شبیه‌سازی جریان پایا درون گردای سامانۀ پرخوران موتور احتراق داخلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 صنعتی امیرکبیر

3 کارشناس واحد طراحی مرکز تحقیقات موتور ایران خودرو

چکیده

سامانه‌های پرخوران، با فشرده‌سازی هوای ورودی به موتور باعث افزایش بازده تنفسی و کاهش مصرف سوخت وکاهش سطح آلاینده‌های خروجی از موتور می‌گردند. ماهیت جریان درون گردا پیچیده بوده و پدیده‌های مختلفی از قبیل جدایش و آشفتگی جریان درون گردا مشاهده می‌شود. همچنین تعیین دقیق عملکرد گردا در نقاط کاری مختلف، در تطابق پرخوران با موتور نقش بسزایی دارد. هدف اصلی این تحقیق، شبیه‌سازی سه‌بعدی و پایا جریان درون گردای سامانۀ پرخوران و تحلیل رفتار گردا، در شرایط مختلف عملکردی است. بدین منظور جریان درون گردا شامل حلزونی، چرخان، پخشگر خروجی و مسیر هدررو به صورت سه‌بعدی و تحت شرایط پایا بررسی می‌شود. صحه‌گذاری نتایج شبیه‌سازی به کمک نتایج آزمون‌های تجربی، نشان دهندۀ اختلافی در حدود 3 تا 9 درصد بین این نتایج است. همچنین به‌منظور پایش سرعت دورانی پرخوران، گردای سامانۀ پرخوران موردبررسی، مجهز به سازوکار دریچۀ هدررو است. با اندازه‌گیری مقدار دقیق گشودگی دریچۀ هدررو در نقاط کاری گردا در میز آزمون موتوری، شبیه‌سازی جریان درون گردا در حالت دریچۀ هدررو باز انجام شده و تأثیر گشودگی دریچه بر روی عملکرد گردا و بازدهی هم‌آنتروپی گردا بررسی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که گشودگی دریچۀ هدررو تا حد چشمگیری باعث افت بازدهی هم‌آنتروپی گردا و کاهش توان تولیدی توسط گردا، می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Steady Simulation of the Flow inside the Internal Combustion Engine Turbocharger’s Turbine

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Farajpoor khanaposhtani 1
  • S.Mostafa Agha Mirsalim 2
  • Seyyed Shahaboldin Alavioun 3
1 Mechanical Engineering Department, AmirKabir University of Technology.
2 Mechanical Engineering Department of Amirkabir University, Iran, Tehran
3 Expert of Designing Department of Iran Khodro's Research Institute (IPCO Company)
چکیده [English]

Turbocharger systems, can increase volumetric efficiency and decrease fuel consumption and emissions of an engine due to compressing the entering air to the engine. Flow characteristic inside turbine is sophisticated and several phenomena like flow separation and high turbulent flow can occur inside turbine. Determining exact performance behavior of turbine can alter the matching process of the turbocharger with the engine. The main goal of this research is 3D and steady simulation of the flow inside turbocharger’s turbine and analysis of the performance behavior of turbine under different working conditions. To this end, 3D flow inside turbine including volute, rotor, diffuser and wastegate passage is investigated steadily. Validating simulation results by experimental results shows that there exist 3 to 9 percent of error between these. In order to control the rotational speed of turbine, turbocharger is equipped with wastegate. By measuring the exact amount of wastegate opening in different working conditions of turbine on a test cell, flow simulation inside turbine is accomplished in different wastegate openings and the effect of wastegate opening on the turbine performance and isentropic efficiency is investigated. The results shows that opening of wastegate can reduce isentropic efficiency and power produced by the turbine significantly.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Turbocharger
  • Turbine
  • 3D simulation
  • Wastegate
  • isentropic efficiency
[1]  F. Schmitt, e. al, Future Passenger Car R2S Charging Systems - using VTG and Low Pressure EGR, in: GT- SUITE Conference 2008, Frankfurt 2008.
[2]  H. Karrabi, A. Hajilouy-Benisi, M. Nili-Ahmadabadi, Experimental and numerical investigation of a centrifugal compressor, in: ASME 2010 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, American Society of Mechanical Engineers, 2010, pp. 447-458.
[3]  R. Salehi, G. Vossoughi, A. Alasty, Modeling and estimation of unmeasured variables in a wastegate operated turbocharger, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 136(5) (2014) 052601.
[4]   Q. Chen, J. Ni, X. Shi, Q. Wang, Q. Chen, S. Liu, Research on Effect of Wastegate Diameter on Turbocharged Gasoline Engine Perfor mance, 0148- 7191, SAE Technical Paper, 2016.
[5]  A. Dupuis, Key Features of the Turbocharged Engine System for the New PSA 1.2 L PureTech e-THP 3 Cylinder Gasoline Engine, 19, in: Aufladetechnische Konferenz, Sept, 2014.
[6]    E.M.V. Siggeirsson, S. Gunnarsson, Conceptual design tool for radial turbines, Journal of Applied Mathematics, 2011 (2011) 16.
[7]  M.T. Rahni, Bayati, Numerical Simulation of The Flow Inside a Turbocharger’s Compressor, Aerospace Mechanics Journal, 6(1) (2010) 1-10.(in Persian)
[8]  L.M.G.-C. González, Experiments and  Modelling of Automotive Turbochargers under Unsteady Conditions, 2015.
[9]  A. HAJILOUEI, M. Rad, H.M. SHAH, Modeling of twin-entry radial turbine performance characteristics based on experimental investigation under full and partial admission conditions, (2009).
[10]   J. Galindo, S. Hoyas, P. Fajardo, R. Navarro, Set- up analysis and optimization of  CFD  simulations  for radial turbines, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 7(4) (2013) 441-460.
[11]  H. Tabatabie, M. Broumand, M.T. Rahni, Comparing between 1D and 3D flow analysis in the on-engine small turbocharger experimentally and numerically, Modarres Mechanical Engineering, 11(4) (2012) 75- 88. (in Persian)
[12]  S.L. Dixon, C. Hall, Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery, Butterworth- Heinemann, 2013.
[13]  F.M. White, Fluid mechanics. 5th, Boston: McGraw- Hill Book Company, (2003).
[14]  G. Heydarinejad, Turbulance, Publication of Tarbiat Modarres University, Tehran, 2009. (in Persian)
[15]   C. PER, Three Dimensional CFD Simulation of a Turbocharger Turbine For Motorsport Applications, Msc Thesis, 2010.
[16]  A. Fluent, 12.0 User’s guide, Ansys Inc, (2009).
[17]    K. Li, Z. Xiao, Y. Wang, J. Du, K. Li, Parallel Computational Fluid Dynamics: 25th International Conference, ParCFD 2013, Changsha, China, May 20-24, 2013. Revised Selected Papers, Springer, 2014.
[18]  C. ANSYS, ANSYS CFX Modeling Guide Release 15.0, ANSYS Inc, (2013).