Reibleistungs- und strömungstechnische Untersuchung der Lager im Abgasturbolader

Die Aufladung von Motoren mittels Abgasturbolader (ATL) blickt auf eine ähnlich lange Geschichte zurück wie der Verbrennungsmotor selbst. Jedoch war der Einsatz aufgeladener Motoren lange Zeit auf großvolumige maritime und stationäre Anwendungen beschränkt, da es technische Schwierigkeiten, insbesondere im Zusammenwirken von Verbrennungsmotor und Strömungsmaschine, zu überwinden galt. Im Jahre 1938 kam das erste Nutzfahrzeug und 1962/63 der erste Personenwagen mit abgasturboaufgeladenem Motor auf den Markt. Der eigentliche Durchbruch des Abgasturboladers gelang jedoch erst in den 80er Jahren.Heutige Dieselmotoren im PKW- und NFZ-Bereich werden zur Steigerung der Motorleistung bei konstanter Motordrehzahl und unverändertem Hubvolumen nahezu ausschließlich mit Abgasturboladern ausgerüstet. Mit der dem Abgas entnommenen zusätzlichen Energie lässt sich auch mittels Downsizing bei gleicher Motorleistung eine Kraftstoff- bzw. Emissionsreduzierung realisieren. Diesen Vorteilen stehen aber auch konzeptbedingte Nachteile, wie das verzögerte Ansprechverhalten durch die rein strömungstechnische Kopplung zwischen Motor und Abgasturbolader, gegenüber. Einen Ansatz sowohl zur Steigerung des Abgasturbolader- und folglich des Motorwirkungsgrads als auch zur Erhöhung der Agilität stellt die Optimierung der ATL- Lagerung dar. Am häufigsten finden ölgeschmierte Gleitlager im ATL ihre Anwendung. Durch die Nutzung des Abgases zum Antrieb des ATL unterliegt dieser und daher auch der Schmierstoff einer hohen thermischen Belastung. Aufgrund dessen kommt der Kühlung, beispielsweise durch das Öl selbst, eine nicht zu unterschätzende Bedeutung zu.Infolgedessen wird in der vorliegenden Arbeit eine ATL-Lagerung hinsichtlich Lagerwirkungsgrad/Reibleistung und Kühlung/Schmierstoffvolumenstrom analysiert. Zur Bewertung von Optimierungspotentialen auf diese Zielgrößen werden am Beispiel eines Nutzfahrzeug-Abgasturboladers (NFZ-ATL) die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebs- und Geometrieparameter untersucht.Zu diesem Zweck erfolgt der Aufbau eines Modellprüfstands für eine NFZ-ATL-Lagerung zur Bestimmung von Lagerreibung und Ölvolumenströmen. Mit dem Schleppprüfstand lassen sich, gegenüber Versuchen am realen ATL, die Parameter mit geringem Zeit- und Kostenaufwand variieren. Aufgrund einer Vielzahl potentieller Einflussparameter auf die Zielgrößen findet zunächst eine Vorfilterung mittels theoretischer Lagermodelle statt. Zu diesem Zweck erfolgt eine Modifizierung/Erweiterung der unterschiedlichen Lagermodelle für die ATL-typischen Gegebenheiten. Anschließend werden durch einen Vergleich von berechneten und experimentellen Werten die qualifiziertesten Modelle ausgewählt. Mit diesen Modellen kann durch theoretische Parameterstudien auf die Signifikanz der einzelnen Faktoren geschlossen werden, die anschließend detaillierter experimentell untersucht werden. Zusätzlich fließen auch Parameter in die experimentellen Analysen ein, die in den theoretischen Berechnungsansätzen nicht berücksichtigt werden können, jedoch voraussichtlich einen essenziellen Einfluss auf Reibung und Lagervolumenströme haben. Im Anschluss werden durch experimentelle Parameterstudien mittels der statistischen Versuchsplanung die signifikantesten Einflussfaktoren und Wechselwirkungen analysiert.Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgt abschließend der Entwurf einer hinsichtlich Reibleistung und Lagerkühlung optimierten Lagerkonfiguration. Diese wird experimentell untersucht und daraufhin mit der Ausgangslagerkonfiguration verglichen.