Validierung von Turboladerkennfeldern auf

STRÖMUNGSO P TIMIERUNG
© Kratzer Automation
AUTOREN
Validierung von
Turboladerkennfeldern auf
Heißgasprüfständen
Dipl.-Ing. Holger Mai
ist Product Manager Hotgas
im Bereich Test Systems bei der
Kratzer Automation AG
in Wolfsburg.
Kombinationen neuartiger Prüfsysteme und Methoden zum Testen
motornaher Komponenten können die Produktqualität steigern
und die Entwicklungszeit verringern. Kratzer liefert eine Analyse
Dipl.-Ing Holger Bolz
ist Director Customer Projects &
Sales im Bereich Test Systems bei
der Kratzer Automation AG
in Unterschleißheim.
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der Sensitivität wesentlicher Einflussparameter auf die Vermessung
des Abgasturboladers am Heißgasprüfstand und geht dabei auf
kritische Aspekte der Kennfeldvermessung ein.
SCHLÜSSELTECHNOLOGIE
Der Bedarf an Abgasturboladern in Pkw
und leichten Nfz wird sich einer aktuellen Prognose [1] zufolge in den nächsten
fünf Jahren nahezu verdoppeln. Dies
kann als Indikator dafür angesehen werden, dass die Abgasturboaufladung auch
mittelfristig als Schlüsseltechnologie für
konventionelle Antriebskonzepte mit
Verbrennungsmotoren Verwendung findet. Die Haupttreiber dieses Entwicklungstrends liegen in der vom Gesetzgeber [2] angestrebten Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungsmotoren bei gleichzeitiger Einhaltung
stetig sinkender Emissionsgrenzwerte.
Hierbei bietet die Aufladung für die
Motorenentwicklung die Möglichkeit,
im sogenannten Downsizing eine
erhöhte Leistungsdichte bei einer
entsprechend kleineren Reibleistung
um zusetzen, was sich positiv auf
den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Derzeitige und künftige Anforderungen an das Aufladesystem erhöhen die
Komplexität von Verbrennungsmotor
und Aufladeaggregat bei stetig kürzeren
Produktinnovationszyklen. Beides stellt
hohe Anforderungen an die Entwicklungs- und Testmethoden von motornahen Komponenten für einen Hersteller von Prüfsystemen. Speziell in der
frühen Entwicklungs- und Auslegungsphase von Abgasturboladern, abgasdurchströmten Bauteilen wie Abgaskrümmer oder Katalysatoren helfen
neuartige Testsysteme und -methoden,
die Produktqualität zu verbessern
und die Entwicklungszeit signifikant
zu verkürzen.
Die Kombination dieser Möglichkeiten macht Thermodynamikprüfstände
zu einem leistungsfähigen Entwicklungswerkzeug zur Bewertung und
Optimierung von Abgasturboladern
für den stationären und transienten
Betrieb. Dabei wird die Sicherstellung
der Güte von Prüfergebnissen hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit angestrebt. Speziell für Festigkeits-, Haltbarkeits- und Akustiktests
werden oftmals Dauerlaufprüfstände
verwendet, die die praxisnahe Beanspruchung von Abgasturbolader und
Abgasanlage in Bezug auf Schwingungen, Dehnung und Thermo-SchockBelastungen bei der Entwicklung und
Erprobung zukünftiger Systeme nachbilden können.
September 2015
LEISTUNGSFÄHIGKEIT
QUANTIFIZIEREN
Für das sogenannte Matching von
Abgasturbolader und Verbrennungsmotor sind die Kennfelder von Verdichter
und Turbine die wichtigsten Informationsquellen, um die Leistungsfähigkeit
des Abgasturboladers zu quantifizieren.
Dazu werden in der Praxis Abgasturbolader am Heißgasprüfstand unter Versuchsbedingungen thermodynamisch
bewertet [3], die der Motorumgebung
möglichst nahe kommen sollen. Bisher
gibt es für die Durchführung der Kennfeldvermessung am Heißgasprüfstand
keine einheitliche Normvorschrift [4],
sodass die Vermessung häufig an die
Richtlinien J922 [5] und J1826 [6] der
SAE angelehnt ist. In beiden Richtlinien
fehlen jedoch Informationen zum Aufbau der Messstrecke und zur Anordnung
der Messstellen. Unberücksichtigt bleiben hiervon ebenso Empfehlungen zur
Minimierung der Wärmeströme des Turboladers. Dies zeigt, dass der Prüfling in
der Prüfumgebung als komplexes System
angesehen werden kann, sodass die Vergleichbarkeit von Kennfeldern unterschiedlicher Abgasturbolader beziehungsweise die Reproduzierbarkeit für
ein und denselben Abgasturbolader an
unterschiedlichen Heißgasprüfständen
nicht ohne weiteres gesichert ist.
