Orta Kapasiteli Dizel Motorlarında Atık Isıdan Rankine Çevrimi İle Enerji Geri Kazanımı

Abstract

Sürdürülebilir bir çevre ve dünya için son yıllarda içten yanmalı motorlarda gerçekleştirilen çalışmaların büyük bir kısmı verim artışı ve zararlı gaz salımlarının azaltılması üzerine yapılmıştır. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda yanma enerjisinin büyük bir kısmını oluşturan atık ısıdan enerji geri kazanımı önemli konulardan biridir. Motordaki yanma sonrası oluşan egzoz gazlarındaki atık ısıyı turbo şarj ile, termoelemanlar ile, absorbsiyonlu soğutma sistemleri ile veya Rankine çevrimi ile faydalı işe dönüştürmeyi amaçlayan çalışmalar mevcuttur. Atık ısı geri kazanım sistemlerinden Rankine çevrimi ile enerji geri kazanımının, özellikle gaz salımlarını azaltan yeni salım sistemleri ile atık ısı oranı artan dizel motorlarda gelecek yıllarda ticari uygulamalarda önemli yer tutacağı öngörülmektedir. Bu çalışmanın ana konusu ticari araçlarda yaygın olarak kullanılan 3,5l hacminde 200 hp gücünde bir dizel motorun egzoz ve EGD (Egzoz Gazları Devir daimi) gazlarından Rankine çevrimi ile enerji geri kazanım potansiyelinin 1-boyutlu analiz yöntemi ile incelenmesidir. Çalışmanın temel amacı Rankine çevrimi ile egzoz gazlarından atık ısı geri kazanım teknolojisinin dizel motorlarında sağlayabileceği güç artışı ve yakıt tüketimindeki azalmayı belirlemektedir. Çalışmada atık ısı kazanım sistemi olmayan, temel motordan alınan motor çalışma koşullarına bağlı egzoz ve EGD gaz sıcaklık ve debi verileri 1-boyutlu benzetime girdi olarak kullanılmıştır. Benzetim için otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan, hazır bir paket yazılım olan GT-Suite kullanılmıştır. Birincil olarak sadece egzoz gazlarının, ikincil olarak sadece EGD gazlarının ve üçüncül olarak EGD ve egzoz gazlarının birlikte Rankine çevriminin ısı kaynağı olarak kullanıldığı üç farklı benzetim modeli alternatifi oluşturulmuştur. Yoğuşturucu tarafında ise motor soğutma suyunun çevrim akışkanı olduğu ayrı bir soğutma devresi kullanılacağı öngörülmüştür. Motor için dokuz adet çalışma noktası belirlenmiş, benzetim modeli alternatiflerinin belirlenen motor çalışma noktaları için analizleri yapılmıştır, çıktılar karşılaştırılarak motorun güç geri kazanımı ve yakıt tüketimine etkileri incelenmiştir. Belirlenen motor çalışma noktaların ortalama çalışma yüzdelerinde ortalama yakıt tüketimindeki azalma hesaplanmıştır. Motorun atık ısısından en fazla yararlanılan durum, egzoz ve EGD gazlarının birlikte ısı kaynağı olarak kullanıldığı sistemde olacağı öngörülmüştür. Bu sistemde güç geri kazanımı belirlenen motor çalışma senaryolarının dokuzuncusunda 2,05 kW'a kadar ulaşmış ve ortalama yakıt tüketiminde ise %2,25 oranında azalma olacağı hesaplanmıştır. Benzetim çıktılarına göre ticarileşme potansiyeli olan, gelecekte seri üretimde kullanılması öngörülen sistem önerileri sunulmuştur.