Thermische Simulation eines Turboladers

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1 page 1 CD-adapco Webinar Wärmemanagement mit CFD Consulting- & Ingenieurdienstleistungen für Simulationen und Analysen von komplexen Vorgängen in der Strömungstechnik und Wärmeübertragung. Dr. Fabiano Bet München, InDesA GmbH Anton-Ditt-Bogen 27 D München Phone +49 (89) Fax +49 (89)

2 page 2 Komponenten des Turboladers Labyrinth-Dichtung Turbinengehäuse Kühlwassermantel Verdichter-Gehäuse Turbine Diffusor Verdichter Gleitlager Öl-Raum

3 page 3 Fragestellungen zum Wärmemanagement Temperaturbeständigkeit des Werkstoffes auf der Turbinenseite; Werkstoffauswahl, Lebensdauer, Kosten Kühlkonzept Wärmestrahlung über die Oberfläche der Turbine Schädigung der benachbarten Bauteile; Hitzeschutzkonzepte Verkokung des Öls in den Gleitlagern nach Abstellen des Motors Schädigung des Öls, der Lager; Kühlkonzepte Kompression und Strömungsverluste im Verdichter Temperaturerhöhung der Ladeluft; Auslegung der Ladeluftkühlung Beeinflussung der lokalen Schallgeschwindigkeit und Mach-Zahl Auswirkung auf das akustische Übertragungsverhalten in der Ansaugluftführung Auswirkung auf die Stopfgrenze des Verdichters mit lokaler Stoßverdichtung

4 page 4 Wärmeströme im Überblick Luft Konvektion Abgas Kühl. Öl Abgas Luft Strahlung Öl Kühl.

5 page 5 Vernetzung mit Star CCM+ Druckseite-Verdichter Druckseite-Turbine Auslass-Turbine Saugseite-Verdichter Gesamt: 10, Zellen Polyeder mit 4 Prismen schichten 24 Regionen 7 Materialien -Luft Kompressible, Ideales Gas -Abgas Kompressible, Ideales Gas -Kühlmittel Temp. Abhängig -Öl Temp. Abhängig -Stahl Konst Dichte -Aluminium Konst. Dichte -Messing Konst. Dichte Kühlmittel Öl

6 page 6 Randbedingungen Verdichter Eintritt: Totaldruck Temperatur Verdichter Austritt: Druck Turbine Eintritt: Massenstrom Temperatur Turbine Austritt: Druck Öl und Kühlmittel: Eintritt: Massenstrom und Temperatur Austritt: Druck Turbine und Verdichter: Drehzahlvorgabe MRF

7 page 7 Bauteiltemperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten

8 page 8 Geschwindigkeitsvektoren im Verdichter Rückströmung mit Einschnürung des effektiven uerschnittes

9 page 9 Mach-Zahl und Verdichtungsstoß im Verdichter-Diffusor p=1.0 bar p=0.5 bar p=0.0 bar Für p 0 expandiert die Strömung im Diffusor auf Überschall. Das Überschallgebiet schließt mit einem Verdichtungsstoß ab (vgl. Laval-Düse). hohe Verluste; Stopfgrenze wird erreicht.

10 page 10 Simulation im vermessenen Verdichter-Kennfeld Druck Pumpgrenze Verdichterdrehzahl Stopfgrenze Volllast p=1.1 bar p=0.75 bar p=0 bar Massenstrom

11 page 11 Strömungsverhältnisse in der Turbine Wastegate Ventil Wastegate Klappe 15 geöffnet

12 page 12 Auswertung der Wärmeströme Umgebung 194 W 9 W 23 W 7 W Wastegate 5 W 775 W Turbine- Laufrad 22 W 35 W Lager Gehäuse Lagerpaket Öl: +91 W 17 W 907 W 56 W Kühlmittel: +907 W 117 W Verdichter -Laufrad Turbine- Gehäuse Verdichter- Gehäuse 7 W (Über die Welle) 2 W 974 W 297 W 20 W 7 W 94 W Abgas: W 2819 W (Mech. Arbeit) Reinluft: W

13 page 13 CD-adapco Webinar Wärmemanagement mit CFD Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Fabiano Bet München, InDesA GmbH Anton-Ditt-Bogen 27 D München Phone +49 (89) Fax +49 (89)