1D modelling of heat transfer and mechanical losses in turbochargers and map efficiency correction

Since Internal Combustion Engine (ICE) was invented, at the end of 19th Century, subsequent technological enhancements have led to a notable growth of produced power, an improvement of combustion process and a higher overall efficiency. Neverthless, the current global scenario, characterized by a constant increase of population with a relative growing in transportation needs, requires stringent emission standards and oil usage depletion, leading automotive engine manufacturers to find a way of matching technological and environmental constraints. Turbocharging coupled with downsized engines represents one of the most feasible way to increase specific power while reducing fuel consumption. In this context the development of predictive tools for engine components design and pre-calibration, as Gasdyn, can be very interesting. The Gasdyn code is a 1D thermo-fluid dynamic model for the simulation of the whole engine system. It adopts numbers of sub-models, such as for turbocharger. Turbine and compressor performances are modeled using performance maps that are provided by manufacturers. These maps are usually far from the assumption of reproducing the isentropic performance, since they are measured using a hot gas stand. In this condition the turbocharger efficiency maps include the mechanical losses and the heat transfer exchanged during the test. As consequence, results are accurate only when the simulation is referred to turbocharger operative conditions similar to those at which maps were recorded. Therefore, in critical cases such as off-design conditions and WLTC driving cycle, real or simulated conditions are far from the test ones. The aim of this work is the analysis of internal and external heat transfers and mechanical losses, which take place inside a turbocharger during hot gas stand tests, and a subsequent development of sub-models to correct the diabatic standard turbocharger map into adiabatic maps.

Fin dall’invenzione del primo motore a combustione interna, alla fine del 19esimo secolo, successivi miglioramenti tecnologici hanno portato ad una notevole crescita della potenza prodotta, ad un miglioramento del processo di combustione e ad una maggiore efficienza. Nonostante ciò, lo scenario globale, caratterizzato da un costante aumento della popolazione con un conseguente aumento delle necessità di mobilitazione, richiede stringenti standard di emissione e una riduzione dell’utilizzo di combustibili fossili, spingendo l’industria automobilistica a cercare un modo per soddisfare i limiti tecnologici e ambientali. Un turbocompressore accoppiato ad un motore "downsized" rappresenta la via più pratica e realizzabile per aumentare la potenza specifica riducendo i consumi. In questo contesto lo sviluppo di strumenti predittivi per il design di componenti e calibrazione di motori, come Gasdyn, può risultare molto utile. Gasdyn è un modello termo-fluidodinamico per simulazioni di un intero motore a combustione interna. Utilizza numerosi sotto-modelli, come il relativo per il turbocompressore. Turbina e compressore sono modellizzati utilizzando mappe di prestazione fornite da produttori. Queste mappe sono generalmente lontane dall’ipotesi di riprodurre le prestazioni isentropiche, essendo misurate in banchi di prova con gas caldi. In queste condizioni la mappa dell’efficienza del turbocompressore include anche perdite meccaniche e scambi termici che avvengono durante il test. Di conseguenza, i risultati sono accurati solo quando la simulazione riproduce le medesime condizioni operative del test. Pertanto, in casi critici come off-design o cicli di guida WLTC, queste condizioni sono lontane da quelle riprodotte nei test. L’obiettivo di questa tesi prevede l’analisi di scambi termici, interni ed esterni, e perdite meccaniche, che hanno luogo all’interno del turbocompressore durante i test sui banchi prova, ed un seguente sviluppo di relativi sotto-modelli per la correzione delle mappe diabatiche in mappe adiabatiche.