Experimentelle und numerische Analyse des Instationärverhaltens eines Abgasturboladers als Fahrzeugkomponente
Thomas Sailer
Das Instationärverhalten eines Abgasturboladers liefert einen entscheidenden Beitrag zum Ansprechverhalten eines aufgeladenen Verbrennungsmotors und ist somit maßgeblich für eine hohe Kundenakzeptanz aufgeladener Motoren verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wird der hochdynamische Beschleunigungsvorgang des Laufzeugs von ausgewählten Turboladern experimentell untersucht. Anschließend wird eine numerische Methodik entwickelt, mit der der hochdynamische Beschleunigungsvorgang abgebildet und auftretende strömungsmechanische Phänomene analysiert werden können.
Abgasturbolader mit ein- sowie zweiflutigen Turbinengehäusen und unterschiedlichem Durchsatzverhalten werden an einem, zur Durchführung von transienten Messungen erweiterten, Heißgasprüfstand auf der Turbinenseite mit Drucksprüngen beaufschlagt. Die daraus resultierende Beschleunigung des Laufzeugs wird messtechnisch erfasst. Die instationär gemessenen Temperaturen sind von der thermischen Trägheit geprägt. Beim turbinen- und verdichterseitigen Druckaufbau ist eine Abhängigkeit von den Volumina des Prüfstandsaufbaus zu erkennen. Mit zunehmendem Druckgradienten vor der Turbine erhöht sich mit dem verwendeten Prüfstandsaufbau der Drehzahlgradient des Laufzeugs.
Die experimentellen Daten werden dem CFD-Modell der Turbine und des Verdichters als Randbedingung vorgegeben. Die Validierung der zu entwickelnden transienten Simulationsmethodik erfolgt über einen Vergleich des gemessenen und berechneten Drehzahlgradienten. Hinsichtlich der Stabilität und der Genauigkeit der CFD-Simulation zeigt die Verwendung einer Massenstrom-Randbedingung Vorteile gegenüber einer Druck-Randbedingung nach dem Verdichter. Bei Vorgabe des gemessenen Druckverlaufs nach dem Verdichter besteht eine Differenz zwischen dem experimentellen und berechneten Drehzahlgradienten. Diese Differenz ist auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse auf die zeitliche Verzögerung der gemessenen Drucksignale zurückzuführen. Die zeitliche Verzögerung kann jedoch mit der im Rahmen dieser Abhandlung verwendeten Messtechnik nicht final geklärt werden. Eine Analyse der numerischen Ergebnisse zeigt, dass für die inneren Wirkungsgrade des Turbinen- und Verdichterrads sowie für die an den Rädern wirkenden Axialkräfte ein quasi-stationärer Ansatz verwendet werden kann.
