Analyse und Modellierung zweiflutiger Turbinen unter Berücksichtigung der Wastegateströmung

Stadermann, Max; Pischinger, Stefan; Wirsum, Manfred

doi:10.18154/RWTH-2020-10177

Analyse und Modellierung zweiflutiger Turbinen unter Berücksichtigung der Wastegateströmung = Analysis and modelling of double entry turbines under consideration of the wastegate flow

Stadermann, Max^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Max Stadermann

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (3, xi, 99 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pischinger, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Wirsum, Manfred (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-10177
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/804290/files/804290.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen und Institut für Thermodynamik (412310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ladedruckregelung (frei) ; Simulation (frei) ; Turbolader (frei) ; Verbrennungsmotor (frei) ; Wastegate (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht die Interaktion des Turbinenbypasses (Wastegate) mit dem Turbinenrad sowie mit dem Verbrennungsmotor. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf einer erweiterten Modellbildung für die 1D-Motorprozessrechnung der zweiflutigen Turbine unter Berücksichtigung des Wastegateverhaltens bei Ungleichbeaufschlagung (ungleicher Eintrittsdruck in den beiden Fluten). Aufgrund der hohen Komplexität der zweiflutigen Turbine, wurde das Wastegate zunächst für eine einflutige Turbine untersucht. Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Zur Quantifizierung des Durchflussverhaltens des Wastegates in Abhängigkeit des Wastegatewinkels und des anliegenden Druckverhältnisses werden zwei Methoden untersucht. Messungen mit versperrter Turbinenvolute, bei der nur das Wastegate durchströmt wird. Messungen mit vollständiger Turbinenstufe, bei der der Wastegatemassenstrom als Differenz zwischen dem Laufrad- und Gesamtmassenstrom berechnet wird. Bei geschlossenem Wastegate entspricht hierbei der Laufradmassenstrom dem Gesamtmassenstrom. Beide Methoden führen zu vergleichbaren Ergebnissen. • Der Durchfluss des Wastegates zeigt eine nicht vernachlässigbare Abhängigkeit vom Turbinendruckverhältnis ΠT,ts, welches beim untersuchten Versuchsträger einen Anstieg um bis zu ∆ A3,s = 25 % (ΠT,ts = 1,2–>ΠT,ts = 3) ausmacht. • Der Turbinenwirkungsgrad und Durchfluss des Laufrades kann in der Regel als unabhängig vom Öffnungswinkel des Wastegates angenommen werden.Die auf diesen Erkenntnissen aufbauenden Untersuchungen an der zweiflutigen Turbine führen zu den folgenden Ergebnissen: • Der isentrope Strömungsquerschnitt A31,s ändert sich für kleine (z. B. θWG = 6 ◦ ) Wastegatewinkel um bis zu 600% in Abhängigkeit der Drücke in beiden Fluten, d. h. dem Strangdruckverhältnis. • Aufgrund des asymmetrischen Ausströmens durch die beiden Wastegatekanäle kommt es zu einer Verschiebung des Strömungszustands vor dem Turbinenrad.• Durch die hier erarbeitete Modellierung nähern die modellierten Druckverläufe sich der Messung an und die Abweichungen in der Ladungswechselarbeit wird um 40 % reduziert. • Weiterhin ermöglicht sie die Vorhersage des Wastegatewinkels, um diese Information ebenfalls für die Bedatung von Motorsteuergeräten einzusetzen.

This work investigates the interaction of the turbine bypass (wastegate) with the turbine wheel and the combustion engine. A particular focus is on a extended modelling for the 1D engine process simulation of the double entry turbine under consideration of the wastegate behavior during unequal admission (unequal inlet pressure in the two scrolls).Due to the high complexity of the double entry turbine the wastegate is initially being investigated for a single entry turbine. The results can be summarized as follows: • For the quantification of the flow behavior of the wastegate independence of the wastegate angle and the adjacent pressure ratio, two methods were examined. Measurements with blocked turbine volute, where only the wastegate is admitted. Measurements with a complete turbine stage, where the waste gate mass flow is measured as the difference between the impeller and the total mass flow. With closed Wastegate, the impeller mass flow corresponds to the total mass flow. Both methods lead to comparable results. • The flow of the wastegate shows a not negligible dependence on the turbine pressure ratioΠT,ts, which shows an increase of up to ∆A3,s = 25% (ΠT,ts = 1,2–>ΠT,ts = 3). • The turbine efficiency and flow rate of the wheel can usually be considered independent from the opening angle of the wastegate. The investigations on the double entry turbine based on these findings can be summarized as follows: • The isentropic area of flow A31,s changes for small (e.g. θWG = 6◦) wastegate angles by up to 600% depending on the pressures in both scrolls (the scroll pressure ratio). • The asymmetrical discharge through the two wastegate channels results in a shift of the flow condition upstream of the turbine wheel. • By using the newly developed model, the simulated pressure trace matches the measurement and the deviations in the gas exchange work is reduced by 40%. • Additionally, the model enables the prediction of the wastegate angle to improve the setup of engine control units.

OpenAccess:
PDF
(additional files)