Modernių variklių kūrimas remiasi tiksliais 1D modeliavimo įrankiais, tokiais kaip GT-Power, siekiant prognozuoti transientinį atsaką (angl. transient response). Šiame tyrime fokusuojamasi į GM L850 (Ecotec) 2.0L PFI variklį su Mitsubishi TD04-14T turbokompresoriumi. Esminė problema – laiko tarpas tarp droselio atidarymo ir sukimo momento perdavimo, kurį lemia rotoriaus inercija ir slėgio kūrimo dinamika.
Viena svarbiausių tyrimo išvadų – kritinė tikslaus kompresoriaus žemėlapio (angl. compressor map) reikšmė. Standartiniai gamintojo duomenys dažnai prasideda tik nuo 70,000 rpm. GT-Power programinė įranga, ekstrapoliuodama žemus sūkius, linkusi pervertinti masės srautą (angl. mass flow). Nustatyta, kad esant mažam slėgio santykiui (angl. pressure ratio), modeliuojamas srautas buvo 10-15% didesnis nei faktinis, o tai tiesiogiai iškraipo transientinio proceso pradžią.
Siekiant tiksliai sumodeliuoti turbinos sūkių kilimą, būtina naudoti Turbine Efficiency Multipliers (TEM). Tyrimas parodė, kad paprasta dviejų taškų kalibracija (prieš ir po transientinio proceso) yra nepakankama. TEM reikšmės turi būti dinamiškai derinamos viso proceso metu, ypač ekstrapoliuotoje žemėlapio srityje. Pakeitus įsiurbimo ar išmetimo kolektoriaus geometriją (pvz., pridėjus 5L tūrį arba pailginus išmetimo kanalus), TEM privalo būti perkalibruojami iš naujo.
Išmetimo kolektoriaus (angl. exhaust manifold) terminės savybės veikia kaip šilumos kriauklė (angl. heat sink). Netiksliai įvertinus medžiagos šiluminį laidumą ir inerciją, turbinos įėjimo temperatūra modeliuojama klaidingai, o tai lemia neteisingą turbinos galios balansą. Degimui aprašyti naudota Wiebe funkcija, kalibruojant 50% sudegimo tašką ir 10-90% degimo trukmę pagal faktines cilindro slėgio indikacijas.
Norint užtikrinti ilgalaikį turbokompresoriaus patikimumą po modeliavimo etapo, būtina atkreipti dėmesį į tepimo sistemos dinamiką, ypač esant aukštai darbinei temperatūrai. Mitsubishi TD04-14T serijos turbinose (pvz., OEM kodai 49177-02500 ar 49177-02510) kyla didelė alyvos koksavimosi (angl. oil coking) rizika guolių korpuse. Tai vyksta dėl užsitęsusio terminio poveikio išmetimo pusės atraminiam guoliui po staigaus variklio išjungimo, todėl modeliuojant transientinius procesus rekomenduojama vertinti ne tik mechanines apkrovas, bet ir tepalo cirkuliacijos nebuvimą išjungus variklį.
Kita kritinė sritis yra vakuuminio pavaros aktuatoriaus (angl. wastegate actuator) kalibravimas, kuris tiesiogiai koreliuoja su slėgio stabilumu. Dažnai pasitaiko, kad dėl diafragmos senėjimo arba spyruoklės nuovargio faktinis atsidarymo slėgis neatitinka gamyklinių specifikacijų, sukeliančių „boost creep“ reiškinį. Tikslus modeliavimas turi įtraukti aktuatoriaus histerezės vertinimus, nes priešingu atveju simuliacija rodys idealizuotą slėgio valdymo kreivę, neatitinkančią realaus komponento atsako į PID reguliatoriaus signalą.
Fiziniam komponento patikrinimui būtina reguliariai matuoti rotoriaus ašinį ir radialinį laisvumą (angl. axial and radial play). Standartiniai TD04 serijos leistini nuokrypiai paprastai yra itin griežti, o jų viršijimas sukelia disbalansą, kuris drastiškai keičia kompresoriaus efektyvumą aukštose apsukose. Modeliavimo rezultatai privalo būti verifikuojami atsižvelgiant į šį fizinį dėvėjimąsi, nes net ir nedidelis sparnuotės atstumas iki korpuso sienelės keičia pratekėjimo nuostolius, kurių negalima kompensuoti vien tik TEM korekcijomis.
Modeliuojant transientinius režimus būtina įvertinti turbinos korpuso šiluminio plėtimosi įtaką tarpams tarp sparnuotės ir „volute“ korpuso sienelių. Mitsubishi TD04-14T serijos turbinoms, ypač naudojamoms su 49177-02500 tipo mazgais, pasiekus kritinę temperatūrą, medžiagų plėtimosi koeficientai lemia dinaminį tarpų pokytį, kuris nėra tiesioginis. Ignoruojant šį reiškinį, modelis pervertins slėgio padidėjimo greitį, nes nebus įskaičiuoti papildomi nuotėkio nuostoliai, atsirandantys dėl sparnuotės klibėjimo esant maksimaliam rotoriaus sūkių momentui.
