Zur Schallabstrahlung des Abgasturboladers in Abhängigkeit der Verdichter- und Turbinenanströmung
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Abstract
The use of exhaust gas turbochargers in modern engine concepts is essential to achieve high efficiencies, low fuel consumption, and low emissions. However, the very high rotational speeds, wide range of compression ratios and dynamic acceleration and deceleration processes cause both tonal and broadband sound radiation. Due to packaging constrains, the intake cycle is often characterised by deflections and cross section jumps. This leads to strong secondary flow at the inflow of the compressor. Therefore, the aim of this work is to systematically investigate the influence of the inflow conditions of the compressor and the turbine on the sound radiation of the exhaust gas turbocharger. Pressure pulsations generated on the turbine side, as they occur due to the valve lift in the engine, only have a minor influence on the sound radiation in the low-frequency range and can therefore be neglected. A flow deflection upstream of the compressor leads to a significant increase in the broadband flow noise at almost all operating points of the impeller. It is is caused by the secondary flow occurring after the deflection. The secondary flow consists of two counter-rotating vortices that lead to high positive and negative rotating components at the outer radii of the pipe cross section. Negative, counter-rotating whirl increases the high-frequency broadband component from 4 kHz in almost all operating points. In contrast to that, homogeneous compressor inflow leads to reduced flow separation and thus lower broadband sound radiation. The integration of suitable straighteners at the inflow of the compressor therefore has a positive effect on the noise reduction of the turbocharger. If the flow straighteners are designed with respect to a low pressure drop, the efficiency drops only slightly. Pre-guidance devices which reduce the secondary flow at the intake of the compressor therefore represent a promising way of reducing the noise emission of the exhaust gas turbocharger in a passenger car.
Abstract
Der Einsatz von Abgasturboladern ist in modernen Motorkonzepten unerlässlich, um hohe Wirkungsgrade, niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Emissionen zu realisieren. Die sehr hohen Drehzahlen, großen Verdichtungsverhältnisse und dynamischen Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge sorgen jedoch sowohl für tonale als auch breitbandige Schallabstrahlung. Aufgrund des engen Bauraums ist die Anströmung der Laufräder häufig von Umlenkungen und Querschnittssprüngen geprägt. Sie weist somit starke Sekundärströmungen auf. Daher ist es Ziel dieser Arbeit, den Einfluss der verdichter- und turbinenseitigen Anströmung der Laufräder auf die Schallabstrahlung des Abgasturboladers systematisch zu untersuchen. Turbinenseitige Druckpulsationen, wie sie aufgrund der Ventilhübe im Motor entstehen, beeinflussen die Schallabstrahlung nur geringfügig im niederfrequenten Bereich und können daher vernachlässigt werden. Eine Strömungsumlenkung vor dem Verdichter führt hingegen in nahezu allen Betriebspunkten des Laufrads zu einer deutlichen Erhöhung der breitbandigen Schallabstrahlung. Hierfür ist die nach der Umlenkung auftretende Sekundärströmung verantwortlich. Sie weist zwei gegenläufig exzentrisch rotierende Wirbel mit hohen Gleich- und Gegendrallanteilen an den äußeren Radien der Rohrströmung auf. Gegendrall erhöht den hochfrequenten Breitbandanteil ab 4 kHz in nahezu allen Betriebspunkten. Homogene Verdichteranströmungen führen hingegen zu geringeren Strömungsablösungen und somit niedrigerer breitbandiger Schallabstrahlung. Der Einbau geeigneter Gleichrichter in die Anströmung des Verdichters wirkt sich demnach positiv auf die Geräuschreduzierung des Turboladers aus. Sind die Gleichrichter zudem für einen niedrigen Druckverlust ausgelegt, sinkt der Wirkungsgrad nur geringfügig. Daher stellen Vorleiteinrichtungen, die die Sekundärströmung in der Ansaugung des Verdichters reduzieren, eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Schallabstrahlung des Abgasturboladers im Pkw zu reduzieren.