ZwEISTuFIgE TuRBOauFLaDung – KOnZEpT FüR
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ZwEISTuFIgE TuRBOauFLaDung – KOnZEpT FüR
forschung Aufladung Zweistufige Turboaufladung – Konzept für hochaufgeladene Ottomotoren Das Downsizing von Ottomotoren zur Reduktion der CO2-Emissionen hat sich am Markt als Trend etabliert. Dieser Trend wurde möglich gemacht durch die Entwicklung der Direkteinspritzung bis zur Serienreife und die damit einhergehenden neuen Freiheitsgrade bezüglich Einspritztiming und Ladungswechselsteuerung am aufgeladenen Motor. Im Rahmen aktueller Entwicklungszyklen werden daher Konzepte für deutlich Hubraum reduzierte Motoren als Ersatz für bisherige Baureihen von der FEV diskutiert. a u tore n Dr.-Ing. Philipp Adomeit ist Fachleiter Innovation und Thermodynamik bei der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen. Dipl.-Ing. Andreas Sehr ist Abteilungsleiter Ottomotoren bei der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen. M. Sc. Sandra Glück ist Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen. Dipl.-Ing. Stefan Wedowski ist Fachkoordinator Aufladung bei der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen. 362 1 Einleitung 2 Zielsetzung und Motivation der Zweistufigkeit 3 Rechnerische Auslegung der Aufladegruppe 4 Adaption Brennverfahren 5 Ergebnisse Bennverfahren 6 Package 7 Ergebnisse Transientverhalten 8 Zusammenfassung 1 Einleitung Um auch die bisherigen großvolumigen Motoren mit sechs Zylindern durch entsprechend kleinere Vierzylindermotoren zu ersetzen, sind hohe spezifische Leistungen von über 100 kW/l sowie ein diesen Komfortantrieben entsprechendes Transientverhalten mit fülligen dynamischen Drehmomentkurven zu realisieren. Bei kleineren Basismotoren kann eine sehr hohe spezifische Leistung zur Darstellung einer Hochleistungsvariante genutzt werden; dies trägt über die Konzentration auf wenige Grundmotoren im Portfolio zur Reduktion der Kosten und des Entwicklungsaufwands bei. Zur Erreichung dieser spezifischen Leistung sind hohe, über heutige Werte hinausgehende Aufladegrade erforderlich. Bei der Entwicklung derartig „hochaufgeladener“ Ottomotoren begegnet man neuen Herausforderungen. Im vorliegenden Beitrag werden der Einsatz der hierzu nötigen Werkzeuge sowie die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie diskutiert. 2 Zielsetzung und Motivation der Zweistufigkeit Ausgangspunkt der Studie war die Zielvorgabe, mit einem aufgeladenen 1,8-l-Motor 120 kW/l zu erreichen und ein entsprechend hohes Nennmoment zwischen 1500 und 5500/min zu realisieren, wie in ❶ im Vergleich zum Streuband aufgeladener Motoren dargestellt. Im rechten Teildiagramm des Bildes sind die Auswirkungen dieser Steigerung des Mitteldrucks anhand eines typischen Verdichterkennfelds veranschaulicht. Die typischen Volllast-Betriebspunkte eines Motors mit etwa 90 kW/l nutzen das Kennfeld nahezu vollständig aus. Im unteren Drehzahlbereich nähern sich die stationären Betriebspunkte üblicherweise relativ stark an die durch Pumpen verursachte linke Kennfeldgrenze. Im Bereich der Nennleistung sind gute Wirkungsgrade darzustellen sowie ausreichend Höhen- und Regelreserve zur maximal möglichen Laderdrehzahl einzuhalten. Werden nun 120 kW/l bei weiterhin akzeptablem Low-End-Torque gefordert, angedeutet