Erweiterung der kennfeldbasierten Verdichtermodellierung für sequentielle Aufladesysteme

  • Enhancement of the state-of-the-art map-based compressor modelling for sequential boosting systems

Schloßhauer, Adrian; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Wirsum, Manfred (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung der kennfeldbasierten Verdichtermodellierung beispielsweise für die Auslegung von sequentiellen Aufladesystemen mit Hilfe der 1D-Motorprozessrechnung. Der Forschungsbedarf wird anhand eines gemischt-sequentiellen Aufladekonzeptes aufgezeigt. Aufgrund der seriellen Verschaltung der Verdichter treten niedrige Druckverhältnisse in beiden Verdichtern bei stationärem Volllastbetrieb auf. Die konventionellen Methoden für die stationäre Untersuchung des Verdichters am Brennkammerprüfstand decken den Betriebsbereich bei niedrigen Verdichterdruck-verhältnissen nicht ab. Mit neuen Messmethoden wird der untersuchte Betriebsbereich bis zur Nulldrehzahl und zu Druckverhältnissen kleiner Eins (ΠV < 1) erweitert. Die Auswertung der Betriebsbereiche mit Leistungsaufnahme und -abgabe, d.h. Turbinenbetrieb, schafft ein grundlegendes Verständnis der Vorgänge im Verdichter. Die Erkenntnisse der erweiterten Messungen zeigen, dass der übliche, kennfeld-basierte Verdichtermodellierungsansatz auf Basis isentroper Wirkungsgrade im Bereich ΠV < 1 nicht aus reicht, um das Systemverhalten zu beschreiben. Ein erweiterter Modellierungsansatz, sowie ein neues Verdichtermodell basierend auf dem neu eingeführten korrigierten Verdichterdrehmoment ermöglichen eine prädiktive 1D-Motorprozessrechnung. Die erweiterten Messungen stehen nicht immer zur Verfügung. Für die Extrapolation des Verdichterkennfeldes zu niedrigen Druckverhältnissen werden verschiedene Ansätze aus der Literatur untersucht. Diese zeigen jedoch Schwächen bei der Vorhersage der Sperrmassenströme. Eine detaillierte Analyse von 3D-CFD Simulationen des Verdichters ermöglicht die Lokalisierung der Sperrquerschnitte in motorrelevanten Betriebsbereichen. Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten tritt Sperren am Laufradeintritt auf, während es bei mittleren Umfangsgeschwindigkeiten im Laufradaustritt sperrt. Bei den niedrigsten Umfangsgeschwindigkeiten sperrt es in der Zusammenführung der Verdichtervolute. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein 0D/1D-Modellierungsansatz für die Extrapolation des Verdichterkennfeldes vorgestellt. Das Modell ermöglicht die Berechnung der Strömungszustände entlang des Stromfadens im Verdichter basierend auf wenigen Geometriegrößen und empirischen Verlustmodellen. Die Funktionsparameter der Verlustkorrelationen werden angepasst, sodass das Modell mit den Messdaten im konventionell gemessenen Betriebsbereich übereinstimmt. Das Modell zeigt eine gute Vorhersagegenauigkeit der Sperrmassenströme im Vergleich zu den erweiterten Messdaten. Zuletzt wird die erweiterte Verdichtermodellierung mit Messungen am Motorprüfstand validiert. Der neue Modellierungsansatz zeigt im Vergleich zum Stand der Technik deutliche Vorteile in der Vorhersage der Druckverluste im Bereich niedriger Verdichterdruckverhältnisse.

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