Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bedatung von Modellen zur Beschreibung des Betriebsverhaltens von Abgasturboladern

Im Rahmen der Weiterentwicklung und Forschung am Verbrennungsmotor kommt aufgrund steigender Komplexität der 1D-Prozessrechnung eine zunehmend hohe Bedeutung zu. Dabei sind die Einzelkomponenten des Motorsystems über Teilmodelle abgebildet.

Zur Abbildung des Betriebsverhaltens des Aufladeaggregats wird in der Regel auf eine kennfeldbasierte Modellierung zurückgegriffen. Diese Kennfelder werden an Brennkammerprüfständen aufgenommen. Aufgrund der Überlagerung von Wärmeüber-gangseffekten, der Aerodynamik sowie der Reibungsverluste der Turboladerlagerung ist eine Korrektur erforderlich. Im industriellen Umfeld hat sich eine Vielzahl unterschiedlicher Korrekturansätze etabliert, die darauf abzielen, den aerodynamischen Wirkungsgrad aus den gemessenen Kennfeldern zu bestimmen. Diese Ansätze erfordern oftmals eine aufwändige Parametrierung, welche abhängig ist von zeit- und kostenintensiven Prüfstandsversuchen. Die nötigen Prüfstände stehen vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen nicht zur Verfügung. Dieses Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, eine allgemeingültige Methodik zur getrennten Modellierung der Aerodynamik, des Wärmeübergangs und der Reibungsverluste aus Brennkammermessungen zu entwickeln. Neben der Verwendung neuartiger Messtechnik am Brennkammerprüfstand werden 3D-Simulationen von Turboladern unterschiedlicher Baugröße durchgeführt. Die angestrebte Methodik basiert auf einem Leistungsansatz und ist dadurch extrapolierbar. Diese Eigenschaft macht den Ansatz besonders attraktiv für KMU, da für bisherige Modelle der komplette Parametrierungsaufwand betrieben werden musste.

Das Vorhaben wird in Zusammenarbeit der RWTH Aachen und der TU Berlin durchgeführt. Während der gesamten Projektlaufzeit wird ein stetiger Informationsaustausch sowohl zwischen den Instituten als auch gegenüber den industriellen Kooperationspartnern angestrebt. Auf diese Weise soll ein stetiger Wissenszuwachs und eine hohe Qualität der Forschungsergebnisse sichergestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden verschiedene Ansätze zur Bestimmung aerodynamischer Wirkungsgrade von Abgasturbolader-Verdichtern und -Turbinen aus Messungen am Heißgasprüfstand erarbeitet und vergleichend bewertet.

Als Grundlage der Untersuchungen dienten Messungen von vier Abgasturboladern (ATL) unterschiedlicher Baugröße am Heißgas- und Reibleistungsprüfstand. Parallel wurden numerische Simulationen von Strömung und Wärmeübergang (3D-CFD/CHT) sowie des Lagersystems (3D-MKS) durchgeführt. Mithilfe der Mess- und Simulationsergebnisse wurden einfach anwendbare Ansätze zur Korrektur der Einflüsse von Wärmeübergängen und Lagerreibungsverlusten eingeführt.

Diese Ansätze erlauben es dem Anwender, aus wärme- und reibleistungsbeeinflussten Kennfeldmessungen das aerodynamische Betriebsverhalten des ATL abzuschätzen. Dies ermöglicht z.B. eine höhere Vorhersagegenauigkeit des ATL-Betriebspunktes in transienten Motorprozessrechnungen.

Es werden Korrekturansätze mit unterschiedlichem Detailgrad bzw. Beratungsaufwand vorgestellt. Die Anwendung kann so für den jeweils vorliegenden Fall als geeignete Kombination aus Vorhersagegenauigkeit und Modellierungsaufwand spezifiziert werden. Für den Fall, dass nur begrenzte Informationen zur ATL-Geometrie verfügbar sind, wird ein einfach parametrierbares Aerodynamikmodell vorgeschlagen, welches eine Abschätzung der maschineninternen Strömungszustände zur Bestimmung von Wärmeübergängen und Lagerreibungsverlusten auch ohne aufwendige numerische Simulationen ermöglicht.

Abhängig vom gewählten Modellierungsansatz kann der aerodynamische Verdichterwirkungsgrad für die im Vorhaben betrachteten ATL im gesamten Kennfeldbereich mit einer maximalen Abweichung von 5 % vorhergesagt werden. Das vorgestellte Lagermodell ermöglicht eine betriebspunktabhängige Beschreibung der Lagerreibungsverluste mit einem Bestimmtheitsmaß R² > 0,98.