durch die beiden offenen Kreise, so wird der Betriebsbereich heutiger, in Großserie verfügbarer Radialverdichter verlassen. Auch wenn durch zusätzliche Maßnahmen die Verdichterauslegung bezüglich Kennfeldbreite hin optimiert wird, geht dies stark zu Lasten des Wirkungsgrads, und der nötige große Turbolader zur Darstellung des maximalen Durchsatzes verhindert ein befriedigendes Transientverhalten des Motors. Auch turbinenseitig ist die Darstellung der nötigen Leistung im unteren Drehzahlbereich bei gleichzeitig hinnehmbarem Abgasgegendruck im Nennleistungsbereich nicht realisierbar. Daher muss ein aus zwei Aufladeaggregaten bestehendes System gewählt werden. In ❷ sind die in Frage kommenden Auflade05I2010 71. Jahrgang systeme im Hinblick auf die wesentlichen Kriterien, darstellbare Leistung, dynamisches Transientverhalten und allgemeiner Pack age sowie Konstruktionsaufwand bewertet. Die Referenz bildet ein Festgeometrie-Turbolader mit Wastegate zur Regelung der Turbinenleistung, der bei geringem Aufwand die heute üblichen Volllastanforderungen erfüllt. Im nächsten Schritt sind hier mit „optimiert“ bezeichnete einstufige Lader einsetzbar, die bei Steigerung der Performance, aber auch des nötigen Aufwands, noch Verbesserungspotenzial bieten, jedoch aus den oben genannten Gründen limitiert sind. Darüber dargestellt sind hybride Aufladesysteme, die entweder durch mechanisch oder auch elektrisch angetriebene Verdichter, bei denen es sich um Verdrängungs- und Strömungsmaschinen handeln kann, den Aufladebereich erweitern. Beide Prinzipien bieten transient dynamisches Potenzial und erlauben damit eine leistungsorientierte Auslegung des Turboladers, wobei ein frei platzierbarer, elektrisch angetriebener Verdichter Vorteile hinsichtlich Package gegenüber dem an den Motor-Riementrieb gebundenen mechanischen Verdichter aufweist. Der sogenannte eBooster ist allerdings hinsichtlich Wiederholbarkeit der Zusatzaufladung limitiert durch die Leistungsfähigkeit des elektrischen Systems eines Fahrzeugs. Hybride Aufladesysteme mit mechanischem Verdichter sind aus Studien bekannt [1] und haben den Weg in die Großserie gefunden [2], allerdings ist die Nutzung des Kompressors auf niedrige Drehzahlen beschränkt, und eine echte zweistufige Aufladung im Nennleistungsbereich scheint auch mit Blick auf den Verbrauch nicht sinnvoll. Die zweistufige Abgasturboaufladung, die bereits bei Dieselmotoren in Großserie verfügbar ist, stellt somit eine vielversprechende Alternative dar. Sie bietet hohes Potenzial zur Zielerfüllung. Als hauptsächliche Herausforderungen ergeben sich die Auslegung der Aufladegruppe, die Beherrschung des Prozessverlaufes bei hohen Ladedrücken sowie die Darstellung eines befriedigenden Transientverhaltens bei packagegerechter Umsetzung. Daher sollte dieses Konzept im Rahmen einer Machbarkeitsstudie näher untersucht werden. 