Ingenieursdienstleistungen

Turboaufladung

Die FEV bietet OEMs, Lieferanten und Turbolader-Herstellern im Bereich der Aufladung von Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen ein breites Spektrum an Ingenieurdienstleistungen an. Durch langjährige Expertise in den Bereichen Methodenentwicklung, Simulation und Versuch können hochkomplexe Fragestellungen vollumfänglich und in kürzester Zeit beantwortet werden. Neben der Vermessung und Bewertung von Abgasturboladern steht bei der FEV die Optimierung der Wechselwirkung zwischen Verbrennungsmotor/Brennstoffzelle und ihrem entsprechenden Aufladesystem im Vordergrund.

Zusammenfassend bietet die FEV die folgenden Dienstleistungen im Bereich der Aufladung an:

Design & Entwicklung von Aufladesystemen für mobile Anwendungen
Versuchsmöglichkeiten von Abgasturboladern und elektrisch angetriebenen Aufladesystemen
1D & 3D Simulations-Methoden zur Optimierung und Analyse der Aerodynamik und Lagerung
Akustik von Turboladern (Test und Simulation)
Design & Produktion von Prüfständen für Abgasturbolader, elektrisch angetriebenen Aufladesystemen und deren Subkomponenten
Support bei der Entwicklung von Testabläufen und Prüfstands-Routinen
Erfahrung in der Lösung von Problemen am Aufladesystem (Prototyp und Serienanwendungen)
Beratung im Bereich der Turboaufladung (Matching, Aufladekonzepte, Kosten, …)
Software Tools und Entwicklung Kundenspezifischer Routinen

Unser Spektrum

Testmöglichkeiten

In den letzten Jahren hat die FEV ihre Kapazitäten im Versuch von Aufladesystemen permanent ausgebaut. Tests des gesamten Systems sowie einzelner Komponenten sind in den folgenden Einrichtungen möglich:

Heißgas-Prüfstande für Turbolader
(Dauerlauf, Funktionstests, Thermodynamik, Stationäre Kennfeldmessung, erweiterte Turbinenkennfeldmessung mit RAM und CCL, Messungen mit Fahrzeugpackage, Komponententests, Untersuchungen von Variabilitäten, Thermoschock, Low-Cycle-Fatigue von Turbine und Verdichter, Akustik, pulsierende Beaufschlagung mit FEV PulseGen, Quantifizierung der Wellenbahn, PIV Messungen, Lageruntersuchungen mit Ölverschäumung …)
Lagerreibungs-Prüfstand für Turbolader
(Lagerreibung in Abhängigkeit von Geschwindigkeit, Axialschub Messungen auf dem Heißgasprüfstand, Quantifizierung der Wellenbahn, BlowBy Messung, Quantifizierung der Lagerbuchsendrehzahl, …)
Trägheits-Prüfstand für Turbolader
Motorprüfstand
(Wirkungsgradermittlung in Kombination mit dem Motor, Akustikmessung und Dauerläufe)
Sonderaufbauten für weitere Komponenten des Luftpfades nach Bedarf
(elektrischer Verdichter, Aufladesysteme für Brennstoffzellen (skalierbare Netzteilleistung und elektrische Messtechnik), elektrisch unterstütze Turbolader (el. Rekuperation und el. Aufladen möglich), Druckprüfungen als Dauerläufe für strömungsführende Bauteile (bspw. Saugrohre), Vermessungen von Abgasanlagen, Katalysatoralterung von Gasmotoren, Prüfen von Brennern zum Katalysatoraufheizen EU7, Messungen von Abgasklappen und Regelorganen,…)

Auf den beiden Brennkammerprüfständen können die Kennfelder sämtlicher Aufladesysteme aus dem PKW und NFZ Bereich separat und inklusive Fahrzeugpackage bis zu einem maximalen Abgasmassenstrom von 1 kg/s vermessen werden. Eine Kennfelderweiterung der Turbine wird durch einen Betrieb mit geschlossenen Verdichterkreislauf „Closed-Loop“ ermöglicht.

