4.3 Rechnungs-/Messungsvergleiche
4.3.3 Verwendung kalter Turbolader-Kennfelddaten
66 4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE
brauchbare Ergebnisse, obwohl dieser Motorbetriebspunkt sogar außerhalb der vor-gegebenen Turboladerdatenbasis liegt.
Abweichung der Rechnung vom Messwert in %
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
n = 4000 min-1 Volllast pL = 1.98 bar QB = 242 kW
pmi = 15.1 bar mL = 426.8 kg/h p1 = 0.89 bar T1 = 297 K p2 = 2.04 bar T2 = 404 K p3 = 2.52 bar T3 = 1020 K p4 = 1.17 bar T4 = 894 K nATL = 176647 min-1
pZmax = 153.9 bar THEMOS®
PROMO Messwert
Abb. 4.13Rechnungs-/Messungsvergleich der integralen Motorbetriebswerte bei n = 4000 min−1/ Volllast,heiße Turbolader-Kennfelddaten
4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE 67
mit der bekannten Kennzeichnung, inwieweit eine Kennlinie der Vorgabedatenbasis entspricht. Zus¨atzlich sind die Ergebnisse der programminternen Inter- und Extra-polation, soweit darstellbar, f¨ur beide Simulationssysteme angedeutet.
n = 2000 min−1 / pme = 2 bar
Der bereits bekannte Rechnungs-/Messungsvergleich zu den Motorbetriebswerten f¨ur den Teillastbetriebspunkt bei n = 2000 min−1 bei der Verwendung heißer Tur-boladermessdaten ist in Abb. 4.14 um die Ergebnisse der Berechnung mit kalten Messdaten f¨ur beide Programmpakete erg¨anzt (nicht schraffierte Balken). Es erge-ben sich deutliche Abweichungen beim von PROMO berechneten Druck vor Turbine p3 und bei der von THEMOSr berechneten Turboladerdrehzahl nAT L.
Abweichung der Rechnung vom Messwert in %
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18
n = 2000 min-1 pme = 2 bar AGR = 30%
pL = 1.014 bar QB = 24.8 kW
heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO Messwert
pmi = 2.81 bar mL = 79.4 kg/h p1 = 0.985 bar T1 = 295 K p2 = 1.02 bar T2 = 309 K p3 = 1.07 bar T3 = 558 K p4 = 1.00 bar T4 = 545 K nATL = 35436 min-1
pZmax = 48.4 bar
Abb. 4.14Rechnungs-/Messungsvergleich der integralen Motorbetriebswerte bei n = 2000 min−1/ pme = 2 bar,heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
Die Ursache f¨ur die Verringerung des Drucks vor Turbine ist im ver¨anderten Ver-dichterwirkungsgradkennfeld (vgl.Abb. 4.15) zu suchen. Diekalten Wirkungsgrad-kennlinien sind im Vergleich zu den entsprechenden heißen zu deutlich h¨oheren Werten verschoben. Diese Charakteristik wird auch von beiden Programmsystemen w¨ahrend der Simulationsrechnung mit guter Qualit¨at wiedergegeben, wobei die Verl¨aufe den vorgegebenen Kennlinien entsprechen. F¨ur eine ausgeglichene Turbo-laderleistungsbilanz f¨uhrt diese Wirkungsgradsteigerung zu einer reduzierten Leis-tungsanforderung an der Turbine, so dass der Turbinenquerschnitt erweitert wird.
Infolgedessen sinkt der Abgasgegendruck bei gleichem Ladedruck. W¨ahrend dies f¨ur THEMOSr innerhalb des Toleranzbereichs geschieht, kann bei PROMO eine ver-besserte Ann¨aherung an den Messwert erzielt werden.