3 Rechnerische Auslegung der Aufladegruppe Zur rechnerischen Auslegung wurde die eindimensionale Ladungswechselsimulation mit Hilfe des kommerziellen Programms GTPower eingesetzt, wobei als Basis ein gut abgeglichenes Modell des FEV eigenen 1,8-l-Basismotors mit zentraler Direkteinspritzung dienen konnte. ❶Ziel-Volllastkurven und Limitierung der einstufigen Turboaufladung 363 forschung Aufladung durch geringen Abgasgegendruck den Kraftstoffverbrauch positiv zu beeinflussen. Aus der hierzu notwendigen Größe der Räder resultiert das erkennbare verzögerte Ansprechen. Als Regelkonzept wurde das von Dieselmotoren bekannte Prinzip übernommen, welches eine komplette, verdichter- und turbinenseitige Bypassierung der Hochdruckstufe sowie die Regelung der Niederdruckturbine mit einem Wastegate vorsieht. Der Hochdruck-Turbinenbypass ist hierbei als Ladedruckregelklappe ausgeführt, der Bypass des Hochdruck-Verdichters wird aktiv aktuiert und die Ansteuerung ist Teil des Regelungskonzepts. Jedoch ist eine reine Offen-/Geschlossen-Umschaltung vorgesehen. ❷Bewertung von Aufladesystemen 4 Adaption Brennverfahren Im Fokus der Auslegung stand die Auswahl der beiden Turbolader. Es wurden für beide Stufen unterschiedliche Raddurchmesser und Gehäusevarianten sowie verschiedene Regelungskonzepte untersucht. Außerdem bestand die Forderung, derzeit auf dem freien Markt verfügbare Turbolader zu verwenden. Als Ergebnis der Auslegungsphase wurden zwei geeignete Turbolader definiert, die den nötigen Ladedruck darstellen sowie ein gutes Übergangsverhalten zwischen den Stufen ermöglichen, wie die in ❸ gezeigten Verläufe der Betriebskennlinien in den Verdichterkennfeldern zeigen. Es ist zu erkennen, dass die zunächst ungünstig erscheinende Lage der stationären Betriebspunkte im Hochdruckverdichter im transienten Betrieb relativiert wird. Die Trägheit des großen Laders führt dazu, dass bei der Beschleunigung der Hochdruck-Turbolader einen größeren Teil der Verdichtungsarbeit übernimmt; entsprechend weitet sich der Betriebsbereich des Hochdruckverdichters zu höheren Druckverhältnissen und Durchsätzen hin aus. Hierbei arbeitet der Verdichter auch im Bereich des optimalen Wirkungsgrads. Der Niederdruck-Turbolader wurde im Wesentlichen im Hinblick auf den Betrieb im Nennleistungsbereich bestimmt, das heißt, es werden gute Wirkungsgrade angestrebt, um Zur Darstellung der hohen spezifischen Leistung mit hohem Aufladegrad ist eine Anpassung des Brennverfahrens notwendig. Das hier verfolgte Konzept zielt auf eine erhöhte Ladungsbewegungsintensität mit gleichzeitig hohem Homogenisierungsgrad ab, um eine schnellere Verbrennung zur Verbesserung der Klopffestigkeit und eine Vermeidung irregulärer Verbrennung zu erreichen. Die Brennraumströmungs- und Einlasskanalentwicklung erfolgt mit dem CMDProzess [3]. Dabei werden, bei einem flankierend im Vorfeld festgelegten Verdichtungsverhältnis von 8,5 drei Kanalvarianten mit CAD-CFD-Verfahren ausgelegt und bewertet: Im Einzelnen die Grundgeometrie des Basiseinlasskanals (Base), eine Version mit mittlerem Tumble (MTP) und eine Version mit hohem Tumble (HTP). In ❹ wird die mit CFD berechnete Brennraumströmung am Ende der Ansaugphase für diese drei Varianten verglichen. Hierbei zeigt die Basiseinlasskanalgeometrie bis zu diesem Zeitpunkt keine Entwicklung einer Tumblebewegung, was sich unter anderem am Fehlen eines Tumblezentrum manifestiert. Im Vergleich dazu lässt sich bei der MTP-Variante ein sich ausbildender Tumble erkennen, der auslassseitig über der Kolbenmulde aufwärts strömt. Einen nochmals deutlich stärkeren Tumble liefert die HTP-Variante. Hier zeigt das Strömungsfeld eine ausgeprägte Tumbleaufwärtsströmung und ein Tumb- ❸Turbolader Betriebslinien 364 ❺Optische Diagnostik von Einspritzung und Gemischbildung auf dem FloTec-Prüfstand tragene Kraftstoff in die Brennraummitte transportiert und dort verdampft. Unzureichende Gemischzustände wie eine wandnahe Konzentrationsüberhöhung lassen sich hier nicht detektieren. 