Heißgaserzeuger mit Flüssiggasanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Strengere CO2 Gesetzgebungen und der Wunsch nach geringerem Kraftstoffverbrauch lässt die Verbreitung von aufgeladenen Verbrennungsmotoren immer weiter voranschreiten. Der hierdurch zunehmende Bedarf an Abgasturboladern bedingt eine steigende Nachfrage an Weiterentwicklung und Forschung auf diesem Gebiet. Neben der Untersuchung von Abgasturboladern direkt am Verbrennungsmotor ist eine getrennte Untersuchung des Abgasturboladers an Heißgasprüfständen essentiell für die grundlegende Forschung und Entwicklung. Hierfür wurde im Rahmen dieses Projektes ein Heißgas-Turboladerprüfstand entwickelt, welcher einen Temperaturbereich von 20°C bis 1200°C und einen Massenstrombereich von 0.013 kg/s bis 1.0 kg/s abdecken kann. Diese weite Spreizung ermöglicht die Untersuchung von kleinen PKW-Abgasturboladern bis hin zu kleineren Marine-Abgasturboladern, ohne eine Änderung der Peripherie des Prüfstandes vornehmen zu müssen. Erste Untersuchungen zeigen, dass die Abweichungen der Einstellgenauigkeit eines Betriebspunktes als auch die Wiederholbarkeit eines Betriebspunktes des Heißgaserzeugers unter 1 % liegen. Speziell bei kleinen Turbomaschinen wie Abgasturboladern zeigt sich ein deutlicher Einfluss der Wärmeströme zwischen Verdichter und Turbine. Mit dem entwickelten Prüfstand wurden Messungen durchgeführt, welche zum Ziel hatten, die Einflüsse des Wärmeübergangs von der Turbinen- auf die Verdichterseite zu untersuchen. Hierfür wurde ein LKW-Abgasturbolader mit integrierter Wasserkühlung an der Turbinenseite an dem Prüfstand bei unterschiedlichen Turbineneintrittstemperaturen vermessen. Thermoelemente im Gehäuse ermöglichten die Bestimmung des Wärmeübergangs zwischen Turbine und Verdichter. Aus der Auswertung der Daten ist eine Methode zur Umrechnung von heiß gemessenen Verdichterkennfeldern in adiabate Verdichterkennfelder erarbeitet worden. Durch die thermodynamische und mechanische Verbindung von Turbine und Verdichter und der zusätzlichen Kopplung des Abgasturboladers an den Verbrennungsmotor kommt den Regelungssystemen der Abgasturbolader besondere Aufmerksamkeit zu. Neben einfachen Regelsystemen wie dem Bypass- System (Wastegate) kommen variable Turbinen-Geometrien (VTG) zum Einsatz. Diese basieren auf pivotierten, verstellbaren Vorleitschaufeln, die in Abhängigkeit des Betriebspunktes die Anströmung der Turbine des Turboladers verändern können. Hierdurch kann die Leistung der Turbine an den Betrieb des Verbrennungsmotors angepasst werden. Prinzipbedingt ergeben sich durch die Verstellbarkeit spezifische Geometrien (Spalte, Distanzhülsen, Wellenabsätze usw.) der VTG-Baugruppe. Diese spezifischen Geometrien führen zu Strömungsverlusten im Leitapparat und in der Radialturbine. Zusätzlich sind während des Betriebs die genauen Abmaße der spezifischen Geometrien und die Position der Vorleitschaufeln nicht exakt bestimmbar. Dies erschwert die Berechnung und Quantifizierung solcher Systeme. Aus diesem Grund wurde bei einem VTG-Turbolader die Baugruppe der variablen Leitschaufeln durch ein generisches System ersetzt, bei dem der Leitschaufelkranz aus einem Volumenkörper gefräst wurde. Hierdurch entfallen die spezifischen Geometrien, und die Verluste können eindeutig zugeordnet werden. Dies vereinfacht zum einen die Validierung der numerischen Simulation durch eine eindeutige Vergleichsbasis und zum anderen die gezielte Untersuchung der spezifischen Geometrien. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden verschiedene Leitschaufelstellungen mit unterschiedlichen Leitschaufelgeometrien gefertigt. Anschließend wurden diese in den Turbolader eingesetzt und an dem Prüfstand gemessen. Ein umfangreicher Vergleich der Messdaten mit numerischen Untersuchungen zeigt bessere Übereinstimmungen als die in der Literatur dargestellten Validierungen. Neben gezielten Untersuchungen an bestehenden Regelungssystemen für Abgasturbolader wurde am ITSM ein neuartiges Konzept entwickelt. Dieses Regelsystem basiert auf einer regelbaren Teilbeaufschlagung der Turboladerturbine und trägt den Namen Multiple Exhaust DUct with Source Adjustment (MEDUSA). Hierbei können einzelne Zuströmkanäle zur Turbine separat geschlossen und geöffnet werden. Die Messergebnisse am Heißgasprüfstand zeigen, dass sich hierdurch eine Regelbarkeit der Turbinenleistung in Abhängigkeit des Abgasmassenstromes ergibt, welche vergleichbar zu einer VTG sind. Der Vorteil dieses neuen Systems liegt in der Verwendung von mechanisch einfachen und robusten Steuerelementen. Hierdurch können höhere Einsatztemperaturen im Vergleich zu einer VTG (Einsatz hauptsächlich bei Dieselmotoren) erreicht und eine Anwendung im Bereich der aufgeladenen Ottomotoren ermöglicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Control Concept for the Partial Admission of a Turbocharger Turbine. 15th International Stuttgart Symposium: Automotive and Engine Technology
Heidinger, F., Müller T., Ilievski M. Vogt, D.M.
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2011, Introducing a New High Performance Turbocharger Test Rig. Proc. XXV Jubilee Turbomachinery Workshop, Gdansk/Krzeszna, Poland
Challand, S.
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Development and Commissioning of a New Turbocharger Test Facility. The XXII Biannual Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery, Lyon, France, 2014
Heidinger, F., Challand, S., Vogt, D. M.
