Design of an Actuator Bracket for an Electrically Actuated Wastegate Valve

Abstract

This thesis has been made for Wärtsilä in Finland. This thesis aims to study how fully electric wastegate valves could be integrated into the Wärtsilä 25, one-stage turbo engine. The work mainly focuses on the design of an actuator bracket. Based on a set of requirements, two concepts have been developed: a cast bracket and a welded bracket. Two topology-optimized 3D models were also created, but they were not further analysed; instead, the 3D models were used as a source of inspiration for the design of the cast bracket.

One of the requirements in the requirements list is that the natural frequency of the design concepts should exceed 120 Hertz, to avoid resonance. Simulations of the natural frequency have been made to ensure that the requirement is met. In addition, cost calculations have also been made, as well as considerations about the assembly sequences for each concept.

When comparing the cast and welded brackets, the results indicate that the cast bracket seems to be the most promising option, primarily due to its simpler construction. Fewer components make assembly and service easier. In addition, it means fewer tolerances, which enables manufacturing and assembling with higher precision.

Det här examensarbetet har blivit gjort åt Wärtsilä i Finland. Examensarbetet handlar om att studera hur helelektriska wastegate-ventiler kunde integreras på en Wärtsilä 25, turboladdad motor med enstegsturbo. Arbetet fokuserar i huvudsak på konstruktionen av ett aktuatorfäste. Utifrån en uppställd kravlista som blev gjord, har två koncept tagits fram, en gjuten konsol och en svetsad konsol. Två topologioptimerade 3D-modeller togs också fram, men genomgick ingen vidare analys, i stället användes 3D-modellerna som inspirationskälla vid konstruktionen av det gjutna fästet.

Ett av kraven i kravlistan är att designkonceptens naturliga frekvens bör överstiga 120 Herz, för att undvika resonans. Simuleringar av egenfrekvensen har därför genomförts för att säkerställa att kravet uppfylls. Utöver det så har även kostnadsberäkningar utförts, samt överväganden kring hur de olika koncepten kunde monteras.

Vid jämförelse mellan den gjutna och den svetsade konsolen, så tyder resultatet på att den gjutna konsolen verkar uppfylla kraven bättre, framför allt tack vare sin enklare uppbyggnad. Färre komponenter underlättar vid montering och service. Dessutom innebär det färre toleranser vilket gör att konsolen kan tillverkas och monteras med högre precision.

Tämä opinnäytetyö on tehty Wärtsilä Suomen toimeksiannosta. Työssä tutkitaan, kuinka täyssähköiset wastegate-venttiilit voitaisiin integroida Wärtsilä 25 yksivaiheiseen turboahdettuun moottoriin. Työn pääpaino on toimilaitekiinnikkeen suunnittelussa. Laaditun vaatimuslistan pohjalta kehitettiin kaksi konseptia: valettu kiinnike ja hitsattu kiinnike. Lisäksi luotiin kaksi topologiaoptimoitua 3D-mallia, joita ei kuitenkaan analysoitu tarkemmin, vaan niitä käytettiin inspiraationa valetun kiinnikkeen suunnittelussa.

Yksi vaatimuslistan vaatimuksista on, että suunnittelukonseptien ominaistaajuuden tulee ylittää 120 hertsiä resonanssin välttämiseksi. Ominaistaajuussimulointeja on siksi suoritettu vaatimuksen täyttymisen varmistamiseksi. Lisäksi on tehty kustannuslaskelmia sekä pohdittu eri konseptien asennusvaiheita.

Vertailtaessa valettua ja hitsattua kiinnikettä tulokset viittaavat siihen, että valettu kiinnike täyttää vaatimukset paremmin, erityisesti yksinkertaisemman rakenteensa ansiosta. Vähemmän komponentteja helpottaa asennusta ja huoltoa. Lisäksi osien vähäisyys tarkoittaa myös vähemmän toleransseja, mikä mahdollistaa tarkan valmistuksen ja asennuksen.