Erstellung, Simulation und Auswertung eines Abgasturbolader-Konzepts an einem Formula-Student-Rennmotor, mit dem Simulationstool GT-Power

Inhalt

1. Einleitung

2. Zielsetzung

3.1 Konzept
3.2 Reglement
3.3 Motorenbeschränkung
3.4 Kraftstoffe
3.5 Vergaser/Drosselklappe
3.6 Drossel (Restriktor) im Ansaugsystem
3.7 Turbolader und Kompressoren
3.8 Abgassystem
3.9 Bewertungskategorien
3.10 Beschreibung der dynamischen Events
3.10.1 Beschleunigungsrennen
3.10.2 Skid-Pad
3.10.3 Autocross
3.10.4 Ausdauerrennen (Endurance)
3.10.5 Wirtschaftlichkeit / Kraftstoffverbrauch

4. Historie und Hintergrund der Abgas-turboaufladung von Verbrennungs- motoren
4.1 Die Anfänge der Abgasturboaufladung
4.2 Wirkungsweise von Abgasturboladern
4.3 Technischer Fortschritt der Turboaufladung

5. Aufladung eines Luftmengenbe-grenzten Motors (Restriktormotor)
5.1 Begriffsklärung
5.1.1 Prinzipieller Aufbau / Strömungstechnischer Hintergrund
5.2 Zielsetzung für die Aufladung eines Restriktormotors
5.3 Turbinenkennfeld
5.4 Kompressorkennfeld
5.4.1 Pumpgrenze / Surge line
5.4.2 Stopfgrenze / Chocke line
5.5 Auswahl eines geeigneten Abgasturboladers
5.6 Der Restriktormotor im Einsatz bei der Formula Student

6. Modellierung eines Simulations-modells mit GT-Power
6.1 Das Softwaretool GT-Suite
6.2 Berechnungsmethodik von GT-Power
6.2.1 Berechnung von Reibungsverlusten in Rohrsystemen
6.2.2 Berechnung der Wärmeübertragung
6.2.3 Berechnung der Druckverluste:
6.3 Modellierung des Motorkonzepts
6.3.1 Ausgangslage
6.3.2 Modellierung des Motors
6.3.3 Modellierung des Abgassystems (AGA) inkl. Abgasturbine
6.3.4 Modellierung des Ansaugsystems inkl. Verdichter & Ladeluftkühler
6.4 Verifizierung des Simulationsmodells
6.4.1 Verifizierung anhand Leistungsdiagramm
6.5 Bedatung Turbine und Kompressor
6.6 Randbedingungen der Simulation
6.7 Durchführung der Simulation für Anpassungen am Simulationsmodell
6.8 Inbetriebnahme Wastegateregelung
6.8.1 Begriffsklärung Ladedruckregelung / Wastegateregelung
6.8.2 Prinzipieller Aufbau einer Wastegateregelung
6.8.3 Reglerauslegung des PI-Reglers
6.9 Anpassung der Verdichtung
6.10 Ermittlung der optimalen Krümmerquerschnittsdurchmesser
6.11 Auswahl eines geeigneten Abgasturboladers
6.11.1 Auswahl nach Kompressorkennfeld
6.11.2 Auswahl nach Turbinenkennfeld
6.12 Vorauswahl Turbolader
6.12.1 Garrett GT12
6.12.2 MHI TD025S-2
6.13 Zusammenwirken von Motor und Abgasturbolader

7.1 Kraftstoffkennfeld / Kraftstoffverbrauch
7.2 Abgasgegendruck
7.3 Temperaturen an Kompressor und Turbine
7.3.1 Temperaturkennfeld Turbine
7.3.2 Temperaturverläufe Kompressor bei Vollast
7.3.3 Temperaturverläufe Turbine bei Vollast
7.3.4 Temperaturverlauf Ladeluftkühler (LLK)
7.4 Wirkungsgradvergleich Antriebsaggregat
7.4.1 Induzierter Wirkungsgrad
7.4.2 Effektiver Wirkungsgrad
7.5 Machzahl am Restriktor
7.6 Dynamisches Verhalten des Systems Turbolader-Motor
7.7 Erstellung Drehmoment / Leistungskurve
7.8 Entscheidungsfindung Abgasturbolader

