Elektronik Kontrol Ünitesi Tarafından Kumanda Edilen Değişken Hızlı Pompaya Sahip Bir Dizel Ağır İş Motoru İçin Silindir Kafası Sıcaklık Hesaplaması

Abstract

Günümüzde araç üreticilerinin en çok dikkat ettiği şeylerin başında dayanıklılık ve bunun fiyat üzerine etkisi gelmektedir. Bunun için büyük araç üreticileri daha dayanıklı ve daha uygun fiyatlara sahip araçlar üretmek üzere bir çok araştırma geliştirme çalışmaları gerçekleştirmektedirler. Birçok firma kendi araştırma geliştirme bölümlerini kurduğu gibi, alanında uzman mühendislik firmalarından da bu tip çalışmalarla ilgili mühendislik hizmeti almaktadır. Araç dayanıklılığı denilince araç üzerinde akla ilk gelen, dışarıdan bakıldığında araç üzerinde görülenlerdir. Bunların başında aracın dış kaplamasından camlarına kadar birçok şey sayılabilir. Bir çok alıcı için alımı sağlayan ilk etmen dış görünüş olmasına rağmen, büyük filo sahipleri için yakıt tüketimi ve araç toplam maliyeti daha önemlidir. Bu tip şirketler için aracın alımı yapıldıktan sonra ortaya çıkacak problemler de ekstra maliyet anlamına geldiğinden, üreticilerin bu gibi durumları tamamen ortadan kaldırmaya yönelik çalışmalara gitmeleri gerekmektedir. Dışarıdan bakıldığında görülemeyen fakat araç için hayati öneme sahip parçalar mevcuttur. Aktarma organları ve motor parçaları bunların başında gelir. Bir ağır iş kamyonu almak isteyen alıcının dikkat edeceği şeylerin başında aracın gücü ve değişik ortam şartlarında çalışma prensiplerini bozmaması gelmektedir. Örnek verilecek olursa inşaat alanında çalışması gereken bir aracın, eşit miktarda ağırlıkları hem sıcak iklim şartlarında hem de soğuk iklim şartlarında yerine getirmesi beklenmektedir. Bunun için motor ve aktarma organları inanılmaz önem taşımaktadır. Büyük üretici firmalar sonradan karşılaşılacak problemlerin prestij kaybına sebep olabileceği gibi maliyet etkisinin de olduğunu hesaba katarak, araştırma geliştirme çalışmalarını özellikle motor ile ilgili parçalara vermişlerdir. Motor üzerinde birçok parça birbirleri ile etkileşim halindedirler. Hareketli ve hareketsiz parçalar arasındaki bağlantılar aracın dayanıklılığı açısından son derece önemlidir. Motor takımı üzerinde bazı parçalar diğerlerine göre daha kritik oldukları için çok daha fazla öneme sahiptirler. Bunlar arasında başı, yanmada ortaya çıkan aleve ve sonrasındaki yanma sonrası gazlara direk temas halinde bulunan parçalar çeker. Silindir kafası, motor takımı üzerindeki en kritik ve en önemli parçalardan bir tanesidir. Üzerinde birçok parça ona takılı halde olduğu için taşıyıcı görevide bulunan silindir kafası aynı zamanda yanma odasına bakan yüzeyleri tarafından aleve maruz kalmaktadır. Ayrıca yanma sonrası gazların, dört zamanlı motorlardaki ekzoz çevriminde dışarıya atılmasını sağlayan boşluklar da silindir kafası içesinde bulunmaktadır. Silindir kafasına uygulanan termal yüklemelerden dolayı, günümüzde karşılaşılmasından en çok kaçınılan olay silindir kafasının kırılmasıdır. Bu kırılmanın başlıca sebebi termomekanik yüklemelerdir. Bu yüklemeler yanma sonucu ortaya çıkar. Üreticiler silindir kafası üzerindeki termal incelemelere bu yüzden çok önem verirler. Malzeme bilimine göre her bir metalin dayanabileceği bir maksimum sıcaklık değeri vardır. Silindir kafasında ortaya çıkan en yüksek sıcaklık değerleri çok önemlidir. Motor çalışır durumda iken, bu sürece ısı kaynağı ve ısı kuyusu şeklinde bakıldığında yanma sonrası ortaya çıkan enerji kaynak, soğutma suyunun çektiği enerji de kuyu olarak nitelendirilebilir. Bu çalışmada bir adet ağır iş motoru kafasının maksimum erişebildiği sıcaklığı tayin edebilmek için, sayısal ve deneysel bir takım çalışmalar yapılmıştır. Sayısal çalışmaları üç ana adımda toparlamak mümkündür. İlk adım olarak, motorda esas ısı kaynağı olan yanma olayını ve