The current study investigates the flow conditions of a twin scroll asymmetric turbine. This is motivated by the operating conditions of the turbine at a heavy-duty reciprocating internal combustion engine with exhaust gas recirculation. The flow conditions of the turbine at the engine can be described best with the turbine scroll interaction map. Standard hot gas measurements of a turbocharger turbine are presented and discussed. Due to the strong interaction of the turbine scrolls, further hot gas measurements are performed at partial admission conditions. The turbine inlet conditions are analyzed experimentally, in order to characterize the turbine performance. The turbine scroll pressure ratio is varied, leading to unequal twin turbine admission conditions. The flow behavior is analyzed regarding its ability for further extrapolation. Beyond scroll pressure ratio variations, unequal temperature admission conditions were studied. A way of characterizing the representative turbine inlet temperature, regarding the reduced turbine speed, is presented. The different scroll parameter ratios are evaluated regarding their capability of describing flow similarity under different unequal turbine admission conditions. In this content, turbine scroll Mach number ratio, velocity ratio and mass flow ratio are assessed. Furthermore, a generic representation of the turbine flow conditions at the engine is presented, based on standard turbine performance maps.

The current study investigates the flow conditions of a twin scroll asymmetric turbine. This is motivated by the operating conditions of the turbine at a heavy-duty reciprocating internal combustion engine with exhaust gas recirculation. The flow conditions of the turbine at the engine can be described best with the turbine scroll interaction map. Standard hot gas measurements of a turbocharger turbine are presented and discussed. Due to the strong interaction of the turbine scrolls, further hot gas measurements are performed at partial admission conditions. The turbine inlet conditions are analysed experimentally, in order to characterize the turbine performance. The turbine scroll pressure ratio is varied, leading to unequal twin turbine admission conditions. The flow behaviour is analysed regarding its ability for further extrapolation. Beyond scroll pressure ratio variations, unequal temperature admission conditions were studied. A way of characterizing the representative turbine inlet temperature, regarding the reduced turbine speed, is presented. The different scroll parameter ratios are evaluated regarding their capability of describing flow similarity under different unequal turbine admission conditions. In this content, turbine scroll Mach number ratio, velocity ratio and mass flow ratio are assessed. Furthermore, a generic representation of the turbine flow conditions at the engine is presented, based on standard turbine performance maps.

Twin entry turbines are widely used in turbocharging as a means of using the exhaust pulse energy of multi-cylinder engines. For modern engines where high levels of EGR are required, an asymmetric twin-entry turbine has been shown to have considerable advantages. Such turbines require a more developed approach to analysis and design than usual. A meanline model for a radial inflow turbine with twin-entry scroll has been developed. Different total pressures and total temperatures may be specified at each entry. Each volute passage is solved separately from the inlet to the splitter location, where the static pressures of both passages are assumed to be the same. From the volute splitter to the rotor inlet, the two streams mix into one uniform flow following conservation laws of continuity, momentum and energy. Experiments have been conducted on a test stand with a radial turbine with an asymmetric twin-entry scroll, where the inlet conditions can be varied independently for each entry. The test results are compared with the model prediction. A good accuracy of prediction is achieved with a realistic set of modeling coefficients. In the future, insights gained from test data and CFD analysis will be used to develop further the volute mixing model and include explicit partial admission losses in the rotor.

KurzfassungDas Ziel dieser Arbeit ist zunächst, das Verständnis für die Strömungsphänomene einer zweiflutigen asymmetrischen Radialturbine zu vertiefen. Basierend auf diesem Verständnis wird eine Methode entwickelt, die das Zusammenspiel der Turbine mit der Verbrennungskraftmaschine verlässlich und mit geringem Zeitaufwand vorhersagen kann. Die derzeit ungenügende, auf Kennfeldern beruhende Beschreibung der Turbine bei der Ladungswechselsimulation eines Abgasturbolader-aufgeladenen Motors soll verbessert werden. Die notwendigen aerodynamischen und thermodynamischen Messungen zur Beschreibung des Betriebsverhaltens der zweiflutigen Turbine werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt.Einer Sichtung der auf diesem Gebiet bereits veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten folgt eine Diskussion der Grundlagen der Turboaufladung. Es wird auf die Notwendigkeit der Kennfeldaufbereitung und die zu erwartenden Turbinenrandbedingungen im motorischen Betrieb eingegangen. Zur experimentellen Untersuchung wird eine Versuchsanlage ausgelegt, konstruiert und aufgebaut, die es erlaubt, die Randbedingungen für beide Fluten individuell einzustellen. Die Untersuchungen werden unter stationären Bedingungen durchgeführt, wobei besonderer Wert auf die Strömungsähnlichkeit bei unterschiedlichen Eintrittsbedingungen der beiden Fluten gelegt wird. Zum besseren Verständnis der Strömungsphänomene im Bereich der Zusammenführung der beiden Fluten der Turbine werden ergänzend laseroptische Strömungsanalysen durchgeführt. Die experimentell gewonnenen Daten werden schließlich zur Validierung eines dreidimensionalen Simulationsmodells verwendet.Die Strömung in der zweiflutigen Turbine wird weiterhin numerisch berechnet. Hierdurch lassen sich sehr detaillierte Erkenntnisse, vor allem in erweiterten motornahen Betriebsbereichen, die u.U. zu Rückströmungen in den einzelnen Fluten führen, gewinnen.Aus den Ergebnissen von Versuch und dreidimensionaler numerischer Strömungssimulation wird ein Modell der zweiflutigen Turbine für die Ladungswechselsimulation entwickelt und mit Ergebnissen aus Motorversuchen validiert. Zum Verständnis der Interaktion von Motor und Turbine wird das Interaktionskennfeld eingeführt und ein Ansatz zur betriebspunktorientierten Auslegung und Optimierung einer zweiflutigen Turbine vorgestellt. Außerdem wird ein Ansatz, der lediglich die Randkennfelder der zweiflutigen Turbine nutzt, vorgestellt.Abschließend werden besondere Konstellationen der Turbine, wie vertauschte Flutenanordnung und Einzelbeaufschlagung der Fluten sowohl experimentell als auch numerisch analysiert. Es folgen eine abschließende Zusammenfassung und eine Diskussion dieser weiterführenden Untersuchungen.