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

Studienarbeit von Daniel Rössner

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.

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.

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 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.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 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 MechE (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.

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.

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.

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.

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.