Ladungswechsel bei Turbomotoren
Die Auslegung des Ladungswechsels dient bei Saugmotoranwendungen in erster Linie dem Erreichen hoher spezifischer Leistungen. Bei Motoren mit Turboaufladung kann sie dagegen auch zur Senkung der CO2-Emissionen beitragen, da hohe Drehmomente bei niedrigen Motordrehzahlen möglich werden. Durch die Betriebspunktverlagerung zu höheren spezifischen Lasten sind lange Achsauslegungen umsetzbar.
Eine geschickte Auslegung des Ladungswechsels bei Turbomotoren trägt nicht nur wesentlich zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei, sondern verbessert gleichzeitig Leistung Ansprechverhalten. Auf die geforderten hohen Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen hat die grundsätzliche Auslegung der Aufladeaggregate entscheidenden Einfluss.
Beim Verdichter liegt dabei besonderes Augenmerk auf einem sehr guten Wirkungsgrad in einem breiten Kennfeldbereich. Ähnliches gilt für die Turbinenauslegung: Neben der optimalen Anströmung der Turbine, bestimmt durch den Krümmer und dessen Bauform, liegt auch hier der Hauptfokus auf einer Steigerung des Wirkungsgrads.
Am Beispiel von BMW-Motoren beschreiben wir in MTZ 11-2010 die Auslegung der Aufladeaggregate sowie unterschiedlicher Maßnahmen und Methoden bei der Auslegung des Ladungswechsels und deren Auswirkungen. Hierzu gehören beispielsweise Fragen der Ladeluftkühlung und der Ansaugluftführung. Zudem werden der Einsatz und die Effekte in Serienanwendungen betrachtet.
Auch das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) der Universität Stuttgart sieht in der Aufladung mit Abgasturbolader einen vielversprechenden Ansatz zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren. In Kombination mit der Direkteinspritzung sowie der Verwendung von Vorrichtungen zur Manipulation der Phasenlage von Ein- und Auslasssteuerzeiten werden zusätzliche Verbesserungen möglich.
Aufgrund der vielen Freiheitsgrade dieses Betriebsmodus ist eine Verwendung von Simulationsrechnungen zur Auslegung des Ladungswechsels vorteilhaft, um sowohl den Zeit- als auch den Kostenbedarf während der Entwicklung zu reduzieren. Am IVK wurden hierzu mithilfe eines umfassenden Entwicklungswerkzeugkastens die Effekte der Luftspülung bei einem Turbo-Ottomotor in der Volllast untersucht. Quasidimensionale Simulationsmodelle in Kombination mit 1-D-Strömungssimulation eröffnen die Möglichkeit, komplexe Verbrennungsprozesse abzubilden und Motorkonzepte vergleichbar zu machen.
In Kombination mit einem Fahrzeugmodell können die Wechselwirkungen zwischen Gasdynamik, Verbrennung und Fahrzeugreaktion abgebildet und somit Vorhersagen über Beschleunigungsvermögen, Verbrauch und Fahrbarkeit getroffen werden.
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