Synthesis of the 1D modelling of turbochargers and its effects on engine performance prediction

Low fuel consumption is one of the main requirement for current internal combustion engines for passenger car applications. One of the most used strategies to achieve this goal is to use downsized engines (smaller engines while maintaining power) what implies the usage of turbochargers. The coupling between both machines (the turbocharger and the internal combustion engines) presents many difficulties due to the different nature between turbomachines and reciprocating machines. These difficulties make the optimal design of the turbocharged internal combustion engines a complicated issue. In these thesis a strong effort has been made to improve the global understanding of different physical phenomena occurring in turbochargers and in turbocharged engines. The work has been focused on the 1D modelling of the phenomena since 1D tools currently play a major role in the engine design process. Both experimental and modelling efforts have been made to understand the heat transfer and gas flow processes in turbochargers. Previously to the experimental analysis a literature review has been made in which the state of the art of heat transfer and gas flow modelling in turbochargers have been analysed. The experimental effort of the thesis has been focused on measuring different turbochargers in the gas stand and the engine test bench. In the first case, the gas stand, a more controlled environment, has been used to perform tests at different conditions. Hot tests with insulated and not insulated turbocharger have been made to characterise the external heat transfer. Moreover, adiabatic tests have been made to compare the effect of the heat transfer on different turbocharger variables and for the validation of the turbine gas flow models. In the engine test bench full and partial load tests have been made for model validation purposes. For the models development task, the work has been divided in heat flow models and gas flow models. In the first case, a general heat transfer model for turbochargers has been proposed based on the measured turbochargers and data available from previous works of the literature. This model includes a procedure of conductive conductances estimation, internal and external convection correlations and radiation estimation procedure. In the case of the gas flow modelling, an extended model for VGT performance maps extrapolation for both the efficiency and the mass flow has been developed as well as a model for discharge coefficient prediction in valves for two stage turbochargers. Finally, the models have been fully validated coupling them with a 1D modelling software simulating both the gas stand and the whole engine. On the one hand, the results of the validation show that compressor and turbine outlet temperature prediction is highly improved using the developed models. This results prove that the turbocharger heat transfer phenomena are important not only for partial load and transient simulation but also in full loads. On the other hand, the VGT extrapolation model accuracy is high even at off-design conditions.El bajo consumo de combustible es uno de los principales requerimientos de los motores de combustión interna actuales para aplicaciones de coches de pasajeros. Una de las estrategias más usadas para conseguir ese fin es el uso de motores "downsized" (motores más pequeños con la misma potencia) lo que implica el uso de turbocompresores. El acoplamiento entre ambas máquinas (el turbocompresor y el motor de combustión alternativo) presenta muchas dificultades debido a la diferente naturaleza entre las turbomáquinas y las máquinas alternativas. Estas dificultades convierten el diseño óptimo de los motores de combustión interna sobrealimentados en un asunto complicado. En esta tesis se ha realizado un importante esfuerzo para mejorar el entendimiento global de los diferentes fenómenos físicos que ocurren en los turbocompresores y en los motores sobrealimentados. El trabajo se ha centrado en el modelado 1D de los fenómenos puesto que las herramientas 1D juegan actualmente un papel principal en el proceso de diseño del motor. Se han realizado tanto esfuerzos experimentales como de modelado para el entendimiento de los procesos de transmisión de calor y de flujo de gases en turbocompresores. Previamente al análisis experimental se ha realizado una revisión de la literatura disponible en la que se ha analizado el estado del arte del modelado de transmisión de calor y flujo de gases en turbocompresores. El esfuerzo experimental de la tesis se ha centrado en la medida de diferentes turbocompresores en el banco de gas y en el banco motor. En el primer caso, se ha utilizado el banco de gas, un ambiente más controlado, para realizar ensayos en diferentes condiciones. Se han realizado ensayos calientes con y sin aislamiento del turbocompresor para caracterizar el flujo de calor externo. Además, se han realizado ensayos adiabáticos para comparar el efecto de la transmisión de calor sobre diferentes variables del turbocompresor y para la validación de los modelos de flujo de