68 4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE
Totaldruckverhältnis p2t/p1t 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15
Normierter Massenstrom in kg/s
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
Isentroper VerdichterwirkungsgradηsV 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Stützstellen:
n = 0 min-1 n = 30.000 min-1 n = 40.000 min-1 n = 50.000 min-1 n = 60.000 min-1 PROMO: manuelle Kennfeldaufbereitung
Kaltvermessung T3 = 293 K Heißvermessung T3 = 873 K Motorbetriebswerte über ein ASP heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO Mittelwerte für ηsV:
THEMOS® PROMO heiß 35.4% 30.7%
kalt 49.3% 38.4%
30.000 heiß 30.000 kalt
Abb. 4.15Vergleich des Motorbetriebsverhaltens im Verdichterkennfeld w¨ahrend eines Ar-beitsspiels f¨ur THEMOSr und PROMO bei n = 2000 min−1/ pme = 2 bar, heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
Die mit dem ¨Ubergang aufkalte Turboladermessdaten zunehmende Abweichung bei der von THEMOSr ermittelten Turboladerdrehzahl ist auf den programminternen Extrapolationsalgorithmus zur¨uckzuf¨uhren. W¨ahrend im heißen Fall der vorgegebe-ne Kennfeldrand durch die Kennlinie bei nAT L = 50.000 min−1gegeben ist, endet das kalte Kennfeld bereits bei einer Drehzahl von nAT L = 60.000 min−1. Die G¨ute der dann notwendigen Extrapolation nimmt mit zunehmendem Abstand zum Kennfeld-rand ab, so dass f¨ur die Turboladerdrehzahl eine erh¨ohte Abweichung vom Messwert entsteht.
n = 2000 min−1 / Volllast und n = 4000 min−1 / pme = 2 bar
Die beiden innerhalb der vermessenen Turboladerdatenbasis liegenden Motor-betriebspunkte zeigen beim ¨Ubergang von der mitheißenMessdaten durchgef¨uhrten Simulationsrechnung zur Berechnung mitkalten Daten f¨ur beide Simulationssysteme vergleichbare Ergebnisse, so dass hier eine zusammenfassende Behandlung gen¨ugt.
Sowohl die mittleren Motorbetriebswerte (vgl.Abb. 4.16und Abb. 4.18) als auch die Zust¨ande im Verdichterkennfeld (vgl.Abb. 4.17und Abb. 4.19) weisen so gut wie keine Beeinflussung durch die Temperatur vor Turbine (heiß oder kalt) auf, mit der die vorgegebenen Turboladermessdaten aufgenommen worden sind. Hintergrund ist der bereits dargestellte Zusammenhang, dass sich die Verdichterwirkungsgrade ab einem gewissen Grenzdrehzahlbereich unabh¨angig von den
Turbineneintrittsbe-4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE 69
Abweichung der Rechnung vom Messwert in %
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
pmi = 17.85 bar mL = 231.8 kg/h p1 = 0.96 bar T1 = 298 K p2 = 2.06 bar T2 = 405 K p3 = 2.05 bar T3 = 907 K p4 = 1.05 bar T4 = 790 K nATL = 154246 min-1
pZmax = 139.7 bar n = 2000 min-1 Volllast pL = 2.05 bar QB = 134 kW
heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO Messwert
Abb. 4.16Rechnungs-/Messungsvergleich der integralen Motorbetriebswerte bei n = 2000 min−1/ Volllast,heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
Totaldruckverhältnis p2t/p1t 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6
Normierter Massenstrom in kg/s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
Motorbetriebswerte über ein ASP heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO Mittelwerte für ηsV:
THEMOS® PROMO heiß 66.1% 67.2%
kalt 66.2% 67.2%
Isentroper VerdichterwirkungsgradηsV 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
Stützstellen:
n = 130.000 min-1 n = 140.000 min-1 n = 160.000 min-1 n = 175.000 min-1
Kaltvermessung T3 = 293 K Heißvermessung T3 = 873 K
Abb. 4.17Vergleich des Motorbetriebsverhaltens im Verdichterkennfeld w¨ahrend eines Ar-beitsspiels f¨ur THEMOSr und PROMO bei n = 2000 min−1/ Volllast, heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
70 4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE
dingungen verhalten8. Damit spielt es f¨ur die Berechnung der betrachteten Motor-betriebspunkte keine Rolle, welche Turboladerdatenbasis herangezogen wird.
Die Tatsache, dass beide Betriebspunkte innerhalb der vermessenen Turboladerbe-triebsbereiche liegen, f¨uhrt auch zu nahezu identischen Simulationsergebnissen f¨ur beide Programmsysteme. Die Interpolation zwischen benachbarten Kennlinien, in beiden F¨allen mathematisch motiviert, stellt im Allgemeinen keine Schwierigkeit dar.
