Dizel motor modeli ile entegre bir aşırı doldurma ünitesi tasarım ve optimizasyon modeli geliştirilmesi
Development of a turbocharger design and optimization model integrated with the diesel engine model
Yazar: MERT ALPAYA
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU ; PROF. DR. CENGİZ CAMCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aerodinamik tasarım = Aerodynamic design ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Santrifüj kompresör = Centrifugal compressor ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Turbo kompresör sistemi = Turbo compressor system ; Turbo şarj türbin kanatçığı = Turbo charge impeller

Özet:
Otomotiv sektöründe içten yanmalı motorların geleceği sorgulansa da mevcut batarya teknolojilerinin henüz istenilen olgunluk seviyesine ulaşamamasından dolayı; özellikle uzun mesafeler kat eden hafif ve ağır ticari araçlarda tam elektrikli güç aktarım çözümlerine geçiş kısa ve orta vadede çok olası gözükmemektedir. Bu sebeple içten yanmalı motorlarda geliştirme ve performans iyileştirme çalışmaları hala devam etmektedir. İçten yanmalı motorlarda performans iyileştirme amacıyla çalışılan en önemli bileşenlerden birisi de aşırı doldurma ünitesidir. Aşırı doldurma ünitesi ya da bir diğer deyişle turbo; temel olarak küçük boyutlu bir gaz türbini olup, içten yanmalı motorlarda silindirlere gönderilen yanma havasının yoğunluğunu arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Turbo temel olarak üç ana bileşenden oluşmaktadır. Bu bileşenler sırasıyla; santrifüj kompresör, yatak ve radyal türbindir. Bu bileşenlerden kompresör ve türbinin turbonun performansı üzerinde doğrudan etkisi bulunmaktadır. Bu sebeple bu bileşenlerin, turbonun ve bu turboya sahip motorun yüksek performans vermesi için etkin şekilde tasarlanması gerekmektedir.
Hâlihazırda, tamamıyla turbo özelinde olmasa da ön tasarımdan final tasarıma kadar turbomakine tasarımı yapmayı sağlayan ticari yazılımlar bulunmaktadır. Bu yazılımlar kullanılarak, eğer tasarım isterleri biliniyorsa, sıfırdan bir turbo tasarımı yapılabilmektedir. Ancak bunun için; turbonun tasarım noktasında hangi dönüş hızına, debiye ve sıkıştırma oranına sahip olacağı gibi, sıfırdan bir turbo tasarımı yapacak kişinin başlangıçta bilmesinin mümkün olmadığı birtakım parametrelerin bu yazılımlara girdi olarak verilmesi gerekmektedir. Öte yandan içten yanmalı motor modelleme alanında ise hem ticari yazılımlar hem de motor üreticileri tarafından kendileri için özel olarak geliştirdikleri araçlar mevcuttur. Bu araçlar ile, eğer turboya ait kompresör ve türbin performans haritaları mevcutsa, bu haritalar üzerinden motor-turbo eşleştirmesi yapabilmektedir. Ancak, sıfırdan turbo tasarımı yapmak isteyen bir tasarımcının elinde söz konusu performans haritaları bulunmayacağından dolayı, bu yazılımlar ancak turbo tasarımı bittikten ve performans haritaları ortaya çıktıktan sonra kullanılabilmektedir. Hem motor modellemesi yapmaya yarayan hem de bu motor için en uygun turbo tasarımı ortaya koymaya imkân tanıyan bir araç ise bulunmamaktadır.
Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda ortaya çıkan aracın; bir dizel motorun modellemesini gerçekleştirmesi, bunu yaparken de içereceği turbo modülüyle birlikte motorun sahip olacağı turbonun aerodinamik tasarımını ortaya koyması sağlanmıştır. Turbo tasarımı yapılırken; turbonun tek başına en yüksek performansa sahip olması değil, turbo+motor sisteminin performansının mümkün olan en üst noktaya çıkarılması amaçlanmıştır. Tez kapsamında ortaya çıkan söz konusu bu turbo tasarım aracı, motora bütünleşik bir turbo boyutlandırma modeli içerdiğinden dolayı benzerlerinden farklıdır. Geliştirilen araç; motordan bağımsız turbo tasarımı yapmak yerine, tamamen motora özgü turbo tasarımı yapmaya yaramakta ve böylece motor performansını maksimum yapacak olan turbo tasarımını ortaya koymaktadır.
Tez çalışması dizel motor modelinin oluşturulmasıyla başlamaktadır. Çalışma için hacmi 1.5 litre olan bir hafif ticari araç motoru seçilmiş ve bu motorda yer alan bileşenler için alt modeller oluşturulmuştur. Oluşturulan motor modeli bir ortalama değer modeli olup, motorun kararlı çalışma davranışlarının yanı sıra, dinamik çalışma davranışlarını da mümkün olduğunca yakalayabilmektedir. Elde edilen dizel motor modelinde yer alan motora özgü parametreleri tespit etmek ve motor modelini doğrulamak için gerçek motor üstünde testler gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan dizel motor modelinin, motorun maksimum tork noktasında 1.5%, maksimum güç noktasında ise 1.4%'lük sapmayla test sonuçlarına yaklaştığı görülmüştür.
Motor modelinin ardından turbonun hem santrifüj kompresör hem de radyal türbinine ait çark ve salyangoz bileşenleri için temel boyutları elde etmeye yarayan bir ön boyutlandırma kodu geliştirilmiştir. Ön boyutlandırma kodu; santrifüj kompresör ve radyal türbinin çark ve salyangoz geometrilerinin temel geometrik parametrelerinin belirlenmesi amacıyla, temel olarak Euler Turbomakine Denklemi, gaz dinamiği denklemleri ve hız üçgenleri kullanılarak oluşturulmuş bir koddur. Söz konusu kod sayesinde; dizel motor modelinden elde edilen tasarım girdileri (emiş debisi, emme manifoldu basıncı, egzoz manifoldu sıcaklığı, vb.) kullanılarak santrifüj kompresör ve radyal türbin bileşenlerine ait temel boyutlar elde edilmektedir. Söz konusu kod, özellikle kompresör çarkı boyutlandırma yöntemiyle mevcut kodlardan ayrılmakta ve bu durum tez çalışmasının bir diğer özgün yönü olarak öne çıkmaktadır. Turbomakine boyutlandırma amacıyla kullanılan mevcut kodlar tasarım hızı değerine bir girdi olarak ihtiyaç duyarken, bu tez çalışması kapsamında önerilen kompresör boyutlandırma metodu bu değeri girdi olarak kullanıcıdan istememektedir. Sıfırdan bir turbo santrifüj kompresörü tasarımı yapılırken, tasarımcının genellikle tasarım hızının ne olacağı ya da olması gerektiği hakkında fikri olmamaktadır. Bu sebeple önerilen yöntem turbo hızına değil; çark girişindeki kanat ucu yarıçapının, çark çıkış yarıçapına oranına tasarım girdisi olarak ihtiyaç duymaktadır. Geliştirilen kod ile önce santrifüj kompresör boyutlandırılmakta, ardından kompresör tasarımına ve kompresör için uygun turbo dönüş hızına bağlı olarak radyal türbin boyutlandırması gerçekleştirilmektedir.
