Challenges of turbocharging a two-cylinder engine : a computational analysis of a turbocharger turbine by transient CFD methods

Abstract

Drive train development is facing demands for reduced emissions and growing expectations for driving dynamics coupled with declining fuel consumption. Downsizing in combination with turbocharging is a key technology to ensure increased power density and efficiency, at reduced emission levels. Up to now, quasi-steady behavior of the turbocharger has been assumed in the turbocharger design. However, the inflow conditions for radial turbines are actually quite different for real pulsating engine operations, compared to steady and quasi-steady conditions [1]. The aim of reducing the fuel consumption with fewer cylinders leads to a further change in the boundary conditions for the turbocharger [7]. As a result, the quasi-steady behavior, especially in two cylinder engines, does not seem to be valid and this has to be taken into account during the design process [2], [3]. This paper presents a numerical investigation of a pulse charged turbocharger turbine to gain an understanding of the aerodynamics at different pulse frequencies. A validated CFD-model is used to compute two and four-cylinder pulses. The time dependent boundary conditions for pressure and temperature are generated via 1D simulation. To make both pulse frequencies comparable, the turbine simulations were run with the same specific exhaust cycle enthalpy. The analyses of the results shows a significant deterioration of the turbine operating behavior at low end torque due to the pulsating inflow of a two cylinder pulse compared to a four cylinder pulse. Higher engine speeds reduce the disadvantages. Furthermore it can be shown that the storage effect of the volute and the phase shift in temperature and pressure influences the throughput behavior of the turbine. For that the specific pulsating flow conditions must be considered for an optimization of the turbocharger of a two-cylinder engine.Turboaufgeladene Vier-Zylinder-Motoren stellen weltweit den höchsten Anteil im Automobilbereich. Diese stehen auf Grund von Po-tentialen hinsichtlich Verbrauchsersparnis und Bauraum in Konkurrenz mit Drei-Zylinder-Motoren. Dem Trend folgend, wächst auch das Interesse an zweizylindrigen Motoren. Diese bringen neben mechanischen Eigenschaf-ten hinsichtlich Ungleichförmigkeiten bewegter Massen und Zündfolge auch deutlich geänderte Bedingungen am Abgasturbolader mit sich. Der pulsierende Einfluss bei Zwei-Zylindermotoren steigt und ändert damit vor allem die Randbedingungen der Turbine. In diesem Beitrag werden mit Hilfe numerischer Untersuchungen Verglei-che der Betriebsbedingungen einer Abgasturbolader-Turbine bei einem Zwei- und einem Vier-Zylinderbetrieb durchgeführt. Ziel der Studie ist es, die Unterschiede beider Motorarten auf das Betriebsverhalten der Turbine aufzuzeigen. Für die Randbedingungen des Modells werden die Ergebnisse eines, aus einer GT-Power-Simulation stammenden, Zwei-Zylinder-Modells verwendet. Als Ausgangsbedingung der CFD-Simulation (CFD= computati-onal fluid dynamics) wird die Turbine mit einem Zwei- bzw. Vier-Zylinderpuls beaufschlagt, wobei für beide Betriebszustände die gleiche spezifische Abgasenthalpie über einen Zyklus zur Verfügung gestellt wird. Auf diese Weise lassen sich die Pulsbedingungen eines kleinen Vier-Zylinder-Motors simulieren und mit denen eines Zwei-Zylinders verglei-chen. Die Ergebnisse zeigen, dass für eine Optimierung des Turboladers eines Zwei-Zylindermotors die Besonderheiten pulsierender Strömungsbe-dingungen berücksichtigt werden müssen