Sämtliche Einflüsse, die während der
Kennfeldvermessung am Heißgasprüfstand auftreten, wirken sich mehr oder
weniger auf die Kenngrößen des Turbo˙ T,red, πT, T) aus.
laders (˙mV,0, πV,t, V,is, m
Diese Kenngrößen können jedoch nicht
direkt bestimmt werden, sondern müssen indirekt aus den stationär am Heißgasprüfstand ermittelten Messgrößen ṁ,
T, p, berechnet werden.
Inhalt dieses Beitrags ist eine kurze
Analyse der Sensitivität der wesentlichen
Einflussparameter auf die Vermessung
des Abgasturboladers am Heißgasprüfstand, die zunächst klassifiziert und in
einer Übersicht in BILD 1 dargestellt werden. Im Detail wird auf einige kritische
Aspekte der Kennfeldvermessung eingegangen, um grundlegende Kriterien
zur Bewertung der Güte der Kennfelder
aufzuzeigen.
ZIELKONFLIKT
Idealerweise sollen die aus der Kennfeldvermessung ermittelten Kenngrößen ausschließlich das thermo- und aerodynamische Betriebsverhalten des Abgasturboladers beschreiben. Zugleich wird eine
sehr gute Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig höchster Vergleichbarkeit und
Genauigkeit erwartet. Diese Forderungen
führen aus Sicht der Praxis zu einem
Zielkonflikt, da jede Messung vom
mechanischen Aufbau des Abgasturboladers am Prüfstand, von der Gestaltung
der Messstrecke, der verwendeten Messtechnik, der ausgewählten Messmethodik, den Umgebungsbedingungen und
dem Prüfling selbst beeinflusst wird [7].
Der Einfluss des Prüflings auf die Messung am Prüfstand wird durch Produktionstoleranzen und Alterungsprozesse
verursacht. Durch den Einsatz sogenannter Baseline-Turbolader wird der
Einfluss des Prüflings über die Zeit
BILD 1 Klassifizierung von Einflussparametern auf die Kenngrößen eines Abgasturboladers bei der
Kennfeldvermessung auf dem Heißgasprüfstand (© Kratzer Automation)
Prüfstände und Simulation für Antriebe
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STRÖMUNGSO P TIMIERUNG
quantifizierbar. Die Reproduzierbarkeit
von Messungen wird bei gleichem Aufbau mit demselben Prüfling vornehmlich
durch die Regelungs- und Speicherstrategie der Automatisierungssoftware sowie
die Umgebungsbedingungen beeinflusst. Bei Untersuchungen, bei denen
die Reproduzierbarkeit wichtig ist, muss
dies berücksichtigt werden. Die Umgebungsbedingungen und der Messaufbau
werden zumeist durch die Infrastruktur
der Prüfzelle, den Prüfstand oder den
Prüfling selbst vorgegeben und können
aus diesem Grund nur eingeschränkt
geändert werden. Von Vorteil ist hierbei,
wenn die Umgebungsbedingungen teilweise oder vollständig konditioniert
werden können, um etwaige Einflüsse
bedingt durch die Jahreszeit zu vermeiden. Die Konditionierung der
Verdichteransaugluft hat darüber
hinaus einen direkten Einfluss auf
den stationären Zustand des ausgewählten Betriebspunkts und damit
auf die Güte der Regelung.
Zur Erfassung der Zustandsgrößen
Druck und Temperatur werden am
Heißgasprüfstand Messrohre am Einund Austritt von Verdichter und Turbine
verwendet. Definierte Ein- und Auslaufstrecken sind erforderlich, um ein
gleichmäßiges Strömungsprofil an der
Messstelle zu erhalten [7]. Auf diese
Weise bilden die Messstellen von Druck
und Temperatur die Ist-Systemgrenze
am Prüfstand, BILD 2, die von der SollSystemgrenze entlang der Flansche
und Stutzen des Turboladers um die
Ein- beziehungsweise Auslauflänge
der Messrohre abweicht. Die innerhalb
dieser Ist-Systemgrenze auftretenden
Zustandsänderungen bilden nicht mehr
ausschließlich das Verhalten des Turboladers ab, sondern enthalten auch die
Einflüsse der Messstrecke, wie die auftretenden Wärme- und Druckverluste.
