Ağır vasıta araç motorları için tek kademeli değişken geometrili ve çift kademeli turboşarj karşılaştırması ve seçimi
Turbocharger matching for heavy duty engines in comparison with single stage variable gometry and two stage turbocharger systems
Yazar: SERKAN DAĞLAR
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ERTUĞRUL ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzinli motorlar = Gasoline engines ; Dizel motorlar = Diesel engines ; Turbo kompresör sistemi = Turbo compressor system ; Turbo makineler = Turbomachinery ; Turbo şarj = Turbo charge ; Turbo şarj türbin kanatçığı = Turbo charge impeller

Özet:
Son yıllarda artan yakıt fiyatları ve çevre kirliliğine olan duyarlılık, üreticileri daha verimli, daha ekonomik ve daha çevreci motorlar üretmeye zorlamaktadır. Gelişimi, içten yanmalı motorların gelişimine paralel olan turboşarjlar bu konularda sağladığı olanaklarla kendilerine bu alanda geniş bir pay bulmaktadır. Özellikle dizel motorlarda kullanımı çok sık görülen turboşarjlar, piyasada oluşan yukarıdaki beklentiler ve artan yasal düzenlemeler yüzünden bir zorunluluk olarak görülmektedir. Neredeyse tamamında dizel motorlar kullanılan ağır vasıtalar segmentinde talep edilen yüksek çekiş gücü ve düşük yakıt tüketimi gibi iki temel problem, seçilecek olan turboşarjla oldukça ilgilidir. Bu sebepten ötürü turboşarj seçimi esnasında kullanılacak motorun uzun yol aracı, şantiye aracı, nakliye aracı, çöp kamyonu gibi ne tür uygulamalarda kullanılacağı istenilen talepleri karşılayabilmek için çok önemlidir. Bu çalışma kapsamında, tasarımı yeni yapılan bir ağır vasıta aracı motoru için turboşarj seçimi esnasında kullanılma potansiyeli bulunan iki farklı turboşarj konfigürasyonunun karşılaştırılması yapılacaktır.Çalışma süresince, turboşarj seçimi konusunda gerçeğe yakın sonuçlar veren GT-Power programı kullanılacak olup, turboşarj üreticilerinden temin edilen haritaları kullanarak analizler yapılacaktır. Bu analizlerde gerçekçi değerlere ulaşabilmek, oluşturulan modelin bugüne kadar kazanılan deneyimlere dayanarak model oluşturulurken yapılan kabullere oldukça bağlıdır. Motor modeli tamamen kurulduktan sonra motora uygun olabilecek haritaların modelleri teker teker çalıştırılarak çıkan sonuçlarda hedeflere uymayan noktaları iyileştirecek çalışmalar denenerek iteratif bir yöntem uygulanmıştır. Modelde iki farklı konfigürasyon olarak tek kademeli ve çift kademeli turboşarj sistemleri karşılaştırılmıştır.Tek kademeli turboşarj sistemi olarak son zamanlarda ağır vasıta motorlarında da kullanılan değişken geometrili turboşarj sistemi kullanılmıştır. Bu turboşarjı kullanma sebebi literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde özellikle geniş bir çalışma devri aralığında sağladığı yüksek tork ve buna paralel olarak elde edilen düşük yakıt sarfiyatından kaynaklanmaktadır. İlk olarak analizi yapılan turboşarj modelinde belirlenen giriş ve çıkış datalarını kullanarak istenilen tork ve güç eğrileri sağlanmıştır. Fakat gelişitirilebilir parametreler olan verimlilik, yakıt sarfiyatı, EGR gaz akışı sağlayabilme kapasitesi gibi konularda iyileştirme sağlayabilecek başka alternatifler denenmiştir. İlk denenen modelde elde edilen değerler total to statik basınç değerlerinde elde edildiği için artışı gözlemlemek için bir sonraki analizde daha yüksek verimlilik sağlayacak olan total to total basınç değerleri kullanılmıştır. Bu çalışmayla birlikte kompresör verimleri 1-2% değerinde artmıştır. Daha sonraki analizde ise aynı türbin ile sağlayacağı daha yüksek boost basıncı sayesinde daha düşük yakıt sarfiyatı değerleri elde edilecek olan biraz daha büyük kompresör kullanılmıştır. Bu kompresör daha verimli bir kompresör çalışma bölgesi ve daha düşük BSFC değerleri sağlamaktadır. Burada yaşanan problem ise daha fazla akış kapasiteli kompresörden dolayı düşük devirlerde surge problemi yaşanmasıdır. Bunu engellemek amacıyla kompresör tipini ve çapını sabit tutup sadece trimi azaltılarak akış kapasitesini düşürüp surge olayı önlenebilir. Bu seferde de yüksek devirlerde verimliliğin düşüp yakıt sarfiyatının artması beklenebilir.İki kademeli turboşarj sisteminde düşük ve yüksek basınçlı olmak üzere iki farklı kısım bulunmaktadır. Yüksek basınçlı turboşarj olan kısım egzoz manifolduna direkt bağlanan kısımdır. Bu turboşarj düşük devirlerde boost basıncını sağlamakla birlikte yüksek devirlerde sistemden bypass edilmektedir. Yüksek devirlerde kullanılmak amacıyla daha büyük bir turboşarj bulunmaktadır. Bu turboşarj, düşük basınç kısmı olarak adlandırılmaktadır. Düşük basınç kısmı yüksek devirlerde maksimum gücü sağlayabilecek kapasitededir. Aradaki bypass valfi orta devirlerde açılmaya başlanıp iki turboşarjında aktif olarak çalıştığı bir devir aralığı bulumaktadır. İki kademeli sistemde iki farklı konfigürasyon denenmiştir. Bunlardan ilki iki turboşarjında sabit geometrili olduğu sistem, ikincisi ise yüksek basınç turboşarjının değişken geometrili düşük basınç turboşarjının sabit geometrili olduğu sistemdir. İki farklı sistemin kullanılmasındaki amaç mevcut sistemde istenilen egzoz geri basınç değerlerini karşılaştırabilmektir. Egzoz geri