5 Ergebnisse Brennverfahren ❹Brennraumströmung und CMD-Vorhersage von Brennverzug und Brenndauer von 5 bis 50 % Umsatz lezentrum mittig über der Kolbenmulde. Diese Variante wurde somit für die weiteren Arbeiten definiert. Eine Auswertung der Strömung am Kompressionsende im Hinblick auf die Konvektions- und Turbulenzcharakteristik ermöglicht eine Vorhersage von Brennverzug und Brenndauer auf Basis spezifischer Kennzahlbeziehungen. Dieser Ansatz wird hier eingesetzt, um die Kanalvarianten hinsichtlich ihrer Brenneigenschaften bei den speziellen thermodynamischen Zuständen der Hochaufladung zu bewerten. Die in ④ dargestellten Ergebnisse zeigen, dass bei Erhöhung der Tumbleintensität eine niedrigere Brenndauer vorhergesagt wird. Gleichzeitig wird auch der Brennverzug speziell bei niedrigen und mittleren Drehzahlen deutlich reduziert. Eine adäquate Gemischbildung ist eine weitere Herausforderung der Hochaufladung, da infolge der hohen Aufladegrade und Einspritzmengen die Spray-Strömungsinteraktion deutlich beeinflusst wird. Zur Untersuchung verschiedener Kombinationen von Einlasskanal und Injektor wird das FloTec-System eingesetzt. Dabei handelt sich um einen optischen Schleppmotor, der mit einer metallischen Flowbox betrieben werden kann und einen guten optischen Zugang durch Verwendung einer Glaslaufbuchse bietet. Damit werden Strömungs- und Gemischbildungsuntersuchungen mittels PIV-, Streulicht- und LIF-Diagnostik möglich, ohne dass ein zeitund kostenaufwändiger Aufbau eines Transparentmotors notwendig wird. ❺ zeigt den FloTec-Aufbau und eine Sequenz des mit Hochgeschwindigkeitsstreulichtaufnahmen analysierten Einspritzvorgangs bei einer niedrigen Drehzahl von 1500/min. Durch die Tumblebewegung wird der anfänglich in die Kolbenmulde einge- Sie wollen sich verändern oder suchen die erste Stelle, dann senden Sie bitte Ihre kompletten Bewerbungsunterlagen an: 05I2010 71. Jahrgang Anhand von Prüfstandsversuchen sowie einer ersten Prototypenapplikation wurde die grundsätzliche Umsetzbarkeit des Konzepts gezeigt. Speziell die angestrebten Zielwerte bei 1500 bis 2000/min konnten ohne das Auftreten irregulärer Verbrennungsphänomene dargestellt werden. Zur Charakterisierung des Brennverhaltens ist in ❻ exemplarisch die Lage des maximalen Verbrennungsdruckes über dem Verdichtungsenddruck, zurückgerechnet aus Verdichtungsverhältnis und Zylinderfüllung, dargestellt. Im linken Teil des Graphen ist ein von Saugmotoren und Turbomotoren mit Saugrohreinspritzung, also ohne spülenden Ladungswechsel, gebildetes Streuband dargestellt. In diesem Streuband sind die mit hochoktanigen Kraftstoffen betriebenen Motoren am rechten Rand wiederzufinden. Die neueren Turbomotoren, bei denen in diesem Drehzahlbereich das Restgas durch entsprechende Ventilüberschneidung ausgespült und damit die Klopfneigung reduziert wird, sind als separater Bereich ausgewiesen. Hier finden sich sowohl der einstufig aufgeladene SGT-Basismotor als auch der mit GT² bezeichnete, zweistufig aufgeladene Motor der Konzeptstudie am