Untersuchungen zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung mit Mehrkörperkontakten in Abgasturboladern

Abgasturbolader von Ottomotoren verfügen in vielen Fällen über ein Abblaseventil (Wastegate) zur Ladedruckregelung. Dieses meist lose gelagerte Ventil unterliegt aufgrund hoher Abgastemperaturen sowie der Beaufschlagung mit starken Druckpulsationen einer hohen Belastung, die sich in übermäßigem Verschleiß äußern kann.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, die eine effiziente Simulation der schädlichen Aufschlagschwingungen (impact oscillations) ermöglicht. Für große Öffnungswinkel und kleines mechanisches Spiel kommt dabei eine Ein-Wege-Kopplung zum Einsatz. Demgegenüber kommt für die umgekehrten Bedingungen, bei welchen eine Bewegung des Ventils signifikante Änderungen des Strömungsquerschnitts bewirkt, eine korrigierte Ein-Wege-Kopplung auf Basis von aerodynamischen Einflusskoeffizienten zum Einsatz. Hierdurch kann bei massiv reduziertem Rechenaufwand eine (dreidimensionale) Zwei-Wege-Kopplung praktisch gleichwertig ersetzt werden.

Die Validierung erfolgt experimentell bei kalter Strömung an generischen Ventilmodellen. Diese verfügen über eine unterschiedliche Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden, ferner können Drehzahl, Last und mechanisches Spiel variiert werden.

Experimentelle Untersuchungen unter realen Bedingungen werden an einem Vierzylindermotor durchgeführt, wobei besonders schädliche Betriebsbereiche identifiziert werden. Abhilfemaßnahmen werden simulativ genauer untersucht, wonach sich abschließend eingeschränkte Empfehlungen bezüglich einer Applikationsstrategie abgeben lassen. Die größte Herausforderung liegt dabei in der korrekten Detektion des tatsächlich vorliegenden Verschleißes, wofür sowohl geeignete Messtechnik verbaut als auch ein entsprechendes Verschleißmodell in der Motorsteuerung hinterlegt werden müssen.