1. IntroductionFuel economy and red

1. Introduction
Fuel economy and reduction in exhaust emission levels are the major challenges of today’s automobile industry [1,2]. These challenges translate directly onto technological improvements in vehicles. Coupled between the intake and exhaust, turbochargers have a direct influence on the engine’s performance in terms of both, the fuel efficiency and emission quality [3]. Yet the performance of the turbochargers themselves is usually calculated through empiric methods such as interpolation of characteristic maps. These maps differ from each other for different class of turbochargers and they must be adapted, requiring expensive tests on specialized rigs [4–6]. The information in these maps is limited to static flow characteristics at the outlets, making it impossible to determine the effects of flow inside the turbocharger. This is specially critical for the turbine section, of Variable Geometry Turbochargers (VGTs), as static characteristic maps provide no information about the effect of flow on the variable geometry vanes. In reality, the geometry of a VGT turbine inlet is determined by the angle of vanes at the inlet, which are controlled by an actuator. As these vanes regulate the quantity of exhaust flow and its angle of incidence on the impeller, they are subjected to a
significant resistive force by the exhaust gas. Estimation of this aerodynamic force on the vanes and its effect on the VGT actuator requires exhaust flow modeling inside the turbine as well. While the task appears daunting, it has nowbecome absolutely necessary for VGT control at levels of precision that are compatible with the energy efficiency requirement of today. In the literature review, such models can be found for multistage compressors and turbines used in the heavy industry [7,8], based on wave energy conversion [9]. Analytical and lumped volume (0D) models are simple but not accurate [10]. In the automotive industry, such models are discussed only to estimate the exhaustpressurebyconsideringenginedynamics,i.e.enginespeed and load or turbocharger speed [11–13]. Other methods involve the lumped volume approach where the turbocharger is considered as an object with single constant volume [14,15]. The drawback of this approach is that we require turbocharger maps for further analysis and the quantities like air density and flow rate arenotavailable.Onthe contrary2Dor3Dmodelsaretoo complex to be solved by numerical analysis in real-time for control objectives [16–18]. Therefore, 1D models of the air flow through a turbocharger have received more attention of researchers. The existing 1D models deal mostly with fixed geometry compressors andturbochargers [19].The modelingof aerodynamicforcesis also limited to impellers [20,21]. As the role of aerodynamic forces on variable geometry vanes cannot be neglected in VGTs [22], it is important to obtain accurate yet computationally simple
