Effect of inlet configuration on the performance and durability of an automotive turbocharger compressor

Abstract

La evidente generalización durante los últimos años del uso de turbocompresores en motores de combustión interna ha sido debida a un aumento necesario de la concienciación sobre las emisiones contaminantes y sus efectos sobre el medio ambiente y las personas. Las normativas sobre emisiones contaminantes se han endurecido, generalizando el uso de técnicas como la Recirculación de Gases de Escape de Ruta Larga bajo unas condiciones de operación más amplias, con una mayor tasa e incluso bajo condiciones ambiente frías, lo que ha generado potenciales problemas de condensación de agua y daño en el compresor. Además, la tendencia actual de reducir el tamaño del motor para reducir el consumo, llamada " downsizing", ha provocado que el compresor tenga que funcionar muy cerca del límite de bombeo, lo que ha provocado, junto al descrito aumento de recirculación de gases de escape, una mayor exigencia en cuanto a durabilidad y funcionalidad del mismo. Los problemas comentados están claramente condicionados por la configuración geométrica de la entrada del compresor, ya sea por la condensación causada por los gases de escape al ser mezclados con aire fresco o por la influencia sobre el límite de bombeo y el resto de prestaciones.

En este trabajo se propone un modelo de predicción de condensación para ser integrado en un código comercial de mecánica de fluidos computacional (STAR-CCM+). Dicho modelo se plantea de forma que aumente en la menor medida posible el coste computacional, asumiendo ciertas limitaciones como la ausencia de caracterización de las gotas de agua. Una vez implementado, se contrastan los resultados frente a datos experimentales de ensayos de durabilidad: se correlacionan las predicciones del modelo frente al impacto de la condensación sobre el rodete del compresor en diferentes configuraciones geométricas y condiciones de operación. Posteriormente se estudia el impacto del propio compresor sobre el proceso de mezcla y la condensación, lo que permite después desacoplar el problema y reducir en dos órdenes de magnitud el tiempo de cálculo al poder obviar la simulación del compresor.

En cuanto a la influencia de la geometría en el margen de bombeo y resto de parámetros, se proponen varias geometrías sencillas y se analiza su impacto. Primero, se realizan ensayos experimentales en banco motor, tanto estacionarios para medir rendimiento y ruido como transitorios para definir el bombeo. Después, se ejecutan simulaciones CFD y se estudian los fenómenos locales que aparecen, en los que se evidencia una sensibilidad elevada de la geometría sobre el margen de bombeo y el resto de parámetros. Se puede destacar el desempeño de la geometría de entrada cónica, que produce un aumento considerable del margen de bombeo sin repercusiones en el resto de condiciones de operación; y la tobera convergente-divergente, que aumenta el margen de bombeo pero, además, también aumenta ligeramente el rendimiento en el resto del mapa del compresor, aunque a costa de reducir moderadamente las prestaciones a alto gasto másico.

Popularization of turbochargers in internal combustion engines has been produced in the recent years due to a needful increase of awareness of pollutant emissions and their repercussion on the environment and the population. Pollutant emission regulations have tightened, causing techniques such Long Route Exhaust Gas Recirculation to operate under a wider range of operating conditions, with higher rates and even under very cold ambient conditions, which generates a potential problem of water condensation and compressor damaging. Additionally, the actual trend consisting in reducing the size of the engine to reduce fuel consumption, known as "downsizing", has caused the compressor to have to work close to the surge limit. Together with the aforementioned extension of LR-EGR usage range, these phenomena have induced an increase of the compressor design requirements, concerning durability and functionality. Both problems are governed by the geometrical configuration of the compressor inlet and can be, then, studied accordingly.