Ön boyutlandırma aşamasında çark ve salyangoza ait birçok boyutsal parametre elde edilebilse de bazı parametreler söz konusu aşamada hesaplanamamaktadır. Bu sebeple çark ve salyangoz tasarımlarına ait ön boyutlandırmada elde edilemeyen boyutsal parametreler Genetik Algoritma (GA) tabanlı tasarım optimizasyonu ile elde edilmektedir. Tasarım optimizasyonu aşaması öncesinde, optimizasyonun gerçekleşeceği tasarım uzayları oluşturulmaktadır. Çark ve salyangoz için tasarım uzayı oluşturma aşaması farklı şekilde seyretmektedir. Tez çalışmasının bir diğer özgün yönü; çarka ait tasarım optimizasyon çalışmasının 2-boyutlu (2B) meridyenel akış analizi sonuçları kullanılarak elde edilen tasarım uzayı üzerinde gerçekleştirilmesidir. Buna karşın salyangoz için tasarım optimizasyonu çalışması ise Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizi sonuçları kullanılarak oluşturulan tasarım uzayı üzerinde gerçekleştirilmektedir. Çark tasarım optimizasyonu için meridyenel akış analizi sonuçlarının kullanılması tasarım sürecini önemli ölçüde kısaltmaktadır. Meridyenel akış analizinin turbomakinenin maksimum verim bölgesinde test ve HAD sonuçlarına oldukça yakın sonuçlar verdiği, ancak boğulma ve çalkalanma bölgelerinde kullanılabilir sonuçlar veremediği görülmüştür. Meridyenel akış analizi sonuçları tasarım noktasında, yani turbomakinenin maksimum verim bölgesinde kullanılacağı için çark için meridyenel akış analizi tabanlı bir tasarım optimizasyonuna gidilmiştir. Salyangoz için ise 2B meridyenel akış analizi gerçekleştirmek mümkün olmadığından dolayı, salyangoz tasarım optimizasyonu HAD analizi sonuçları kullanılarak yürütülmüştür. Böylece hem kompresör hem de türbinin çark ve salyangoz tasarımları nihai hallerini almıştır. Çalışmada kullanılan meridyenel akış ve HAD modelleri, performans testi sonuçlarına sahip olunan bir referans turbo kullanılarak doğrulanmıştır.
Son olarak, önerilen yöntem ile dizel motor modeli oluşturulan motor için sıfırdan bir turbo tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çalışılan motor halihazırda turbolu bir motor olduğundan dolayı; tasarlanan turboya ait sonuçlar, mevcut turboyla karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; yeni turbonun kompresörü, motorun mevcut turbosunun kompresörüne göre tasarım noktasında 4% daha yüksek performans göstermektedir. Buna ek olarak yeni tasarlanan türbin ise tasarım noktasında mevcut türbine oranla 3% daha iyi performans vermektedir. Yeni turbo bileşenlerinin tekil olarak mevcut turbo bileşenlerine oranla daha iyi performans göstermesinin yanı sıra, yeni turboya sahip motorun mevcut motordan maksimum tork noktasında 1%, maksimum güç noktasında ise 1.6% oranında daha yüksek tork ve güç ürettiği tespit edilmiştir. Bu sayede tez çalışmasında ortaya konulan turbo tasarım yöntemiyle gerçekleştirilen tasarıma sahip bir turbonun, üzerinde bulunduğu motorun performansını arttıracağı görülmüştür. Önerilen yöntem, literatürde bulunan mevcut turbo tasarım kodlarının kullanıldığı yöntemlerden farklı olarak; tasarımcının minimum tasarım girdisiyle, hızlı ve otomatik şekilde, çalışacağı motora özgü turbo tasarımı yapmasını sağlamaktadır.

Abstract:
Although the future of internal combustion engines in the automotive industry is questioned, the transition to full-electric powertrain solutions in light and heavy commercial vehicles that travel long distances does not seem very likely in the short and medium term, since current battery technologies have not yet reached the desired level of maturity. For this reason, development and performance improvement studies in internal combustion engines continue. Turbocharger is basically a small-sized gas turbine and is used in internal combustion engines to increase the density of the charge air sent to the cylinders. Engine power is proportional to the amount of air and fuel entering the cylinders. If all other parameters are the same; a large engine produces more power than a small engine. If more engine performance is desired from a small engine, or if a large engine is required to produce even more power, more combustion air must be sent to the cylinders. Turbocharger does exactly this task and enables the engine to produce more power. However, due to the emission restrictions, engine manufacturers are not able to increase their engine volumes more, but on the contrary, they are going to reduce it. This makes turbocharger applications mandatory.