Rand dieses Bereichs. Die Tatsache, dass beide Motoren auf einer Trade-Off-Linie liegen, zeigt, dass die relative Klopffestigkeit, das heißt, die Lage der Verbrennung im Verhältnis zum Aufladegrad bei beiden Motoren eine vergleichbare Qualität hat. Somit haben die oben beschriebenen Maßnahmen einer relativen Verstärkung der Klopfneigung durch höhere Aufladung entgegenwirken können. Trotzdem zeigt sich hier weiteres Verbesserungspotenzial, da die absolute Lage der Verbrennung in Hinblick auf Abgastemperatur und auch Wirkungsgrad natürlich in Richtung des optimalen Bereichs zu entwickeln ist. Bezüglich der Umsetzbarkeit des Konzeptes kann der erreichte Stand jedoch als positiv bewertet werden, da noch wei- T L Engineering GmbH, Schönaustr. 11, 65201 Wiesbaden [email protected] - www.tlengineering.de Tel.: 0611-4060616 - Fax: 0611-4060617 365 forschung Aufladung Die Konstruktion ❼ zeichnet sich durch einen sehr kompakt bauenden Abgaskrümmer aus, der direkt an die Turbine der Hochdruckstufe geflanscht ist. Im Gehäuse der Turbine ist der Bypass integriert, der bedarfsgerecht aktuiert wird und den direkten Weg auf die in diesem Fall oben liegende Niederdruckturbine freigibt. Wie im rechten Teilbild zu sehen, konnte die komplette Aufladeeinheit ohne tiefgreifende Eingriffe in den Fahrzeugvorbau eines Mittelklasse-Pkw (Ford Focus) integriert werden, und nimmt hierbei kaum mehr Platz ein als die ursprüngliche Krümmer-Turboladereinheit. Durch diesen vorläufigen Konstruktionsstand der Studie konnte die Machbarkeit gezeigt werden. Das volle Potenzial eines solchen Systems wird sich jedoch erst nach weiterer Optimierung, zum Beispiel im Bereich der Ladeluftführung und Aktuierung, erschließen lassen. ❻Einordnung Verbrennungslage ❼Prototyp Konstruktion tere Verbesserungen nach Detailoptimierung des Ladungswechsels sowie der Gemischbildung zu erwarten sind. 6 Package Im Rahmen der Konzeptstudie sollte auch die hardwareseitige Machbarkeit eines zweistufigen Aufladekonzepts geprüft werden. Daher war der Einsatz eines vorläufigen Konzeptstands in einem Fahrzeug ebenfalls Bestandteil der Arbeiten, und parallel zur rechnerischen Auslegung der Aufladegruppe wurde ein packagegerechter Hardwarestand erarbeitet. 7 Ergebnisse Transientverhalten Die stationäre Zielwertdarstellung ist bei Turbomotoren noch keine ausreichende Validierung eines Konzepts. Vielmehr ist die Fahrbarkeit abzuprüfen, wobei speziell bei zweistufigen Systemen das Zusammenspiel der beiden Turbolader und die prinzipielle Wirksamkeit der Ladedruckregelung zu untersuchen ist. In ❽ ist hierzu im linken Teilbild für einen Beschleunigungsvorgang im Fahrzeug der Verlauf der Laderdrehzahlen über der Zeit aufgetragen, und zwar sowohl Simulation als auch Messung im Fahrzeug. Die gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung zeigt, dass eine zuverlässige Konzeptbetrachtung und Hardwareauswahl möglich ist, wenn sich die Rechnung auf gut abgeglichene Grundmodelle und zuverlässige Daten stützt. Der kleinere Hochdrucklader beschleunigt unmittelbar nach Betätigen des Fahrpedals zum Zeitpunkt t=0 s, der Gradient der Drehzahl beträgt zu Beginn zirka 100.000/s. Die Niederdruckstufe dreht aufgrund der größeren Trägheit und der Leistungsentnahme in der vorgeschalteten Hochdruckturbine verzögert hoch. Bei