Turbolader: Entwicklung, Anpassung und Erprobung
Entwicklung
Durch die verschiedenen Anforderungen an den Turbolader bezüglich Kennfeldhöhe,
Kennfeldbreite, Wirkungsgradverhalten, Trägheitsmoment des Läufers und
Einsatzbedingungen entstehen für die unterschiedlichen Motoranwendungen stets
neue Typen von Verdichtern und Turbinen. Auch können regional unterschiedliche
gesetzliche Bestimmungen, z.B. über die Schadstoffemissionen, zu unterschiedlichen
technischen Lösungen führen.
Den größten Einfluss auf das Betriebsverhalten von Turboladern haben
das Verdichter- und das Turbinenrad. Diese Räder werden mit Hilfe von Computerprogrammen
gestaltet, die die Strömung der Luft bzw. der Abgase dreidimensional berechnen.
Mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird simultan die Festigkeit des Rades optimiert
und die Lebensdauer anhand realistischer Fahrzyklen berechnet.
CAD-erzeugtes Modell eines Turboladers
Trotz der heute weit entwickelten Computertechnik und der detaillierten Rechenprogramme
entscheidet letztendlich der Versuch über die Güte der neuen Strömungskomponenten.
Die Feinabstimmung und schließlich die Kontrolle der Ergebnisse erfolgt daher
auf dem Turboladerprüfstand. Anschließend fließen die neuen Komponenten
in die Turboladerbaureihen ein.
Anpassung
Die wichtigsten Elemente des Turboladers sind Turbine und Verdichter. Beides sind
Strömungsmaschinen, die man mit Hilfe der Modellgesetze in unterschiedlichen
Größen mit ähnlichen Eigenschaften herstellen kann. Durch Vergrößern
und Verkleinern entsteht das Turboladerbauprogramm, das für unterschiedliche
Motorgrößen stets die optimale Turboladergröße zur Verfügung
stellen kann. Die Übertragbarkeit auf andere Baugrößen ist jedoch
begrenzt, da sich nicht alle Eigenschaften modellähnlich umsetzen lassen. Auch
ändern sich mit der Motorgröße die Anforderungen so stark, dass
nicht mehr die gleichen Rad- und Gehäusegeometrien verwendet werden können.
Die Modellähnlichkeit und das Baukastensystem ermöglichen es aber, dass
für nahezu jeden Motor ein individuell zugeschnittener Turbolader entwickelt
werden kann. Dies beginnt mit der Auswahl eines geeigneten Verdichters anhand des
gewünschten Ladedruckverlaufes. Dabei sollte im Idealfall die Volllastlinie
so verlaufen, dass der Verdichterwirkungsgrad im Hauptfahrbereich des Motors am
höchsten ist. Der Abstand zur Pumpgrenze sollte noch ausreichend groß
bemessen sein.
Die thermodynamische Anpassung des Turboladers erfolgt anhand von Massen- und Energiebilanzen.
Die vom Verdichter geförderte Luft und der dem Motor zugeführte Brennstoff
ergeben den Turbinenmassenstrom. Die Turbinenleistung und die Verdichterleistung
sind im stationären Betrieb gleich groß (Freilaufbedingung). Die Anpassungsrechnung
erfolgt iterativ mit Hilfe von Verdichter- und Turbinenkennfeldern sowie den wichtigsten
Motordaten.
Eine sehr genaue Anpassungsrechnung lässt sich durch die rechnerische Simulation
von Motor und Turbolader durch Computerprogramme erreichen. Solche Programme enthalten
Massen-, Energie- und Stoffbilanzen für alle Zylinder und die daran angeschlossenen
Leitungen. Der Turbolader geht in Form von Kennfeldern in die Berechnungen ein.
Darüber hinaus beinhalten solche Programme eine Reihe von empirischen Gleichungen
zur Beschreibung von Zusammenhängen, die analytisch nur sehr schwierig zu erfassen
sind. Besonders interessant ist die rechnerische Simulation für die Berechnung
von komplexen Aufladesystemen mit mehreren Turboladern und zusätzlichen Laderkomponenten.