Die sich einstellenden Strömungsverluste innerhalb der Systemgrenze
hängen maßgeblich von der Messrohrgeometrie, wie den gewählten Messrohrquerschnitten in Bezug zu den Flanschquerschnitten des Prüflings, ab und wirken sich direkt auf das Druckverhältnis,
den Wirkungsgrad und die Anlagenkennlinie aus, BILD 3. Da es bisher keinen
definierten Standard gibt, gilt die Empfehlung, die Ein- beziehungsweise Auslaufstrecke der Messstellen (p, T) auf
mindestens den fünf- beziehungsweise
dreifachen Messrohrdurchmesser zu set-
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BILD 2 Ist- und Soll-Systemgrenze am Abgasturbolader auf dem Heißgasprüfstand (© Kratzer Automation)
BILD 3 Einfluss der Messrohrgeometrie auf die Kennfelder des Verdichters (© Kratzer Automation)
zen und den Messrohrquerschnitt
möglichst gleich oder größer dem jeweiligen Stutzenquerschnitt des Prüflings
zu wählen.
Bei jeder Messung am Heißgasprüfstand treten mehr oder weniger große
zufällige und systematische Messabweichungen auf, die das Ergebnis der Mes-
sung beeinflussen. Das Ziel jeder Messung ist die Bestimmung des wahren
Werts einer physikalischen Größe. Jeder
Messwert wird jedoch durch die Unvollkommenheit des Messverfahrens und
der eingesetzten Messtechnik in dem
Maße beeinflusst, dass der wahre Wert
der Messgröße nicht beliebig genau
BILD 4 Sensitivität der systematischen Messunsicherheiten auf die Verdichterkenngrößen [8] (© Kratzer Automation)
bestimmt werden kann. Mithilfe einer
Fehleranalyse können die am Heißgasprüfstand auftretenden Fehlerquellen
identifiziert werden. Dazu wird wie in
BILD 4 dargestellt der Einfluss der systematischen Messunsicherheit der jeweiligen Sensoren auf die Berechnung der
verdichterseitigen Kenngrößen Druckver-
hältnis und Wirkungsgrad quantifiziert.
Für das Verdichterdruckverhältnis πts
wird der größte Fehler durch den Sensorfehler der Druckmessung (p1, p2) verursacht. Die Einflüsse der Fehler aus
dem Umgebungsdruck (p0), der Umgebungstemperatur (T0), der Luftfeuchte
(0), dem Verdichtermassenstrom (ṁ C)
und dem Recovery-Faktor (rf) sind von
untergeordneter Bedeutung. Der Fehler
im Wirkungsgrad ts ist größer für kleinere Drehzahlen, da der relative Fehler
in der Druck- und Temperaturmessung
(p1, p2, T1, T2) sich hier stärker auswirkt. Bezüglich der Güte der Temperatur- und Druckmessung kann durch
KST Motorenversuch GmbH & Co. KG
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nungsmessung
Prüfstände und Simulation für Antriebe
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Erweiterung der Kapazität und
Leistung unseres Prüffeldes für Antriebsstrang-/ Getriebeerprobung
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Kompletter Leistungsumfang
(PEMS u. Rollenprüfstand) von der
Fahrzeugabholung bis zur Beurteilung der Messdaten
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Erweiterung und Modernisierung
unseres Hydropuls-Prüffeldes
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(Mehrachs-Anregung)
STRÖMUNGSO P TIMIERUNG
die Auswahl von Sensoren mit höherer Genauigkeit eine Verbesserung
erzielt werden.
