Hochlaufsimulation II

Die anhaltende Forderung nach Reduktion der CO2 Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs von Motoren bei gleichzeitig steigender Leistung führt zunehmend zu Downsizing in Kombination mit Hochlastkonzepten. Zur Steigerung des effektiven Mitteldrucks können Turbolader Anwendung finden. Im Turbolader wird die Abgasenergie des Motors durch eine Turbine in Rotationsenergie umgewandelt, welche wiederum genutzt wird, um über einen Verdichter den Ladedruck des Motors zu erhöhen. Dadurch kann die Effizienz des motorischen Gesamtprozesses erheblich gesteigert werden. Aus thermodynamischer Sicht sind dazu möglichst hohe Drehzahlen der Turboladerwelle anzustreben, wohingegen sich diese aus mechanischer Sicht unter Verwendung von Gleitlagerungen aufgrund auftretender Instabilitäten als kritisch erweisen. Diese Instabilitäten sind bei in einfachen Radialgleitlagern gelagerten Rotoren hinlänglich als Whirl- und Whip-Phänomene bekannt. Ab einer Drehzahl nC1 treten selbsterregte subharmonische Schwingungen mit etwa dem 0.42 … 0.45-fachen der Drehfrequenz mit stabilem Grenzzyklus auf (Whirl). Wird dadurch bei weiterer Drehzahlerhöhung auf nC2 eine Eigenfrequenz des Rotors angeregt, bezeichnet man dies als Whip. Die Whip-Frequenz bleibt auch bei weiterer Drehzahlsteigerung konstant, wohingegen die Lagerung instabil wird und die Amplituden nur noch vom Lagerspiel begrenzt werden. Um einen sicheren Betrieb über nC2 hinaus zu gewährleisten, finden in Turboladern Schwimmbuchsenlager Anwendung. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die am inneren Schmierfilm auftretende Instabilität durch den äußeren Schmierfilm gedämpft wird und umgekehrt. Dadurch kann eine Vergrößerung des zulässigen Drehzahlbereichs bewirkt werden.
Zur Untersuchung und zur Erweiterung des Verständnisses bzgl. des Auftretens der Instabilität wurden bereits verschiedene Anstrengungen unternommen (siehe z. B. FVV - Vorhaben Hochlaufsimulation I ). Aufgrund der Komplexität des Themas ist jedoch eine weiterführende Untersuchung mit erhöhter Modelltiefe zur Abschätzung der Sensitivitäten der Einflussparameter zwingend notwendig. Um dabei eine möglichst große Bandbreite an Einflussparametern abdecken zu können, ist als Ausgangspunkt eine numerische Lösung der beschreibenden thermohydroelastischen Differenzialgleichungen heranzuziehen. Dadurch bestehen keine Beschränkungen, wie sie z. B. durch die Verwendung der Impedanzmethode im FVV - Vorhaben Hochlaufsimulation I gegeben waren. Unter Berücksichtigung praktikabler Rechenzeiten für einen Hochlauf sowie den Ergebnissen einer systematischen DoE-Studie müssen geeignete Vereinfachungen im Rahmen einer zulässigen Abbildungsgüte getroffen werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die bei ATL auftretenden subharmonischen Schwingungen und die Instabilitäten während des Turboladerhochlaufs verlässlich in Frequenz- und Amplitudenwert abzubilden.