gases de la turbina. En el banco motor se han realizado ensayos a plena carga y a cargas parciales para usarlos en la validación. Para la tarea del desarrollo de los modelos, el trabajo se dividió en modelos de flujo de calor y modelos de flujo de gases. En el primer caso, se ha propuesto un modelo general de transmisión de calor para turbocompresores basado en los turbocompresores medidos y en datos disponibles de trabajos previos de la literatura. Este modelo incluye un procedimiento para la estimación de las conductancias conductivas, correlaciones de convección interna y externa y un procedimiento de estimación de la radiación. En el caso del modelado de flujo de gases, se ha desarrollado un modelo extendido para la extrapolación de mapas de funcionamiento de TGV tanto para el rendimiento como para el gasto másico además del modelo de predicción de coeficientes de descarga en válvulas de turbocompresores de doble etapa. Finalmente, los modelos han sido completamente validados con su acoplamiento a un software de modelado 1D simulando tanto el banco de turbos como el motor completo. Por un lado, los resultados de la validación señalan que la predicción de las temperaturas de salida de compresor y turbina mejora notablemente usando los modelos desarrollados. Este resultado demuestra que los fenómenos de transmisión de calor son importantes no sólo en simulaciones de cargas parciales y de transitorios sino también en plenas cargas. Por otro lado, la precisión del modelo de extrapolación de TGV es alta incluso en condiciones fuera de diseño.El baix consum de combustible és un dels principals requeriments dels motors de combustió interna actuals per a aplicacions de cotxes de passatgers. Una de les estratègies més usades per a aconseguir eixe fi és l'ús de motors "downsized" (motors més xicotets amb la mateixa potència) el que implica l'ús de turbocompressors. L'adaptament entre ambdues màquines (el turbocompressor i el motor de combustió alternatiu) presenta moltes dificultats degut a la diferent naturalesa entre les turbomàquines i les màquines alternatives. Estes dificultats convertixen el disseny òptim dels motors de combustió interna sobrealimentats en un assumpte complicat. En esta tesi s'ha realitzat un important esforç per a millorar l'enteniment global dels diferents fenòmens físics que ocorren en els turbocompressors i en els motors sobrealimentats. El treball s'ha centrat en el modelatge 1D dels fenòmens ja que les ferramentes 1D juguen actualment un paper principal en el procés de disseny del motor. S'han realitzat tant esforços experimentals com de modelatge per a l'enteniment dels processos de transmissió de calor i de flux de gasos en turbocompressors. Prèviament a l'anàlisi experimental s'ha realitzat una revisió de la literatura disponible en què s'ha analitzat l'estat de l'art del modelatge de transmissió de calor i flux de gasos en turbocompressors. L'esforç experimental de la tesi s'ha centrat en la mesura de diferents turbocompressors en el banc de gas i en el banc motor. En el primer cas, s'ha utilitzat el banc de gas, un ambient més controlat, per a realitzar assajos en diferents condicions. S'han realitzat assajos calents amb i sense aïllament del turbocompressor per a caracteritzar el flux de calor extern. A més, s'han realitzat assajos adiabàtics per a comparar l'efecte de la transmissió de calor sobre diferents variables del turbocompressor i per a la validació dels models de flux de gasos de la turbina. En el banc motor s'han realitzat assajos a plena càrrega i a càrregues parcials per a usar-los en la validació. Per a la tasca del desenvolupament dels models, el treball es va dividir en models de flux de calor i models de flux de gasos. En el primer cas, s'ha proposat un model general de transmissió de calor per a turbocompressors basat en els turbocompressors mesurats i en dades disponibles de treballs previs de la literatura. Este model inclou un procediment per a l'estimació de les conductàncies conductivas, correlacions de convecció interna i externa i un procediment d'estimació de la radiació. En el cas del modelatge de flux de gasos, s'ha desenvolupat un model estés per a l'extrapolació de mapes de funcionament de TGV tant per al rendiment com per al gasto màssic a més del model de predicció de coeficients de descàrrega en vàlvules de turbocompressors de doble etapa. Finalment, els models han sigut completament validats amb el seu adaptament a un software de modelatge 1D simulant tant el banc de turbos com el motor complet. D'una banda, els resultats de la validació assenyalen que la predicció de les temperatures d'eixida de compressor i turbina millora notablement usant els models desenrotllats. Este resultat demostra que els fenòmens de transmissió de calor són importants no sols en simulacions de càrregues parcials i de transitoris sinó també en plenes càrregues. D'altra banda, la precisió del model d'extrapolació de TGV és alta inclús en condicions fora de disseny.Dombrovsky, A. (2017). Synthesis of the 1D modelling of turbochargers and its effects on engine performance prediction [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8230