8. Zusammenfassung und Ausblick
8.1 Zusammenfassung
8.2 Ausblick
8.2.1 Schubumluft
8.2.2 Variable Turbinen Geometrie - VTG

9. Formelzeichen und Abkürzungen

10. Abbildungsverzeichnis

11. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Die Automobilindustrie benötigt sehr gut ausgebildete Ingenieure, um den wachsenden Anforderungen hinsichtlich Abgasnormen, Kraftstoffverbrauch, Crashsicherheit und Motorleistung gerecht zu werden.

Um angehende Ingenieure so früh wie nur möglich für das Aufgabengebiet des Ingenieurs vorzubereiten, wurde im Jahre 2006 die „Formula-Student-Germany“ durch den Verein Deutscher Ingenieure (kurz VDI) ins Leben gerufen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Hochschule Ulm nimmt dieses Jahr zum 4. Mal an dem Event, welcher auf dem Hockenheimring ausgetragen wird, teil. Um das bisher erfolgreichste Jahr 2008 nochmals zu verbessern, soll der Zweizylinder - Motor mit einer Aufladung betrieben werden, um das Leistungsdefizit gegenüber den japanischen Vierzylindermotoren auszugleichen.

Nach sorgfältiger Abwägung der verschiedenen Aufladekonzepte (Kompressor, Abgasturbolader, Resonanzaufladung, usw…) wurde hinsichtlich Manpower, Konstruktionsaufwand, Leistungssteigerung und Kosten beschlossen, die Abgasturboaufladung näher zu betrachten.

Die Betrachtung erfolgt mit dem bei Motorherstellern weit verbreiteten Simulationstool GT-Power der Firma Gammatech. Das Simulationsprogramm erlaubt eine Abschätzung hinsichtlich Leistungs- / Drehmomentpotential, ebenfalls liefert das Programm beispielsweise Daten wie Einspritzmengen oder Luftmassenströme, die als Iterationspunkt für die Applikation des Turbosystems genutzt werden können.

2. Zielsetzung

Der Zweizylinder Motorradmotor des aktuellen Fahrzeugs soll mit einer Abgasturboaufladung versehen werden. Wie bereits oben erwähnt soll dieses Konzept aufgrund der bereits genannten Aspekte näher untersucht werden. Ziel dieser Studienarbeit soll es sein, mit Hilfe des Simulationstools GT-Power ein Simulationsmodell des gesamten Systems (Motor, Abgasturbolader, Ansaugsystem, Abgassystem, etc.) zu erstellen, und folgende Punkte zu ermitteln:

- ein geeignetes Ladedruckregelsystem
- notwendige Verdichtungsreduktion hinsichtlich max. Zylinderdruck
- die optimalen Krümmerquerschnittsdurchmesser

Darüber hinaus sollen zwei in Frage kommende Abgasturbolader miteinander verglichen werden. Hierbei werden die Lader hinsichtlich nachfolgender Punkte untersucht:

- Verbrauchskennfeld / spez. Kraftstoffverbrauch
- Temperaturkennfeld Turbineneintritt
- Effizienzvergleich Antriebsaggregat
- Beschleunigungsverhalten der Turbolader
- Drehmoment- & Leistungskurve des aufgeladenen Motors

Mit der schriftlichen Ausarbeitung dieser Studienarbeit soll den kommenden Teammitgliedern das Potential dieses Simulationstools aufgezeigt, sowie die Untersuchung des Abgasturboladersystems für den Designreport^[1] festgehalten werden.

