Analyse und Modellierung zweiflutiger Turbinen unter Berücksichtigung der Wastegateströmung

  • Analysis and modelling of double entry turbines under consideration of the wastegate flow

Stadermann, Max; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Wirsum, Manfred (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit untersucht die Interaktion des Turbinenbypasses (Wastegate) mit dem Turbinenrad sowie mit dem Verbrennungsmotor. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf einer erweiterten Modellbildung für die 1D-Motorprozessrechnung der zweiflutigen Turbine unter Berücksichtigung des Wastegateverhaltens bei Ungleichbeaufschlagung (ungleicher Eintrittsdruck in den beiden Fluten). Aufgrund der hohen Komplexität der zweiflutigen Turbine, wurde das Wastegate zunächst für eine einflutige Turbine untersucht. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Zur Quantifizierung des Durchflussverhaltens des Wastegates in Abhängigkeit des Wastegatewinkels und des anliegenden Druckverhältnisses werden zwei Methoden untersucht. Messungen mit versperrter Turbinenvolute, bei der nur das Wastegate durchströmt wird. Messungen mit vollständiger Turbinenstufe, bei der der Wastegatemassenstrom als Differenz zwischen dem Laufrad- und Gesamtmassenstrom berechnet wird. Bei geschlossenem Wastegate entspricht hierbei der Laufradmassenstrom dem Gesamtmassenstrom. Beide Methoden führen zu vergleichbaren Ergebnissen. • Der Durchfluss des Wastegates zeigt eine nicht vernachlässigbare Abhängigkeit vom Turbinendruckverhältnis ΠT,ts, welches beim untersuchten Versuchsträger einen Anstieg um bis zu ∆ A3,s = 25 % (ΠT,ts = 1,2–>ΠT,ts = 3) ausmacht. • Der Turbinenwirkungsgrad und Durchfluss des Laufrades kann in der Regel als unabhängig vom Öffnungswinkel des Wastegates angenommen werden.Die auf diesen Erkenntnissen aufbauenden Untersuchungen an der zweiflutigen Turbine führen zu den folgenden Ergebnissen: • Der isentrope Strömungsquerschnitt A31,s ändert sich für kleine (z. B. θWG = 6 ◦ ) Wastegatewinkel um bis zu 600% in Abhängigkeit der Drücke in beiden Fluten, d. h. dem Strangdruckverhältnis. • Aufgrund des asymmetrischen Ausströmens durch die beiden Wastegatekanäle kommt es zu einer Verschiebung des Strömungszustands vor dem Turbinenrad.• Durch die hier erarbeitete Modellierung nähern die modellierten Druckverläufe sich der Messung an und die Abweichungen in der Ladungswechselarbeit wird um 40 % reduziert. • Weiterhin ermöglicht sie die Vorhersage des Wastegatewinkels, um diese Information ebenfalls für die Bedatung von Motorsteuergeräten einzusetzen.

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