Development and validation of a radial turbine efficiency and mass flow model at design and off-design conditions

Turbine performance at extreme off-design conditions is growing in importance for properly computing turbocharged reciprocating internal combustion engines behaviour during urban driving conditions at current and future homologation cycles. In these cases, the turbine operates at very low flow rates and power outputs and at very high blade to jet speed ratios during transitory periods due to turbocharger wheel inertia and the high pulsation level of engine exhaust flow. This paper presents a physically based method that is able to extrapolate radial turbines reduced mass flow and adiabatic efficiency in blade speed ratio, turbine rotational speed and stator vanes position. The model uses a very narrow range of experimental data from turbine maps to fit the necessary coefficients. By using a special experimental turbocharger gas stand, experimental data have been obtained for extremely low turbine power outputs for the sake of model validation. Even if the data used for fitting only covers the turbine normal operation zone, the extrapolation model provides very good agreement with the experiments at very high blade speed ratio points; producing also good results when extrapolating in rotational speed and stator vanes position.The authors of this paper wish to thank M.A. Ortiz for his invaluable help during the experimental setup and to Arnau Blasco for his hard data fitting work. This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through Grant No. TRA2013-40853-R.Serrano Cruz, JR.; Arnau Martínez, FJ.; García-Cuevas González, LM.; Dombrovsky, A.; Tartoussi, H. (2016). Development and validation of a radial turbine efficiency and mass flow model at design and off-design conditions. Energy Conversion and Management. 128:281-293. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.09.032S28129312

External heat losses in small turbochargers: Model and experiments

[EN] The behavior of small turbochargers is deeply affected by heat transfer phenomena. The external heat losses of these machines are studied and a simplified model that takes into account both radiation and convective mechanisms has been proposed. The model has been adjusted in a turbocharger test bench for two different turbochargers, later on it has been validated against experimental measurements on an engine test bench. Finally, the model has been used to estimate the most important external heat flows among the different elements of the turbocharger, showing the operative points in which external heat transfer in turbochargers cannot be neglected. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.This work has been financial supported by Jaguar Land Rover Ltd.Payri González, F.; Olmeda, P.; Arnau Martínez, FJ.; Dombrovsky, A.; Smith, L. (2014). External heat losses in small turbochargers: Model and experiments. Energy. 71:534-546. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.04.096S5345467

Turbocharger heat transfer and mechanical losses influence in predicting engines performance by using one-dimensional simulation codes

The exhaust energy can represent up to 40% of the fuel chemical energy in turbocharged internal combustion engines. In order to calculate properly the available energy of the exhaust gases, a critical parameter is the temperature downstream the turbine. The prediction of this temperature will also benefit the two-stage turbochargers and after-treatment modelling that affects brake specific fuel consumption, exhaust gases emissions and the scavenging process. In this paper, turbocharger heat transfer losses have been modelled using a lumped capacitance model coupled with one-dimensional whole-engine simulation software. The data from the simulations of a turbocharged Diesel engine, with and without the turbocharger heat transfer model, have been compared with experimental measurements performed in an engine test bench. The analysis is focused on studying the influence in turbocharger outlet temperatures and predicting the engine performance. The main result of the study is the improvement in the prediction of both compressor and turbine outlet temperatures (up to an improvement of 70 K). The results from the model allow analysing how heat transfer losses are split in the turbocharger and quantifying the importance of heat transfer phenomena in turbocharger efficiency, at full load conditions and as a function of engine speed.This work has been financial supported by Jaguar Land Rover Ltd. It has been also partially supported by Ministerio de Economia y Competitividad, Secretaria de Estado de Investigacion, Subdireccion de proyectos de investigacion (TRA2013-40853-R).Serrano Cruz, JR.; Olmeda González, PC.; Arnau Martínez, FJ.; Dombrovsky, A.; Smith, L. (2015). Turbocharger heat transfer and mechanical losses influence in predicting engines performance by using one-dimensional simulation codes. Energy. 86:204-218. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.03.130S2042188

Experimental analysis and one-dimensional modeling of heat transfer phenomena in turbochargers for internal combustion engines

[EN] Nowadays, the regulation of pollutant emissions of reciprocating internal combustion engines becomes more and more restrictive. One of the main strategies to reduce those emissions is the reduction of engine volume (downsizing) maintaining the same specific power by means of turbocharging. This master thesis contributes to turbochargers heat transfer phenomena study using two approaches: experimentation and 1D modeling. For the first approach, tests in both gas stand and engine test bench have been performed. For the second one, a lumped capacitance model has been used coupled to a 1D simulation code (GT-Power™) to analyze the prediction of relevant turbocharger variables[ES] En la actualidad la regulación de emisiones contaminantes en motores de combustión interna es cada vez más y más restrictiva. Una de las principales estrategias para reducir dichas emisiones es la reducción del volumen del motor ("downsizing") manteniendo la misma potencia específica por medio de la turbosobrealimentación. Esta tesis final de máster contribuye al estudio de los fenómenos de transferencia de calor en turbocompresores utilizando dos estrategias: experimentación y modelado 1D. Para la primera estrategia, se realizaron ensayos en banco de gas y banco motor. Para la segunda, se utilizó un modelo de capacitancias discretas acoplado a un código de simulación 1D (GT-Power™) para analizar la predicción de las variables relevantes del turbocompresorDombrovsky, A. (2014). Experimental analysis and one-dimensional modeling of heat transfer phenomena in turbochargers for internal combustion engines. http://hdl.handle.net/10251/51802Archivo delegad