Bei der Untersuchung mehrflutiger Turbolader ist es des Weiteren möglich, die einzelnen Fluten separat zu vermessen und auch Teilbeaufschlagungszustände (inkl. Übersprechverhalten) abzubilden. Gezielte Untersuchungen mit Wastegate oder Turbinen mit variable Geometrie (VTG) und zu einzelnen Komponenten können zusätzlich in Dauerläufen durchgeführt werden. Auch Forschungsuntersuchungen mit optischen und akustischen Messverfahren sind Teil des Versuchsportfolios. Fordern Sie uns gern mit ihren Sonderanfrage heraus.

Benchmarking-Prozess

Die FEV hat einen einmaligen Benchmarking-Prozess für den gesamten Antriebsstrang entwickelt. Auf Basis dessen konnte die größte Datenbank für automobile Turbolader generiert werden. Sie umfasst Daten von 18 verschiedenen Turbolader-Herstellern aus der Produktion, nach Markteinführung sowie Daten zu Prototypen (Status 02/2021). Insgesamt wurden über 350 Turbolader bei gleichen Randbedingungen und demselben Test-Setup vermessen wodurch eine direkte Vergleichbarkeit der Messungen gewährleistet ist.

FEV ist ein bewährter Dienstleister zur Durchführung von Benchmarking-Programmen namhafter Turbolader-Hersteller und OEM. Vielfältige Design- und Performance-Aspekte können durch programmierte Routinen innerhalb der FEV Turbolader-Benchmark-Datenbank evaluiert werden. Der Kunde kann im Vorfeld ein Auswertungspaket aus über 70 Möglichen Vergleichen konfigurieren. Zusätzlich geben die Experten von FEV ein Bewertungsfeedback zu dem untersuchten Turbolader, um den Entwicklungsprozess zu unterstützen und das Produkt zu optimieren.

Beispielhaft stehen die folgenden Analysen zur Verfügung. Die folgenden Beispiele zeigen einen Auszug des Benchmarking Programms.

Turbinen-Wirkungsgrad und Durchflussrate vs. Laufradgröße

Verdichter-Druckverhältnis vs. Massenstrom und Max. Verdichter-Wirkungsgrad vs. Kennfeld-Breite

Motor und Turbolader Interaktion

Turboloader Methoden und Tools

FEV bietet ein umfangreiches Portfolio an Software-Tools an, um eine realitätsnahe Modellierung von Turboladern zu ermöglichen und den kommerziellen Motorauslegungsprozess z.B. mittels GT-POWER™ zu unterstützen. Berücksichtigt werden aerodynamische Phänomene, Lagerreibung sowie Wärmeübergangsaspekte. Durch die optimale Kombination aus Inhouse Software Entwicklung und Validierung an Prüfständen erfüllen die FEV Modelle für Ladungswechselprogramme die hohen Ansprüche heutiger Entwicklungstrends.

Mit Hilfe unseres Inhouse-Tools TCConcepts lassen sich Konzeptstudien zum Aufladesystem bereits zu Beginn einer Motorenentwicklung durchführen. Dabei lassen sich alle gängigen Konzepte inkl. Mehrstufigkeit, Variabilitäten oder auch elektrische oder mechanische Aufladung abbilden. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei, dass die für den Turbinenbetrieb essentielle Abgaspulsation nicht nur über Korrekturfaktoren abgebildet, sondern vollständig gerechnet wird.

Unser kommerzielles Softwarepaket TCTOOLS dient im Vorfeld an die Ladungswechsel-Simulation zur Aufbereitung von Mess- und Simulationsdaten. In einem automatisierten Prozess können aerodynamische Effekte und Wärmetransport bei der Wirkungsgradberechnung separiert werden. Auch eine Skalierung von Turbine- und Verdichter (Gehäuse und Laufrad) ist möglich, um gezielte Parameterstudien durchzuführen. Abgerundet wird das Anwendungsportfolio durch ein physikalisch basiertes Extrapolationstool, welches existierende Kennfelder so erweitert, dass der gesamte Betriebsbereich in Ladungswechselprogrammen vollumfänglich simuliert werden kann.