In this work, a predictive condensation model is proposed for being embedded in a computational fluid dynamics commercial code (STAR-CCM+). To allow a potential optimization of a given geometry, the model should introduce as low additional computational effort as possible, assuming certain limitations, though. For example, the characterization of water droplets is neglected. Once the model is implemented and verified, the results are compared with experimental data obtained from durability tests performed to assess the erosion of the compressor wheel under condensation generated by different LR-EGR T-joint configurations and operating conditions. After, the influence of the compressor on the mixing process and generation of condensates is addressed, proving that the simulation of the compressor can be decoupled from the T-joint numerical domain and reducing by two orders of magnitude the simulation time.

Concerning the impact of the inlet geometry on the surge margin and the other important compressor parameters, several simple geometries are proposed, and their influence is assessed. First, experimental tests performed on an engine test bench are carried out: steady measurements for obtaining efficiency and noise emission and transient tests for characterizing the surge limit. Then, 3D-CFD simulations are performed using similar geometries, studying the local phenomena that appear and proving thus the sensitivity of the inlet geometry to the surge margin and the performance of the compressor. It may be highlighted the performance of the tapered duct, that produces a considerable positive shift of the surge margin without worsening the rest of the parameters and the convergent-divergent nozzle, which in addition to considerably improving the surge margin also enhances the isentropic efficiency of the compressor at low and mid mass flow rates. Nevertheless, the throat becomes a drawback at high mass flow rates, decreasing the compression ratio and efficiency under such conditions.

L'evident generalització durant els últims anys de l'ús de turbocompressors en motors de combustió interna ha estat deguda a un augment necessari de la conscienciació sobre les emissions contaminants i els seus efectes sobre el medi ambient i les persones. Les normatives sobre emissions contaminants s'han fet més restrictives, generalitzant l'ús de tècniques com la Recirculació de Gasos d'Escap de Ruta Llarga sota unes condicions d'operació més àmplies, amb una major taxa i fins i tot sota condicions ambient fredes, fet que ha generat potencials problemes de condensació d'aigua i danys al compressor. A més, la tendència actual de reduir la grandària del motor per millorar el consum, anomenada " downsizing", ha provocat que el compressor haja de funcionar molt a prop del límit de bombeig, fet que ha provocat, junt amb el descrit augment de recirculació de gasos d'escap, una major exigència quant a la seua durabilitat i funcionament. Els problemes esmentats estan clarament condicionats per la configuració geomètrica de l'entrada del compressor, ja siga per la condensació causada pels gasos d'escap al ser barrejats amb aire fresc o per la influència sobre el límit de bombeig i la resta de prestacions.

En aquest treball es proposa un model de predicció de condensació per a ser integrat en un codi comercial de mecànica de fluids computacional (STAR-CCM+). Dit model es planteja de manera que augmente en la menor mesura possible el cost computacional, assumint certes limitacions com l'absència de caracterització de les gotes d'aigua. Una vegada implementat, es contrasten els resultats enfront de dades experimentals d'assajos de durabilitat: correlacionen les prediccions del model enfront de l'impacte de la condensació sobre el rodet del compressor en diferents configuracions geomètriques i condicions d'operació. Posteriorment, s'estudia l'impacte del mateix compressor sobre el procés de barreja i la condensació, cosa que permet després desacoblar el problema i reduir en dos ordres de magnitud el temps de càlcul, ja que pot obviar-se la simulació del compressor.

Quant a la influència de la geometria en el marge de bombeig i la resta de paràmetres, es proposen diverses geometries senzilles i s'analitza el seu impacte. Primerament, es realitzen assajos experimentals en banc motor, tant estacionaris per mesurar rendiment i soroll com transitoris per definir el bombeig. Després, s'executen simulacions CFD i s'estudien els fenòmens locals que apareixen, en els quals s'evidencia una sensibilitat elevada de la geometria sobre el marge de bombeig i la resta de paràmetres. Es pot destacar el rendiment de la geometria d'entrada cònica, que produeix un augment considerable del marge de bombeig sense repercussions en la resta de condicions d'operació; i la tovera convergent-divergent, que augmenta el marge de bombeig però, a més, també augmenta lleugerament el rendiment en la resta del mapa del compressor, encara que a costa de reduir moderadament les prestacions a alt flux màssic.