Turbocharger basically consists of three main parts. These parts are respectively; compressor, bearing and turbine. The air passing through the engine's air filter enters the compressor and is compressed here, having a higher pressure and higher density. In addition, the temperature of the air is slightly increasing. Then, the density of the air sent to the intercooler, if present in the system, is further increased by cooling it. Afterwards, the air reaching the intake manifold passes to the cylinders from there. As the density of the air increases; each cylinder can draw more air in mass. Massively more air provides the ability to work with more fuel in mass. Thus, more fuel can be burned in the same volume of cylinders and thus more power can be produced. The exhaust gases formed after combustion in the cylinders first reach the exhaust manifold and then the turbine. The energy of the high-temperature exhaust gases rotates the turbine impeller and the compressor impeller on the same shaft. As the compressor impeller rotates, air is sucked into the turbocharger and the system continues to work on its own. The exhaust gases, whose pressure and temperature decrease in the turbine, pass through the exhaust system and are thrown into the atmosphere.
Although there are many big and small turbocharger manufacturers in automotive, marine, agricultural machinery, power generation, etc. areas, the number of companies that can design and develop application-specific turbochargers for these areas is very limited. In Türkiye, there is not yet a company operating as a turbocharger developer. Due to the localization targets set in automotive and defense industry projects in Türkiye in recent years, domestic turbocharger companies have started to be needed. Among these companies, not only assembly and quality control; It is expected that they will be able to come up with a design specific to the engine in which the turbocharger will be used, to produce the turbocharger with advanced production techniques, and to monito the performance and life of the turbocharger with the necessary turbo tests.
The studies that are the subject of this thesis have emerged as a result of these needs. As a result of the thesis study, it is aimed to develop a turbocharger design tool that will enable a domestic turbocharger manufacturer to design a specific turbocharger for the engine to be worked. Two basic models have been developed within the scope of the thesis. These models are; diesel engine model and turbocharger model. The diesel engine model represents the engine on which the turbocharger will be designed. Turbocharger model is integrated into the aforementioned diesel engine model to reveal a turbocharger design that is completely specific to the engine to be worked and contains preliminary sizing, meridional flow analysis, Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis and design optimization steps.
Currently, there are commercial codes that enable turbomachinery design from preliminary design to final design, although not completely turbocherger specific. In addition to performing basic turbomachinery design steps such as preliminary design, meridional flow analysis, performance mapping, blade design and volute design with these software; bearing design, rotordynamics and stability analysis studies can also be carried out thanks to the tools that are included in some of the mentioned software and can be added from the outside to some of them. Using these software, a turbocharger design can be made from scratch if the design requirements are known. However, some parameters, such as rotation speed, flow rate and compression ratio, that it is not possible for the person who will design a turbocharger from scratch, should be given as input to these software.
In the field of internal combustion engine modeling, there are both commercial codes and tools specially developed by engine manufacturers. These codes, which are used to obtain performance parameters and contain turbocharger modules, can make engine-turbocharger matching if there are compressor and turbine performance maps of the turbocharger. However, since a designer who wants to design a turbocharger from scratch will not have the performance maps in question, these software can only be used after the turbocharger design is completed and the performance maps are revealed.
The tool will have capability of modeling a diesel engine together with revealing the aerodynamic design of the turbocharger. While designing the turbocharger; It is not intended that the turbocharger alone has the highest performance, but that the performance of the turbocharger+engine system is maximized. This turbocharger design tool, which emerged within the scope of the thesis, is different from its counterparts as it contains a turbocharger sizing model integrated into the engine. Developed tool serves to design a completely engine-specific turbocharger instead of making a turbocharger design independent of the engine, thus revealing the turbocharger design that will maximize engine performance.
