Dissertations / Theses on the topic 'Variable geometry turbocharger'

This article describes the first development phase of a centrifugal compressor with variable geometry which is designed to match the needs of future heavy-duty engines. Requirements of truck engines are analyzed, and their impact on the properties of the compressor map is evaluated in order to identify the most suitable kind of variable geometry. Our approach utilizes the transformation of engine data into pressure ratio and mass flow coordinates that can be displayed and interpreted using compressor maps. One-dimensional and three-dimensional computational fluid dynamics fluid flow calculations are used to identify loss mechanisms and constraints of fixed geometry compressors. Linking engine goals and aerodynamic objectives yields specific recommendations on the implementation of the variable geometry compressor.

This article describes the first development phase of a centrifugal compressor with variable geometry which is designed to match the needs of future heavy-duty engines. Requirements of truck engines are analyzed, and their impact on the properties of the compressor map is evaluated in order to identify the most suitable kind of variable geometry. Our approach utilizes the transformation of engine data into pressure ratio and mass flow coordinates that can be displayed and interpreted using compressor maps. One-dimensional and three-dimensional computational fluid dynamics fluid flow calculations are used to identify loss mechanisms and constraints of fixed geometry compressors. Linking engine goals and aerodynamic objectives yields specific recommendations on the implementation of the variable geometry compressor.

Variable Geometry Turbochargers (VGT) are widely used to improve engine-turbocharger matching and currently common in diesel engines. VGT has proven to provide air boost for wide engine speed range as well as reduce turbo-lag. This thesis presents the design and experimental evaluation of a variable geometry mixed flow turbocharger turbine. The mixed flow rotor used in this study consists of 12 blades with a constant inlet blade angle of +20°, a cone angle of 50° and a tip diameter of 95.2mm. A variable geometry stator has been designed within this work, consists of 15 vanes fitted into a ring mechanism with a pivoting range between 40° and 80°. A novel nozzle vane was designed to have 40° lean stacking (from the axial direction). This geometrically achieves 3-dimensional match with the mixed flow rotor and aims to improve the turbine stage performance. A conventional straight nozzle vane was also constructed in order to have a comparative design to assess the benefits of the new lean vane. The steady flow performance results are presented for vane angle settings of 40°, 50°, 60°, 65° and 70° over a non-dimensional speed range of 0.833-1.667. The tests have been carried out with a permanent magnet eddy current dynamometer within a velocity ratio range of 0.47 to 1.09. The optimum efficiency of the variable geometry turbine was found to be approximately 5 percentage points higher than the baseline nozzleless unit. The peak efficiency of the variable geometry turbine corresponds to vane angle settings between 60° and 65°, for both the lean and straight vanes. The maximum total-to-static efficiency of the turbine with lean vanes configuration was measured to be 79.8% at a velocity ratio of 0.675. The equivalent value with straight vanes configuration is 80.4% at a velocity ratio of 0.673. The swallowing capacity of the turbine was shown to increase with the lean vanes, as much as 17% at 70° vane angle and pressure ratio of 1.7. The turbine pulsating flow performance is presented for 50% and 80% equivalent speed conditions and a pulse frequency range of 20-80 Hz, these frequencies correspond to an engine speed range of 800-3200 RPM respectively. The turbine was observed to go through a period of choking within a pulse for vane angle settings between 60°-70°. The unsteady efficiency of a nozzled turbine was found to exhibit larger deviation from the quasi-steady curve compared to a nozzlesless turbine, by as much as -19.4 percentage points. This behaviour was found to be more pronounced towards the close nozzle settings, where the blockage effect is dominant. The nozzle ring was also shown to act as a 'restrictor' which shields the turbine rotor from being completely exposed to the unsteadiness of the flow. This coupled with the phase shifting ambiguity was shown to result in the inaccuracy of the point-by-point instantaneous efficiency; where as much as 25% of a cycle exhibits instantaneous efficiency above unity. Finally the turbine was tested by adapting to the pulsating flow (20-60 Hz) by cyclic variation in the opening and closing of the nozzle vanes, called Active Control Turbocharger (A.C.T.). The nozzle vane operating schedules for each pulse period were evaluated experimentally in two general modes; natural oscillating opening/closing of the nozzle vanes due to the pulsating flow and the forced sinusoidal oscillation of the vanes to match the incoming pulsating flow. The spring stiffness was found to be a dominant factor in the effectiveness of the natural oscillation mode. In the best setting, the turbine energy extraction was shown to improve by 6.1% over a cycle for the 20 Hz flow condition. In overall it was demonstrated an optimum A.C.T. operating condition could be achieved by allowing the nozzle ring to oscillate naturally in pulsating flow, against an external spring pre-load, which eliminates the use of complex mechanism and external drive. However, the current result suggest the benefits of A.C.T. are best realised in large low speed engines.