Es ist darauf hinzuweisen, dass bei dieser Arbeit, bei Daten die nicht ermittelt wurden, die in den Tutorials als „Standardwerte“ bezeichnet werden, verwendet wurden. Dies betrifft sämtliche Wäremübertragungsvorgänge im Brennraum, sowie die Rohrrauigkeiten im Ansaug-/ Abgassystem.

3. Formula Student

Im Folgenden wird auf das Konzept und das Reglement der Formula Student Rennserie eingegangen.

3.1 Konzept

In den USA rief die "Society of Automotive Engineers" (SAE) 1981 die "Formula SAE®" ins Leben, an der jedes Jahr rund 140 Studententeams aus der ganzen Welt teilnehmen. Seit 1998 veranstalten SAE und IMechE (Institution of Mechanical Engineers) in England die "Formula Student", zu der jährlich etwa siebzig Teams anreisen. In Australien kamen 2006 rund dreißig Teams zur sechsten "Formula SAE-Australasia®" zusammen. Auch in Italien, Japan und Brasilien treten heute junge Ingenieure gegeneinander an. Das deutsche Pendant hierzu, die Formula Student Germany, wird vom Verein Deutsche Ingenieure (VDI) ausgetragen. Seit 2006 treffen sich jedes Jahr im Spätsommer Studenten aus aller Welt für fünf Tage am Hockenheimring, um in Formel 1-Atmosphäre ihre Konstruktionen miteinander zu messen und dabei der Industrie ihre Leistungsfähigkeit zu zeigen. Die Wettbewerbe werden bis auf wenige Modifikationen nach denselben Regeln ausgetragen, so dass Teams mit ihren Rennwagen an mehreren Veranstaltungen teilnehmen können. Bei dieser studentischen Rennserie bauen angehende Ingenieure einen einsitzigen Formel-Rennwagen, mit dem sie gegen andere Teams aus aller Welt antreten. Der Wettbewerb wird nicht einzig und allein von dem schnellsten Fahrzeug gewonnen, sondern von dem Team mit dem besten Gesamtpaket aus Konstruktion, Performance, Finanz- und Verkaufsplan. Der Anspruch der Formula Student ist die Ergänzung des Studiums, um intensive Erfahrungen mit Konstruktion und Fertigung sowie mit den wirtschaftlichen Aspekten des Automobilbaus. Im Sinne dieser Zielsetzung sollen die Studenten annehmen, eine Produktionsfirma habe sie engagiert, um einen Prototypen zur Evaluation herzustellen. Zielgruppe ist der nicht-professionelle Wochenendrennfahrer. Dazu muss der Rennwagen beispielsweise sehr gute Fahreigenschaften hinsichtlich Beschleunigung, Bremskraft und Handling aufweisen. Der Monoposto soll wenig kosten, zuverlässig und einfach zu betreiben sein. Zusätzlich wird sein Marktwert durch andere Faktoren wie Ästhetik, Komfort und den Einsatz üblicher Serienteile gesteigert. Die Herausforderung für die Teams besteht darin, einen Prototyp zu konstruieren und zu bauen, der diesen Anforderungen am besten entspricht. Zur Ermittlung des besten Fahrzeugs bewertet zum einen eine Jury aus Experten der Motorsport-, Automobil- und Zulieferindustrie jede Konstruktion, jeden Kostenplan und jede Verkaufspräsentation im Vergleich zu den konkurrierenden Teams. Zum anderen beweisen die Studenten auf der Rennstrecke in verschiedenen Disziplinen, wie sich ihre selbstgebauten Boliden in der Praxis bewähren.

3.2 Reglement

Das Reglement umfasst nicht nur die technischen Vorgaben, die zum Bau eines Formula Student Rennautos benötigt werden, es beinhaltet auch allgemeine Bestimmungen zur Teilnahme, Verhalten während des Events etc.. Es wird jedoch lediglich auf die für den Bereich Motor, hinsichtlich des Designs der Ansaug- und Abgassystems, geltenden Regeln eingegangen.

