Heat transfer analysis of the radial turbine-stage of a passenger car turbocharger by numerical simulation

Ein wesentliches Entwicklungsziel turboaufgeladener Ottomotoren ist die Optimierung des transienten Betriebsverhaltens, insbesondere des Ansprechverhaltens beim Beschleunigen aus niedrigen Motor-Drehzahlen. Ein nicht mehr wegzudenkendes Entwicklungswerkzeug, das zu diesem Zweck eingesetzt wird, ist die Motorprozess-Simulation. Die Aussagefähigkeit dieser Berechnungsmethode, insbesondere was das Motor-Ansprechverhalten anbelangt, hängt maßgeblich von der Modellierungstiefe und damit von der zur Verfügung stehenden Datenbasis des Abgasturboladers ab. Untersuchungen verschiedener Autoren haben gezeigt, dass die Implementierung von adiabaten Kennfeldern in Kombination mit einem Reibleistungspolynom und einem thermischen Netzwerkmodell am zielführendsten ist. Der Bedatung des Wärmestrom-Modells kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, was den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit darstellt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden für den Turbolader eines PKW-Ottomotors mit 1,4l Hubraum und 80 kW/l spezifischer Motorleistung numerische Untersuchungen auf Basis von CFD- und CHT-Simulationen durchgeführt, um einen detaillierten Einblick in die Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge der Turbinenstufe zu erhalten. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Isolierung des Turboladers und der Messrohre im Brennkammerversuch die Wärmeabgabe an die Umgebung lediglich um 15-20% gehemmt werden kann. Weitere Erkenntnisse der Wärmestromanalysen sind, dass 65-73% der gesamten Wärmeverluste in den Messrohren des Brennkammer-Versuchsaufbaus entstehen und dass durch die Vernachlässigung der Wärmeverluste, d.h. mit der Annahme eines adiabaten Modells, der effektive Turbinen-Wirkungsgrad und die Turbinen-Austrittstemperatur um bis zu 3%-Punkte bzw. 50K gegenüber dem diabaten Fall überschätzt werden. Im letzten Schritt ist ein neues Rechenverfahren entwickelt worden, dass die Berechnung der Wärmeströme ohne die Vorgabe eines Wärmeübergangskoeffizienten in der CHT-Simulation ermöglicht. Hierdurch kann der Rechenaufwand aufgrund des Entfalls der iterativen Ermittlung des finalen Wärmeübergangskoeffizienten deutlich reduziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass das neu entwickelte Rechenverfahren in weiten Kennfeldbereichen eine bessere Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen aufweist als der Ansatz mit Vorgabe eines Wärmeübergangskoeffizienten. Lediglich bei sehr hohen Druckverhältnissen wies der Standard-Ansatz eine um 2%-Punkte bessere Übereinstimmung mit dem gemessenen isentropen Turbinen-Wirkungsgrad auf. Mittels einer phänomenologischen Wärmestromanalyse auf Basis des neuen Rechenverfahrens konnte gezeigt werden, dass bei einer Turbinen-Eintrittstemperatur von 800°C der Anteil der Strahlungswärme bis zu 75% beträgt. Bei einer Turbinen-Eintrittstemperatur von 200°C beträgt der Strahlungsanteil etwa 45%.An essential development target of turbocharged gasoline engines is the optimization of the transient engine operation, especially the responsiveness during acceleration at low engine speed. An indispensable development tool which is used for this purpose is the engine process simulation. The accuracy of these simulation tools, especially regarding the engine response, depends decisively on the modelling quality, particularly on the available data for the turbocharger. Investigations performed by various authors showed that the implementation of adiabatic maps in combination with a friction loss model and a lumped capacity heat transfer model is the most purposeful approach. The parameterization of the heat transfer model has a special role, which corresponds to the starting point of this work. In the present work, numerical investigations by CFD- and CHT-Simulations are performed for a turbocharger of a passenger car gasoline engine (specific power output of 80 kW/l) to get a detailed insight to the flow and heat transfer processes of the turbine stage. It could be shown that the heat transfer to the surrounding only can be inhibited by 15-20% by insulating the turbocharger and the measurement pipes during the hot gas stand test. Other identifications by the heat transfer analysis were that 65-73% of the overall heat losses are produced in the measurement pipes and that the ignoring of the heat losses, i.e. the assumption of adiabatic conditions leads to an over-estimation of the effective turbine efficiency by 3%-points and the turbine outlet temperature by 50K. In the final step, a new calculation method was developed which enables the calculation of the heat flows without specifying a heat transfer coefficient in the CHT-Simulation. By this, the iterative determination of the final heat transfer coefficient isn’t needed anymore which leads to a clear reduction of the numerical effort. It could be shown that the new developed calculation method has a better agreement with test results over a wide map range than the approach with specifying a heat transfer coefficient. Only at highest pressure ratio, the standard approach shows a better agreement with the measured isentropic turbine efficiency by 2%-points. The phenomenological analysis of the heat flows showed that for a turbine inlet temperature of 800°C, the radiation portion is up to 75%. For a turbine inlet temperature of 200°C, the radiation portion is up to 45%