Çift girişli türbinli ve tahliyeli aşırı doldurma sistemi korelasyonu ve prototipler için optimizasyonu
Investigation of twin-scroll turbine in turborchargers and using of wastegate system effects
Yazar: HÜSEYİN BERK ÖZCAN
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İçten yanmalı motorlar, ilk icat edildiği günden itibaren sürekli geliştirilmekte olan ve keşfedilen yeni teknolojilerin uygulanılarak sürekli iyileşme yönünde gelişime uğrayan makinalardır. Yapılan geliştirmelerin amaçlarının başında güç artışının yanında emisyon standartlarına sadık kalarak yakıt tüketimini birim güç başına azaltmaktır. Bu amaçla yapılan çalışmalar; motor parçalarında mekanik dayanımı arttıracak tasarım oluşturma ve üretim teknikleri geliştirmeye ek olarak motorlarda yakıt ekonomisi ve emisyonları düşürecek yönde teknoloji ve motor çalıştırma tekniklerinin geliştirilmesi şeklinde özetlenebilir. 
Geçmişten günümüze üretilen motorların hacimleri incelendiğinde, motor hacimlerinin devamlı küçüldüğü fakat motorlardan alınan güçlerin yakın mertebelerde olduğu gözlemlenmektedir. Bu durumda güç farkının olmamasını sağlayan öncü motor teknolojisi egzoz türbinli aşırı doldurma sistemleri gösterilebiler. İçten yanmalı motor gücünü, yakıtın hava ile yanması sonucunda ortaya çıkartır. Yakıtın da motor silindirinde tamamının yanabilmesi için yakıt miktarına bağlı olarak silindirde olması gereken yaktının tamamını yakacak minimum miktarda hava bulunması gerekir. Motor silindirlerinin küçültüldüğü durumda aynı gücün alınabilmesi içinde silindir içinde küçültülmediği durumdaki kadar hava olması gerekir. Bu durumu sağlamak için de küçültülmüş motor silindirlerine hava sıkıştırılarak gönderilir. Bu sıkıştırma işinin yapılabilmesi için mili egzoz türbinene bağlı bir kompresör kullanılarak gerçekleştirilir. Türbin, kompresörü çevirecek gücü üreten parçadır ve bu gücü üretirken de artık egzoz gazlarının enerjisinden faydalanır.
Günümüzdeki egzoz türbinli aşırı doldurma sistemleri incelendiği zaman da kendi içinde farklı teknolojilere bölündüğü gözlemlenebilmektedir. Türbin teknolojileri araştırıldığı zaman, sabit geometrili türbin, değişken geometrili türbin ve tahliye kanalına sahip sabit geometrili türbinlerin var olduğu anlaşılmaktadır. Bu teknolojiler amaçlanan uygulamaya yönelik seçilebilir veya aynı amaçta farklı geometri teknolojili türbinler kullanılabilmektedir. Türbine giren egzoz gazları da türbin kanatlarına bir girişten veya ayrı 2 girişten olacak şekilde gönderilebilir. Yapılan seçimlerde de ön planda maliyet, performans isteği, emisyonları iyileştirecek tasarım seçimi veya motor çalışma tekniğine uygun şekilde tasarım seçimi bulunmaktadır. Tez kapsamında incelenen  ve 1 boyutlu (1B) motor performans modeli korelasyonu yapılan motorun aşırı doldurma sisteminde de tahliye kanalına sahip, sabit geometrili ve çift girişe sahip bir türbini bulunan ve bu türbinin miline bağlı bir kompresör içeren aşırı doldurma sistemi mevcuttur.
Deney motorunda tahliye kanalı sistemi kullanıldığından dolayı bu tür sistemlerin teknolojik olarak incelenmesi de araştırılmıştır. Pnömatik ve elektronik kontrollü olmak üzere 2 adet sistem mevcuttur. Pnömatik kontrollü tahliye kanallarının hedeflenen valf pozisyonlarına ulaşmasında kontrolcü basıncı ile genellikle sürtünmeden kaynaklanan konum arasında doğrusal olmayan bir histerizis vardır. Tahliye kanalı kapanırken, kanal pozisyonunda bir ilk sıçrama olur, daha sonra yavaşça son pozisyona yakınsar. Görev döngüsü tam pozisyonda kapatmaya çalışmaz çünkü ilk denemede tahliye kanalı kapanır. Elektronik kontrollü tahliye kanalının konum yakınsaması daha hızlı ve doğrudur. Pnömatik kontrolcü gibi hedef pozisyona yaklaşırken aşma göstermez. Pozisyonlar daha hızlı ve daha doğru bir şekilde tahmin edilir. Tahliye kanalını açarken ve kapatırken pnömatik sistem gibi histerezis olmamaktadır. Tez kapsamında pnömatik sistem kullanılmaktadır. Pnömatik sistem tercih edilmesinin başlıca sebeplerinden biri daha ucuz sistemler olmasıdır ve bir diğeri ise hedeflenen performans ve emisyon değerlerini sağlayabiliyor olmasıdır.
