4 Silindirli Dizel Motor İçin Türbin Seçim Çalışması

Abstract

Verimi yüksek fakat düşük yakıt tüketimine sahip çevreci motorlar pazarda talep görmektedir. Yakıt maliyetlerinin yüksekliği, doğanın emisyonlar ile gördüğü zararı en aza indirebilmenin yöntemlerinin araştırılması, gücü yüksek fakat yakıt tüketimi buna nazaran oldukça düşük motorların geliştirilmesi için çalışılmaktadır. Motorlu taşıtların hızla artması doğayı tehtid eder seviyelere gelmiştir. Bu konuda tüm toplumların üzerine düşen görevi fazlası ile yerine getirebilmek için araştırma ve geliştirme projelerini desteklemeleri çok önemlidir. Projelere bakıldığında ise son dönemlerde değinilen en önemli nokta kompresor ve turbin sistemleridir. Düşük emisyon değerlerini sağlayabilen yeni nesil motorların turbin sistemleri ile verimliliği arttırılarak taleplere cevap verilebilmektedir. Motordan elde edilecek verimin analizini gerçek ortamlarda test etmek zaman ve para kaybına yol açarak çeşitliliğin denenmasini engellemeye neden olur. Buna karşılık bilgisayar ortamında düşük maliyetler ile denemelerin yapılması oldukça yüksek oranda kolaylık sağlamaktadır. Günümüzde bir boyutlu simulasyon teknikleri ile yeni nesil motorlarda optimizasyon yolları araştırılmaktadır. Bir motor üzerinde bir çok çeşit turbin denenmesine olanak sağlayarak işlemleri hızlandırmakta ve yeni fikirlerin doğmasına faydalı olmaktadır. En çok kullanılan simulasyon programları olarak karşımıza AVL Boost, Ricardo Wave ve Gamma Tecnologies firmalarına ait ürünler çıkmaktadır. Bu programlar bir boyutlu olarak motorun modellenmesine ve performans analizlerinin yapılmasına yardım etmektedir. Daha yetenekli motorlar, daha büyük bir pazar ve rekabet getirmektedir. Bu tez kapsamında aşırı doldurmalı Diesel motorda modelleme, kalibrasyon ve turbin seçim simulasyonları için bir boyutlu motor modelleme programı olarak Ricardo Wave kullanılmış ve 8.3 versiyonunda uygulamalar yapılmıştır. Bu simulasyon sistemleri herhangi bir durum için motorun gösterdiği performansı ortaya koyabilmek adına tasarlanmıştır. Tork, debi, yakıt tüketimi ve güç gibi çıktılar sağlamaktadır. Design aşamasında motor parametrelerinin tanımlanmasını sağlamaktadır. Programın temeli br boyutlu Navier-Stokes denklemleri kullanımını içermektedir. Kütle, ısı ve momentum transfer denklemlerinin bir boyutlu olarak çözümünü kullanmaktadır. Bu method, skaler büyüklükleri küçük volumetrik kesitlerde çözerek ilerlemektedir. Zaman adımlı çözümler ile büyük parçaları küçük bölümlere ayırarak model doğruluğunu arttırmaktadır. Her bağlantı parçası matematik modelleri, basınç, sıcaklık, debi ve sürtünme gibi fiziksel veriler ile bütünleştirmektedir. Bir çok borunun bağlanması ile oluşan sistemler içerdiğinden, boru parçalarında daralma kayıplarını, yüzey sürtünme kayıplarını, geometric ve sistem elemanlarından kaynaklı akış kayıplarını çözer. Borularda basınç düşüşlerini, ısı transferlerini duvarlardaki termal çözümleri tanımlar. Yanma ve emisyonlar olarak ise, yanmamış yakıt ve havanın silindir içerisinde kimyasal tepkimeler ile ortaya çıkardığı enerjiyi tanımlar. Silindirde yanma prosesinde hava yakıt oranın düzenlemesi ile homojen bir yanma sağlar. Turbin ve kompresor performansı da ayrıca modellenmektedir. Kompresor ve turbin haritaları bir çok data noktasının perfornans değerleridir. Her biri hız, basınç değeri, debi ve termodinamik verimlilik değerlerini tanımlayan operasyon şartlarını içerir. 1D modelleme teorisine uygun olarak farklı parametrelerde ve şartlardaki performansları gösteren dinamometre datalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu datalara paralel olarak motorun simulasyon doğruluğu kontrol edilir. Bu tez kapsamında motor modeli olarak 4 silindirli diesel motor ile sabit geometrili turbin kullanılmıştır. Bir boyutlu olarak giriş, sıkıştırma, güç ve egzoz sistemleri oluşturularak motor simule edilmiştir. Motor silindir girdileri olarak, motor tipi, silindir adedi, ateşleme sıralaması bir döngü için strok sayısı, silindir strk, çap, ve sıkıştırma oranı, krank kol uzunluğu değerleri modelde tanımlanmıştır. Valf girdileri olarak ise, valf çapı, açıklığı, akış katsayıları ve valf zamanlaması modelde tanımlanmıştır. Boru girdileri olarak, borunun uzunluğu, giriş çıkış çapı, yüzey pürüzlülüğü, ısı transfer parametreleri, ısı transfer ve sürtünme katsayıları çapı ve borunun yön değişimi tanımlanmıştır. Duvar sıcaklığı, ilk şartlar, basınç düşüş katsayısı, ayrıklaştırma uzunluğu tanımlanmıştır. Bu tezde, 4-silindirli dizel motor modeli oluşturulmuş ve dinamometre datalarına göre korelasyonu sağlanmıştır. Model kurulumundan sonra, tam yükte korelasyonu gerçekleştirilmiştir. 1D motor model korelasyonu tüm sistemin doğrulaması anlamına gelmektedir. Bu sistem içerisinde üç ana korelasyon adımı bulunmaktadır. Bunlar hava giriş sistem korelasyonu, egzoz sistem ve ana motor korelasyonudur. Her bir alt sistemin kendi içerisinde doğrulanması gerekir. Hava giriş sistem korelasyonunda, atmosferden hava girişinin başlangıcından motorda girşi manifoldu ölçüm noktasına kadar olan bölgenin kontrolu yapılmıştır. Kompresor giriş sıcaklığı ve hava debisi kullanılmıştır. Bu sistemdeki basıç düşüşünün dinamometre verisi ile uygunluğu sağlanmıştır. Bir diğer alt sistem olarak egzoz sistem korelasyonu sağlanmıştır. Bir daraltıcı veya valf eklenerek, egzoz geri basıncı dinamometre datasına uygun olacak seviyeye gelecek şekilde ayarlanmıştır. Girişteki sıcaklık ve debi, çıkıştaki atmosfer basınç ve sıcaklık değerleri girilmiştir. Daraltıcı sıkılıp gevşetilerek dinamometre ile aynı basınç düşüşü elde edilmeye çalışılmıştır. Diğer bölge ise kompresor çıkışında giriş manifolda kadar olan alt sistemi içermektedir. Giriş manifold basıncı ve sıcaklığı dinamometre ile aynı basınç düşüşünü elde edecek şekilde tanımlanmıştır. Bunun sağlanması ise IC sürtünme katsayısının hava debisi ile ayarlanmasına karşılık oluşmuştur. Baz motor korelasyonu giriş manifoldu, silindirler ve egzoz manifoldu kısımlarını içermektedir. Giriş ve egzoz sistem korelasyonlarının dinamometre datalarına paralel olarak gerçekleştirilmesinden sonra, baz motor korelasyonu yapılmıştır. Motorda silindir şartları, valf ve motor geometrisi uygun ise debinin dinamometre verisi ile paralel olması gerekir. Yanma modeli bu bölümde doğru korelasyon üzerinde etki göstermektedir. Son olarak tam model korealasyonu yapılmıştır. Toplam sistem bu adımda simule edilmiştir. İki adet kontrol mekanizması kullanılmıştır. Biri, enjeksiyon başlangıcını değiştirerek hedeflenen en yüksek yanma basıncı elde edilecen diğeri ise turbin hava kaçış açıklığını değiştirerek hedeflenen boost basıncını kontrol eden mekanizmadır. Tüm model dinamometre datalarına göre korele edildikten sonra, tam yükte sonuçları değerlendirilmiştir. Bu sonuçlara göre, BSFC, tork ve güç hata bantları içeresindedir. Ayrıca, hava debisi, hava yakıt oranı, yakıt debisi dinamometreye göre uyumlu sonuçlar vermiştir. Kompresor giriş-çıkış basıncı ve değerleri de tolerans bandı içerisindedir. Türbin giriş sıcaklığı da +50 limit değerlerindedir. Tam yükte motorun kalibre olduğu sonuçlara göre de uygun bulunmasının ardından, bu defa farklı türbinler kulanılarak tam yük noktalarında BSFC değerleri karşılaştırılmıştır. Tam yük noktalarında BSFC değerlerinin karşılaştırılması yapılarak turbin seçimi incelenmiştir. 4 farklı boyutta türbin haritası, her biri için aynı kompresor haritası ile kullanılmıştır. Pompalama kaybını dinamometreye göre daha düşük sağlamak amacı ile yeni türbinler daha büyük seçilmiştir. Sonuç olarak aynı hava yakıt oranında daha düşük BSFC sağlamak mümkün olmuştur. Map 2 ve Map 3 boyut olarak diğer türbinler arasında en büyükleridir. Büyük türbinler türbin giriş basıncını düşürerek BSFC ve pompalama basıncına etki etmektedir. Bu türbinler ile en düşük BSFC değerleri sağlanabilmiştir. Fakat, büyük türbin daha düşük pompalama kayıpları sağlamasına rağmen, düşük motor hızlarında hedeflenen tork değerini tutturamamaktadır. Map 1 ve Map 4 türbinlerinin sonuçları dinamotreye göre daha düşük BSFC göstermesine karşılık, 1000-1250 rpm gbi düşük devirlerde tork düşüşüne maruz bırakmamıştır. Bu turbinler boyut olarak Map 2 ve Map 3 den daha küçüktür. Büyük türbinlerin olumsuzluklarını ortaya koyan bu değerlendirme nedeni ile Map 2 ve Map 3 ile çalışmaya devam edilmemesi kararı