Analisi e modelli termici di turbocompressori monostadio e bistadio ad uso automobilistico

In engine simulators, usually the turbocharger is modelled considering the turbine and the compressor as adiabatic machines. However, some bibliographic references and lab tests put in evidence the existence of heat transfers, inward and outward the turbomachine. This work aims to analyse them and to propose methods that take them into account in calculating real performances. Firstly, the phenomenon is introduced and a study on its influence on compressor and turbine maps measured on test bench at different turbine inlet temperatures are presented. Then, two performance-correcting methods are applied on a traditional single-stage turbocharger: one uses maps measured at different temperatures, the other implement an analytic model. The results confirm that adiabatic hypothesis is quite inaccurate. The same method is then applied, and validated, to a dual-stage turbocharger prototype, whose geometry and operation are clearly different form the former, tested on the lab bench. Model simulations show a good agreement with test results.

Nei simulatori motore, spesso il modello del turbocompressore adottato considera turbina e compressore come macchine adiabatiche. Tuttavia, riferimenti bibliografici e test di laboratorio evidenziano l’esistenza di scambi termici interni ed esterni alla turbomacchina. Questo lavoro ha lo scopo di analizzarli e proporre metodi per tenerne conto nel calcolo delle prestazioni reali. Prima, si presenta il fenomeno e la sua influenza su mappe di compressore e turbina misurate al banco prova per diverse temperature d’ingresso in turbina. In seguito, si applicano a un turbocompressore monostadio tradizionale due modalità di correzione delle prestazioni: una utilizza le mappe misurate a diverse temperature, l’altra implementa un modello analitico. I risultati in effetti confermano una certa imprecisione dell’ipotesi di adiabaticità. Lo stesso metodo analitico è poi implementato, e validato sperimentalmente, a un prototipo di turbocompressore bistadio, di geometria e funzionamento diversi dal primo, testato in laboratorio. Le simulazioni del modello mostrano una buona concordanza con i dati sperimentali.