The choice of technology for automotive actuators is driven by the need of high power to size ratio. In general, electro-pneumatic actuators are preferred for application around the engine as they are compact, powerful and require simple controlling devices. Specially, Variable Geometry Turbochargers (VGTs) are almost always controlled with electro-pneumatic actuators. This is a challenging application because the VGT is an important part of the engine air path and the latter is responsible for intake and exhaust air quality and exhaust emissions control. With government regulations on vehicle pollutant emissions getting stringent by the year, VGT control requirements have also increased. These regulations and requirements can only be fulfilled with precise dynamic control of the VGT through its actuator. The demands on actuator control include robustness against uncertainty in operating conditions, fast and smooth positioning without vibration, limited number of measurements. Added constraints such as nonlinear dynamic behavior of the actuator, friction and varying aerodynamic forces in the VGT render classical control methods ineffective. These are the main problems that form the core of this thesis.In this work, we have addressed the above mentioned problems, using model based control complemented with robust control methods to overcome operational uncertainties and parametric variations. In the first step, a detailed physical model of an electro-pneumatic actuator has been developed; taking into account the nonlinear characteristics originating from air compressibility and friction. Means to compensate for aerodynamic force have been studied and implemented in the next step. These include model parametric adaptation and one dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling. The complete model has been experimentally validated and a sensitivity analysis has been conducted to identify the parameters which have the greatest impact upon the actuator's behavior. The detailed simulation model has then been simplified to make it suitable for control purposes while keeping its essential behavioral characteristics (i.e. transients and dynamics). Next, robust controllers have been developed around the model for the control objective of accurate actuator positioning in presence of operational uncertainty. An important constraint in commercial actuators is that they provide output feedback only, as they are only equipped with low-cost position sensors. This hurdle has been overcome by introducing observers in the control loop, which estimate other system states from the output feedback. The estimation and control algorithms have been validated in simulation and experimentally on diesel engine test benches.

Engine control systems aim to ensure satisfactory output performance whilst adhering to requirements on emissions, drivability and fuel efficiency. Model predictive control (MPC) has shown promising results when applied to multivariable and nonlinear systems with operational constraints, such as diesel engines. This report studies the torque generation from a mean-value heavy duty diesel engine with exhaust gas recirculation and variable-geometry turbocharger using state feedback linearization based MPC (LMPC). This is accomplished by first introducing a fuel optimal reference generator that converts demands on torque and engine speed to references on states and control signals for the MPC controller to follow. Three different MPC controllers are considered: a single linearization point LMPC controller and two different successive LMPC (SLMPC) controllers, where the controllers are implemented using the optimization tool CasADi. The MPC controllers are evaluated with the World Harmonized Transient Cycle and the results show promising torque tracking using a SLMPC controller with linearization about reference values.

The goal is to measure the temperature of the turbocharger after engine shutdown.Measurements wants to show the need to keep a car engine to cool after a heavier burden on the idle speed. It would also prevent possible disruptions turbocharger. The paper also deals with the problems, construction and basic principles of operation of the turbocharger

The diploma thesis deals with the calculation of thermodynamic parameters of a turbocharged petrol engine with Miller cycle. A drive unit from Volkswagen, the EA211EVO model line, was chosen as the engine. The engine has a displacement of 1498 cm3 and engine power reaches 110kW at 5000 to 6000 RPM. In this work, a basic description of the thermodynamics of cycles of spark ignition engines is performed, then the problem of turbocharging and methods of its control are presented. The following are the created engine models in GTSuite environment in variants with WasteGate and Variable Turbine Geometry. Finally, operation optimizations with various valve timing changes are presented. The individual variants are the compared.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität
Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005.
Title from first page of PDF file. Document formatted into pages; contains xv, 178 p.; also includes graphics (some col.). Includes bibliographical references (p. 153-158). Available online via OhioLINK's ETD Center