alınmıştır. Elde edilen verilerin kısmi yükteki sonuçlar ile uygunluğuna bakılmıştır. Geri kalan iki türbin arasındaki farklılıkları ortaya koyabilmek amacı ile kısmi yük performansı çalışması yapılmıştır. İlk olarak orjinal modelin kısmi yük dinamometre verilerine göre korelasyonu gerçekleştirilmiştir. Emisyon değerleri açısından NEDC döngüsüne göre en önemli part load noktalarının dinamometre verileri kullanılmıştır. Karşılaştırma değerlendirmesinde ise üç ayrı kontrol sistemi kullanılmıştır. Bunlardan birincisi EGR valve genişliğini değiştirerek hedeflenen gücü elde etmeyi sağlayan kontrol mekanizmasıdır. İkincisi, SOI değerlerini değiştirerek hedeflenen en yüksek basınç değerini elde etmeye çalışan kontrol mekanizmasıdır. Sonuncusu ise türbin gaz kaçış açıklığını değiştirerek hedeflenen EGR oranını elde etmeye yarayan kontrol sistemidir. Bu kontrol mekanizmalarının çalışması sonucunda ise aynı hava yakıt oranı, silindir içi en yüksek basınç, güç, ve EGR oranları kullanılarak, iki türbinin kısmi yükte BSFC sonuçlarına bakılmıştır. Sonuç olarak Map 4 hem tam yükte hem de kısmi yükte Map 1’a göre az oranda da olsa daha düşük pompalama kaybı ortaya koymuştur. BSFC açısından karşılaştırıldığında ise Map 4 diğer türbine göre daha düşük BSFC değerleri sağlamıştır. Dolayısı ile turbin seçim çalışmasında en uygun türbin olarak Map 4 seçilmiştir. Bu çalışma optimum geometriye sahip bir turbinin hem pompalama kayıpları olarak hem de istenen tork değerlerine yüksek ve düşük motor hızlarında erişebilmek için gerekli olduğunu ortaya koymuştur. Türbin büyüklüklerin karşılaştırılması aşamasında BSFC ve pompalama kayıpları açısından tam yük korelasyonu belli bir değerlendirme sunarken, kısmi yüklerdeki çalışmaların incelenmesi ile daha detaylı ve daha iyi bir seçim yapılma şansı bulunabilmektedir. Türbin boyutlarının optimizasyonu en önemli kriter olmuştur. En büyük türbin en düşük BSFC ve pompalama kayılarını yüksek hızlarda sağlayabilirken düşük hızlarda ortaya koymuş olduğu düşük tork değerleri istenilen gücü elde edemeyeceğimizi göstermiştir. En büyük türbin ile çalışmanın doğru olmadığını görmemizi sağlamıştır. Ortalama boyutlarda türbin ise düşük yüklerde de istenilen tork değerini sağladığından ve BSFC değerlerini de orjinal türbine oranla düşürdüğünden optimum çalışma fırsatı verebilecek türbin olarak değerlendirilmiştir.

Market demand for Engines as a future concept is to increase the efficiency with lower emissions and minimum fuel consumption. These requirements are supported with the new generation techniques that can increase the engine efficiency while keeping the emissions lower with turbo charging system. A drastic boosting of the engine supports the market demands. At the present day, 1D engine simulation programs are usually used for their optimization. Commercial Programs of Computational Fluid Dynamics are the main tools on the researches. AVL Boost, Ricardo Wave and Gamma Technologies are some commercial program samples. This thesis concerns 1D engine simulation of a turbocharged diesel engine, calibration and turbo-matching. Modelling and simulation on software has been prepared with 1D Engine computational development program: Ricardo Wave 8.3. The engine model was developed corresponding to a 4-Cylinder FGT diesel engine. Full engine cycle composed of intake, compression, power and exhaust system has been used for one-dimensional simulation modelling research. 1D engine simulations have been performed on a turbocharged CI engine and the results have been validated by on-engine measurements in test cell. Different turbines are used in order to investigate BSFC enhancement in full load points. Effect of part load operating conditions on specific fuel consumption is also taken into consideration to fulfill the turbo-matching study. The results show that although bigger turbines provide lower pumping losses, they may fail to give targeted torque at low engine speed values. Hence, this study has proven that there is an optimum geometry for turbines to get both lower pumping losses and lower BSFC at higher engine speed range and higher brake torque values at low engine speed range.