5.3 Rechnungs-/Messungsvergleiche zum diabaten Modell
5.3.2 Ergebnisse zum Verdichter-Unterprogramm der TC-Software . 92
5.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE ZUM DIABATEN MODELL 93
Totaldruckverhältnis p2t/p1t
0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00
Normierter Massenstrom in kg/s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
140.000
120.000
100.000
80.000 60.000
50.000 30.000 nATL = 0 min-1
Überprüfung der Vorausrechnung:
n = 0 min-1 n = 30.000 min-1 n = 50.000 min-1 n = 60.000 min-1 n = 80.000 min-1 n = 100.000 min-1 n = 120.000 min-1 n = 140.000 min-1 n = 160.000 min-1 (heiß) n = 175.000 min-1 (heiß) TC-Software: Inter- und Extrapolation
160.000 175.000
Abb. 5.11Inter- und Extrapolation des kalten Verdichterdurchsatzkennfelds mit TC-Software (Verdichter-Unterprogramm), diabate Berechnung mitheißen Messda-ten
Isentroper Verdichterwirkungsgrad ηsV,heat
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Normierter Massenstrom in kg/s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
100.000
140.000 120.000
80.000
60.000 50.000 nATL = 30.000 min-1
Überprüfung der Vorausrechnung:
n = 30.000 min-1 n = 50.000 min-1 n = 60.000 min-1 n = 80.000 min-1 n = 100.000 min-1 n = 120.000 min-1 n = 140.000 min-1 n = 160.000 min-1 (heiß) n = 175.000 min-1 (heiß)
160.000 175.000
TC-Software: Inter- und Extrapolation
Abb. 5.12Inter- und Extrapolation des kalten Verdichterwirkungsgradkennfelds mit TC-Software (Verdichter-Unterprogramm), diabate Berechnung mitheißen Messda-ten
94 5.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE ZUM DIABATEN MODELL
Teil deutlich ¨uberbewertet. Ursache sind auch hier, zumindest was den Fehler bei kleinen Drehzahlen betrifft, die W¨armeleitungsvorg¨ange zum Verdichter aufgrund einer im Vergleich zur Kaltvermessung erh¨ohten Schmier¨oltemperatur. Eine sau-bere Trennung der Verdichteraerodynamik von den W¨armefl¨ussen war damit nicht m¨oglich.
F¨ur die entgegengesetzte Richtung von kalt nach heiß stellt Abb. 5.13 das Ver-dichterdurchsatzverhalten dar. Auf der Grundlagekalter Messdaten berechnete das diabate TC-Unterprogramm des Verdichters den Zustand, der bei heißen Bedingun-gen entsteht. Der Vergleich mitheißen Messwerten zeigt eine gute Ergebnisqualit¨at.
Auch die Inter- und Extrapolation wird mit ausreichender Genauigkeit wiedergege-ben.
Totaldruckverhältnis p2t/p1t
0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75
Normierter Massenstrom in kg/s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
Überprüfung der Vorausrechnung:
n = 0 min-1 (kalt) n = 30.000 min-1 (kalt) n = 50.000 min-1 n = 60.000 min-1 n = 80.000 min-1 n = 100.000 min-1 n = 120.000 min-1 n = 140.000 min-1 n = 160.000 min-1 n = 175.000 min-1 TC-Software: Inter- und Extrapolation
175.000
160.000
140.000
120.000
100.000
80.000 60.000
50.000 30.000
nATL = 0 min-1
Abb. 5.13Inter- und Extrapolation des heißen Verdichterdurchsatzkennfelds mit TC-Software (Verdichter-Unterprogramm), diabate Berechnung mitkalten Messda-ten
Abb. 5.14zeigt die auf der Basiskalter Messdaten erzeugten (isentropen) diabaten Verdichterwirkungsgrade im Vergleich zu den Messdaten, die bei heißen Bedingun-gen aufBedingun-genommen wurden. Auch hier ist ein derartiger Vergleich zul¨assig, weilheiße Messwerte f¨ur den isentropen Verdichterwirkungsgrad im Rahmen des diabaten Mo-dells durch den diabaten WirkungsgradηsV,dia beschrieben werden. Im Gegensatz zu der Wirkungsgraddarstellung inAbb. 5.12kann hier eine bessere ¨Ubereinstimmung zwischen Rechen- und Messwerten festgestellt werden. Mit Ausnahme der Kurve zu nAT L = 80.000 min−1 l¨asst sich f¨ur alle Kennlinienverl¨aufe eine ausreichende Appro-ximation bescheinigen.