Tato práce se zabývá problematikou aerodynamického zatížení statorových lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny a jeho následnou optimalizací. Metody výpočtového modelování tekutin jsou aplikovány s využitím komerčního softwaru ANSYS CFX. Výpočtový model celého turbínového stupně je použit pro analýzu aerodynamického zatížení statorových lopatek v několika polohách a pro různé operační podmínky. Provedená byla detailní analýza vlivu rozložení tlaku v turbínové skříni, úhlu natočení lopatky, jakož i vlivu distančních pinů na aerodynamické zatížení. Následně bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření aerodynamického momentu statorových lopatek s využitím testovacího zařízení s názvem Gas Stand. Toto zařízení spaluje zemní plyn a dokáže vytvořit velmi stabilní podmínky proudění při vysokých teplotách, což umožňuje vyloučit vliv pulzací plynu, vibrací motoru, jakož i vlivu řídící strategie motoru na měřenou veličinu. Výsledky experimentu jsou následně porovnány s vypočtenou hodnotou pomocí CFD modelu a je dosažená velmi dobrá shoda. Validovaný CFD model je následně zredukován s využitím podmínek cyklické symetrie na model jen jednoho segmentu statoru a rotoru. Umožňuje to výrazně zvýšit produktivitu simulací a prozkoumat několik návrhových parametrů statoru v celém rozsahu pohybu statorových lopatek. Provedená analýza citlivosti těchto parametrů položila výborný základ pro jejich následnou optimalizaci a ukázala významný potenciál několika z nich. Na základě analýzy požadavků na aerodynamické zatížení statorových lopatek byla následně vytvořena definice ideálního zatížení, která byla ustavena jako cíl pro jeho optimalizaci. Použitých bylo několik optimalizačních strategií s využitím metody analýzy působících silových vektorů a jejich výsledky byly následně zhodnoceny a porovnány z více aspektů. Výsledné optimalizované řešení bylo následně přepočteno pomocí modelu celého turbínového stupně, čímž se prokázali jeho výborné vlastnosti z hlediska aerodynamického zatížení a zvýšení účinnosti ve spodní části charakteristiky.

