Friction Characterization of Turbocharger Bearings

I denna studie var huvudsyftet att bestämma de mekaniska friktionsförlusterna i en standardturboladdare för personbilar. För framtida arbete skulle resultatet ligga till grund för en formelsom beskriver friktionsförlusterna i turboaggregatet beroende på dess olika driftpunkter.I den metod som används för att uppskatta friktionsförlusterna ingick numerisk simulering,analytiska beräkningar och mätteknik. Isoviskösa simuleringsmodeller för radiallager ochaxiallager utvecklades och användes för att simulera lagerfriktion. Dessutom användes analytiskaberäkningar baserade på Petroff’s ekvation för att bestämma friktionsförlusterna. En tredjemetod baserad på kalorimetriska mättekniker användes för att bestämma friktionsförlusterna ochjämföra resultaten från analytiska beräkningar och simuleringar. Metoden involverade mätningav oljeflödet genom turboladdaren samt temperaturskillnaden av oljan mellan inloppet ochutloppet i turboladdaren. Från mätningen och för ett givet värde av oljans värmekapacitet kundeden totala effektförlusten bestämmas. Kylvattenflödet till turboladdaren justerades för att erhållaen lagerhustemperatur nära oljetemperaturen i lagerhuset och på så sätt minimeravärmeöverföringen mellan turboladdarens lagerhus och oljan.Den axiella kraften som verkar på turboladdarens axiallager har en stor inverkan påoljefilmstjockleken i lagret och så även friktionsförlusterna. Den axiella kraften mättes ochberäknades för att användas som indata till simuleringarna samt för att korrelera den till andraviktiga parametrar. Tre olika metoder användes för att bestämma kraften: beräkning av axialkraftmed kraftbalans, beräkning av axialkraft baserad på mätningen av den axiella förskjutningen avturboladdarens axel samt mätning av axialkraft med trådtöjningsgivare.Simuleringsmodellen för axiallagret gav en uppskattning av lagerfriktionsförlusterna iturboladdaren. Dock tenderar resultaten till att vara något överskattade på grund av detIVisoviskösa antagandet och approximationen av oljans viskositet baserat på antagandet attoljetemperaturen i lagret kan uppskattas som ett medelvärde av oljetemperaturen vid inloppetoch utloppet.De uppmätta friktionsförlusterna var något överskattade, vilket kan vara ett resultat av ogiltigaantaganden gällande värmeöverföring samt felaktigt uppmätt lagerhus- och oljetemperatur.Förutom approximationen av oljans viskositet, förklarar detta avvikelsen mellan simulerade ochuppmätta friktionsförluster.Slutligen kunde slutsatsen dras att den axiella kraften var starkt korrelerad till den axiellaförskjutningen av turboladdarens axel, trycket före turbinen och turboladdarensrotationshastighet. Trycket på kompressorhjulets baksida påverkas främst av turboladdarenrotationshastighet och är också en stor bidragsgivare till den totala axiella kraften påturboladdarens axel.VACKNOWLEDGEMENTIn this study the main objective was to determine the mechanical frictional losses in a standardautomotive turbocharger. For future work, the result should be the basis for a formula describingthe frictional losses in the turbocharger, dependent on its various operation conditions.The methodology used to estimate the frictional losses included numerical simulation, analyticalcalculations and measurement techniques. Isoviscous simulation models for journal bearings andthrust bearing were developed and used to simulate bearing friction. In addition, analyticalcalculations based on Petroff’s equation were used to determine frictional losses. A third methodbased on a calorimetric measurement technique was used to determine the frictional losses andcompare the results from analytical calculations and simulations. The method involvedmeasurement of the oil flow through the turbocharger and the temperature difference of theturbocharger oil between the inlet and outlet. From the measurement and for a given value of theoil heat capacity the total bearing power loss was determined. The cooling water flow to theturbocharger was adjusted to obtain a bearing housing temperature close to the oil temperature inthe bearing housing and so minimize heat transfer between the turbocharger bearing housing andthe oil.The axial force acting on the turbocharger thrust bearing has a great influence on the oil filmthickness in the bearing and so also the frictional losses. The axial force was measured andcalculated to be used as input for friction simulations and to correlate it to other significantparameters. Three different methods were used to determine the force: axial force calculationwith force balance analysis, axial force calculation based on the axial displacement measurementof the turbocharger shaft and axial force measurement with strain gauges.The thrust bearing simulation model gave an approximation of the bearing frictional losses in theturbocharger. However, the results tend to be overestimated due to the isoviscous assumptionI