5.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE ZUM DIABATEN MODELL 95
Isentroper VerdichterwirkungsgradηsV
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Normierter Massenstrom in kg/s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
Überprüfung der Vorausrechnung:
n = 50.000 min-1 n = 60.000 min-1 n = 80.000 min-1 n = 100.000 min-1 n = 120.000 min-1 n = 140.000 min-1 n = 160.000 min-1 n = 175.000 min-1 TC-Software (ungewichtet): Inter- und Extrapolation
nATL = 50.000 min-1 60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
160.000 175.000
Abb. 5.14Inter- und Extrapolation des heißen Verdichterwirkungsgradkennfelds mit TC-Software (Verdichter-Unterprogramm), diabate Berechnung mitkalten Messda-ten
5.3.3 Ergebnisse zum Turbinen-Unterprogramm der TC-Software Wie bereits erw¨ahnt, werden in der vorliegenden Arbeit auf der Turbinenseite nur jene Messwerte verwendet, die vom Turboladerhersteller im Rahmen einer Standard-Heißvermessung zur Verf¨ugung gestellt wurden. Somit sind f¨ur den Fall der diabaten Turbine keine Rechnungs-/Messungsvergleiche in ¨ahnlicher Weise wie beim Verdich-ter m¨oglich.
Kalte Turbinenmessdaten13 wurden dennoch zur Erstellung und Kalibrierung des diabaten Modells zwecks Absch¨atzung der von der Turbine abfließenden W¨armestr¨ome verwendet. Dadurch wird die Berechnung des Zustands am Turbi-nenaustritt m¨oglich.
Die weitaus wichtigere Gr¨oße, der LeistungswirkungsgradηT,heat, zur Berechnung der Turbinenleistung, entsteht durch die Korrektur des gemessenen Turbinenwirkungs-grads um den Faktor ηsV,dia/ηsV,heat (vgl. Abschn. 5.1.4). Die Richtigkeit dieser Korrektur kann daher sowohl am Verdichter, wie geschehen, als auch an der Turbi-ne verifiziert werden. Dennoch sei f¨ur einen Vergleich des Leistungswirkungsgrads ηT,heat mit kalten Turbinenmessdaten auf [75] verwiesen.
13streng genommen fallen im Rahmen einer Kaltvermessung neben den hier verwendeten Verdichterdaten auch entsprechende Turbinendaten ab
Kapitel 6
Anwendung des diabaten Turboladermodells
6.1 Allgemeines
Nachdem einerseits die Auswirkungen der verwendeten Turbolader-Kennfelddaten auf die Ergebnisse der Motorprozess-Simulation unter Verwendung des Berechnungs-ansatzes f¨ur adiabate Turbolader (vgl. Kap. 4)1 und andererseits die Leistungs-f¨ahigkeit einer diabaten Turboladermodellierung (vgl. Kap. 5) dargestellt worden sind, soll nachfolgend die Anwendung dieses neuartigen Modells im Rahmen der Simulation im Vordergrund stehen. Dazu werden beide Motorprozess-Simulationssysteme (THEMOSr, PROMO) um die Gesamtfunktionalit¨at der TC-Software2 erweitert.
In Analogie zum Vorgehen bei der Verifikation des diabaten Turboladermodells als stand-alone-Programm (vgl.Abschn. 5.2) erfolgt auch hier die ¨Uberpr¨ufung in zwei Schritten anhand von Rechnungs-/Messungsvergleichen an den vier Motorbetriebs-punkten. Im ersten Schritt (vgl. Abschn. 6.2) wird wieder der adiabate Berech-nungsansatz innerhalb des Gesamtmodells benutzt, um die G¨ute der Modellierung im Vergleich zum bisherigen adiabaten Vorgehen bewerten zu k¨onnen. Damit wird ein direkter Vergleich des mathematisch basierten Ansatzes mit dem physikalisch motivierten m¨oglich. Weiterhin wird wieder der Einfluss heißer gegen¨uber kalter Turboladermesswerte als Eingabedaten f¨ur die Prozessrechnung dargestellt.