Turboloader Simulationen

3D CFD

Neben den zahlreichen Möglichkeiten im Bereich des Testings hat die FEV ebenfalls die Kompetenzen bei numerischen Untersuchungen von Turboladern vorangetrieben. Der Prozess beginnend mit der Übergabe von CAD Daten ist weitestgehend automatisiert, wobei selbst bei Veränderungen in der Geometrie durch z.B. Verstellen der Wastegate-Position am Turbolader auf eine komplizierte und zeitaufwändige Neuvernetzung verzichtet werden kann. Neben stationären Untersuchungen mit dem Frozen-Rotor-Ansatz befinden sich auch volltransiente CFD Untersuchungen im Portfolio der FEV. Sowohl die Simulation unter verschiedenen Randbedingungen als auch das Postprocessing der Ergebnisse ist dabei Teil eines automatisierten Prozesses.

Neben adiabaten Kennfeldsimulationen hat die FEV viel Erfahrung bei der Simulation von vollständigen Turboladermodellen inklusive Wärmeübergänge zwischen Fluid- und Festkörperstruktur (Conjugate Heat Transfer). Unabhängig von komplexer Messtechnik am Prüfstand können innerhalb der 3D-CFD-Modelle Auswerteebenen an beliebiger Stelle platziert werden um die aerodynamische Performance vollumfänglich bewerten zu können. Als am Turbolader anschließende Motorkomponenten werden numerische Untersuchungen auch im Bereich der Katalysatoranströmung und Abgaskrümmer angeboten. Die Simulationsergebnisse fließen als Randbedingung oder als Abgleich in die Optimierung von Einzelkomponenten ein oder dienen als Abschätzung des Betriebsverhaltens bei der Vorauswahl von Turboladern.

Lagerung und Multi Body Simulation

Die radiale Lagerung des Rotors von Abgasturboladern (ATL) ist üblicherweise als hydrodynamische Schwimmbuchsenlagerung, vereinzelt als Wälzlagerung, ausgeführt. Die axiale Führung übernimmt hierbei meist ein doppelseitiges, hydrodynamisches Axialsegmentlager. Die gesamte Rotordynamik des ATL sowie das Lagerverhalten werden mittels elastischer Mehrkörpersimulation (MKS) und gekoppelten thermo-elasto-hydrodynamischen (TEHD) Berechnungen mit Hilfe der kommerziellen MKS-Software FEV Virtual Engine © analysiert.

Nicht nur synchrone und subsynchrone Schwingungen, sondern auch die hydrodynamischen Schmierfilmdrücke und Lagerreibungen, können so in der frühen ATL-Entwicklungsphase bestimmt und der ATL frühzeitig optimiert werden.

Typische Berechnungsergebnisse sind hierbei

Lagerreaktionskräfte und –momente
Kontakt- und Schmierfilmdrücke, minimale Schmierfilmdicken und Reibungsverluste
Verlagerungsbahnen und Exzentrizitäten der Lagerung
Bewegungen und Anregungen des Rotors (Campbell Diagramme und Wasserfall Plots zur Stabilitäts- und NVH-Analyse)

Neben der Rotordynamik und Lagerung kann der Fokus auch auf die Dynamik von weiteren schwingungsfähigen Komponenten des ATL, wie dem turbinenseitigen Bypass- / Wastegate-Hebelsystem, gelegt werden. Hierzu werden zuvor ermittelte Anregungskräfte auf das Gesamtsystem ATL aufgebracht und analysiert.

Darüber hinaus bietet FEV Virtual Engine © die Möglichkeit, mit Hilfe der standardisierten Co-Simulations-Schnittstelle FMI (Functional Mock-up Interface), gekoppelte Simulationen mit weiteren Simulationstools, z.B. mittels GT-POWER TM durchzuführen. Als Beispiel wird hierbei der gesamte Motorölkreislauf mit der ATL Dynamik gekoppelt, um noch detaillierter Lagerungseffekte durch die Ölversorgung abzubilden.

Weitere Informationen zu Virtual Engine.