Dizel bir motorun rakım performansının turboşarj kompresörü optimizasyonuyla arttırılması

Abstract

Teknolojinin sürekli olarak gelişmesiyle birlikte, 19. yüzyıldan bu yana hayatımızı kolaylaştıran içten yanmalı motorların performansı da artmaktadır. Bununla birlikte trafikteki araç sayısı arttıkça, kısıtlı fosil yakıt rezervleri sebebiyle motorların yakıt verimliliğinin artması günümüzde önemli hale gelmiştir. Buna ek olarak motorlardan yayılan emisyonların hem sera gazı etkisi yaratması hem de insan sağlığına olan olumsuz etkileri sebebiyle bir aracın emisyon performansı dikkate alınmaya başlanmış ve özellikle 21. yüzyıl itibariyle emisyon standartlarıyla ilgili birtakım kritik önemler alınmıştır. Emisyon salınımıyla ilgili ilk önemli adım 1992 yılında yayınlanan Euro 1 emisyon standartlarıyla birlikte dizel motorların karbonmonoksit, partikül madde emisyonlarına sınır getirilmiştir. İlerleyen yıllarda devreye alınan Euro 3 standartıyla azot oksit ve hidrokarbon emisyonlarına da sınırlama getirilmiştir. Bu emisyon kısıtlamaları her geçen gün daha da artmaktadır ve 2025 itibariyle Euro 7 emisyon standardının uygulamaya başlanması hedeflenmektedir [1]. İçten yanmalı motorlarda hem yakıt verimliliği arttırmak, hem de uygulanan emisyon standartlarına uyabilmek için birçok teknoloji geliştirilmiştir. Bunlardan en önemlisi turboşarj adı verilen aşırı doldurma sistemidir. Turboşarj sistemi, temel olarak türbin, kompresör ve bunlar arasında güç aktarımı sağlayan mil komponentlerinden oluşmaktadır. Egzoz gazları sahip olduğu hız ve sıcaklıkla yüksek bir termal enerjiye sahiptir. Türbin komponenti, bu termal enerjiyi kullanarak mekanik güç üretir ve şafta bu gücü aktarır. Şaftın diğer tarafındaki kompresör komponenti şafttan aldığı güçle dönmeye başlar ve motor girişindeki hava kompresörden geçerek basıncı arttırılır. Kompresör havanın basıncını arttırırken aynı zamanda sıcaklığını da arttırmaktadır. Motor içerisinde daha verimli bir yanmanın gerçekleştirilmesi için basınçlı hava bir ara soğutucudan geçirilir ve silindir içerisine portlar aracılığıyla alınır. Silindirlerdeki yanma sonucu egzoz gazları tekrardan türbine gönderilir ve böylece bir çevrim tamamlanmış olur. Turboşarj kompresörleri havanın basıncını arttırırken aynı zamanda hava sıkıştırılabilir bir gaz olduğu için silindirlere alınan hava miktarı da arttırılmaktadır. Böylelikle motor içerisinde daha verimli bir yanma gerçekleşir ve daha küçük hacimli bir motorla atmosferik motorların ürettiği güçlere çıkılabilir. Ayrıca bu sayede motorun hem yakıt verimi, hem de emisyon performansında iyileşme sağlanır. Kompresör girişindeki havanın atmosferik koşullarına göre kompresörün çalışma şartları değişmektedir. Günümüz turboşarjlarında, kompresör çıkışında hedeflenen basıncı yakalamak adına tahliye kapağı bulunur. Temel olarak çalışma prensibi şöyledir: Tahliye kapağı türbin girişinde bulunmaktadır. Kompresörün talep ettiği güçten fazla egzoz gazı enerjisi olması durumunda fazlalık egzoz gazlarının tahliyesinde kullanılmaktadır. Kompresör çıkışına bir yay bağlanır ve basınç kuvveti hedeflenen değere ulaştığında yay aktive edilir. Yayın aktivasyonu tahliye kapağını açar ve fazlalık enerji türbine girmeden baypas edilir. Motor kalibrasyonları, bu hedeflenen kompresör çıkış basıncına göre yapılmaktadır. Bir diğer deyişle, kompresör sabit bir basınç hedefine göre çalışmaktadır. Ancak operasyonel olarak rakım arttığında kompresör girişindeki basınç düşmekte