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Charakterisierung des Verdichterpumpens eines kleinen Abgasturboladers
Werner, Moritz
In der vorliegenden Arbeit werden die Verdichterinstabilitäten eines Abgasturboladers untersucht, welcher zur Aufladung eines kleinen Ottomotors entwickelt wurde. Diese Instabilitäten, insbesondere das Verdichterpumpen, sind am Fahrzeugmotor auszuschließen, um einen sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten und Schäden zu vermeiden. So ist die Kenntnis der Lage der Pumpgrenze von besonderer Bedeutung, gleichzeitig ist diese jedoch stark abhängig von der Prüf- bzw. Betriebsumgebung des Verdichters.
Zunächst werden analog einer klassischen Kennfeldvermessung am Heißgasprüfstand eine Referenzpumpgrenze aufgenommen und zusätzlich Volumenvariationen nach Verdichter durchgeführt. Darüber hinaus lassen sich Pumpfrequenzen und die transienten Verläufe der Betriebspunkte während des Verdichterpumpens aufzeichnen. Um hierfür den Massenstrom auch während der transienten, zyklischen Vorgänge bestimmen zu können, werden zwei Methoden getestet: Ein für die Messaufgabe entwickeltes bidirektionales Venturirohr sowie Stereo Particle Image Velocimetry. Gemittelte Pumpzyklen sind drehzahlabhängig für beide verdichterdruckseitig eingesetzten V2-Volumina gegenübergestellt. Außerdem wird das Auftreten von Rotating Stall untersucht.
Um den Verdichter in einer motorähnlichen Umgebung testen und gleichzeitig die Freiheitsgrade des Heißgasprüfstands nutzen zu können, wird ein Zylinderkopf mit laufendem Ventiltrieb nach dem Verdichter in den Aufbau integriert. Hierdurch ist die Abnahme der verdichteten Luft nicht mehr kontinuierlich, sondern intermittierend und dem System sind Pulsationen aufgeprägt. In Abhängigkeit von der Ventilfrequenz können Pumpgrenzen und gemittelte Pumpzyklen aufgenommen und diese mit den Daten der klassischen Heißgasmessung bei kontinuierlicher Luftabnahme verglichen werden.
Im Anschluss wird das Verdichterpumpen zur Analyse direkt am Motorprüfstand herbeigeführt. Zwei Methoden kommen hierfür zum Einsatz, eine Drucklufteinleitung nach Verdichter sowie ein negativer Lastsprung des Motors. So werden unabhängig voneinander zwei Pumpgrenzen und darüber hinaus auch Pumpcharakteristika ermittelt. Sie werden den Ergebnissen der Messungen mit intermittierender Luftabnahme gegenübergestellt.
In this thesis, compressor instabilities of a turbocharger developed for charging a small gasoline engine are being investigated. These instabilities, compressor deep surge in particular, have to be prevented during on-engine performance to ensure safe and stable operation and to avoid damage. The knowledge of the location of the surge margin therefore is of major importance, however, its position strongly depends on the test or operating environment of the compressor.
Equivalent to a standard measurement of the compressor characteristics on a hot gas test bench, a reference surge margin is recorded at first. Variations of the volume downstream of the compressor are carried out. In addition, surge frequencies and the transient paths of the compressor operating point during compressor surge can be recorded. In order to measure the mass flow over the course of these transient, cyclic processes, two methods are tested: A bidirectional venturi tube developed for this measuring task as well as Stereo Particle Image Velocimetry. Depending on compressor speed, averaged surge cycles are compared for the two different V2-Volumes installed downstream of the compressor. Furthermore, the occurrence of rotating stall is investigated.
To test the compressor in an engine-like environment and to benefit from the degrees of freedom of the hot gas test bench at the same time, a cylinder head with a driven valve train is integrated into the system downstream of the compressor. Thus the flow of the compressed air is not continuous but intermittent and pulsations are present in the system. Depending on the frequency of the valves, surge margins and averaged surge cycles can be recorded and compared to the data of the standard hot gas measurement with continuous air flow.
Finally, deep surge is initiated directly at an engine test bench. For the initiation two methods were considered, an injection of compressed air downstream from the compressor and a load step decreasing the torque of the engine. Two surge margins are recorded independently and characteristics of deep surge are identified. The results are compared to the data of the measurements with intermittent air flow.