basıncının kontrol edilebilir olması emisyon değerlerini tutturabilmek için önemlidir. Her iki sistemde de istenilen egzoz gazı geri çevrimi sağlanabilse de değişken geometrili sistemde daha yüksek geri basınç elde edilebilmektedir. Bu emisyon değerlerine artı bir katkı sağlamasa da muhtemel kullanılabilecek motor freni için silindir için basıncı yüksek tutarak fren verimini artıracaktır.Sonuç olarak iki farklı sistem kendi içlerinde iterasyon yaparak performansları açısından birbirleriyle kıyaslanmıştır. Yapılan çalışmada hernekadar maliyet konularından hiç bahsedilmese de seçilen sistemleri fiyat anlamında günlük projelerde kullanılabilir mertebelerdedir. Bu karşılaştırma sonucunda tek kademeli sistem maliyet ve araca paketleme konusunda diğer sisteme göre oldukça avantajlıdır. Ayrıca sistem karmaşıklığı olarak kontrol edilmesi daha kolaydır. Fakat çift kademeli sistem, yakıt sarfiyatı anlamında %3'lük bir iyileştirme sağlamaktadır. Bu uzun dönemde ağır ticari vasıta segmenti için oldukça avantajlı bir rakamdır. Fakat yukarıda da bahsedildiği gibi iki turboşarjı birbirinden ayıran bypass valfinin kontrolünün güçlüğü ve araç üzerine paketleme açısından yaşanabilecek güçlükler bu sistemin dezavantajlarıdır.

Abstract:
There is a big competition within automotive manufacturers to produce more efficient, more economic and more environment friendly engines due to the increasing fuel prices and air pollution. Turbochargers that have been developing since early period of internal combustion engines era have an important role contributing to this competition. Because of some legal regulations and increasing demand from the market, turbocharger are prefferred especially for diesel engines. The requests of heavy duty market that has diesel engines almost for all applications are the high torque and low fuel consumption. And this request is totaly related to the best matching of turbocharger. Best turbocharger matching depends on the application such as long road trailer, tipper, concrete mixer or garbage trucks etc. Considering all these issues, two different turbocharger concepts will be analysed for a new developed heavy duty engine.Turbochargers are mechanical devices that converts thermal energy of exhaust gases to mechanical energy. Turbocharging allows to force more compressed intake air to combustion chamber which causes that pressure of intake air is higher than atmospheric pressure. Thus, the air density is increased and oxygen level is high in the same chamber which causes possiblity to burn more fuel and get more power in the same engine. Standard turbocharger has three main stages: Turbine housing, compressor housing and bearing housing. Exhaust gases flow through turbine housing volute and pass to the turbine wheel. Energy of gases is transfered to rotate the wheel and thrown away from turbine housing outlet. Turbine wheel is connected directly to compressor wheel with a shaft which has thrust and journal bearings connected to bearing housing. There is always an oil flow supplied by engine oil pump to the top side of bearing housing and it is drained by gravity at the bottom side of bearing housing. At the compressor stage, air is inducted from atmospher, compressed and pumped to the air induction system. Diameter and trim (ratio of exducer and inducer diameter of wheels) of wheel define the flow capability of turbocharger.There are some different control mechanisms especially in turbine stage to improve efficiency and prevent some failure modes. Most common control mechanism is wastegate system which leads excessive exhaust gases leaving from turbine housing before getting into wheel. Wastegate system includes a flap valve controlled by a pressure indicated system in compressor stage. If there is excessive exhaust gas in turbine wheel, speed of wheel increases and boost pressure gets higher. A pressure controlled mechanism in compressor stage is indicated to open flap valve to lead the excessive exhaust gases to leave the turbocharger. With this system, the boost pressure has a maximum limit to prevent overboost and overspeed failures. After wastegate system, variable turbine geometry system has been improved. Main problem in turbocharger system is different efficiency during engine speed ranges. To get better efficiency at each speed, A/R ratio of turbine stage should be adjustable depending on exhaust gas flow capacity. With a vane mechanism located on turbine housing side, A/R ratio can be changed. This mechanism has small vanes located around the turbine wheel axis and can be controlled by an actuator. This vanes are opned or closed according to the boost pressure demand. During turbocharger matching, application type and power-torque demand are in consideration to improve low-end torque characteristic. With the help of vanes, exhaust gas is steered through turbine wheel and the kinetic energy is increased. Whole turbocharger behaves as a small turbocharger which has a better torque characteristic at low engine speed than a larger turbocharger. At higher engine speed, exhaust gas flow increases and it affects the high-end power