Análisis CFD de transferencia de calor por convección natural para integración de dispositivos termoeléctricos

[ES]En la actualidad el desarrollo de metodolog´ıas para el aprovechamiento energ´etico tiene un creciente inter´es en industrias de cualquier tipo, incluyendo la aeroespacial. Este inter´es se debe a la necesidad de ahorro energ´etico dada la constante incertidumbre sobre el precio de los combustibles f´osiles y el impacto ambiental que la producci´on de energ´ıa genera. Adem´as, un mejor aprovechamiento de energ´ıa generalmente conduce a una disminuci´on de los costes de funcionamiento de los equipos. El presente trabajo se centra en el aprovechamiento de parte de la energ´ıa contenida en el calor residual emitido por dispositivos electr´onicos o el´ectricos. Para dicho aprovechamiento se utilizan dispositivos termoel´ectricos, capaces de generar electricidad a partir de una diferencia de temperatura entre sus terminales. El mayor rendimiento de tales dispositivos se alcanza cuando la diferencia de temperatura es mayor. Esto exige un an´alisis de transmisi´on de calor para buscar una configuraci ´on que mantenga la diferencia de temperatura al m´aximo posible. Dicho an´alisis depende fuertemente del problema concreto pues es necesario determinar el modo o modos de transferencia de calor predominantes o que permitan el dise˜no. Se analiza el caso particular de un farol para alumbrado como caso de referencia. El modo de transferencia de calor que permite cierto grado de dise˜no en la mencionada aplicaci ´on es la transmisi´on de calor por convecci´on natural adem´as de la radiaci´on. Este es precisamente el n´ucleo central del presente proyecto fin de carrera. El enfoque para el an´alisis de la transmisi´on de calor por convecci´on natural y radiaci´on se realiza desde dos perspectivas complementarias. Por un lado se realiza un estudio te´orico basado en correlaciones semiemp´ıricas disponibles en la literatura que permiten evaluar la transmisi´on de calor global en algunas geometr´ıas simples. Por otro lado, de cara al an´alisis de geometr´ıas complejas y condiciones de contorno que no est´an recogidas en la literatura se realiza un estudio mediante un c´odigo CFD (del ingl´es, Mec´anica de Fluidos Computacional, Computational Fluid Dynamics), realizando la validaci´on de su metodolog´ıa con los casos sencillos disponibles en la literatura.Dombrovsky, A. (2012). Análisis CFD de transferencia de calor por convección natural para integración de dispositivos termoeléctricos. http://hdl.handle.net/10251/183932Archivo delegad

General Procedure for the Determination of Heat Transfer Properties in Small Automotive Turbochargers

These days many research efforts on internal combustion engines are centred on optimising turbocharger matching and performance on the engine. In the last years a number of studies have pointed out the strong effect on turbocharger behaviour of heat transfer phenomena. The main difficulty for taking into account these phenomena comes from the little information provided by turbocharger manufacturers. In this background, Original Engine Manufacturers (OEM) need general engineering tools able to provide reasonably precise results in predicting the mentioned heat transfer phenomena. Therefore, the purpose of this work is to provide a procedure, applicable to small automotive turbochargers, able to predict the heat transfer characteristics that can be used in a lumped 1D turbocharger heat transfer model. This model must be suitable to work coupled to whole-engine simulation codes (such as GT-Power or Ricardo WAVE) for being used in global engine models by the OEM. Moreover, the procedure must be capable to predict heat transfer effects using available data as external geometrical parameters of the turbocharger. To reach these several purposes, a description of the procedure to obtain correlations for heat transfer behaviour to be used in a lumped model is given. The procedure is based on several generalised correlations obtained from the evaluation of heat transfer properties of different turbochargers. The validity of the procedure is confirmed by simulations performed in GT-Power environment compared to experimental results both in a gas stand and in an engine test bench. The results of the validation show an acceptable level of accuracy using the proposed procedure. Furthermore, the advantages of the procedure are shown by comparing its results with the results of standard GT-Power simulations. In these last simulations only turbocharger maps are used without a turbocharger heat transfer model. Further analysis of these results evidences that the simple procedure of using general correlations for heat transfer properties in a lumped model is accurate enough to predict turbine outlet temperature much better than standard GTPower model. This parameter is crucial for after treatment modelling and design as well as for two stage turbocharging.The work has been partially supported by Ministerio de Economia y Competitividad, Secretaria de Estado de Investigacion. Subdireccion de proyectos de investigacion (TRA2013-40853-R).Serrano Cruz, JR.; Olmeda González, PC.; Arnau Martínez, FJ.; Dombrovsky, A. (2014). General Procedure for the Determination of Heat Transfer Properties in Small Automotive Turbochargers. SAE International Journal of Engines. 8(1):1-12. https://doi.org/10.4271/2014-01-2857S1128