Forschung

Pulsierende Turbinenbeaufschlagung

Die Phänomene der pulsierenden Turbinenbeaufschlagung bei Abgasturboladern führen zu Unsicherheiten bei der Auslegung dieser wichtigen Bauteile. Diese sind aufgrund ihrer effizienzsteigernden Wirkung in vielen Verbrennungskraftmaschinen, z.B. in Diesel- und Ottomotoren von Pkw, zu finden. Das Projekt hatte sich zum Ziel gesetzt, den Zusammenhang zwischen den stationären Kennfeldern und der tatsächlichen Anströmung der Turboladerturbine im Motorbetrieb zu untersuchen. Sowohl die Ergebnisse der Messungen als auch die der CFD(Computational Fluid Dynamics)-Simulationen zeigten, dass sich das Laufrad aus motortechnischer Sicht nahezu stationär verhält und nur die Volute – also der Bereich der Ausströmung – für die Pulsationseffekte verantwortlich ist. Aus der 1-D-Motorprozessrechnung konnte gefolgert werden, dass mit der Abbildung der Volute als druckverlustfreies Volumen und unter Zuhilfenahme der stationären Kennfelder die Pulsationseffekte hinreichend genau berücksichtigt werden können.

» Wir haben einen wichtigen Beitrag zur Klärung der Pulsationseffekte in Turboladerturbinen geleistet. Mit unseren Berechnungsempfehlungen gelingt es, das Verhalten von Turboladern realistischer vorauszuberechnen und damit die Auslegung effizienter zu gestalten. «
Dr. Panagiotis Grigoriadis (IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr)

Motivation

Die Abgasturboaufladung hat sich bei Dieselmotoren als Schlüsseltechnologie etabliert und sich mittlerweile auch bei den Ottomotoren durchgesetzt. Der Aufladevorgang ist mit einer pulsierenden Anströmung der Turbine – neben dem Verdichter der Hauptbestandteil eines Turboladers – verbunden. Bis heute sind die Phänomene der pulsierenden Turbinenanströmung nicht geklärt. Ziel des Projekts war es, die Abweichung zwischen den stationär am Turboladerprüfstand ermittelten Kennfeldern und den im pulsierenden Motorversuch bestimmten Betriebswerten zu analysieren.

Methodik

Die Basis für die Untersuchungen bildeten Prüfstandsversuche. Um die Pulsationseffekte zu erfassen, war eine umfangreiche Messtechnik, z.B. zur Bestimmung des Drehmoments, erforderlich. Durch nahezu adiabate Bedingungen gelang es, den isentropen Turbinenwirkungsgrad zu bestimmen. Auf diese Weise war es möglich, sich bei den Messungen vollständig auf die Aerodynamik der Turbine zu konzentrieren und die Pulseffekte zu isolieren. Mithilfe einer 1-D-Simulation wurde ein Ansatz zur Abbildung der pulsierenden Strömung entwickelt. Im Rahmen von CFD-Untersuchungen erfolgte eine Analyse der Aerodynamik der Turbine.

Ergebnis

In den Messungen und in den CFD-Simulationen zeigte sich, dass sich das Laufrad nahezu stationär verhält und die Pulsationseffekte hauptsächlich in der Volute in Form von Reflexion und Energiespeicherung stattfinden. Die Amplituden der Pulsation nehmen mit steigender Frequenz ab, wohingegen die Gradienten zunehmen. Die 1-D-Simulationen legten den Schluss nahe, dass sich die pulsierende Strömung mit ausreichender Genauigkeit durch die Abbildung der Volute als druckverlustfreies Volumen darstellen lässt. Integriert man also neben den stationären Kennfeldern auch das Volutenvolumen in die Motorprozesssimulation, können die Turbinenwirkungsgrade realistisch wiedergegeben werden. Im Projekt gelang zudem der Nachweis, dass die Pulsation einen wesentlichen Einfluss auf den Verlauf der Axialkraft und somit vermutlich auf die Reibleistung hat.

Dokumentation

Pulsierende Turbinenbeaufschlagung | Wirkungsgrad von Turbolader-Turbinen bei Beaufschlagung mit pulsierendem Abgasstrom | Vorhaben-Nr. 1103

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentlich gefördert

Fördersumme
300.000,00 EUR

Laufzeit
01.03.2012 bis 31.12.2014

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

Industrie

Dr. Panagiotis Grigoriadis
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr

Forschungsstellen

1 | FG Fahrzeugantriebe (FZA), Institut für Land- und Seeverkehr (ILS), Fakultät Verkehrs- und Maschinensysteme (VM) - Technische Universität Berlin

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Roland Baar

2 | Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA), FG Turbomaschinen- und Thermoakustik, Technische Universität Berlin

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Lars Enghardt

3 | Triebwerksakustik (TRA), Institut für Antriebstechnik (AT), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e. V.

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Lars Enghardt

Technische Universität Berlin

Institut für Land- und Seeverkehr (ILS) Fachgebiet Verbrennungskraftmaschinen (VKM)

Carnotstr. 1A
10587 Berlin
Deutschland

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Institut für Antriebstechnik

Linder Höhe
51147 Köln
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
+49 (0) 69 6603 1349
+49 (0) 69 6603 2349


Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

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