characteristic. So, vanes are opened and flow speed is decreased on wheel, pressure is increased. Controllability of vanes allows turbocharger working in higher efficiency regions on compressor map. With this system, the power density and low-end torque are increased at the same engine. next step to improve power and torque characteristics at the same engine is two stage turbocharger systems. Two stage system has two different turbochargers that connected to each other and controlled by a valve system. First turbocharger is called as a high pressure turbocharger due to small turbine wheel relatively to other one and high pressure at low engine speed. This turbocharger is connected to exhaust manifold and serves up to mid engine speed range. After a certain point, a regulated valve begins to open to let excessive exhaust gas flow to low pressure turbocharger. In mid engine speed range, both turbochargers works in serial, but at high engine speed low pressure turbocharger works effectively. With this system, turbolag is minimised and overall efficiency increased.In this thesis study, all analysis will be done with GT-Power software by using compressor and turbine maps provided by turbocharger suppliers. To simulate the real conditions and to get realistic results from this study are based on preparing representative models by well directed assumptions. After GT-Power model has been set up, maps are implemented in the model and the analysis is run. Depending on the results from the study, some new maps will be run iteratively. During the study, single stage turbocharger and two stage turbocharger concepts were analysed and compared to each other.Variable geometry turbine turbocharger maps were run as in a single stage concept. The reason to start the study with this kind of turbocharger is the benefits of high torque output during the wide engine speed range and of course good fuel consumption values.As the first step in iteration, the model was sufficient to provide the torque and power attributes. But, if anyone have a look on the improvable parameters such as turbocharger efficiency, fuel consumption, EGR capability, it is not so difficult to realise that new iterations will improve these parameters. At the first analysis, the compresor pressure values were read from total to static values, but as a second step, these values were read from total to total values. as a result of this analysis, compressor efficiency was increased 1-2%. As a third step, new turbocharger model with bigger compressor wheel diameter and same turbine side was analysed. This compressor has more air flow capability and thus it results more boost pressure and lower fuel consumption. This compressor is working in high efficiency areas on the map and resulting lower BSFC values. On the other hand, surge problem was faced in the low end region with this compressor. The flow capacity of this compressor is a little bit higher for this attributes. So, to dicrease the air flow thorugh the compressor, lower trims will be analysed. And it will prevent the surge and cause to work far away from the surge line on the map. Besides this, it will possibly result to increase in BSFC values at the high end.At the second concept, two stage turbocharging which has low pressure stage and high pressure stage was analysed. the first stage is high pressure turbocharger. It is directly connected to exhaust manifold and it is mostly used to get higher boost pressure at low end range. During mid engine speed range, a bypass valve is used to switch the exhuast gas flow to low pressure turbine. There is a engine speed range that both turbocharger are active. The low pressure turbine is bigger than the high pressure one and it is used to provide the maximum power at high end. Two different systems were used in the analysis. The first system consist of two fixed geometry turbine turbochargers and the second one consist of one variable geometry turbine turbochargers as high pressure stage and one fixed geometry turbine tubochargers as high pressure stage. It is aimed to compare exhaust gas back pressure values within two different systems. Exhaust gas back pressure is important for exhaust gas recirculation system to provide Euro 6 emission regulation. Both systems have sufficient capability to flow exhaust gas to EGR system, the concept with VGT turbocharger as high pressure stage has advantage for back pressure for engine brake pressure demand.To sum up, both concepts were analysed with a few iterations to compare the benefits of each other. During this study, any item on cost was not concerned. But if the whole system is considered the VGT turbocharger concept has advantage in terms of cost. It has also benefits regarding to packaging to vehicle. Single stage turbocharger is also more controlable due to the no necessity of bypass valve. On the other hand, two stage turbocharger has 3% better BSFC values rather than single stage turbocharger during the almost all engine speed range. And also it gives better exhaust back pressure capability to flow EGR and to improve possible engine brake option.