Im zweiten Verifikationsschritt (vgl. Abschn. 6.3) wird der diabate Gesamtan-satz, unter Ber¨ucksichtung von W¨arme¨ubertragungseffekten am Turbolader, in An-wendung mit beiden Simulationsprogrammen bewertet. Dazu werden Rechnungs-/Rechnungsvergleiche angestellt, die die Ergebnisver¨anderungen beim ¨Ubergang vom adiabaten zum diabaten Berechnungsansatz innerhalb der TC-Software quan-tifizieren. Dieser Vergleich der TC-Rechenergebnisse erm¨oglicht, dass nur diejeni-gen Auswirkundiejeni-gen erfasst werden, die auf die Anwendung des diabaten Modells
1Im folgenden als Referenzrechnung bezeichnet, die f¨ur beide Programmpakete einmal mitheißen und einmal mitkalten Turboladerkennfelddaten erfolgte.
2beinhaltet sowohl den adiabaten als auch den diabaten Teilansatz
97
98 6.1 ALLGEMEINES
zur¨uckzuf¨uhren sind. Eine Unterscheidung nach heißen und kalten Kennfelddaten wird auch in diesem zweiten Schritt vorgenommen, da das diabate Modell in der Lage sein m¨usste, gerade diesen Einfluss zu ber¨ucksichtigen.
Abschließend werden in einem Rechnungs-/Messungsvergleich (vgl. Abschn. 6.4) beide Verifikationsschritte in ihrer Gesamtheit betrachtet, so dass eine unmittelbare Bewertung der diabaten TC-Rechnung im Vergleich zur adiabaten Referenzrechnung und zu den Messergebnissen m¨oglich wird.
6.1.1 Implementation des Turboladermodells in die Simulationspro-gramme
THEMOSr
Das Einbinden der in Fortran programmierten TC-Software in den objektorientier-ten C++-Code von THEMOSr geschieht ¨uber den Mechanismus der dynamischen Bibliothek (DLL3). Aus den TC-Unterprogrammen zum Verdichter und zur Tur-bine werden dabei zun¨achst mit Hilfe der Fortran-eigenen Compiler bzw. Linker dynamische Bibliotheken erstellt, die den eigentlichen Programmcode enthalten. Sie dienen anschließend der Erstellung so genannter Importbibliotheken (LIB), die ledig-lich die nach außen sichtbaren Schnittstellen der Unterprogramme enthalten. Diese werden dann zusammen mit den restlichen THEMOSr-Modulen zum eigentlichen Programm gelinkt. Zur Laufzeit des Programms erfolgt nach Aufruf der Unterpro-gramme ein Sprung in die zugeh¨orige dynamische Bibliothek, in der der Programm-code abgearbeitet wird. Externe Steuergr¨oßen erm¨oglichen dem Anwender, die TC-Software zu aktivieren4 und zu konfigurieren (vgl.Abb. 6.1).
Verdichter.for TC-Verdichter ( );
...
Modul Verdichter ...
... Verdichter.dll
Verdichter.lib Verdichter.lib
Call TC-Verdichter
Modul Verdichter ...
...Call TC-Verdichter
Turbine.for TC-Turbine ( );
...
Modul Turbine ...
... Turbine.dll
Turbine.lib Turbine.lib
Call TC-Turbine
Modul Turbine ...
...Call TC-Turbine
THEMOSÒ TC-Software PROMO
Konfiguration.txt Messwerte -Verdichter
Turbine
-Abb. 6.1Implementation der TC-Software in THEMOSr und PROMO
3DynamicLinkLibrary
4Bei Deaktivierung der TC-Software wird die adiabate Basismodellierung verwendet.