Erreichen des Soll-Ladedruckes von etwa 2,6 bar absolut nach etwa 3 s erfolgt die Abregelung der Hochdruckturbine durch Öffnen der Ladedruckregelklappe, im folgenden Verlauf wird der Ladedruck eingeregelt, wie an den Drehzahlverläufen zu erkennen. Im rechten Teildiagramm sind die Ergebnisse von insgesamt drei Fahrversuchen, jeweils Beschleunigungen im dritten Gang, beginnend bei verschiedenen Start-Drehzahlen, den entsprechenden Werten einstufig aufgeladener Turbomotoren gegenübergestellt. Aufgetragen ist im oberen Bereich der erreichte Maximalwert des Ladedrucks (absolut) während der Beschleunigung sowie im unteren Bereich der Gradient ❽Transientverhalten und Vergleich mit einstufigen Systemen 366 des Ladedruckaufbaus. Zur Beurteilung des Druckaufbaus wurde der Zeitraum zwischen Erreichen der Saugvolllast zirka 0,2 s nach Start und dem Erreichen von 90 % maximalen Ladedruckes ausgewertet. Bereits in diesem voroptimierten Konzeptstand ist im Bereich unterhalb von 2000/min der Vorteil des zweistufigen Systems erkennbar, berücksichtigt man ferner das maximal erreichte Ladedruckniveau, so wird deutlich, dass die zu einstufigen Systemen vergleichbaren Ladedrücke deutlich schneller erreicht werden. 8 Zusammenfassung Die Darstellung hochaufgeladener Ottomotoren mit spezifischen Leistungen oberhalb 100 kW/l, welche mit dem Ziel der Verbrauchsreduktion über Downsizing als Ersatz für großvolumige Motoren, oder im Sinne einer modularen Erweiterung von Motorfamilien über das Aufladesystem auch bei kleineren Motoren, eingesetzt werden können, stellt sowohl die Ladungswechselauslegung als auch die Brennverfahrensentwicklung vor neue Herausforderungen. Es konnte in einer Machbarkeitsstudie gezeigt werden, dass diesen Herausforderungen durch konsequente Anwendung existierender Werkzeuge begegnet werden kann und sowohl die Darstellung und Regelung einer entsprechenden Aufladegruppe als auch eines Brennverfahrens mit einer guten Ausgangsbasis in Hinblick auf Klopffestigkeit und Vorentflammung möglich ist. Gleichzeitig zeigten die Konzeptuntersuchungen jedoch auch auf, welche Schwerpunkte in weiteren Arbeiten gesetzt werden müssen, um das Konzept weiter zu entwickeln. Neben konstruktiven Aspekten wie Optimierung der Ladeluftrohre und einer Verbesserung des transienten Verhaltens ist hierbei vor allen Dingen als nächster Schritt die Analyse und gegebenenfalls Optimierung des Kraftstoffverbrauchs- sowie Emissionsverhaltens zu nennen. Literaturhinweise [1] Habermann, K. et.al.: Maßnahmen zur Verbesserung des Anfahrdrehmoments bei aufgeladenen Ottomotoren, Aufladetechnische Konferenz, Dresden 2002 [2] Krebs, R., et al.: Neuer Ottomotor mit Direkteinspritzung und Doppelaufladung von Volkswagen. In: MTZ Jahrgang 66, 11/2005 [3] Schmidt, A., et al.: „Charge Motion Design Prozess“ – Neue Wege zur Auslegung der Ladungsbewegung und Integration in den Entwicklungsprozess, 8. Internationales Stuttgarter Symposium Automobil- und Motorentechnik / 11.-12.März 2008 Danke Ein abschließender Dank gebührt der Firma Borg Warner Turbo Systems, die die Konzeptstudie durch die Überlassung von Daten und Bauteilen hilfreich unterstützt hat. Download des beitrags www.MTZonline.de read the english e-magazine order your test issue now: [email protected] 05I2010 71. Jahrgang 367