Die Entwicklung schwerer Nutzfahrzeugmotoren unterliegt dem Zielkonflikt zwischen möglichst geringen Betriebskosten, hoher Leistung und der Einhaltung von Emissionsvorschriften. Bezüglich der Auslegung der Verdichterstufe des Abgasturboladers resultiert dies in einem Kompromiss zwischen Kennfeldbreite und den Wirkungsgraden im Nennpunkt sowie im Hauptfahrbereich. In der vorliegenden wissenschaftlichen Publikation wird untersucht, ob mit Hilfe einer geometrischen Verstellbarkeit des Verdichters eine bessere Lösung für das anspruchsvolle Anforderungsprofil gefunden werden kann. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs eines 12,8l NFZ-Dieselmotors im schweren Fernverkehr, ohne dass hierbei Abstriche bezüglich weiterer Leistungsmerkmale der Verdichterstufe in Kauf genommen werden müssen. In einem ersten Schritt wird hierzu mit Hilfe der Auswertung von Lastkollektivdaten der für den Kraftstoffverbrauch relevante Betriebsbereich der Basis-Verdichterstufe identifiziert. Dieser befindet sich bei vergleichsweise geringen Massenströmen und hohen Totaldruckverhältnissen in der Nähe der Volllast-Schlucklinie im Verdichterkennfeld. Die Auswertung von ein- und dreidimensionalen Strömungssimulationen führt zur Erkenntnis, dass die hohen Tangentialgeschwindigkeiten im unbeschaufelten Diffusor ausschlagge- bend sind für die Strömungsverluste innerhalb der Verdichterstufe im Hauptfahrbereich. Eine Möglichkeit die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zu reduzieren, ist die Verwendung eines beschaufelten Diffusors. Zur Überprüfung des Potentials werden im Rahmen einer Parameterstudie 47 unterschiedliche Nachleitgitter im Diffusor der Basis-Verdichterstufe am Heißgasprüfstand untersucht. Es stellt sich heraus, dass durch den Einsatz einer Nachleitbeschaufelung der Verdichterwirkungsgrad um bis zu 8 Prozentpunkte verbessert werden kann, die Kennfeldbreite jedoch nicht ausreicht, um die motorischen Anforderungen bezüglich der Pumpstabilität oder der Bremsleistung zu erfüllen. Resultierend aus diesen Erkenntnissen werden drei variable Verdichter entwickelt, mit dem Ziel, den Wirkungsgradvorteil beschaufelter Diffusoren mittels einer geometrischen Verstellbarkeit für den schweren Nutzfahrzeugmotor nutzbar zu machen. Die Bewertung hinsichtlich der Ziele und Anforderungen erfolgt anhand von Versuchen am Heißgas- sowie Vollmotorenprüfstand. Die Variabilität mit der geringsten Komplexität ist die Kombination aus starrem Nachleitgitter und Schubumluftventil. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass Strömungsabrisse im Bereich des Nachleitgitters durch Aktivieren des Schubumluftventils und somit Öffnen eines Rezirkulationskanals im Verdichtergehäuse in pumpkritischen Situationen vermieden werden können. Der Verzicht auf bewegliche Teile im Diffusor resultiert in der höchsten Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 0,6 − 1,4% im Hauptfahrbereich. Der Doppeldiffusor besitzt zwei separate Strömungskanäle unterschiedlicher Geometrie, die im Betrieb durch eine axiale Verschiebung mit Druckluft aktiviert werden können. Dieses völlig neuartige Konzept ermöglicht es, die Auslegungsziele auf zwei Diffusoren aufzuteilen und somit für jede Kennfeldhälfte die jeweils optimale Schaufelgeometrie auszuwählen. Mit dieser Variabilität kann die Einspritzmenge im Hauptfahrbereich um 0,5 − 0,8 Prozent gesenkt werden. Das System mit der höchsten Komplexität ist der Verdichter mit rotierbarer Nachleitbeschaufelung. Über einen elektronischen Steller können die Anstellwinkel und Halsquerschnitte in jedem Betriebspunkt den Anströmbedingungen angepasst werden, um den jeweils bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten. Aufgrund der anspruchsvollen geometrischen Zwangsbedingungen bei der Auswahl der Schaufelgeometrie besitzt der Dreh- schaufler mit 0,3−0,6% das geringste Potential zur Verbesserung der Kraftstoffsparsamkeit, erzielt jedoch das beste Ergebnis bezüglich der Bremsleistung und der Pumpstabilität.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis
