3D CFD Simulation von Turboladern innerhalb einer Motorumgebung

Abstract

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird das Verhalten mehrflutiger Abgasturbolader innerhalb einer Motorumgebung mit pulsierenden Randbedingungen in verschiedenen Motorbetriebspunkten mittels eines CFD Ansatzes untersucht. Dazu wird ein vollständiges dreidimensionales Strömungsmodell eines asymmetrischen Zwillingsstromturboladers aufgebaut, beginnend bei den Abgaskrümmern über die Turbinen- und Verdichtergehäuse inklusive der kompletten Laufräder bis hin zum Vorkatalysator. Die Eintrittsrandbedingungen für die Abgaskrümmer bestehend aus zeitabhängigem Massenfluss und Temperatur für zwei Motorbetriebspunkte bei hoher und niedriger Drehzahl werden von einem eindimensionalen Strömungsmodell des gesamten Motors generiert. Die Turbinen- und Verdichterseite des Modells sind durch ein Momentengleichgewicht gekoppelt und die aktuelle Turboladerdrehzahl wird für jeden Zeitschritt berechnet. Aus diesem Grund werden für die Analyse des Turboladers weder Turbinen- noch Verdichterkennfelder benötigt. Um die Rotation der Laufräder zu modellieren, wird ein Ansatz mit explizit bewegten Gittern verwendet und die Laufradgitter werden vor jedem Zeitschritt mittels eines Gitterinterfaces an die stationären Gehäuse gekoppelt. Als Ergebnisse des Modells werden verschiedene zeitaufgelöste physikalische Größen sowie Wellenleistung und Laderdrehzahl ausgewiesen. Auf Grund der pulsierenden Druckrandbedingung ist es ebenfalls möglich, die instationären Effekte wie Befüllen und Entleeren der Turbine zu untersuchen. Darüberhinaus ist das Modell dieser Forschungsarbeit in der Lage sowohl den instationären Wirkungsgrad unter Druckpulsationen als auch die Überströmverluste, welche durch die unterschiedlichen Druckniveaus der Fluten bei pulsierender Beaufschlagung entstehen, zu analysieren. Um diese Verluste zu quantifizieren, werden neue Kennzahlen eingeführt. Auf Basis der asymmetrischen Zwillingsstromturbine wird eine Doppelstromturbine und eine symmetrische Zwillingsstromturbine mit dem selben Volumen konstruiert. Es werden identische Randbedingungen und die gleichen Laufräder für die Analyse der beiden neuen Varianten verwendet. Diese Turbinenlayouts werden mit dem Ausgangsmodell bezüglich Laderdrehzahl, Wellenleistung und instationärem Wirkungsgrad verglichen. Mit Hilfe neu eingeführter Kennzahlen ist ein Vergleich der Überströmverluste innerhalb der Turbine und des daraus folgenden Rückströmens in den Abgaskrümmer möglich. Das Rückströmen führt zu einem erhöhten Abgasgegendruck und beeinflusst den Ladungswechsel des Zylinders.

In this long term project the behaviour of a twin scroll turbocharger in an engine environment with pulsating boundary conditions at different engine speeds is investigated via an innovative CFD approach. A complete three dimensional fluid model of an asymmetric twin scroll turbocharger is built including exhaust manifold, turbine and compressor housing as well as the complete runners. The time-dependent mass flow and temperature boundary conditions for the exhaust runner inlets at low speed and high speed engine operating points are generated by a 1D CFD model of the complete engine. The turbine and the compressor side is coupled by a momentum equilibrium and the instantaneous rotational speed of the turbocharger is calculated for each time step. Consequently there is no necessity of turbine and compressor maps for this analysis. To model the rotation an explicit moving mesh approach is used and the runner meshes are coupled to the stationary meshes by a general grid interface. The results are e.g. time resolved shaft power, rotational speed and pressure ratios. Due to the pulsating boundary conditions it is also possible to investigate the transient effects like filling and emptying of the turbine. Additionally the model in this work is capable of analyzing both, the transient pulse efficiency, which is generated by the working cycle and the operating behavior, especially the overflow losses in a twin scroll turbine caused by pressure pulses. In order to quantify the losses caused by different pressure levels in the turbine a scroll overflow factor is defined. On the basis of the asymmetric twin scroll turbocharger model a dual volute turbine and a symmetric twin scroll turbine is constructed using the same volume to guarantee the same level of pulse-charging. Also identical boundary conditions and the same turbine runner is used for the analysis. The two new layouts are compared to the standard one concerning rotational speed, shaft power and pulse efficiency. Using the scroll overflow factor a comparison of the overflow losses and the consequential backflow into the exhaust runner of the three layouts is also possible. The backflow leads to a pressure rise in the exhaust runner and affects the gas exchange of the engine. Additionally a calculation using the multiple frame of reference as an alternative moving mesh approach is made. The results are compared to the sliding mesh technique and the advantages and disadvantages of both moving mesh methods are investigated.