ve basınç hedefi sabit olduğu için kompresörün basınç oranı artmaktadır. Basınç oranının artması, kompresör çıkış sıcaklıklarını da arttırmakta; ancak malzeme teknolojisi sebebiyle belirli bir sıcaklıktan sonra kompresör mekanik zarara uğramaktadır. Bu limit sıcaklık değerine ulaşınca, malzemenin zarara uğramaması için kompresörün basınç oranı daha fazla arttırılmaz ve silindirlere alınan hava sınırlandırılır. Havanın azalmasıyla birlikte silindirlere enjekte edilen yakıt miktarı da azaltılmak zorunda kalınır ve motor bu rakım seviyesinden daha yükseklerde deniz seviyesinden daha az güç üretir. Kompresörün çalışma veriminin artması, kompresörün şafttan aldığı gücü daha az kayıpla kullanmasına ve kompresör çıkışındaki gazın sıcaklığının daha düşük seviyelere çıkmasını sağlamaktadır. Böylelikle sadece kompresörün veriminin arttırılmasıyla, içten yanmalı motorun güçten düşmeye başladığı rakım seviyesi daha yükseklere çekilebilir. Bu tez kapsamında, 3.4 litre bir dizel motorunun rakım performansı, turboşarj kompresörü aracılığıyla incelenmiştir. Bu dizel motorunun sağladığı güç, deniz seviyesinde motor isterlerini karşılasa da motorun operasyonel konseptinde yer alan 1500 metre rakım seviyesinde daha az güç ürettiği gözlemlenmiştir. Buna sebep olarak motorda kullanılan kompresörün çalışma verimlerinin düşük olduğu görülmüş ve burada yapılabilecek bir iyileşmeyle motorun operasyonel konseptine uygun şekilde 1500 metre rakımda istenilen gücü sağlayabileceği kanaatine varılmıştır. Bu kapsamda öncelikli olarak HAD analiz modelinin doğrulanması adına mevcut kompresör geometrisi üzerinde CFX yazılımı kullanılarak HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve HAD analiz sonuçları test verisi kullanılarak doğrulanmıştır. Buna ek olarak bu dizel motora ait dinamometre verileri de mevcuttur. Motorun komponentlerinin 1 boyutlu olarak modellenebildiği GT-Suite yazılımı kullanılarak motora ait 1 boyutlu bir model geliştirilmiş ve bu model dinamometre verileri kullanılarak doğrulanmıştır. Bir sonraki aşamada, mevcut kompresör geometrisi literatür taramasına göre parametrize edilmiştir ve geometri kompresör tasarım noktasında optimize edilmiştir. Hedeflenen optimizasyon çıktıları benzer basınç oranları ve yüksek verim değerleri olmuştur. Optimizasyon sonucu elde edilen kompresöre ait tüm bir kompresör haritası çıkartılmış ve kompresör haritası GT-Suite yazılımına gömülmüştür. GT-Suite kullanılarak hem deniz seviyesinde, hem de 1500 metre rakım seviyesinde bir boyutlu analizler koşulmuş ve optimize edilmiş kompresörün performansı ortaya koyulmuştur. Kompresörde kullanılan malzeme özelliklerine göre kompresörün dayanabileceği maksimum sıcaklığın 200 °C olduğu bilinmektedir. Yapılan optimizasyon çalışmasıyla, mevcut kompresörün tasarım noktasındaki toplam-toplam izantropik verimi 0.7'den, 0,795 seviyesine çıkartılarak çalışma verimi %7.4 mertebesinde arttırılmıştır. Ayrıca mevcut kompresör 1500 metre rakım seviyesinde çalışırken maksimum 214 °C sıcaklıklara ulaşırken optimize edilmiş kompresör maksimum 188 °C kompresör çıkış sıcaklığına ulaşmaktadır ve bu sayede motor deniz seviyesiyle aynı gücü verecek duruma ulaştırılmıştır. Bunu yaparken kompresörün basınç oranlarında düşük değişiklerin olması hedeflenmelidir. Optimize edilmiş geometri haritası incelendiğinde aynı çalışma noktalarında basınç oranlarında ortalama %1-2'lik farklılıklar olduğu gözlemlenmiş, bu optimizasyon hedefi de başarıyla geçekleştirilmiştir.