Axial Turbine Turbocharger for Lean Burn Concepts

Das Projekt „Axialturbinen-Abgasturbolader (ATL) für Magerkonzepte“ baut auf dem Vorgängerprojekt „ATL für Magerkonzepte“ [1] auf, in dem ein einstufiger Turbolader für einen Ottomotor entwickelt wurde, der im Bereich des Worldwide Harmonized Light-duty Vehicles Test Cycle (WLTC) bei einem Luftverhältnis von λ = 2 betrieben wird. Basierend auf dem numerisch untersuchten Design der Deckband-Axialturbine aus dem Vorgängerprojekt befasste sich die vorliegende Arbeit mit der Fertigung und Erprobung der Turbine bzw. des ATL sowohl auf dem Heißgasprüfstand (kurz, engl.: HGTB) als auch auf dem Motorprüfstand (kurz, engl.: ETB).

Die Versuchsreihen lieferten wertvolle Daten zur Validierung der numerischen Modelle in Bezug auf die Turbinenmassenströme und Wirkungsgrade sowie hinsichtlich der Motorbetriebswerte. Diese validierten Modelle wurden anschließend genutzt, um das Leistungspotenzial der Turbine unter Ausschluss der aufgetretenen projektspezifischen Fertigungsbeschränkungen und unter Absenkung der Reibungsverlust auf das Niveau konventioneller ATLs zu bewerten.

Das verbesserte Design zeigte eine Reduzierung des Trägheitsmoments um 29 % (Turbine) bzw. um 22% (gesamt), eine Steigerung des maximalen Turbinengesamtwirkungsgrads um 3,9%-Pkt. sowie eine günstigere Wirkungsgradverteilung über den gesamten Betriebsbereich im Vergleich zur Serienturbine. In Kombination mit einer performanteren Verdichtereinheit erreichte das System in den Simulationen die erforderlichen Turboladerwirkungsgrade für den Betrieb mit λ = 2 im Drehzahlbereich von 2 000 min⁻¹ bis 4 500 min⁻¹. Damit werden die im Vorgängerprojekt erzielten Ergebnisse übertroffen und es kann nachgewiesen werden, dass sich der WLTC-Bereich im stationären Betrieb mit λ = 2 unter Verwendung eines einstufigen ATLs vollständig abdecken lässt.

Aufgrund projektspezifischer Fertigungseinschränkungen wies der getestete Prototyp allerdings deutlich geringere Wirkungsgrade als vorhergesagt auf. Darüber hinaus verursachten die sich nicht kompensierenden Axialschubkräfte von Verdichter und Turbine einen erheblichen Anstieg der Reibungsverluste, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Turbine weiter sank und infolgedessen die Leistungsanforderungen für den Betrieb bei λ = 2 innerhalb des angestrebten Betriebsbereichs nicht erfüllt werden konnten.