MESSMETHODIK VARIIEREN
Die thermodynamischen Einflüsse, die
durch die gewähte Messmethodik und
die auftretenden Wärmeströme auf die
Kennfeldvermessung einwirken, werden
durch die Randbedingungen der Messung bestimmt. Wärmeströme innerhalb
des Turboladers und an die Umgebung
beeinflussen die Wirkungsgrade von
Verdichter und Turbine erheblich, sodass
die angewandte Messmethodik unter
Berücksichtigung der Betriebs- und
Umgebungsbedingungen sorgfältig ausgewählt werden muss. Um den Einfluss
der Wärmeströme auf die Kennfeldvermessung quantitativ und qualitativ beurteilen zu können, wird die Messmethodik in BILD 5 so variiert, dass die am
Heißgasprüfstand auftretenden Wärmeübergangsbedingungen Berücksichtigung finden. Als Referenz wird die Heißvermessung in Anlehnung an die SAE
J1826 [6] dargestellt, die den Bedingungen des Motorbetriebs im Fahrzeugeinsatz am nächsten kommt. Die isolierte
Heißvermessung ist eine weitere Variante, die durch Einsatz einer Messrohrisolierung den Einfluss der Messstrecke
eines nicht isolierten Messrohrs bei der
Temperaturmessung auf die Verdichterkenngrößen minimiert. Eine sogenannte
Kaltvermessung mit deutlich reduzierten
Turbinen- und Öleintrittstemperaturen
ermöglicht eine gezielte Bewertung der
Verdichteraerodynamik durch Minimierung der Wärmeströme innerhalb des
Abgasturboladers. Eine Erweiterung
dazu stellt die quasi-adiabate Vermessung dar, die durch den Einsatz einer
Isolierung von Turbolader und Messstrecken bei gleichen Fluidtemperaturen
am Verdichteraustritt, am Turbineneintritt und im Öl jegliche Wärmeströme
vermeidet und damit der Forderung
zur idealen Erfassung der Zustandsänderungen im Abgasturbolader am
besten nachkommt.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Rahmen dieses Beitrags wurden die
wesentlichen Einflussparameter auf die
Kennfeldvermessung eines Abgasturboladers am Heißgasprüfstand benannt
und an ausgewählten Beispielen für den
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BILD 5 Einfluss der Messmethodik auf die Verdichterwirkungsgrade (© Kratzer Automation)
Verdichter behandelt. Die Turboladerkennfelder unterscheiden sich, wenn die
Kennfeldvermessung bei verschiedenen
Randbedingungen erfolgt. Die Einflüsse
aus der Art und Weise der Messung wirken vor allem auf die Wärmeströme im
System Turbolader ein und beeinflussen
vornehmlich die Wirkungsgrade. Die
Einflüsse aus der Infrastruktur des Prüfstands und der Ein- und Auslaufgeometrie der Messstrecken sind zumeist festgelegt und wirken hauptsächlich auf das
Durchsatzkennfeld des Verdichters. Die
Vergleichbarkeit und die Wiederholbarkeit der Messung sind die wichtigsten
Kriterien, um die Güte der Kennfelder zu
beurteilen. Eine Vergleichbarkeit von
zwei verschiedenen Prüfständen ist
genau dann möglich, wenn neben dem
Prüfling eine gleiche Instrumentierung
und gleiche Messstrecken verwendet
werden. Eine Wiederholbarkeit von einzelnen Betriebspunkten auf ein und
demselben Prüfstand mit identischer Instrumentierung kann durch die richtige
Regel- und Speicherstrategie des Automatisierungssystems zu sehr guten Ergebnissen führen. Der Vergleich von Ergebnissen aus verschiedenen Prüfständen
mit unterschiedlicher Instrumentierung
unter verschiedenen Randbedingungen
kann Unterschiede aufweisen, die den
gezeigten Sensitivitäten entsprechen.
Diese Ergebnisse sollten jedoch nur mit
entsprechenden Annahmen qualitativ
verglichen werden.
LITERATURHINWEISE
[1] Saddington, D.: The global market for automotive turbochargers – Forecasts and trends for
passenger cars and commercial vehicles to 2020.
London: About Publishing Group, 2013
[2] Verordnung zur Festsetzung von Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen im Rahmen des
Gesamtkonzepts der Gemeinschaft zur Verringerung
der CO 2-Emissionen von Personenkraftwagen und
leichten Nutzfahrzeugen – 443/2009
[3] Kamphues, E.; Sens, M.; Bolz, H.: Messmethoden am Heißgasprüfstand. In: Pucher, H.;
Kahrstedt, J. (Hrsg.): Motorprozesssimulation und
Aufladung II. Renningen: Expert-Verlag, 2007
[4] Pucher, H.; Mai, H.: Parameterstudie zur Turbolader-Kennfeldvermessung. Abschlussbericht über
ein VFI-Vorhaben, 2010
[5] SAE International: Turbocharger Nomenclature
and Terminology SAE J922, 1995
[6] SAE International: Turbocharger Gas Stand Test
Code SAE J1826, 1995
[7] Nickel, J.; Grigoriadis, P.: Verfahren und Messmethoden zur Erfassung von Turboladerkennfeldern
an Turboladerprüfständen. In: Lechmann, A.
(Hrsg.): Simulation und Aufladung von Verbrennungsmotoren. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008
S. 227-244
[8] Mai, H.; Bolz, H.; Rinaldi, A.; Kaufmann, A.:
Neue Ansätze zur Validierung der Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit von Turboladerkennfeldern. In: Zellbeck, H. (Hrsg.): 19. Aufladetechnische Konferenz 2014, Dresden, 2014, S. 471-487
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