exhaust-flow model of the VGT turbine geometry section, in order to calculate and compensate these forces in future control applications [23,24]. This paper presents the development of a simulation tool aimed at estimation and predictionof the aerodynamic force on the vanes of the variable turbine geometry of VGTs, using 1D exhaust gas flow model. This tool has been designed primarily for automobile manufacturers, enabling them to preempt the aerodynamic force at basic design level, in order to improve the overall efficiency of the final engine system as well as emissions. It also aids in scientific endeavors of developing a better understanding of the dynamics of the modern engine and its air-path. The major development in thispaper is the 1D exhaust gas flow model throughthe variable turbine geometry section, designed specifically for turbochargers. The flow model is derived from Navier Stokes equations for 1D flow, including losses due to geometry, friction and impeller blade, commonly known as source terms. The differential equations of this model are resolved with an implicit numerical solve, therefore its stability is guaranteed. The exhaust flow model provides the pressure and flow rate throughout the variable geometry section, which permits to calculate aerodynamic force on the turbine geometry vanes and on the actuator. The impact of exhaust gases on the VGT vanes is transformed to actuator’s stem via calculation of its components through the mechanical linkage between the vanes and the actuator. This simulation tool can easily be integrated in conventional automotive simulation platforms like AMESim and control design softwares like Matlab. Its performance is validated through comparison with experimentally obtained values of the turbine inlet pressure and aerodynamic force measured on the actuator shaft. The rest of the paper is organized as follows: In Section 2, the mechanism of the VGT is introduced. The one dimensional CFD model of air through the channel between the exhaust manifold
and the turbine is presented in Section 2 and the resulting force on the actuator is calculated in Section 3. In Section 4, simulation results of 1D CFD model are compared with experimental results for validation. These results were obtained at different speeds and loads with and without pressure losses. Section 5 concludes the results.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

1. บทนำประหยัดเชื้อเพลิงและลดระดับการปล่อยก๊าซไอเสียมีความท้าทายสำคัญของอุตสาหกรรมยานยนต์วันนี้ [1, 2] แปลความท้าทายเหล่านี้ไปปรับปรุงเทคโนโลยีในรถยนต์โดยตรง ควบคู่ระหว่างการบริโภคและไอเสีย turbochargers มี influence โดยตรงกับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ในทั้งสอง น้ำมัน efficiency และมลพิษคุณภาพ [3] ได้ ประสิทธิภาพของ turbochargers เองปกติเสมอผ่านวิธี empiric เช่นสอดแทรกลักษณะแผนที่ แผนที่เหล่านี้แตกต่างกันสำหรับคลาของ turbochargers และต้องดัดแปลง ต้องการทดสอบราคาแพงบน rigs เฉพาะ [4-6] ข้อมูลในแผนที่นี้จะ flow คงลักษณะที่ร้านค้า ทำให้ไม่สามารถกำหนดลักษณะพิเศษของ flow ภายในเทอร์โบที่จำกัด นี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับส่วนกังหัน ของแปรเรขาคณิต Turbochargers (VGTs), เป็นลักษณะแผนที่คงให้ไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับผลของ flow บน vanes แปรเรขาคณิต ในความเป็นจริง เรขาคณิตของทางเข้าของกังหัน VGT ถูกกำหนด โดยมุมของ vanes ที่ทางเข้าของ ซึ่งถูกควบคุม โดยตัว actuator เป็น vanes เหล่านี้ควบคุมปริมาณไอเสีย flow และการเกิดของมุมในการผลัก ผู้ที่ต้องการกองทัพหน้า significant โดยก๊าซไอเสีย ประมาณนี้กองทัพอากาศพลศาสตร์ใน vanes การและผลของ VGT actuator ต้องสร้างโมเดล flow ไอเสียภายในกังหันด้วย ในขณะที่งานปรากฏความยุ่งยาก มี nowbecome จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับ VGT ควบคุมในระดับของความแม่นยำที่เข้ากันได้กับพลังงานความต้อง efficiency วันนี้ ในการทบทวนวรรณกรรม แบบจำลองดังกล่าวสามารถพบ multistage compressors และกังหันที่ใช้ในอุตสาหกรรมหนัก [7,8], โดยการแปลงพลังงานคลื่น [9] รูปแบบ lumped และวิเคราะห์ปริมาณ (0D) จะง่ายแต่ไม่ถูกต้อง [10] ในอุตสาหกรรมยานยนต์ รุ่นดังกล่าวจะกล่าวถึงเฉพาะการประเมิน exhaustpressurebyconsideringenginedynamics,i.e.enginespeed และโหลด หรือเทอร์โบความเร็ว [11-13] วิธีการอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวิธีปริมาตร lumped ซึ่งเทอร์โบที่ถือว่าเป็นวัตถุที่มีปริมาตรคงเดียว [14,15] ข้อเสียเปรียบของวิธีการนี้คือ ว่า เราต้องใช้เทอร์โบแผนที่สำหรับการวิเคราะห์เพิ่มเติมและปริมาณความหนาแน่นของอากาศและ arenotavailable flow อัตรา Contrary2Dor3Dmodelsaretoo Onthe ซับซ้อนได้รับการแก้ไข โดยการวิเคราะห์เชิงตัวเลขในแบบเรียลไทม์สำหรับควบคุมวัตถุประสงค์ [16-18] ดังนั้น รุ่น 1D flow อากาศผ่านเทอร์โบได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้นของนักวิจัย รุ่น 1D ที่มีอยู่จัดการส่วนใหญ่กับ fixed เรขาคณิต compressors andturbochargers [19] Aerodynamicforcesis modelingof ที่ยัง จำกัด impellers [20,21] เป็นบทบาทของกองทัพอากาศพลศาสตร์ในเรขาคณิตแปร vanes ไม่ที่ไม่มีกิจกรรมใน VGTs [22], มันเป็นสิ่งสำคัญรับ computationally ง่าย แต่ถูกต้องรุ่น flow ไอเสีย VGT กังหันเรขาคณิตส่วน การคำนวณ และชดเชยกองกำลังเหล่านี้ในอนาคตควบคุมโปรแกรมประยุกต์ [23,24] เอกสารนี้แสดงการพัฒนาของเครื่องมือการจำลองที่มุ่งประเมินและกองทัพอากาศพลศาสตร์ใน vanes ของเรขาคณิตกังหันตัวแปรของ VGTs, predictionof โดยใช้แบบจำลอง flow ก๊าซไอเสีย 1D เครื่องมือนี้ได้รับการออกแบบเป็นหลักสำหรับผู้ผลิตรถยนต์ เปิดใช้งานให้ตัดหน้าแรงอากาศพลศาสตร์ที่ระดับออกแบบพื้นฐาน การปรับปรุง efficiency โดยรวมของระบบเครื่องยนต์ final รวมทั้งการปล่อยก๊าซ นอกจากนี้ยังช่วยในความพยายาม scientific ของการพัฒนาความเข้าใจของของเครื่องยนต์ทันสมัยและเป็นเส้นทางอากาศ พัฒนาการที่สำคัญใน thispaper เป็น 1D ไอเสียก๊าซ flow รุ่น throughthe กังหันตัวแปรเรขาคณิตส่วน specifically ออกแบบมาสำหรับ turbochargers รุ่น flow มาจากสมการ Navier สโตกส์สำหรับ 1D flow รวมถึงการขาดทุนเนื่องจากรูปทรงเรขาคณิต แรงเสียดทาน และผลักใบมีด รู้จักกันทั่วไปเป็นแหล่งข้อ สมการเชิงอนุพันธ์ของรูปแบบนี้จะแก้ไข ด้วยการนัยเลขแก้ ดังนั้น รับประกันความมั่นคงของการ รุ่น flow ไอเสียอัตราแรงดันและ flow ตลอดส่วนตัวแปรเรขาคณิต ซึ่งทำให้การคำนวณแรงอากาศพลศาสตร์ vanes เรขาคณิตกังหัน และ actuator ที่ ทาง มีแปลงผลกระทบของก๊าซไอเสียใน VGT vanes กับก้านของ actuator ผ่านคำนวณประกอบผ่านการเชื่อมโยงระหว่างการ vanes และ actuator ที่กล เครื่องมือจำลองนี้สามารถเดินรวมในแพลตฟอร์มจำลองยานยนต์ทั่วไปเช่นซอฟต์แวร์ออกแบบ AMESim และการควบคุมเช่น Matlab มันจะตรวจสอบ โดยเปรียบเทียบกับค่า experimentally ได้รับความดันทางเข้าของกังหันและวัดบนเพลา actuator แรงอากาศพลศาสตร์ จัดส่วนเหลือของกระดาษดังนี้: ในส่วนที่ 2 กลไกของ VGT แนะนำ หนึ่งมิติจำลอง CFD อากาศผ่านช่องทางระหว่างช่องทางเข้าออกไอเสียและกังหันลมจะนำเสนอใน 2 ส่วน และแรงผลลัพธ์ใน actuator จะถูกคำนวณใน 3 ส่วน ผลการทดลองของรุ่น CFD 1D มีการเปรียบเทียบกับผลการทดลองสำหรับการตรวจสอบในส่วน 4 ผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับความเร็วที่แตกต่างและโหลดที่มี และไม่ มีความดันสูญเสีย ส่วนที่ 5 สรุปผล

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

1. บทนำ
ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงและการลดลงของระดับการปล่อยก๊าซไอเสียเป็นความท้าทายที่สำคัญของอุตสาหกรรมยานยนต์ของวันนี้ [1,2] ความท้าทายเหล่านี้แปลโดยตรงไปยังการปรับปรุงเทคโนโลยีในยานพาหนะ ควบคู่ระหว่างการบริโภคและไอเสีย turbochargers มีโดยตรงใน uence ชั้นต่อประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องยนต์ทั้งในแง่ของเชื้อเพลิงประสิทธิภาพการ fi และคุณภาพการปล่อย [3] แต่ประสิทธิภาพการทำงานของเทอร์โบชาร์จเจอร์ตัวเองมักจะมีการคำนวณด้วยวิธีการสังเกตุเช่นการแก้ไขลักษณะของแผนที่ แผนที่เหล่านี้แตกต่างจากกันสำหรับการเรียนแตกต่างกันของเทอร์โบชาร์จเจอร์และพวกเขาจะต้องปรับต้องทดสอบบนแท่นขุดเจาะที่มีราคาแพงโดยเฉพาะ [4-6] ข้อมูลในแผนที่เหล่านี้จะถูก จำกัด ลักษณะชั้นคงโอ๊ยที่ร้านทำให้มันเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบผลกระทบของชั้นโอ๊ยภายในเทอร์โบชาร์จเจอร์ นี้เป็นพิเศษที่สำคัญสำหรับส่วนกังหันของ Turbochargers เรขาคณิตตัวแปร (VGTs) เช่นแผนที่ลักษณะคงที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับผลกระทบของชั้นโอ๊ยบนใบพัดตัวแปรเรขาคณิตไม่มี ในความเป็นจริงรูปทรงเรขาคณิตของทางเข้ากังหัน VGT จะถูกกำหนดโดยมุมของใบพัดที่เข้าซึ่งจะถูกควบคุมโดยตัวกระตุ้น ในฐานะที่เป็นใบพัดเหล่านี้ควบคุมปริมาณของไอเสียชั้นโอ๊ยและมุมของอุบัติการณ์ในการผลักดันพวกเขาอาจจะ
มีนัยสำคัญแรงต้านทานลาดเทจากก๊าซไอเสีย การประมาณค่าของแรงอากาศพลศาสตร์นี้บนใบพัดและผลกระทบต่อตัวกระตุ้น VGT ต้องไอเสียชั้นโอ๊ยการสร้างแบบจำลองกังหันภายในได้เป็นอย่างดี ในขณะที่งานจะปรากฏขึ้นที่น่ากลัวก็มี nowbecome อย่างที่จำเป็นสำหรับการควบคุม VGT ในระดับของความแม่นยำที่เข้ากันได้กับความต้องการของ EF พลังงานประสิทธิภาพในสายของวันนี้ ในการทบทวนวรรณกรรมรุ่นดังกล่าวสามารถพบได้สำหรับอัดแบบหลายขั้นตอนและกังหันที่ใช้ในอุตสาหกรรมหนัก [7,8] บนพื้นฐานของการแปลงพลังงานคลื่น [9] ปริมาณการวิเคราะห์และล้างโลก (0D) รูปแบบที่เรียบง่าย แต่ไม่ถูกต้อง [10] ในอุตสาหกรรมยานยนต์รุ่นดังกล่าวจะกล่าวถึงเพียงการประมาณการ exhaustpressurebyconsideringenginedynamics, ieenginespeed