Untersuchungen zum Potential eines Verbrennungsmotors mit Druckwellenlader

Binder, Emanuel

Mithilfe der Abgasturboaufladung lässt sich der Kraftstoffverbrauch im Fahrzeugbetrieb durch das Anheben der spezifischen Motorleistung senken. Im Gegensatz zur mechanischen Aufladung verschlechtert sich jedoch mit der Abgasturbolaufladung das Ansprechverhalten. Eine Möglichkeit den Zielkonflikt von Kraftstoffverbrauch und Ansprechverhalten zu lösen ist es, den Abgasturbolader durch einen Druckwellenladers zu ersetzen. Dieser überträgt die Abgasenergie direkt auf die Frischluft in Form von Druckwellen. Der direkte Kontakt von Frischluft und Abgas im Zellenrad ermöglicht auf der einen Seite eine nahezu verzögerungsfreie Energieübertragung. Auf der anderen Seite kann dieser auch zu unerwünschter Abgasrezirkulation und zum Durchspülen von Frischluft in den Abgastrakt führen. Die Spalte an den Zellenradenden haben den größten Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems und müssen im Laufe der Entwicklung noch verringert werden. Durch eine andere Auslegung der Kantenwinkel in den Statorgehäusen ließe sich außerdem die Spreizung des Laders und damit die Motorvolllast erhöhen. Um das Potential am Motor zu untersuchen, wurde ein aktueller Serienmotor mit Abgasturbolader aufgebaut und als Basis vermessen. Danach wurde das Serien-Aufladesystem durch einen Druckwellenlader ersetzt und erneut ver-messen. Der Vorteil des Druckwellenladers offenbart sich bei hoher Motorleistung durch ei-nen geringeren Abgasgegendruck, wodurch sich die Nennleistung steigern lässt. Auf der anderen Seite konnte das Eckdrehmoment bei niedriger Drehzahl nicht erreicht werden, da der Gesamtwirkungsgrad und das Ausspülen von Restabgas aus dem Zellenrad nicht ausreichend war. Mithilfe eines Gesamtmodells aus Motor und Komponente konnte gezeigt werden, dass sich durch Verringern der Leckage infolge kleinerer axialer Spaltmaße das gleiche Eckdrehmoment wie in der Basis erreichen lässt. Weiterhin stellt die Spülung des Druckwellenladers ein Problem für die Abgasnachbehand-lung beim Ottomotor dar, da der dort eingesetzte Drei-Wege-Katalysator nur mit stöchiometrischem Abgas vollständig konvertieren kann. Daher wird der Katalysator zwischen Motoraus-lass und Druckwellenlader positioniert, wo er aber als eine Wärmekapazität das Ansprechverhalten behindert. Um dies zu kompensieren, wurde eine variable Flutenabschaltung mithilfe des Modells untersucht und deren Potential hinsichtlich des Ansprechverhaltens aufgezeigt.

Turbocharging enables reducing the vehicle fuel consumption by means of increased specific combustion engine power. But in contrast to mechanical boosting turbocharging has a worse response behavior. One possible solution to solve the conflict between fuel consumption and response is to replace the standard turbocharger by a pressure-wave supercharger (PWS). This boosting device directly transfers exhaust energy to the fresh air by means of pressure waves. On the one hand the direct contact between exhaust gas and fresh air enables the nearly instantaneous response, on the other hand unwanted exhaust gas recirculation and scavenging of fresh air to the exhaust may occur. The axial gaps at each end of the rotating cell-wheel have the largest impact on the overall efficiency of the boosting system and it is a major scope of development to further decrease those gaps. In addition, a different layout of the timing of the port edges of the stators can increase the spread of the boosting system allowing a higher engine load. In order to investigate the potential of such an engine, an actual series engine with turbo-charger was set up on the engine test bench to measure the base. Afterwards, the series boosting system was replaced by the PWS and the engine was measured again. The advantage of the PWS is especially at high engine power due to reduced back pressure allowing an increase of rated power. But the low-end-torque of the base could not be reached since the component’s overall efficiency and the scavenging of the remaining gases within the cell-wheel was not sufficient. A complete model consisting of engine and PWS was then set up and used to predict measures to improve the low-end-torque. Again, the axial gaps turned out to have the largest influence and could lead to the same engine torque of the base if reduced dramatically. Furthermore, the scavenging of the PWS creates a problem for the exhaust aftertreatment system which, in this case, is a simple three-way-catalyst that can only fully convert if fed with stoichiometric exhaust gas. Hence, the catalyst needs to be positioned between engine exhaust and PWS. But there the catalyst acts as a huge heat capacity hindering the response behavior. In order to compensate this effect, a variable scroll deactivation was investigation with the simulation model in order to show the transient response benefit.

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Binder, Emanuel: Untersuchungen zum Potential eines Verbrennungsmotors mit Druckwellenlader. 2015.

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