Die Auswahl eines Turboladers erfolgt anhand der Verdichter- und Turbinenkennfelder des Herstellers. Diese Kennfelder werden auf einem Prüfstand unter stationären Strömungsbedingungen gemessen.
In einem wirklichen Motor ist die Strömung zur Turbine nicht stationär: Bei jedem Öffnen eines Auslassventils trifft ein Druckstoß ein. Über den Zyklus wandert die Turbine durch verschiedene Punkte des Kennfelds, und der Zyklusmittelwert weicht von dem ab, was ein einzelner Kennfeldpunkt liefert.
Der Unterschied ist bei kleinen Motoren und besonders bei niedriger Drehzahl deutlich.
Das Turboloch ist ein Trägheitsproblem
Beim Gasgeben beschleunigt die Turbine nicht sofort: Das Trägheitsmoment des Laufzeugs wartet darauf, dass sich die Abgasenergie aufbaut. Die Verzögerung ist der Trägheit unmittelbar proportional — kleine, leichte Laufzeuge sprechen rasch an, begrenzen aber die Leistung bei hoher Drehzahl.
Das ist eine klassische Abwägung, und Aufgabe der Analyse ist es, sie zu beziffern.
Die thermische Seite nicht übersehen
Das Turbinengehäuse läuft auf Abgastemperatur, das Verdichtergehäuse vergleichsweise kühl; beide sitzen am selben Lagergehäuse. Der Lagerbereich liegt dazwischen, und die Öltemperatur ist ein kritisches Kriterium — eine Überhitzung verkokt das Öl und beendet die Lebensdauer des Lagers.
Das ist ein konjugiertes Problem: Gasseite, Metall und Ölkreislauf müssen gemeinsam gelöst werden. Beim Abstellen des Motors hört auch die Kühlung auf, und die Temperatur steigt kurzzeitig an (Wärmestau); dieser instationäre Vorgang muss gesondert untersucht werden. Siehe die Notiz zu stationär oder instationär.
Modellierung
Die Pumpgrenze auf der Verdichterseite. Siehe die Notiz zum Pumpen.
Pulsierende Strömung auf der Turbinenseite. Eine stationäre Rechnung bildet das Kennfeld nach; das Zyklusverhalten erfordert instationäre Randbedingungen.
Die Spiralgeometrie. Sowohl das Turbinen- als auch das Verdichterspiralgehäuse brechen die Gleichförmigkeit über den Umfang; ein periodisches Einkanalmodell kann diesen Effekt nicht sehen.
Referenzen
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605