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Kurzfassung Projekt-Abschlussbericht: „Systemspezifische Turbolader-Schmierfilmdissipation“

(AiF-Nr. 16230, Bewilligungszeitraum: 01.10.2009 – 31.10.2013)

In Abgasturboladern, die zur Steigerung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, kommen zumeist Radial- und Axialgleitlager mit gekoppelten Schmierfilmen und kleiner Baugröße zum Einsatz. Die messtechnische Erfassung von Lagerkennwerten wie Reibungsverluste, Schmierstofftemperaturen und –viskositäten, Öldurchsätzen oder minimalen Schmierspaltweiten im Betrieb ist hier größtenteils nicht möglich oder nur unter erheblichem technischem Aufwand realisierbar. Ziel des Vorhabens war die möglichst exakte Ermittlung der systemspezifischen Eigenschaften der Lagerungen von Abgasturboladern und ihre Rückwirkung auf den motorischen Gesamtprozess auf Basis experimentell unterstützter, numerischer Methoden. Hierbei sollte insbesondere der Einfluss der Schmierfilmdissipation in den radialen und axialen Lagerstellen untersucht werden. Zur theoretischen Analyse der Kennwerte des ATL-Gleitlagersystems war die Entwicklung neuartiger numerischer Berechnungsprogramme vorgesehen. Die Bearbeitung des Vorhabens erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) der Leibniz Universität Hannover.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Berechnungsmodelle für die radialen und axialen Gleitlagerstellen in modernen Abgasturboladern entwickelt. Mit Hilfe dieser Lagermodelle ist die Bestimmung der für die Reibleistung wesentlichen Kennwerte des Lagersystems möglich. Der Einfluss der hydraulischen, energetischen und mechanischen Kopplung der Einzelschmierfilme kann unter Berücksichtigung wichtiger Schmierfilmeffekte wie z.B. Turbulenz und Kavitation untersucht werden. Die Geometrie- und Betriebsbedingungen der zu untersuchenden Lagerung können dabei präzise modelliert werden. Zur Ermittlung der thermophysikalischen Randbedingungen des Lagermodells sowie zu dessen Verifikation wurden zwei Versuchsturbolader (PKW und NFZ) instrumentiert, die über unterschiedliche varianten der Radiallagerung (Starrbuchse, Schwimmbuchse) verfügen. Die Vermessung und Bestimmung der Randbedingungen erfolgte auf dem institutseigenen Turboladerprüfstand des TFD. Der messtechnisch an Turboladern der vorliegenden Baugröße nur unter hohem Aufwand bestimmbare Axialschub wurde im Rahmen des Vorhabens durch eine hochaufgelöste, dreidimensionale CFD-Simulation für diskrete Punkte im Kennfeld des ATLs bestimmt. Der berechnete, betriebspunktabhängige Axialschub wurde bei der numerischen Ermittlung der Axiallagerkennwerte als Modellrandbedingung verwendet.

Unter Einbeziehung der gemessenen thermophysikalischen Randbedingungen vom Heißgasprüfstand konnten beim Vergleich der gemessenen und berechneten Lagerbuchsendrehzahlen gute Übereinstimmungen für die untersuchten Ölkonditionierungsvarianten erzielt werden. Mit Hilfe des numerischen Axiallagermodells ließen sich gemessene Lagerpad-Temperaturen in guter Näherung reproduzieren.

Im Rahmen der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass hinsichtlich der Randbedingungen für die numerischen Lagermodelle weiterer Forschungsbedarf besteht. So ist beim doppeltwirkenden Axialgleitlager die Aufteilung des zugeführten Ölvolumenstroms auf die beiden Einzellagerspalte weitgehend unbekannt und sollte im Rahmen weiterführender kombinierter experimenteller und numerischer Untersuchungen detaillierter betrachtet werden. Im Bereich der Radiallagerung ließ sich die Wellentemperatur als wichtige Einflussgröße auf die Lagerkennwerte identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Vernachlässigung des über die Welle in die Lagerung eintretenden Wärmestroms zu einer deutlichen Fehleinschätzung der Radiallagerkennwerte besonders im niedrigen Drehzahlbereich führt. Da eine Messung der Wellentemperatur bei Turboladern kleiner Bauart nicht bzw. nur unter unverhältnismäßig hohem technischem Aufwand möglich ist, sollte das Ziel eines weiterführenden Forschungsvorhabens die Entwicklung eines Verfahrens zur numerischen Vorausberechnung dieser Kenngröße sein. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden dazu bereits Voruntersuchungen durchgeführt, in dem die Bestimmung der Wellentemperatur mit einer numerischen, bidirektionalen Fluid-Struktur-Interaktion betrachtet wurde.

Nach Abschluss des Forschungsvorhabens steht den Industriemitgliedern ein praxisgerechtes, einfach zu handhabendes Berechnungsprogramm zur Ermittlung der relevanten Lagerkennwerte von ATL-Radialgleitlagerungen mit Starr- oder Schwimmbuchse (FLOBUCOM) zur Verfügung. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelten theoretischen Grundlagen, Modelle und Algorithmen zur Simulation doppeltwirkender ATL-Axialgleitlagerungen wurden während der Projektlaufzeit bereits begleitend in das Berechnungsprogramm für Axialgleitlagerungen (COMBROS-A) integriert und können von den Industriemitgliedern genutzt werden.

Die kombinierten numerischen und experimentellen Untersuchungen an Abgasturboladern kleiner Baugröße und besonders dem Lagersystem haben zu einem erheblichen Erkenntnisgewinn im Bereich diabates Verhalten des ATL sowie dessen Einfluss auf die Betriebskennwerte des Gleitlagersystems geführt. Während Teilergebnisse des Vorhabens in Form von Berechnungsprogrammen direkt von der Industrie genutzt werden können, sollen die im Rahmen des Vorhabens neu entstandenen Fragestellungen in einem Folgevorhaben bearbeitet werden.

Beteiligte Forschungsstellen:

 

Weiterführende Informationen erhalten Sie bei:

Frau S. Jost-Köstering
(Projektbetreuung Turbomaschinen der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.)

Tel. (+49 69) 66 03-15 31

Email: sjk@fvv-net.de

 

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