The thesis study begins with the development of a diesel engine model. For the study, a light commercial vehicle engine with a displacement of 1.5 liters was selected and sub-models were created for the components (intake manifold, intercooler, exhaust manifold, cylinders, exhaust gas recirculation system and turbocharger) in this engine. The created engine model is a mean value model, and it can capture the dynamic running behaviors of the engine as much as possible, as well as the steady running behaviors of the engine. In order to determine the engine-specific parameters in the obtained diesel engine model and to verify the engine model, tests were carried out on the real engine. It was observed that the results of the created diesel engine model is validated with the test results with a deviation of 1.5% at the maximum torque point of the engine and 1.4% at the maximum power point.
Following the engine model, a preliminary sizing code was developed to obtain the basic dimensions for the impeller and volute components of both the centrifugal compressor and the radial turbine of the turbocharger. Preliminary sizing code is basically a model created by using the Euler Turbomachinery Equation, gas dynamics equations and velocity triangles in order to determine the basic geometric parameters of the impeller and volute geometries of the centrifugal compressor and radial turbine. Thanks to the code mentioned, basic dimensions of the centrifugal compressor and radial turbine components are obtained by using the design inputs (flow rate, intake manifold pressure, exhaust manifold temperature, etc.) obtained from the diesel engine model. The code differs from the existing codes, especially with the compressor impeller sizing method, and stands out as the original aspect of the thesis. While the existing codes used for turbomachinery sizing require the design speed value as an input, the compressor sizing method proposed within the scope of this thesis does not require this value from the user as an input. While designing a turbocharger centrifugal compressor from scratch, the designer often has no idea what the design speed should or should be. For this reason, the proposed method needs the ratio of the blade tip radius at the impeller inlet to the impeller exit radius as a design input instead of turbocharger speed. With the developed code, first the centrifugal compressor is dimensioned, then the radial turbine dimensioning is performed depending on the compressor design.
Although many dimensional parameters of the impeller and the volute can be obtained at the preliminary sizing step, some parameters cannot be calculated at this stage. For this reason, dimensional parameters that cannot be obtained in the preliminary sizing of impeller and volute designs are obtained by genetic algorithm (GA) based design optimization. Before the design optimization step, the design spaces where the optimization will take place are created. The phase of creating the design space for the impeller and the volute proceeds differently. Another original aspect of the thesis work; the design optimization study of the impeller is carried out on the design space obtained by using the results of 2-dimensional (2D) meridional flow analysis. On the other hand, the design optimization study for the volute is carried out on the design space created using the CFD analysis results. The use of meridional flow analysis results for impeller design optimization significantly shortens the design process. It has been observed that the meridional flow analysis gives very close results to the test and CFD results in the maximum efficiency region of the compressor, but it cannot give usable results in the choke and surge regions. Since the meridional flow analysis results will be used at the design point, a design optimization based on meridional flow analysis can be made for the impeller. Since it is not possible to perform 2D meridional flow analysis for the volute, the volute design optimization was carried out using the CFD analysis results. Thus, the impeller and volute designs of both the compressor and the turbine were finalized. Meridional flow and CFD models used in the study were validated using a reference turbo with performance test results.
Finally, a turbocharger design was carried out from scratch for the engine with the proposed method. Since the engine studied is already a turbocharged engine; the results of the newly-designed turbocharger were compared with the existing turbocharger. According to the results obtained; the new turbocharger not only performed better than the existing turbocharger at many points of the performance map, but also the engine with the new turbocharger produced 1% more torque than the current engine at the maximum torque point and 1.6% more power at the maximum power point.
It has been observed that a turbocharger designed with the proposed design method will increase the performance of the engine. Considering all the results conveyed within the thesis study; it can be said that the proposed engine-specific turbocharger design method is a successful method in terms of the aerodynamic design of the turbocharger and can be used while designing a turbocharger from scratch for any engine. The proposed method differs from the existing turbocharger design codes in the literature as it enables the designer to design turbochargers quickly and automatically with minimum design input.