchungenzurBeschreibungderTurbinenstufencharakteristik . . 110
5.2.1 ErgebnissederDurchbrennmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2.2 ErgebnissederDurchflussmessungenbeiRotorstillstand . . . . . . . . . . 112
5.2.3 InverserTurbinenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3 ZusammenfassungderErgebnisseundErkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Inhaltsverzeichnis IX
6 MesstechnikzurkontaktlosenErfassungdesTurboladerwellendrehmoments 117
6.1 Motivation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 StandderTechnikzurDrehmomentbestimmunginTurbomaschinen . . . . . . . . 118
6.2.1 KonzepteundverfügbareSystemefürdieDrehmomentmessungunter
stationärenBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.2 KonzepteundverfügbareSystemefürdieDrehmomentmessungunter
pulsierendenBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3 EinführungdeskontaktlosenMessverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.1 AnforderungenundZielefürdieEntwicklungder
Drehmomentmesstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.2 Messprinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.3 Konstruktion,FunktionundIntegrationindenAbgasturbolader . . . . . . 122
6.4 EigenschaftendesentwickeltenMesssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.1 DrehungleichförmigkeitdesSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.2 KalibrationdesSystemsundNulllinienfindung . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.3 SensitivitätsstudiezurAuswirkungvonRotorbewegungen . . . . . . . . . 127
6.4.4 BeobachteteWiederholgenauigkeitamHeißgasprüfstand . . . . . . . . . . 129
6.4.5 RotoreigenfrequenzenundMessungunterpulsierenderBeaufschlagung . . 130
7 TurboladerwellendrehmomentmessungamHeißgasprüfstand 133
7.1 Versuchsaufbau,AuswertungunduntersuchteBetriebspunkte. . . . . . . . . . . . 133
7.2 DiskussionderMessergebnisseundVergleichmitCFD-Ergebnissen . . . . . . . . 134
7.2.1 LinienkonstanterDrehzahlfürT3=600°C . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.2.2 KombinationderMessdatenfürverschiedene
Turbineneintrittstemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8 MotorzyklusaufgelösteTurboladerwellendrehmomentmessung 139
8.1 VersuchsaufbauunduntersuchteBetriebspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.2 AnalysederInteraktionvonMotorundTurbolader . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2.1 EnergetischeMittelwertbildungzumVergleichvonMessdatenunter
stationärensowiepulsierendenRandbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 144
8.2.2 VergleichvonzyklusaufgelöstenundstationärenMessdaten . . . . . . . . 145
8.2.3 TrägheitskorrekturderzyklusaufgelöstenMessdaten . . . . . . . . . . . . 147
8.2.4 PhasenkorrekturderzyklusaufgelöstenMessdaten . . . . . . . . . . . . . 151
8.3 ZusammenfassungderzyklusaufgelöstenUntersuchungen. . . . . . . . . . . . . . 155
9 ZusammenfassungundAusblick 157
Literaturverzeichnis 161
Anhang 171
A.1 Reibleistungsmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Kurzfassung
DievorliegendeArbeitbieteteinenumfassendenEinblickindasBetriebsverhaltenvonAbgasturbola-
dern.ExperimentelleundnumerischeUntersuchungeninsbesonderezurAero-Thermodynamiksowie
zuReibungsverlustenundWärmeströmenverdeutlichendieHerausforderungenbeiVermessung
undBerechnungdieserkompaktenMaschinen.ZunächstwirddasstationäreBetriebsverhaltenvon
Verdichter-undTurbinenstufen,wiesieinTurboladernvonPersonen-Fahrzeugmotoreneingesetzt
werden,beschrieben.StationäreBetriebsbedingungensindbspw.aneinemHeißgasprüfstandvorherr-
schend.ErgebnissevonstationärenexperimentellenundnumerischenUntersuchungen(3D-CFD)
werdenvorgestellt.SiegestatteneinevollständigeBeurteilungderThermodynamik.Daraufaufbau-
endwirddasBetriebsverhaltenderAbgasturboladerturbineunterinstationärerbzw.pulsierender
Beaufschlagungdargelegt.DazuwirdderTurboladerimZusammenspielmitdemVerbrennungsmotor
untersucht.MitHilfeeinerimRahmendieserArbeitentwickeltenDrehmoment-Messtechnikwirdes
erstmalsmöglich,motorzyklusaufgelöstdasmomentaneDrehmomenteinerAbgasturboladerturbine
geringerBaugrößebeipulsierenderBeaufschlagungundunterrealenmotorischenBedingungenzu
ermitteln.InVerbindungmitdenErgebnissenundErkenntnissenfürstationäreRandbedingungenist
einumfassendesVerständnisdesBetriebsverhaltensderTurbinemöglich.DievorliegendeStudie
erlaubtes,aufeinquasi-stationäresTurbinenverhaltenauchunterinstationärerBeaufschlagungim
Motorbetriebzuschließen.EineFragestellung,welchebishermitexperimentellenMethodennichtzu
beantwortenwar,dieaberfüraussagekräftigeSimulationenaufgeladenerMotorenvonwesentlicher
Bedeutungist.