Reducing the total costs of ownership, achieving the rated engine power and compliance with exhaust-emission legislation are competing goals regarding the development of heavy duty engines. This leads to demanding requirements for the aerodynamic design of the turbocharger compressor stage such as high efficiencies at various operating points and a broad map width. The aim of the present doctoral thesis is to investigate the potential of a compressor with variable geometry in order to obtain a better compromise between efficiency and compressor map width for the purpose of increasing fuel economy without sacrifices concerning the rated power, engine brake performance or surge stability. In a first step, the evaluation of load cycles yields operating points on which the fuel consumption is heavily dependent. Results of 1D- and 3D fluid flow simulations show that the high tangential velocity in the vaneless diffusor is the main cause for the reduction of compressor efficiency in the main driving range. A parameter study containing 47 different geometries is conducted at a hot gas test rig in order to examine the potential of vaned diffusers regarding the reduction of the tangential velocity component. It can be seen that by introducing diffuser vanes compressor efficiency can be increased by up to 8 percent. The narrow map width however prevents the use of a fixed geometry for heavy duty engines. Based on those results three variable geometry compressors are developed with the goal of maintaining the efficiency benefit of vaned diffusers while increasing the map width by adjustable geometric features. The evaluation of the variable compressor systems is based on hot gas and engine test bench measurements. The variable compressor system with the lowest complexity utilizes a recirculation valve in the compressor housing in combination with a fixed geometry vaned diffuser in order to improve the surge margin for a short period of time at a sudden load drop. The abandonment of functional gaps in the diffuser leads to the highest improvement of fuel economy of 0,6 − 1,4% in the main driving range. The compressor with stacked diffuser vanes has two separate flow channels in the diffuser. During engine operation only one vaned diffuser geometry is active. The axial movement is performed via pressure chambers in the compressor and bearing housing. The two diffuser geometries are either optimized for high or low mass flows. This way the fuel consumption in the main driving range can be reduced by 0,5 − 0,8%. The compressor with pivoting vanes in the diffuser has the highest complexity of all systems. With the aid of an electronic actuator the vane inlet angle and throat area can be adjusted to the impeller outlet flow conditions at each operating point. As a consequence the pivoting vanes compressor achieves the best results regarding engine brake performance and surge stability. The fuel economy in the main driving range can be improved by 0,3 − 0,6%. Higher benefits are prevented by demanding geometric constraints in order to ensure the rotatability of the vanes and to prevent vibrations of the impeller blades.:1 Einleitung 1.1 Einführung 1.2 Stand der Technik 1.3 Zielsetzung 2 Grundlagen 2.1 Der schwere Nutzfahrzeugmotor 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Kenngrößen 2.1.3 Motorbremse 2.2 Der Turbolader-Radialverdichter 2.2.1 Systembeschreibung 2.2.2 Definition von Kenngrößen 2.2.3 ThermodynamischeBeschreibung 2.3 Thermodynamik des Aufladesystems 2.3.1 Stationäre Lastkurven im Verdichterkennfeld 2.3.2 Grenzwerte im Stationärbetrieb 2.3.3 Transientverhalten 3 Methodik 3.1 Lösungsweg 3.2 Lastkollektivauswertung 3.3 Parametrisiertes Diffusormodell 3.3.1 Geometrischer Aufbau 3.3.2 Auslegungsgrößen 3.3.3 Parameterstudie 3.4 Simulation 3.4.1 1D-Strömungssimulation in Diffusor und Volute 3.4.2 3D-Strömungssimulation der Verdichterstufe 3.4.3 Motorprozesssimulation 3.5 Heißgasprüfstand 3.5.1 Kennfeldvermessung 3.5.2 Aerodynamikmessung 3.5.3 Verkokungsanfälligkeit 3.6 Motorprüfstand 3.6.1 Aufbau 3.6.2 Randbedingungen 3.6.3 Akustikmessung 4 Ergebnisse 4.1 Validierung 4.1.1 Strömungszustand am Verdichterradaustritt 4.1.2 Simulation der Verdichterstufe mit unbeschaufeltem Diffusor 4.1.3 Simulation der Verdichterstufe mit beschaufeltem Diffusor 4.2 Verlustanalyse Basisverdichter 4.2.1 Auswertung der Lastkollektive 4.2.2 Aerodynamische Verlustanalyse 4.2.3 Strömungsmechanik im Diffusor 4.3 Parameterstudie beschaufelter Diffusoren 4.3.1 Einfluss von Nachleitgittern auf das Verdichterkennfeld 4.3.2 Anforderungen des schweren Nutzfahrzeugmotors 4.4 Aerodynamik beschaufelter Diffusoren 4.4.1 Auslegungskriterien 4.5 Verkokung beschaufelter Diffusoren 5 Variable Verdichter 5.1 VRVC - Starres Nachleitgitter mit Schubumluftventil 5.1.1 Auslegung und Konstruktion 5.1.2 Heißgasprüfstand 5.2 VSVC-Doppeldiffusor 5.2.1 Auslegung und Konstruktion 5.2.2 Heißgasprüfstand 5.3 VPVC-RotierbareSchaufeln 5.3.1 Auslegung und Konstruktion 5.3.2 Heißgasprüfstand 5.4 Verhalten variabler Verdichter am schweren NFZ-Motor 5.4.1 Volllast 5.4.2 Lastvariation 5.4.3 DynamischesAnsprechverhalten 5.4.4 Low-End Torque 5.4.5 Dynamische Pumpstabilität 5.4.6 Bremsbetrieb 5.4.7 Ansteuerung 5.4.8 Akustik 5.5 Übersicht 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Anhang Literaturverzeichnis