eldelerini gerçek hayattaki ile birebir modelleme imkanı sunan motor performans modellemesi vardır. Bunu yaparken, bu zamana kadar yazılım şirketleri tarafından geliştirilmiş ve validasyon çalışmaları yapılmış modeller esas alınmıştır. Bu tip sayısal çalışmalar girdi olarak test verisi kullanırlar ve çalışma sonunda gene test verisi ile karşılaştırma yaparlar. Karşılaştırma yapılan başlıca parametreler motor torku, motor gücü, özgül yakıt tüketimi ve açığa çıkan ısı miktarı gibi parametrelerdir. Bu çalışmanın esas çıktıları bir sonraki adım olan üç boyutlu yanma analizleri için kullanılır. Çalışmanın ikinci adımı üç boyutlu yanma modellemesidir. Bu çalışmanın esas amacı gerçek hayatta gerçekleşen yanma olayını birebir modelleyerek, ortaya çıkan alevin etkisini tam olarak görebilmektir. Başlıca girdiler önceki adımdan gelen silindir içi değerleridir. Kontol edilenler ise, dinamometre testlerinde elde edilen basınç-hacim eğrilerini ve ortaya çıkan ısı miktarıdır. Bu çalışmanın sonunda birebir modellenen yanan gazın temas ettiği metal yüzeyler üzerindeki sıcaklık ve ısı geçişi katsayısı dağılımı elde edilir. Bu dağılım ısı akısını doğrudan etkilediği için sonraki adım için son derece önemlidir. Üçüncü adım çalımanın ana amacına doğrudan hizmet eden adımdır. Isı geçişi analizi bir adet ısı geçişi ve akışkanlar mekaniği çözücüsü ile sonlu hacimler metodu ile çözülmesidir. Esas girdisi ikinci adımda elde edilen yanma sonucu ortaya çıkmış gaz sıcaklığı ve gaz ısı geçişi katsayısı dağılımıdır. Isı kaynağının yanı sıra ısı kuyusu olarak nitelendirilen soğutma suyu da birebir modellenerek taşınım ile ısı geçişi modellenmiştir. Üç farklı ısı geçişi metodunu da içeren bütünleşik ısı geçişi modellemesi bu aşamada yapılmıştır. Elde edilen değerler silindir kafasının test ile korelasyonu ve ulaşabildiği maksimum sıcaklık değerleridir. Fakat bu çalışma sonunda elde edilen maksimum sıcaklıklar bir çalışma koşulunda yakınsamış değerlerdir. Gerçekten motor kafasının ulaşabildiği en yüksek sıcaklıklar olduğu söylenemez. Bunun esas sebebi, çalışma için kullanıllan motorun sahip olduğu pompanın iki hızlı pompa olmasıdır. Elektronik kontrol ünitesinin kontrolü ile radyatör girişindeki sıcaklık 95°C ve üzeri olduğunda pompa bulunduğu hızı ikiye katlayarak soğutma suyu debisini değiştirmektedir. Bulunan maksimum sıcaklıklar ayrı ayrı modellenen çalışma noktalarındaki sabit soğutma suyu debisine sahip analizlerden elde edilmiştir. Pompanın değişken özellikli karakteristiği göz önüne alınmamıştır. Onun da göz önüne alınabilmesi için aracın bilgi havuzundan alınan, en çok kullanılan çalışma noktalarından altı tanesi seçilmiş ve bir zamana bağlı geçişli çevrim oluşturulmuştur. Bu şekilde pompanın hızı tamamen araçtaki gibi radyatör giriş sıcaklığına bağlı olarak otomatik değişecektir. İlk yapılan ısı geçişi analizlerinin sağladığı şey ise doğru bir yanma dağılımı elde etmektir. Bu şekilde mevcut durumdaki maksimum silindir kafası sıcaklıkları bulunmuş ve motor torku ve motor hızına göre bir adet transfer fonksiyon yazılmıştır. Çalışmanın son adımında mevcut duruma belirli öneriler getirmek amaçlanmıştır. Bunun için denenenlerde iki hızlı pompa yerine tek hızlı pompa kullanım durumdaki durumu incelemek başı çekmektedir. Pompanın sahip olduğu hızı değiştirmeden çıkabildiği maksimum sıcaklıklar ve hızının sürekli iki katı olduğu durumdaki çıkabildiği sıcaklıklar raporlanmıştır. Ayrıca bir diğer çalışma da pompa hızının değişmesine neden olan radyatör sıcaklığının 95°C yerine 85°C ve 105°C olarak denenmesi ve sonuçların raporlanmasıdır. Bu çalışmalardaki sabit hızlı pompa ve değişik elektronik kontrol ünitesi testleri eksikliğinden dolayı gelen başlıca kabul, yanma dağılılımlarının önceki çevrimdeki ile aynı olarak kullanılmasıdır. Bu çalışmalar için de maksimum silindir kafası sıcaklığı elde edilerek transfer fonksiyonları yaratılmıştır.