Abweichung der Rechnung vom Messwert in %
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
n = 4000 min-1 pme = 2 bar pL = 1.43 bar QB = 64.5 kW
heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO Messwert
pmi = 3.58 bar mL = 342.2 kg/h p1 = 0.93 bar T1 = 294 K p2 = 1.47 bar T2 = 356 K p3 = 1.90 bar T3 = 594 K p4 = 1.06 bar T4 = 530 K nATL = 137686 min-1
pZmax = 75.8 bar
Abb. 4.18Rechnungs-/Messungsvergleich der integralen Motorbetriebswerte bei n = 4000 min−1/ pme = 2 bar,heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
8Die Unabh¨angigkeit des Durchsatzverhaltens konnte inAbschn. 3.4.4ebenfalls gezeigt werden.
4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE 71
Totaldruckverhältnis p2t/p1t 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Normierter Massenstrom in kg/s
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
Isentroper VerdichterwirkungsgradηsV 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
Stützstellen:
n = 120.000 min-1 n = 130.000 min-1 n = 140.000 min-1 n = 160.000 min-1 Kaltvermessung T3 = 293 K
Heißvermessung T3 = 873 K Mittelwerte für ηsV:
THEMOS® PROMO heiß 70.6% 70.6%
kalt 69.7% 70.2%
Motorbetriebswerte über ein ASP heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO
Abb. 4.19Vergleich des Motorbetriebsverhaltens im Verdichterkennfeld w¨ahrend eines Ar-beitsspiels f¨ur THEMOSr und PROMO bei n = 4000 min−1/ pme = 2 bar, heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
n = 4000 min−1 / Volllast
Auch der noch zu diskutierende Volllastbetriebspunkt, bei n = 4000 min−1, weist aus gleichem Grund keine Unterschiede zwischen den Berechnungen mit heißen und kalten Turboladermesswerten auf. Sofern jeweils nur eines der beiden Simu-lationsprogramme betrachtet wird, zeigen die mittleren Motorbetriebswerte (vgl.
Abb. 4.20) und die Zust¨ande im Verdichterdurchsatz- und Wirkungsgradkennfeld (vgl.Abb. 4.21) identische Berechnungsergebnisse.
Die Unterschiede zwischen beiden Programmpaketen ergeben sich aufgrund der er-forderlichen und jeweils anders erfolgenden Extrapolation in den Turboladerkenn-feldern. So entsteht im Falle von THEMOSr die Verdichterdurchsatzkennlinie f¨ur nAT L = 180.000 min−1 oberhalb derjenigen, die w¨ahrend der PROMO-Berechnung herangezogen wird. Diese Kennlinienverschiebung bewirkt schließlich unterschied-liche Ergebnisse hinsichtlich der berechneten Turboladerdrehzahl. Die Verdichter-wirkungsgrade werden von beiden Programmen auf vergleichbarem Niveau ermittelt.
72 4.3 RECHNUNGS-/MESSUNGSVERGLEICHE
Abweichung der Rechnung vom Messwert in %
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
n = 4000 min-1 Volllast pL = 1.98 bar QB = 242 kW
pmi = 15.1 bar mL = 426.8 kg/h p1 = 0.89 bar T1 = 297 K p2 = 2.04 bar T2 = 404 K p3 = 2.52 bar T3 = 1020 K p4 = 1.17 bar T4 = 894 K nATL = 176647 min-1
pZmax = 153.9 bar heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO Messwert
Abb. 4.20Rechnungs-/Messungsvergleich der integralen Motorbetriebswerte bei n = 4000 min−1/ Volllast,heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten
Totaldruckverhältnis p2t/p1t 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
Normierter Massenstrom in kg/s
0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
Motorbetriebswerte über ein ASP heiße ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO kalte ATL-Kennfelddaten:
THEMOS® PROMO
Mittelwerte für ηsV:
THEMOS® PROMO heiß 74.4% 72.6%
kalt 75.6% 72.6%
180.000
170.000
180.000 190.000
Isentroper VerdichterwirkungsgradηsV 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Stützstellen (T3 = 873 K):
n = 160.000 min-1 n = 175.000 min-1 n = 200.000 min-1 THEMOS®: Extrapolation PROMO: manuelle Kennfeldaufbereitung 190.000
180.000
Abb. 4.21Vergleich des Motorbetriebsverhaltens im Verdichterkennfeld w¨ahrend eines Ar-beitsspiels f¨ur THEMOSr und PROMO bei n = 4000 min−1/ Volllast, heiße undkalte Turbolader-Kennfelddaten