3.3 Motorenbeschränkung

Der verwendete Antriebsmotor muss ein 4-Takt-Hubkolbenmotor mit einem Hubraum von maximal 610 ccm sein. Dieser kann innerhalb der Einschränkungen des Regelwerks modifiziert werden. Falls mehr als ein Motor eingesetzt wird, darf der Gesamthubraum die Grenze von 610 ccm nicht überschreiten und weiterhin muss der gesamte Luftansaugstrom durch eine einzige Drossel geleitet werden.

3.4 Kraftstoffe

Während aller Performance-Events muss das Fahrzeug mit den von dem Organisator bereitgestellten Kraftstoffen betrieben werden. Es darf nichts zu den vorgesehenen Kraftstoffen hinzugefügt werden. Dieses Verbot beinhaltet Lachgas und alle anderen verbrennungsfördernden Mittel. Die Formula SAE wird unverbleiten Kraftstoff mit 94 bzw. 100 Oktan und E-85 (Gemisch aus 85 % Ethanol und 15 % Benzin) bereitstellen. Die Temperatur des in das Kraftstoffsystem eingeleiteten Benzins darf, mit der Absicht, den berechneten Kraftstoffverbrauch zu verbessern, nicht verändert werden. Keine Mittel außer den besagten Kraftstoffen und der angesaugten Luft dürfen in den Brennraum eingebracht werden. Das Nichtbefolgen dieser Regel ist ein Grund für eine Disqualifikation. Offizielle behalten sich das Recht vor, das Öl zu kontrollieren.

3.5 Vergaser/Drosselklappe

Das Fahrzeug muss mit einem Vergaser oder einer Drosselklappe ausgestattet sein. Der Vergaser oder die Drosselklappe dürfen jeglicher Größe oder Design entsprechen. Die Drosselklappe muss mechanisch betätigt werden, z. B. über ein Seil oder Stabsystem. Die Verwendung einer „Electronic-Throttle-Control“ (elektronische Drosselklappenansteuerung) oder „Drive-by-Wire“ (Steuerung des Fahrzeugs ohne mechanische Kraftübertragung) ist nicht erlaubt.

3.6 Drossel (Restriktor) im Ansaugsystem

Um die Leistungsfähigkeit des Motors zu begrenzen, muss eine einzelne kreisförmige Drossel im Ansaugsystem zwischen der Drosselklappe und dem Motor platziert werden. Der gesamte Motorluftstrom muss durch diese eine Drossel geleitet werden. Der maximal erlaubte Durchmesser der Drossel ist:

Für: Benzinbetriebene Fahrzeuge 20 mm

E-85-betriebene Fahrzeuge 19 mm

Die Drossel muss so angebracht werden, um Messungen während des Inspektionsprozesses zu erleichtern. Der kreisförmige Drosselquerschnitt darf nicht beweglich oder elastisch sein, d. h. die Drossel darf nicht Teil eines verstellbaren Bereichs des Drosselklappenkörpers sein. Wird mehr als ein Motor verwendet, so muss die Ansaugluft für alle Motoren durch eine Drossel geleitet werden.

3.7 Turbolader und Kompressoren

Turbolader und Kompressoren sind erlaubt, wenn der Wettbewerber die Applikation selbst vornimmt. Motoren, die für die Anwendung mit einem Turbolader vorgesehen sind bzw. serienmäßig mit einem Turbolader ausgeliefert werden, sind für den Wettbewerb nicht zugelassen. Der Restriktor muss dem Kompressor vorgeschaltet sein, jedoch hinter dem Vergaser oder der Drosselklappe angebracht werden. Folglich ist die einzig erlaubte Reihenfolge:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Anordnung der Drosselklappe und des Restriktors

Es darf ausschließlich Umgebungsluft für die Kühlung des Ladeluftkühlers verwendet werden.