Gelişen teknolojiye bağlı olarak; test maliyetlerini azaltma ve daha kısa zamanda daha doğru tasarımların seçilmesine yönelik bilgisayar destekli mühendislik (BDM) de gelişmiştir. Motorların geliştirilme sürecinde sürekli test yapmak yerine tercih edilen (BDM) çalışmalarının sonucunda prototip aşamasındaki motorların tasarımına yön verilebilir ve daha doğru parça seçimleri yapılabilmektedir. Yapılmış olan bir motorun daha da verimli çalışabilmesine veya geliştirilmesine yönelik de katkı sağlayan BDM modelleriyle birlikte standart test ortamlarının simülasyonunun yapılabilmesine ek olarak çevre koşullarının daha farklı bir rakım veya daha farklı sıcaklıkta olması da ayarlanarak motorun farklı koşullardaki çalışma şekline de ön görüde bulunulabilir.
Yapılan çalışmada 6 silindirli ve eşit sayıda silindir çıkışının ayrı ayrı çift girişli egzoz türbinli aşırı doldurma sitemine bağlandığı bir 13 litre dizel motorun farklı hızlarda tam yükteki performans deney verisinden yararlanılmıştır. Yapılan deney sonucunda elde edilen veriler kullanılarak oluşturulan 1B modelin fiziksel özelliklerinin deney verileriyle belirlenmiş olan hata aralıklarında aynı olacak şekilde korelasyonu tamamlanmıştır. Korelasyon sırasında en kritik adım olan modelleme adımı da tahliye kanalına sahip çift girişli egzoz türbininin modellenmesi adımıdır. Bu parçanın modellenmesi sırasında çift girişli türbinin etkisi simülasyonlarda doğru bir şekilde gösterilmiş olup tahliye kanalının valf konumlarının da gerçeğe yakın valf konumlarındaki değerlerle örtüşecek şekilde sonuçlar vermesini sağlayacak adımların nasıl hesaplandığı ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu hesaplama yöntemi kullanılarak oluşturulmuş olan modelde tahliye kanalı için yay ve yay ön yükü optimizasyonu yapılmıştır. Motorun farklı çevre koşullarında optimum seviyede çalışabilmesine yönelik tahliye kanalı için en ideal yay katsayısı ve yay ön yükünün nasıl ayarlanabileceği gösterilmiştir. 
Mevcut motorun optimizasyon çalışmasına katkı sağlayan bu model kullanılarak daha yüksek güç üretebilecek bir motorun tasarımına yön verilmesinde katkı sağlamıştır. Deneyi yapılmış olan motordaki mevcut aşırı doldurma sistemiyle hedeflenen yeni daha yüksek güç eğrisinin tahliye kanalında da optimizasyon yaparak motor limitlerini aşmadan elde edilip edilemeceyeceği 1B ortamda incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda mevcut aşırı doldurma sistemiyle bu güç eğrisinin sağlanamadığı hesaplanmıştır. Aynı çalışma 1B modeli kullanılarak aynı tahliye kanalına sahip farklı bir egzoz türbinli aşırı doldurma sistemiyle sanal ortamda yapılmıştır ve bu sistemin kullanılmasıyla hedeflenen gücün tahliye kanalı optimizasyonu yaparak elde edilebileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Internal combustion engines are machines that have been continuously developed since the day they were first invented and developed in the direction of continuous improvement by applying new technologies discovered. Increasing power comes first among the aims of the improvements but, fuel consumption should be reduced per unit power by sticking to emission standards. Studies conducted for this purpose are can be summarized as developing design and production techniques that will increase mechanical strength in engine parts, advancing technology studies to reduce fuel economy and emissions in engines and developing engine working principle techniques. 
When the volumes of the engines produced from the past to the present are examined, it is observed that the engine volumes are constantly shrinking, but the powers taken from the engines are at close levels. In this case, the pioneering engine technology that ensures that the power difference does not occur, can be shown as turbochargers. The internal combustion engine reveals its power as a result of fuel combustion with air. In order for the fuel to burn out completely in the engine cylinder, there must be a minimum amount of air to burn the entire fuel that must be in the cylinder, depending on the amount of fuel. In the case that the engine cylinders are reduced, the same power can be obtained and there must be as much air in the cylinder as when it is not reduced. In order to ensure this situation, air is compressed to the downsized engine. This is done by using a compressor whose shaft is connected to the exhaust turbine to perform the compression. The turbine is the part that generates the power that turns the compressor and it uses the energy of the exhaust gases while producing this power.
When the turbochargers are examined, it can be observed that they are divided into different technologies. When the turbine technologies are investigated, it is understood that there are fixed geometry turbines, variable geometry turbines and fixed geometry turbines with wastegate. These technologies can be selected for the intended application or turbines with different geometry technologies can be used for the same purpose. Exhaust gases which are sent to the turbine inlets can also be sent to the turbine blades from one inlet or two separate inlets. Design selection is made according to cost, performance request, effects on emissions or engine operation technique. In the turbocharger of the engine, which is examined within the scope of the thesis and correlated with the 1 dimensional (1D) engine performance model, there is a twin-scroll fixed geometry turbine with a wastegate and containing a compressor connected to the shaft of this turbine.
As wastegate is used in the experimental engine, technological investigation of such systems has also been investigated. There are 2 systems, pneumatic and electronically controlled. There is a non-linear hysteresis between the controller pressure and the position usually caused by friction in reaching the targeted valve positions in the pneumatically controlled wastegate. As Wastegate closes, there is a first jump in the channel position, then slowly converges to the last position. The duty cycle does not try to close the full position because the wastegate shuts down on the first attempt. Convergence of location is faster and more accurate in electronic controlled wastegate. It does not exceed when approaching the target position like a pneumatic controller. Positions are predicted faster and more accurately. There is no hysteresis like pneumatic system when opening and closing Wastegate. Pneumatic system is used within the scope of the thesis. One of the main reasons why pneumatic system is preferred is cheaper systems and another is that it can provide targeted performance and emission values.
Depending on the developing technology; computer-aided engineering (CAE) has also evolved to reduce test costs and select more accurate designs in less time. As a result of the preferred (CAE) studies instead of  tests during the development process of the engines, the design of the engines in the prototype stage can be directed and more accurate parts can be selected. BDM models contribute to an engine's running or development even more efficiently. It provides simulation of standard test environments by using these models. Engine performance can also be foreseen by adjusting the environmental conditions to be at a different altitude or at different temperatures.
Motor modeling steps are explained in detail by showing 1B models as an example. In the modeling steps, the part where the air was first taken in detail was explained. Calculation of the pressure and temperature values of the forehead air lost until it reaches the compressor is shown. After the calculation of the temperature and pressure values of the compressed air in the compressor, it was shown how the temperature and pressure values lost due to the cooling process exposed in the intercooler were calculated. After the air coming out of the intercooler is filled to the air intake manifold, it is transmitted to the engine, where the conditions of the air in the valves, the combustion and the calculation of the pressure and temperature values in the cylinder are shown. It is shown that the residual gases exiting the exhaust valve are in the manifold and how they reach the discharge channel. It is shown in detail how the gases reaching the turbine can generate energy in the turbine, adjust the exit temperature and pressure balance from the turbine and pass through the discharge channel. By taking these steps into consideration, these steps were completed by using experiment engine data.
In this study, full load performance test data of a 13 liter diesel engine with 6 cylinders which has turbocharger with twin scroll turbine.  Cylinder exists are separated equal to the turbin inlets. Performance test data of the engine at different speeds with full load was observed at dynamometer. The correlation of the physical properties of the 1D model, which was created by using the data obtained as a result of the experiment, was the same in the error intervals determined by the experiment data. The most critical modeling step during correlation is the modeling of a twin-scroll turbine with a wastegate. During the modeling of this part, the effect of the double inlet turbine was shown correctly in the simulations. It has been calculated in detail how steps are taken to ensure that the valve positions of the wastegate also provide results that correspond to the values at the actual valve positions. In the model created using this calculation method, spring and spring preload is optimized for the wastegate. It is shown how to adjust the ideal spring coefficient and spring preload of the wastegate for the engine to operate at optimum level in different environmental conditions.
Correlated model was used for the prototype works of the engine that will produce high power. Whether the new higher power curve targeted by the existing turbocharger in the tested engine can be achieved with optimizing the wastegate parts is examined in 1B environment. As a result of the examinations, it was observed that this power curve could not be achieved with the existing turbocharger. The same study was performed in a virtual environment with a different turbocharger with the same wastegate using the 1B model, and it was shown that the targeted power can be achieved by optimizing the wastegate's spring coefficients and spring pre-load.