Erprobung
The turbocharger has to operate as reliably and for as long as the engine. Before
a turbocharger is released for series production, it has to undergo a number of
tests. This test programme includes tests of individual turbocharger components,
tests on the turbocharger test stand and a test on the engine. Some tests from this
complex testing programme are described below in detail.
Containment-Test
Im Falle eines Verdichter- bzw. Turbinenradberstens dürfen die Reste des betreffenden
Rades das Verdichter- bzw. Turbinengehäuse nicht durchschlagen. Dazu wird der
Läufer auf so hohe Drehzahlen beschleunigt, bis das jeweilige Rad zerbirst.
Nach dem Bersten werden die Gehäuse hinsichtlich ihrer Containment-Sicherheit
beurteilt. Die Berstdrehzahl liegt ca. 50 % über der maximal zulässigen
Drehzahl.
Low-Cycle-Fatigue-Test (LCF-Tes)
Der LCF-Test ist eine Wechsellastprüfung des Verdichter- oder Turbinenrades,
die bis zur Zerstörung des Bauteiles führt. Er dient zur Feststellung
der Materialbelastungsgrenzen von Laufrädern. In einem Schleuderprüfstand
eingespannt, wird das Verdichter- bzw. das Turbinenrad durch einen Elektromotor
zyklisch bis zur vorgegebenen Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt und verzögert.
Aus den erzielten Ergebnissen, der Bauteil-Wöhlerkurve, lässt sich die
Lebensdauererwartung für jedes beliebige Lastkollektiv berechnen.
Rotordynamikmessung
Der Läufer wird durch die pulsierende Beaufschlagung der Turbine, durch die
eigene Restunwucht und durch die mechanischen Schwingungen des Motors in seiner
Drehbewegung beeinflusst und selbst zu Schwingungen angeregt. Dadurch können
innerhalb des Lagerspiels größere Auslenkungen auftreten, die –insbesondere
wenn zu niedrige Schmieröldrücke und zu hohe Öltemperaturen hinzukommen
– zu Instabilitäten führen. Im ungünstigsten Fall kommt es
zur Festkörperberührung und zum mechanischen Verschleiß.
Die Wellenbahn des Läufers wird durch berührungslos arbeitende Messwertaufnehmer
im Saugstutzen des Verdichters nach einem Wirbelstromverfahren gemessen und aufgezeichnet.
Die Auslenkung des Rotors darf unter allen Bedingungen und in allen Betriebspunkten
nicht mehr als 80 % des maximal möglichen Wertes betragen. Die Wellenbahn darf
keine Instabilitäten aufweisen.
Start-Stop-Test
Das Temperaturgefälle im Turbolader beträgt zwischen den Gasen der heißen
Turbinenseite und dem kalten Verdichtereintritt auf einer Strecke von nur wenigen
Zentimetern bis zu 1000 °C. Während des Motorbetriebes kühlt das durch
das Lager fließende Schmieröl das Lagergehäuse, sodass keine kritischen
Bauteiltemperaturen auftreten. Nach dem Abstellen des Motors, insbesondere aus hohen
Lastpunkten, kann es im Lagergehäuse zu Hitzestaus kommen, die zu einer Verkokung
des Schmieröls führen können. Daher ist es wichtig, die maximal auftretenden
Bauteiltemperaturen an den kritischen Stellen festzustellen, um die Lack- und Ölkohlebildung
an der turbinenseitigen Lagerstelle und am Kolbenring zu vermeiden.
Nach dem Abstellen des Motors aus einem Volllastbetriebspunkt wird das Aufheizen
des Turboladers gemessen. Nach einer festgelegten Anzahl von Zyklen werden die Bauteile
des Turboladers untersucht. Nur wenn die maximal zulässigen Bauteiltemperaturen
nicht überschritten wurden und sich keine nennenswerten Mengen von Ölkohle
im Lager befinden, gilt dieser Test als bestanden.
Dauererprobung im Zyklustest
Die Überprüfung sämtlicher Bauteile und die Ermittlung der Verschleißrate
erfolgt im Zyklustest.
Der Turbolader wird dazu am Motor über eine Laufzeit von mehreren hundert Stunden
in den verschiedensten Lastpunkten betrieben. Die Verschleißraten werden durch
detaillierte Vermessung der Einzelteile vor und nach dem Versuch ermittelt.