Gezielte Optimierung

FEV-Sonderprüfstände für Strömungsanalyse, Einspritzung und Turboaufladung

11. Juni 2015 | Software & Testing Solutions

Immer strengere Abgasrichtlinien und Auflagen im Bereich des Spritverbrauchs wirken sich nicht nur auf die verwendeten Antriebe aus, sondern auch auf die notwendigen Prüfverfahren. Diese werden zunehmend komplexer und müssen für gezielte Optimierungen an Verbrennungsmotoren speziell ausgelegt werden. Möglich machen dies diverse Sonderprüfstände, die bei FEV sowohl für den Entwicklungsprozess als auch für End-of-Line-Tests zur Anwendung kommen. „Die Sonderprüfstände sind das Ergebnis jahrelanger Forschung und umfangreicher Erfahrung sowohl in der Entwicklung von Antrieben als auch in der Entwicklung und Nutzung entsprechender Prüfwerkzeuge“, erläutert Dr.-Ing. Alexander Tolga Uhlmann, Department Manager Thermodynamic Simulation & TC Development bei FEV. „Jeder Prüfstand wird präzise an die Anforderungen des Kunden angepasst und als schlüsselfertiges Endprodukt geliefert.“

FEVs Reibleistungs-Prüfstand

Reibungsverluste an Turbolader-Lagern beeinflussen die Gesamtperformanz. Daher ist ein erweitertes Verständnis von Lagersystemen und deren Eigenschaften unumgänglich, um weitere Optimierungen voranzutreiben. Ein wichtiges Werkzeug in diesem Kontext ist der Reibleistungs-Prüfstand für Turbolader, den FEV für derartige Untersuchungen entwickelt hat. Für Messungen am Reibleistungs-Prüfstand werden die Turbine und das Verdichterrad vorab entfernt, um nur die rein mechanischen Verluste messen zu können. Damit unterscheidet sich das Prüfverfahren von der gängigen Praxis, bei der komplette Turbolader auf Heißgas-Prüfständen gemessen werden. „Die daraus resultierenden Turbinenwirkungsgrade reflektieren nicht die reinen aerodynamischen Werte, da sie mit adiabaten Effekten und mechanischen Verlusten überlagert werden“, erklärt Uhlmann die Nachteile dieser Testweise.

Der Testaufbau

Ein Elektromotor mit aktiven Magnetlagern wird an der Verdichterseite über einen Drehmomentsensor mit der Turbolader-Welle verbunden. Die Datenübertragung erfolgt telemetrisch. Die Geschwindigkeit und Wellenlaufbahn wird mittels optischer Sensoren überwacht. Als Besonderheit kann zudem die Axialkraft auf die Welle mit einem Linearmotor kontrolliert und variiert werden, ebenso wie die Öltemperatur und optional das Kühlwasser.

Praktische Messergebnisse

In der exemplarischen Messung zeigt der Turbolader für einen Pkw eine quadratische Abhängigkeit der Reibleistungsverluste von der Geschwindigkeit bei konstanter Öltemperatur. Daneben wird die Abhängigkeit der Verluste von der Öltemperatur für drei diskrete Geschwindigkeiten graphisch dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen auch die hohen Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik: Vermessung bei hohen Geschwindigkeiten (> 120.000 U/min) und sehr niedrigen Reibleistungen (< 300 W). Bei niedrigeren Drehzahlen müssen für Pkw-Anwendungen reproduzierbar Reibmomente unterhalb von 0,005 Nm erfasst werden.

 

Technische Daten des Reibleistungs-Prüfstandes

  • Maximale Geschwindigkeiten (Turbolader):
    ▷ Pkw 140.000 U/min
    ▷ Kommerzieller Einsatz 80.000 U/min
  • Maximale Verlustleitung der Lagerung:
    ▷ Pkw ~ 1,2 kW
    ▷ Kommerzieller Einsatz ~ 2,5 kW
  • Öltemperaturbereich: 40 – 110°C
  • Kühlwassertemperaturbereich: 40 – 100°C
  • Axialkraftwirkungsbereich: -100 N bis +100 N

>>Ein erweitertes Verständnis der Lagersysteme und ihrer Eigenschaften ist unumgänglich

 

Grafik - Prüfstand

Links: Beispielhafte Messung der Geschwindigkeits- und Öltemperaturabhängigkeit bei drei konstanten Geschwindigkeiten. Rechts: Aufbauschema des Reibleistungs-Prüfstands

Einspritz-Prüfstände Werden bei Diesel- und Benzinmotoren zum Verifizieren von Leckageverlusten und für shot2shot-Variationen genutzt

Einspritz-Prüfstände
Werden bei Diesel- und Benzinmotoren zum Verifizieren von Leckageverlusten und für shot2shot-Variationen genutzt

 

Optik-Prüfstände Geben mittels 3D-Bildgebungsverfahren (Particle Image Velocimetry – PIV) einen umfassenden Einblick in Strömungsfelder und Strömungsstabilität im Zylinder sowie in verschiedene Drall-/Tumble-bezogene Phänomene

Optik-Prüfstände
Geben mittels 3D-Bildgebungsverfahren (Particle Image Velocimetry – PIV) einen umfassenden Einblick in Strömungsfelder und Strömungsstabilität im Zylinder sowie in verschiedene Drall-/Tumble-bezogene Phänomene

 

Strömungs-Prüfstände Werden zur Analyse von Durchflussverhalten der Kanäle und globalen Drall-/Tumble-Zahlen bei Personenkraftwagen bis hin zum kommerziellen/industriellen Einsatz eingesetzt

Strömungs-Prüfstände
Werden zur Analyse von Durchflussverhalten der Kanäle und globalen Drall-/Tumble-Zahlen bei Personenkraftwagen bis hin zum kommerziellen/industriellen Einsatz eingesetzt

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