Berechnung des diabaten Betriebsverhaltens der Axial- und Radialgleitlager eines Abgasturboladers

Im Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor beeinflusst die Gleitlagerung im Turbolader entscheidend die Effizienz und Leistung des gesamten Motorprozesses. Die Lagerkennwerte sind dabei wesentlich von den Betriebsparametern des Turboladers abhängig. Gleichzeitig ist die Kenntnis der thermischen Randbedingungen, insbesondere der Rotor- und Gehäusetemperatur, eine wesentliche Voraussetzung in der Modellierung des diabaten Verhaltens der Gleitlager. Diese werden maßgeblich durch den Wärmestrom von der heißen Turbine durch die Welle und das Lagergehäuse beeinflusst. Um die thermische Wechselwirkung gleitgelagerter Radial- und Axiallagerstellen im Abgasturbolader mit der Systemumgebung unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen wurden daher bestehende Gleitlagerlagerberechnungsmodule auf Basis der Reynoldsgleichung umfangreich erweitert und bidirektional mit einem numerischen Modell eines Turboladers gekoppelt. Die Auflösung der Prozesswärmeströme im Abgasturbolader ermöglichte dabei die bisher unbekannten thermischen Randbedingungen an den Lagerstellen direkt zu berechnen. Die Validierung des numerischen Gesamtmodells erfolgte durch experimentelle Untersuchungen eines umfangreich instrumentierten Abgasturboladers auf einem Heißgasprüfstand. Für die untersuchten Betriebspunkte konnte eine gute Übereinstimmung gemessener und berechneter Gehäuse- und Lagertemperaturen, sowie Schwimmbuchsendrehzahlen und Verlustleistungen nachgewiesen werden. In den untersuchten Fällen dominiert dabei die Verlustleistung des Axiallagers gegenüber den Verlusten des Radiallagers. Hierzu trägt vor allem der Abfluss über die inaktive Lagerseite bei. Zudem trägt der Wärmeübergang am Lagergehäuse signifikant zur Verlustleistung bei. Die an den Lagerstellen übertragene Wärme weist sowohl eine Drehzahl-, als auch eine Lastabhängigkeit auf, wobei die Richtung der Wärmeströme lokal variiert. Dabei führen die Lagerstellen bei niedrigen Drehzahlen und geringen Lagerlasten Wärme von der Systemumgebung an das Schmiermittel ab und tragen somit zur Kühlung des Abgasturboladers bei. Die thermische Berücksichtigung der Lagerstellen induziert des Weiteren vor allem im Rotor durch Zu- und Abfuhr von Wärme einen komplexen Wärmestrompfad, was im Vergleich mit einer adiabaten Rotorbetrachtung zu erheblichen Temperaturunterschieden führt. Die Untersuchungen bestätigen die Notwendigkeit eines bidirektionalen Ansatzes bei der Wärmestromanalyse von Gleitlagern zur Bestimmung der Lagerkennwerte im Turbolader.In interaction with the internal combustion engine, the plain bearings in a turbocharger have a decisive influence on the efficiency and performance of the entire engine process. The bearing characteristics are largely dependent on the operating conditions of the turbocharger. At the same time, information of the thermal boundary conditions, in particular the rotor and housing temperature, is an essential prerequisite for modeling the diabatic behavior of the plain bearings. These are significantly influenced by the heat flow from the hot turbine through the rotor and the bearing housing. In order to investigate the thermal interaction of floating ring and thrust bearings in the turbocharger with the system environment under real operating conditions, existing plain bearing calculation modules based on the Reynolds equation were extended and coupled bidirectionally with a numerical model of a turbocharger. The calculation of heat flows in the turbocharger enable to directly calculate the previously unknown thermal boundary conditions at the bearings. Validation of the overall numerical model was performed by experimental investigations of an extensively instrumented turbocharger on a hot gas test bench. For the investigated operating points, a good agreement of measured and calculated housing and bearing temperatures, as well as floating ring speed and power loss could be proven. For the investigated operating points, the power loss of the thrust bearing dominates. This is due to the mass flow to the inactive bearing side. In addition, heat transfer at the bearing housing contributes significantly to power loss. The heat transferred at the bearings shows both a speed and a load dependence, whereby the direction of the heat flows varies locally. At low speeds and low bearing loads, the bearings transfer heat from the system environment to the lubricant and thus contribute to cooling the exhaust gas turbocharger. Furthermore, the thermal consideration of the bearings induces a complex heat flow path, especially in the rotor, through the addition and subtraction of heat, which leads to considerable temperature differences compared to an adiabatic approach. The investigations confirm the necessity of a bidirectional approach for heat flow analysis of plain bearings to determine the bearing characteristics in the turbocharger