Kita svarbi techninė detalė yra wastegate aktuatoriaus reakcijos laikas, kuris priklauso nuo elektromagnetinio vožtuvo (N75 arba lygiaverčio PWM valdymo) pralaidumo. Dažna klaida yra laikyti aktuatoriaus judėjimą momentiniu; realybėje diafragminio mechanizmo inerciją ir vakuumo sistemos slėgio kritimą į modelį privaloma įvesti per vėlinimo funkcijas (dead-time). Be tikslios solenoido reakcijos kreivės, net ir geriausiai sukalibruoti TEM koeficientai nesugebės tiksliai atkartoti „boost overshoot“ reiškinio, kuris būdingas būtent šiam TD04 modifikacijos tipui agresyvaus akseleravimo metu.
Eksploatuojant šią turbiną ekstremaliomis sąlygomis, būtina atlikti guolių korpuso vidinių kanalų patikrą dėl anglies nuosėdų (oil coking). TD04-14T modeliuose alyvos tiekimo kanalas yra ypač jautrus temperatūriniam poveikiui po išjungimo (soak-back). Modeliavimo metu rekomenduojama įvesti papildomą šiluminės varžos parametrą tarp išmetimo srauto ir alyvos guolių mazge, kad būtų galima prognozuoti, kada tepimo efektyvumas sumažės iki kritinės ribos, sukeliančios „journal bearing“ sudilimą ir vėlesnį disbalansą, kuris deformuoja jau minėtas tolerancijas.
TD04-14T platformai būtina integruoti antrinius Reinaldo skaičiaus (Reynolds number) svyravimų poveikius esant mažo greičio ir didelės apkrovos režimui, nes ties slėgio kompresoriaus menčių paviršiais reikšmingai padidėja ribinio sluoksnio storis, dėl ko atsiranda srauto atsiskyrimas, kurio standartiniai žemėlapiai negali užfiksuoti. Siekiant tai ištaisyti, kūrėjai turėtų įdiegti Reinaldo korekcijos koeficientą GT-Power kompresoriaus objekte, ypač nukreiptą į koreguotus masės srauto ir izentropinio naudingumo parametrus. Be to, veleno dinamika turi atsižvelgti į skysčio plėvelės guolių (fluid film bearings), tokių kaip 49177-02510 kasetėje esančių, kryžminio sujungimo standumo koeficientus. Kylant alyvos plėvelės temperatūrai per transientinį apkrovos žingsnį, guolio slopimo charakteristikos keičiasi, o tai gali sukelti subsinkroninį virpėjimą (sub-synchronous whirl), keičiantį efektyvų tarpą slėgio kompresoriaus induktoriuje – reiškinį, kuris žemesnio lygio modeliuose dažnai klaidingai priskiriamas paprastai slėgio reguliatoriaus (boost control) hiszterezei.
Vožtuvo (wastegate) valdymo kontūro tikslumas reikalauja modeliuoti pneumatinio prievado tūrį ir žarnos elastingumą, nes jie veikia kaip žemadažnis filtras slėgio reguliavimo solenoido signalui. Naudojant aukšto dažnio PWM signalą atliekant vožtuvo pavaros moduliavimą, oro suspaudžiamumas linijose tarp solenoido ir pavaros membranos sukuria fazės vėlavimą, kuris pasireiškia kaip ryškus „įdubimas“ slėgio kilimo kreivėje. Siekiant pasiekti laboratorinio lygio TD04-14T modeliavimo tikslumą, pavaros laiko delsą ir laiko konstantą reikia apibūdinti naudojant fizikinį slėgio jutiklio bandymo stendą, kad būtų galima kiekybiškai įvertinti pneumatinį vėlavimą, o ne daryti prielaidą, kad atsakas yra pirmojo laipsnio tiesinis. Tai leidžia modeliui teisingai prognozuoti slėgio viršsvyrio piką, kuris yra labai svarbus nustatant degimo uždegimo momentą, apribotą detonacija, esant maksimalaus sukimo momento pradžiai.
Pažangus turbinos pusės modeliavimas turi spręsti nupjovimo nuostolius (incidence losses) turbinos rato įleidimo angoje, ypač per greitojo pagreitėjimo fazę, kai dujų greičio vektorius drastiškai keičiasi atsižvelgiant į menčių kampą. TD04-14T turbinos volute geometriją, ypač A/R santykio sąveiką su spiraline liežuviu (scroll tongue), reikia nedomensuoti greičio trikampio žemėlapių sudarymo, kad būtų galima tiksliai prognozuoti darbo išgaunamumą. Esant „neprojektinėms“ (off-design) transientinio manevro sąlygoms, srauto laukas turbinos įleidimo angoje yra labai nevienalytis, todėl reikia naudoti pulsuojančio srauto modelį, o ne kvazi-stovinį metodą. Neįvertinus masės srauto svertinio vidutinio temperatūros turbinos įleidimo angoje šiais didelio išmetamųjų dujų pulsavimo periodais, susidaro sisteminė klaida simuliuojamoje turbinos galioje, kuri tiesiogiai veikia apskaičiuotą rotoriaus pagreičio momentą ir atsirandančio turbokompresoriaus vėlavimo trukmę.