Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Echtzeitfähige Untersuchung der pulsierenden Turbinenbeaufschlagung und Verdichterabnahme eines Turboladers unter motorähnlichen Randbedingungen

Downsizing mit Aufladung hat sich als Schlüsseltechnologie zur Erfüllung der CO2- und Emissionslimitierungen herauskristallisiert. Dabei hat sich die Abgasturboaufladung gegenüber anderen Verfahren durchsetzen können. Bei Straßenfahrzeugen kommt ausschließlich die Stoßaufladung zum Einsatz, die zu pulsierenden Randbedingungen am Turbineneintritt führt. Die Ermittlung der thermodynamischen Eigenschaften von Abgasturboladern basiert jedoch in der Regel auf stationären Messungen.

Um eine frühzeitige Bewertung eines Turboladers noch vor Verfügbarkeit des realen Motors ermöglichen zu können, wird eine HiL-Umgebung auf einem ATL-Prüfstand aufgebaut. Der konventionelle ATL-Prüfstand wird hierbei um einen Pulsator vor dem Turbineneintritt und eine Pulsator- Drosselkombination am Verdichteraustritt erweitert, wodurch eine pulsierende Untersuchung des Turboladers ermöglicht wird. Des Weiteren wird ein echtzeitfähiges Motormodell in die Prüfstandsumgebung integriert, über das die Ansteuerung der pulserzeugenden Komponenten erfolgt. Die HiL-Umgebung ermöglicht damit eine direkte Beurteilung der Interaktion aus Turbolader und Motor, ohne dass der Motor selbst in Hardware zur Verfügung stehen muss. Hierdurch kann die Entwicklung von Komponenten des Aufladesystems beschleunigt und gleichzeitig die Kosten für aufwendige Untersuchungen an Motorprüfständen eingespart werden.

Als Ergebnis des Vorhabens werden die KMU ein „proof of concept“ für die HiL-Methode zur Koppelung eines Motormodells an einen kommerziellen Turboladerprüfstand unter stationären Bedingungen erhalten. Des Weiteren wird ein Umsetzungskonzept für die benötigte Hardware zur Pulserzeugung aufgezeigt, welches einem Einsatz in der Serienvermessung gerecht wird.

Die KMU werden dadurch in die Lage versetzt, zeit- und kosteneffizient neue Produkte im Bereich von Motor und Aufladesystem anzubieten, die ihrerseits einen Beitrag zum Klimaschutz und zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten leisten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde ein echtzeitfähiger "Hardware-in-the-Loop" Prüfstand für Abgasturbolader (ATL) weiterentwickelt. Dazu wurde ein bestehender Heißgasprüfstand um verschiedene Komponenten erweitert, um den ATL unter motorähnlichen Randbedingungen betreiben zu können. Das Beinhaltet Pulsatoren, welche der eigentlich stationären Strömung durch den Turbolader Druckschwankungen aufprägen, um den intermittierenden Ladungswechsel eines Verbrennungsmotors abzubilden. Weiterhin wurde stromab der Turbine eine heißgasbeständige Drossel verbaut, welche den Gegendruck der Abgasanlage aufstauen kann.

Den Kern dieser Erweiterung bildet ein echtzeitfähiges Computersystem, auf welchem in Echtzeit der gesamte Motorprozess berechnet wird und die thermodynamischen Randbedingungen des Motors zeitsynchron an der Prüfstand übergeben werden können, um von diesem eingeregelt zu werden. Zum Aufbau der Simulation wurde ein 4-Zylinder Ottomotor auf einem Motorprüfstand aufgebaut, vermessen und in einem Motorsimulationsprogramm echtzeitfähig nachgebildet. Diese Motorsimulation wurde in ein programmiertes Gesamtmodell der Echtzeithardware integriert und kommuniziert so mit dem Heißgasprüfstand.

Anhand des Gesamtsystems aus Simulation und modifiziertem Heißgasprüfstand können Einflüsse in der Änderung des Motorprozesses direkt auf das thermodynamische Verhalten des Turboladers zurückgeführt werden. Betriebspunktänderungen des Turboladers werden in Echtzeit an das Simulationsmodell zurück gesandt und in der Simulation berücksichtigt. Diese "Hardware-in-the-Loop" genannte Aufbau ermöglicht somit eine Vermessung von Abgasturboladern zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung, an welchem der Verbrennungsmotor noch gar nicht in Hardware zur Verfügung steht.