3.8 Abgassystem

Das Fahrzeug muss mit einem Schalldämpfer in der Abgasanlage zur Reduzierung des Schalldruckpegels auf ein akzeptables Level ausgestattet sein. Der maximal erlaubte Schalldruckpegel beträgt 110 db(A).

3.9 Bewertungskategorien

Die Autos werden in einer Reihe von statischen und dynamischen Events bewertet. Hierzu gehören: technische Inspektion (Voraussetzung, um an den dynamischen Events teilnehmen zu dürfen), Kosten, Präsentation, konstruktive Gestaltung, Einzelperformance, High-Performance-Dauertest. Diese Events werden bepunktet, um die Leistungsfähigkeit des Autos zu ermitteln.

Folgende Punkte können erreicht werden:

Tabelle 1 Punktevergabe Formula-Student 2009

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.10 Beschreibung der dynamischen Events

Die dynamischen Events setzten sich aus fünf Veranstaltungen zusammen. Auf diese Veranstaltungen und ihre Bewertungskriterien wird nun im Einzelnen eingegangen.

3.10.1 Beschleunigungsrennen

Das Beschleunigungsrennen bewertet die Beschleunigung des Fahrzeugs auf einer geraden, ebenen Fahrbahn. Die Autos beschleunigen aus dem Stand heraus über eine Distanz von 75 m. Der Fahrer hat die Möglichkeit pro Durchgang zweimal in Folge zu fahren. Es werden zwei Durchgänge gefahren. In jedem Lauf muss ein anderer Fahrer an den Start gehen. Für diesen Event werden 75 Punkte vergeben. Folgende Formel wird zur Berechnung der zu vergebenden Punkte verwendet:

Erzielte Punktezahl Accelertion = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (1)

Tyour: schnellste gefahrene Zeit des jeweiligen Teams incl. eventueller Strafzeiten

Tmin: Zeit des schnellsten Fahrzeugs

Die höchste akzeptierte Beschleunigungszeit ist 5,8 Sekunden, was einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 46,55 km/h entspricht. Es gibt keine Punktabzüge für schlechtes Fahrverhalten. Für das Beenden eines Laufs werden 3,5 Punkte (zweiter Term in obiger Formel) vergeben, unabhängig von der erzielten Zeit.

3.10.2 Skid-Pad

Das Ziel der Skid-Pad-Veranstaltung ist es, das Kurvenverhalten des Fahrzeugs auf einer ebenen Fläche bei einer Kreisfahrt mit konstantem Radius festzustellen. Es gibt zwei Kreise mit einem Durchmesser von je 15,25 m mit der Form einer Acht. Die Mittelpunkte jener Kreise haben einen Abstand von 18,25 m. Die Fahrbahn mit einer Breite von 3,0 m wird mittels Pylonen und einer Kreidelinie an der Außenseite der Pylonen markiert. Eine Runde wird definiert mit dem Umfahren eines Kreises, beginnend mit der Start-/Ziellinie bis zurück zur Start-/Ziellinie. Die Fahrzeuge werden zuerst eine volle Runde auf dem rechten Kreis fahren. Die nächste Runde findet ebenfalls auf dem rechten Kreis statt. Nun wird allerdings die Zeit gestoppt. Gleich nach der zweiten Runde wird das Fahrzeug in den linken Kreis für die dritte Runde einfahren. Die vierte Runde findet bei Zeitaufzeichnung auf dem linken Kreis statt. Der Fahrer hat die Möglichkeit, einen zweiten Lauf direkt im Anschluss an den ersten zu machen. Die erzielten Rundenzeiten des linken und rechten Kreises werden gemittelt. Folgende Formel wird zur Berechnung der zu vergebenden Punkte verwendet:

Erzielte Punktezahl Skid-Pad = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2)

Tyour: Durchschnittszeit der besten Runde auf dem linken und rechten Kreis inklusive Strafzeiten

Tmin: Rundenzeit des besten Fahrzeugs

Die maximal erlaubte Zeit pro Kreisfahrt, um Performance-Punkte zu erzielen, ist 6,184 Sekunden. Es gibt keinen Punktabzug für schlechte Performance. Beendet ein Fahrzeug einen Lauf mit Überschreitung der 6,184 Sekundenschwelle pro Kreisfahrt und wird nicht als „Nicht beendet“ eingestuft, erhält es 2,5 Punkte.