และโหลดหรือเทอร์โบความเร็ว [11-13] วิธีการอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวิธีการที่ปริมาณการล้างโลกเทอร์โบถือเป็นวัตถุที่มีปริมาณคงที่เดียว [14,15] ข้อเสียเปรียบของวิธีนี้คือการที่เราต้องใช้แผนที่เทอร์โบชาร์จเจอร์สำหรับการวิเคราะห์ต่อและปริมาณเช่นความหนาแน่นของอากาศและชั้นอัตราโอ๊ย arenotavailable.Onthe contrary2Dor3Dmodelsaretoo ซับซ้อนที่จะแก้ไขได้โดยการวิเคราะห์เชิงตัวเลขในเวลาจริงสำหรับวัตถุประสงค์ของการควบคุม [16-18] ดังนั้นรูปแบบ 1D ของอากาศชั้นโอ๊ยผ่านเทอร์โบชาร์จเจอร์ได้รับความสนใจมากขึ้นของนักวิจัย รุ่น 1D จัดการที่มีอยู่ส่วนใหญ่อัดเรขาคณิตคงที่ andturbochargers [19] ได้โดยเริ่มต้น modelingof aerodynamicforcesis จำกัด ยังใบพัด [20,21] ในฐานะที่เป็นบทบาทของกองทัพอากาศพลศาสตร์บนใบพัดรูปทรงเรขาคณิตตัวแปรไม่สามารถละเลยใน VGTs [22] มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะได้รับที่ถูกต้องยังคอมพิวเตอร์ง่าย
exhaust- ชั้นโอ๊ยรูปแบบของกังหัน VGT ส่วนรูปทรงเรขาคณิตในการสั่งซื้อในการคำนวณและชดเชยกองกำลังเหล่านี้ในการควบคุมในอนาคต การใช้งาน [23,24] บทความนี้นำเสนอการพัฒนาเครื่องมือการจำลองมุ่งเป้าไปที่การประมาณค่าและ predictionof แรงอากาศพลศาสตร์ในใบพัดของกังหันเรขาคณิตตัวแปร VGTs ใช้ก๊าซไอเสีย 1D ชั้นโอ๊ยรูปแบบ เครื่องมือนี้ได้รับการออกแบบมาสำหรับผู้ผลิตรถยนต์ทำให้พวกเขายึดเอาเสียก่อนแรงอากาศพลศาสตร์ในระดับพื้นฐานการออกแบบเพื่อที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพในสาย EF โดยรวมของระบบไฟเครื่องยนต์ NAL เช่นเดียวกับการปล่อยก๊าซเรือนกระจก นอกจากนี้ยังช่วยในความพยายามของคทางวิทยาศาสตร์ในการพัฒนาความเข้าใจที่ดีของการเปลี่ยนแปลงของเครื่องมือที่ทันสมัยและเครื่องเส้นทางของมัน การพัฒนาที่สำคัญใน thispaper เป็นก๊าซไอเสีย 1D ชั้นรูปแบบโอ๊ย throughthe กังหันส่วนตัวแปรเรขาคณิตออกแบบถอนรากถอนโคน speci Fi สำหรับเทอร์โบชาร์จเจอร์ รูปแบบโอ๊ยชั้นมาจากสมการเนเวียร์สโตกส์สำหรับ 1D ชั้นโอ๊ยรวมทั้งการสูญเสียเนื่องจากเรขาคณิตแรงเสียดทานและใบมีดใบพัดที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นแง่แหล่งที่มา สมการเชิงอนุพันธ์ของรุ่นนี้ได้รับการแก้ไขด้วยตัวเลขนัยแก้ปัญหาความมั่นคงจึงมีการประกัน ไอเสียชั้นโอ๊ยรูปแบบการให้ความดันและอัตราการโอ๊ยชั้นตลอดส่วนตัวแปรเรขาคณิตซึ่งอนุญาตให้มีผลบังคับใช้ในการคำนวณพลศาสตร์บนใบพัดกังหันเรขาคณิตและตัวกระตุ้น ผลกระทบของก๊าซไอเสียใน VGT ใบพัดจะเปลี่ยนไปยังต้นกำเนิดตัวกระตุ้นผ่านการคำนวณของส่วนประกอบของผ่านกลไกการประสานระหว่างใบพัดและตัวกระตุ้น เครื่องมือการจำลองนี้สามารถบูรณาการในแพลตฟอร์มการจำลองแบบเดิมเช่นยานยนต์ AMESim และซอฟต์แวร์ควบคุมการออกแบบเช่น Matlab ประสิทธิภาพการทำงานมีการตรวจสอบผ่านการเปรียบเทียบกับค่าที่ได้ทดลองของกังหันความดันขาเข้าและแรงอากาศพลศาสตร์วัดบนเพลาตัวกระตุ้น ส่วนที่เหลือของกระดาษที่มีการจัดการดังนี้ส่วนที่ 2 กลไกการ VGT เป็นที่รู้จัก หนึ่งมิติแบบจำลอง CFD ของอากาศผ่านช่องทางระหว่างท่อร่วมไอเสีย
และกังหันจะนำเสนอในส่วนที่ 2 และแรงกระตุ้นในการคำนวณในมาตรา 3 ในมาตรา 4 ผลการจำลองรูปแบบ 1D CFD เปรียบเทียบกับผลการทดลอง สำหรับการตรวจสอบ ผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับด้วยความเร็วที่แตกต่างกันและโหลดที่มีและไม่มีการสูญเสียความดัน หมวดที่ 5 สรุปผลการ