Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi

Geçmişten günümüze motor teknolojisindeki gelişmeler ile içten yanmalı motorlardan talep edilen güç paralellik gösterir ve buna bağlı emisyondaki sıkı düzenlemeler artmaktadır. Özellikle emisyon verimliliği ve yakıt tüketimi egzoz manifold tasarımına bağlıdır. Egzoz manifoldu, motor silindir kafasının üstüne monte edilen, içten yanmalı motorun en kritik parçalarından biridir. İçten yanmalı motorun performansını belirlenmesinde önemli bir etkisi vardır. Egzoz manifoldunun bir ucu egzoz girişleri ile direk olarak motor yanma odasına, diğer ucu eğer turboşarjlı bir motor ise turbine bağlıdır. Motorun çalışmaması durumunda düşük sıcaklıklara sahip egzoz manifoldu, motorun çalışması sırasında silindir içinde patlama sonucu oluşan yüksek sıcaklıklara maruz kalır. Metal sıcaklıkları oda sıcaklığından yüksek sıcaklıklara hızlı bir şekilde çıkar. Sıcaklıklardaki bu yüksek değişim, egzoz manifoldu üzerinde yüksek gerilmelere sebep olur. Konstrüktif sebepler dahilinde hareketi kısıtlanan egzoz manifoldu serbestçe genleşemez ve ısıl-mekanik zorlanmalara maruz kalır. Yüksek sıcaklık, kendi bünyesindeki parçaları ve/veya çevresinde çalışan diğer fonksiyonel gruplarıda etkiler. Bu bölgelere yakın yerleştirilen parçalar aşırı ısınabilir ve görevini yapamaz hale gelebilir. Bu yüzden tasarım aşamasında komponentlerin yerleştirilmesi üzerinde dikkatlice düşünülmesi gereken bir konudur. Hesaplamaların dizayn aşamasında yapılması önem arz eder. Yüksek sıcaklıkta malzemelerin mekanik özelliklerindeki düşüş, egzoz manifoldunun titreşim karakteristliğinin de değişmesine neden olmaktadır. Çalışma şartları altında motor veya yoldan gelen uyarılar, egzoz sisteminin doğal frekansları ile çakışması sonucunda sistemin rezonansa girmesine neden olacaktır. Rezonansa giren bir sistemin salınım genliği çok artacak, herhangi bir sönüm elemanı olmadığı halde teorik olarak sonsuza gidecektir. Genliklerin bu şekilde büyümesi egzoz manifolduna ve/veya manifolda bağlı diğer alt grup bileşenlere zarar vereceği kaçınılmaz son olacaktır. Tasarım sürecinde, optimum ve verimli bir ürün ortaya koyabilmek için, içten yanmalı dizel motorların ısıl olarak incelenmesi kuşkusuz ki yapılması gereken önemli çalışmalardan bir tanesidir. Bu bağlamda egzoz sistemleri için ısı geçişi performansının doğru ve hassas incelenmesi büyük önem taşımaktadır. Bilgisayar destekli mühendislik (BDM) motor tasarım sürecinin erken aşamasında, egzoz manifolduna yön verecek etkili bir araçtır. Dinamometre dayanım deneylerinin uzunluğu ve maliyetli olması, BDM çalışmalarının önemini daha da arttırmıştır. BDM ile tasarımın ilk evrelerinde kritik bölgeler belirlenir ve zaman kaybetmeden gerekli önlemlerin alınması sağlanır. Her ne kadar güçlü BDM yaklaşımınız olsa da, geliştirme sürecinin sonunda tasarım doğrulama amaçlı motorun kritik çalışma şartları için çeşitli deneyler dinamometre odalarında gerçekleştirilir. Bu çalışmada bir adet ağır ticari araca ait 13 litre dizel moturunun kararlı hale oturmuş maksimum güç çalışma noktası için egzoz manifold metal sıcaklığı deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda ilk adım olarak dinamometre deneyinde motorun kararlı rejime oturmuş farklı çalışma şartları için nominal deney verileri (sıcaklık, basınç vb.) toplandı. Daha sonra motor maksimum güç bölgesinde çalıştırılarak egzoz manifold üzerinden termal kamera ve termoelemanlar ile sıcaklık ölçümleri gerçekleştirildi. Sayısal çalışmaları üç ana başlık altında toparlamak mümkündür. İlk adım olarak, dinamometre deneyi ile uyum sağlayan bir boyut (1B) motor performans modeli kuruldu. Dinamometre ölçümlerinde kabul edilebilir hata bantları arasında kalacak şekilde analizler tamamlandı. Motorun maksimum güç çalışma bölgesi için egzoz manifold giriş ve çıkış sınır şartları çıkartıldı. İkinci adımda sonlu hacimler metodu ile üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar mekaniği (3B HAD) analizleri yapıldı. Eş-Benzetim tekniği ile akışkan ve katı çözüm alanları farklı sistemler olarak modellendi. Akış modeli zamana bağlı, katı model ise zamandan bağımsız olarak analizler tamamlandı. Belirlenmiş zaman aralıklarında birbirleri ile veri aktarımı yaparak analizler tamamlandı. Üçüncü adım olarak Optimate+ yazılımı ile SHERPA algoritması kullanılarak dış ortam ısı taşınım katsayısı optimizasyon çalışması yapıldı. Egzoz manifoldu dış yüzeyi 88 parçaya bölünerek her bir parça için dış ortam ısı taşınım katsayısı değişken olarak tanımlandı. Egzoz manifold metal yüzeyinde bulunan kontrol noktalarında sıcaklık değerleri deney verilerine yakınsayacak şekilde ısı taşınım katsayıları elde edildi. İlk yapılan Eş-Benzetim analizleri sonucunda egzoz manifold metal sıcaklığı deney verileri ile kıyaslandığında en büyük fark + %37 mertebelerinde bulundu. Optimize edilen dış ortam ısı taşınım katsayıları ile analiz sonucunda en büyük farkın - %9'a kadar indiği gözlemlendi. Bir kontrol noktasının dışında her bir kontrol noktası için sonuçların iyileştiği görüldü. Kabul edilebilir hata ile egzoz manifoldunun sıcaklık dağılımı doğru hesaplanmıştır. Bu sayede dayanım hesaplarının güvenli bir şekilde yapılmasına olanak sağlanmıştır. Böylece erken tasarım aşamalarında yapısal zayıflıklarının önüne geçilir ve en az maliyet ile optimum ürün elde edilir.