3.10.3 Autocross

Das Ziel des Autocross ist es, die Manövrierfähigkeit und die Handlingeigenschaften auf einem engen Kurs ohne die Behinderung konkurrierender Fahrzeuge zu bewerten. Es werden zwei Durchgänge mit unterschiedlichen Fahrern gefahren. Der Fahrer hat die Möglichkeit einen zweiten Lauf direkt im Anschluss an den Ersten zu machen.

Aufbau der Stre>bzw. nicht länger als 45 m mit großen Kurven an den Enden

Konstante Kurven: 23 m bis 45 m Durchmesser

Haarnadelkurven: mindestens 9 m Außendurchmesser

Slaloms: Pylonen mit einem Abstand von 7,62 m bis 12,19 m

Verschiedenes: Schikanen, Mehrfachkurven, sich verengende Kurven etc.

Mindestbreite der Strecke 3,5 m

Die Streckenlänge beträgt etwa 0,8 km.

Folgende Formel wird zur Berechnung der zu vergebenden Punkte verwendet:

Erzielte Punktezahl Autocross = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3)

Tyour: ist die niedrigste korrigierte Rundenzeit in einem der beiden Läufe für das zu bewertende Team

Tmin: ist die niedrigste korrigierte (incl. Strafzeiten) Rundenzeit eines Mitbewerbers in einem der beiden Läufe

Tmax: entspricht 125 % von Tmin

Punktabzüge für schlechte Performance werden nicht vergeben. Für das Beenden eines Laufs werden 7,5 Punkte vergeben, unabhängig davon, ob Tyour die 125 % der schnellsten Rundenzeit übersteigt.

3.10.4 Ausdauerrennen (Endurance)

Info: Das Ausdauerrennen und der Kraftstoffverbrauch sind unterschiedliche Veranstaltungen, obwohl sie gleichzeitig stattfinden. Der Endurance Event wird durchgeführt, um die Gesamtperformance des Fahrzeugs und dessen Zuverlässigkeit zu bewerten.

Rennbahn – Spezifikationen und Geschwindigkeiten:

Die Durchschnittsgeschwindigkeit sollte 48- bis 57 km/h mit Spitzengeschwindigkeiten bis ca. 105 km/h betragen.

Die Geraden: nicht länger als 77 m mit Haarnadelkurven an beiden Enden bzw. nicht länger als 61 m mit großen Kurven an den Enden; es wird Überholmöglichkeiten an mehreren Stellen geben.

Konstante Kurven: 30 m bis 54 m Durchmesser

Haarnadelkurven: mindestens 9 m Außendurchmesser

Slaloms: Pylonen mit einem Abstand von 9,0 bis 15,0 m

Verschiedenes: Schikanen, Mehrfachkurven, sich verengende Kurven etc.

Mindestbreite der Strecke 4,5 m

Allgemeiner Ablauf:

Der Wettbewerb wird als einzelnes 22 km Rennen durchgeführt. Den Teams ist es

nicht erlaubt, während dem Durchgang an ihren Fahrzeugen zu arbeiten. In der Mitte des Rennens muss während einer dreiminütigen Pause ein Fahrerwechsel stattfinden. Während dem Ausdauerrennen ist das Auftanken verboten. Ein Rad an Rad Rennen ist verboten. Überholen eines anderen Fahrzeugs ist nur in den vorgesehenen Überholzonen oder unter Aufsicht eines Streckenpostens erlaubt. Falls es ein Fahrzeug nicht schafft, eine Rundenzeit von 133 % der schnellsten Rundenzeit zu fahren, muss es sofort die Rennstrecke verlassen. Folgende Formel wird zur Berechnung der zu vergebenden Punkte verwendet:

Erzielte Punktezahl Endurance = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (4)

Tyour > Tmax: à Endurance-Punkte = 0

Tyour: ist die gemeinsame korrigierte (incl. Strafzeiten) Zeit beider Fahrer

Tmin: ist die niedrigste korrigierte Zeit des schnellsten Teams der Veranstaltung

Tmax: basiert auf 75 % der Durchschnittsgeschwindigkeit des schnellsten Teams der Veranstaltung und entspricht somit 1,333´ T min

Ein Fahrzeug erhält 50 Punkte für das Beenden des Ausdauerrennens, falls die Zeit incl. Strafzeiten niedriger oder gleich der maximal erlaubten Zeit ist. Bei Übersteigen des Kraftstoffverbrauchs von 26 Liter/100 km werden 4 Minuten Zeitstrafe aufgeschlagen.

3.10.5 Wirtschaftlichkeit / Kraftstoffverbrauch

Der Kraftstoffverbrauch wird in Verbindung mit dem Ausdauerrennen gemessen. Im Reglement 2009 wird dieser Bewertungspunkt von 50 Punkten 2008, auf 100 Punkte 2009 höherer gewichtet, um auf die aktuelle Diskussion über Kraftstoffeffizienz in die Wettbewerbe mit aufzunehmen.

Der Kraftstoffverbrauch unter Rennbedingungen ist in vielen Rennarten wichtig und zeigt außerdem wie gut das Fahrzeug für den Wettkampf abgestimmt worden ist. Dies ist eine Kompromissveranstaltung, da die Punkte des Kraftstoffverbrauchs und die Punkte des Ausdauerrennens aus dem gleichen Durchgang ermittelt werden. Folgende Formel wird zur Berechnung der zu vergebenden Punkte verwendet:

Erzielte Punktezahl Kraftstoffverbrauch = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (5)

Vyour: ist das Kraftstoffvolumen, das von dem jeweiligen Team verbraucht wurde

Vmin: ist das geringste Kraftstoffvolumen, das von einem Wettbewerber verbraucht wurde

Vmax: entspricht 5,72 Liter und wird angepasst, so dass es 26 Liter/100 km

repräsentiert, falls der Kurs verlängert oder verkürzt wird

Die Punkte für den Verbrauch basieren auf dem Durchschnittsverbrauch pro Kilometer, der während des Ausdauerrennens erzielt wird. Das Volumen von E85 wird durch einen Korrekturfaktor von 1,4 geteilt, um das äquivalente Kraftstoffvolumen zu erhalten. Dieser Korrekturfaktor ist gleich dem Verhältnis der Energie pro Volumeneinheit von Benzin zu E85. Fahrzeuge die während dem Ausdauerrennen mehr als 5,72 Liter Kraftstoff verbrauchen oder deren korrigierte Zeit über 1,333 x Tmin liegt erhalten Null Punkte.

4. Historie und Hintergrund der Abgas-turboaufladung von Verbrennungs- motoren

Dieser Abschnitt befasst sich mit der Geschichte sowie mit den technischen Hintergründen der Aufladung an Hubkolben-Verbrennungsmotoren. Außerdem wird auf den aufgeladenen Restriktormotor als Spezialfall im Einsatzbereich der Formula-Student eingegangen.