Vehicle durability and cost reducing are becoming more and more important in the globalization automotive world day by day. Therefore companies tried to product more durable but cheaper products for customers. OEMs all over the world spend lots of money for research and development processes. The main part of transportation vehicle is engine which has lots of component mounted on it. Each one of the component has unique material properties. Thus, developing processes should be carried out with the consideration all of them. The main method which used by OEMs is CAE studies. They allow to understand the current situation better and optimize the product. Lots of different software companies have developed their programmes to solve these kind of engineering problems. Every material on engine assembly is important. However, some of them are more critical for engine proper working. Engine head is one of the most important part of engine assembly. It has too many parts which has intersection with it. Engine head not only one of the most important but also one of the most problematic component on the engine assembly. It explodes the combustion and it causes the dramatic temperature incresing of material. To simulate all thermal assesment of engine head, couple of engineering softwares should be used interacted. In this study, three different engineering software is used for thermal assesment of engine head. First one is used for simulating engine performance. It is working with the test datas. Main consideration for this type of CAE studies is correlation with dynamometer datas for engine performance criterias like torque, breake specific fuel comsumpton, heat release rate and power. Outputs of these studies are used for second stage of the thermal assesment process. Second stage represents the simulating three dimensional combustion which effects not only engine head but also lots of components too. Main purpose to simulate combustion in the combustion room is validation with test datas for in cylinder flow and some thermal considerations like heat release rate and emissions. At the end of the combustion simulation analysis, gas temperature and heat transfer coefficient distributions on the surfaces which intersect the flame and exhaust gas are provided for third stage. The third stage of the study used one of the heat transfer and fluid flow solver to simulate thermal asssesment of engine assembly components. Main heat source is combustion loads and main heat sink is coolant which is used for engine cooling. With the help of third stage, engine head temperatures can calculated for determined operating conditions. However it is not sufficient to see the maximum temperatures of the engine head. Because engine which is carried out for this study has variable speed pump. It means pump speed is depend on the top hose thermocouple temperature which is located radiator inlet. Pump speed is doubled if the top hose temperature is higher than 95 °C. Considering maximum temperatures of only single operating conditions can cause to ignore of pump variable speed behaviour. Because, single operating conditions have specific constant coolant flow rates. To prevent this, a transient cycle is created with the help of vehicle road database. Six different operating conditions are chosen with consideration of most common usage for customers. With this transient cycle, maximum engine head temperature is found and functioned which is depended on engine speed and torque. The final stage of the study includes recommendations for pump speed and top hose temperature controling on pump speed. Their transfer functions also created for determined transient cycle.