4.1 Die Anfänge der Abgasturboaufladung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Entwicklung der Abgasturboaufladung ist eng mit dem Namen und Patenten des Schweizer Ingenieurs Alfred Büchi verknüpft. 1905 erhielt Büchi ein Deutsches Reichs- patent (DRP) mit der Nummer 204 640 auf eine Maschinenanlage, bei der ein mehrstufiger Axialverdichter, ein Viertakt-Dieselmotor und eine mehrstufige Abgasturbine durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind, ( Abbildung 3 ). Die von außen angesaugte Luft sollte im Axialverdichter verdichtet, die Auspuffgase hinter dem Motor auf Expansionsenddruck im Zylinder aufgestaut werden. Hierdurch sollte die gesamte Arbeit gewonnen werden, die sonst bei der Expansion über die Auspuffgase verloren geht. Dieser Gewinn ist auf dem von Büchi angegebenen Wege zwar theoretisch möglich, dem Aufstauen bis auf Expansionsenddruck stehen aber zum einen entgegen, dass die Ausschubarbeit, die der Zylinder beim Ausstoßtakt leisten muss, dadurch stark erhöht wird, zum anderen durch das Aufstauen die Restgasmenge im Zylinder stark ansteigt und somit die Ladungsmenge des Frischgases wesentlich verkleinert wird.

Die ersten Versuche hat Büchi in den Jahren 1911 bis 1914 in der Maschinenfabrik der Gebrüder Sulzer in Winterthur durchgeführt. Die Abbildung 4 zeigt das Schema der Anlage, ( Abbildung 4 ). Um Erkenntnisse auf möglichst breiter Basis zu gewinnen, war der Verdichter fremd angetrieben, die Auspuffgase des Dieselmotors wurden einer Abgasturbine zugeführt, die getrennt vom Motor abgebremst werden konnte. Hierdurch ließen sich Aufladedruck, Luftmenge und Temperaturen beliebig einstellen und deren Einfluss auf Leistung und Wirkungsgrad überprüfen. Die Ideen Büchis wurden zunächst nicht praktisch ausgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Erkenntnisse aus den Versuchen mögen aber Büchi zu einem abgewandelten Verfahren geführt haben, welches er in der Schweiz im Jahre 1915 anmeldete. Die Merkmale dieses Verfahrens waren, dass der Ladedruck bei voller Belastung höher ist als der Druck vor der Turbine und dass eine Ventilüberschneidung angewendet wird, die durch gleichzeitiges Offenhalten von Einlass- und Auslassventil gekennzeichnet ist. Mit Hilfe dieser Ventilüberschneidung und durch das Druckgefälle zwischen Ladedruck und Druck vor der Turbine sollten am Ende des Ausschubes die Restgase aus dem Zylinder heraus gespült werden. Nach erfolgreicher Patentschrift in der Schweiz wurde 1915 ebenfalls eine Patentschrift in Deutschland eingereicht und genehmigt.

Dieses Verfahren konnte Büchi während und nach dem ersten Weltkrieg zunächst nicht praktisch umsetzen, jedoch wurde im Jahre 1923 durch das deutsche Verkehrsministerium die Frage der Abgasturboaufladung neu aufgegriffen. Für zwei Passagierschiffe, die Motorschiffe „Preußen“ und „Hansestadt Danzig“ wurde durch Büchi eine Abgasturboaufladung konzipiert, durch die die Leistung der beiden Zehnzylinder-Diesel-Viertaktmotoren – je Schiff – von ursprünglich 1750 auf über 2500 PS gesteigert wurden konnten. Besonderheit des Systems war eine Umschaltklappe in der Auspuffleitung, die Motor und Abgasturbolader verband, sodass die Motoren auch ohne Aufladung betrieben werden konnten. Bei den Ausführungen auf der „MS Preußen“ und „MS Hansestadt Danzig“, welche beide baugleich waren, handelte es sich um die erste erfolgreiche Anwendung der Abgasturbo-Aufladung überhaupt.

4.2 Wirkungsweise von Abgasturboladern

Büchis erste Versuche, die im Abgas gespeicherte kinetische und thermische Energie, die Enthalpie, in Nutzarbeit umzuwandeln, lässt sich am besten anhand des p-V-Diagramms bzw. des h-s-Diagramms aufzeigen.

[...]

^[1] Bewertungskriterium der Formula-Student, wobei die Konstruktion bzw. die Ausarbeitung eines Konzeptes bewertet wird.