İçten yanmalı motorlarda farklı yanma modlarının SAD yaklaşımı kullanarak karşılaştırılması

Içten yanmalı motorlar temel olarak buji ateşlemeli ve sıkıştırmalı ateşlemeli motorlar olarak iki gruba ayrılmaktadır. Uzun bir tarihsel geçmişe sahip olan bu motorların günümüzde hala teknolojik olarak geliştirilmesine yönelik birçok çalışma yapılmaktadır. Ancak içten yanmalı motorları geliştirmek, yeni teknolojiler üretmek adına yapılan tasarım geliştirme ve test çalışmaları uzun vakitler alan, yüksek maliyet ve işçilik gerektiren zahmetli çalışmalardır. Bu zahmetli çalışmaların bir ön adımı olması ve doğabilecek sorunları önceden tahmin etmek amacıyla gerçeğe yakın fiziksel ve matematiksel modeller oluşturulmakta ve bu modeller her geçen gün gelişmeye devam etmektedir. ˙Içten yanmalı motorlarda sonlu hacimler yöntemini kullanan bu modeller hesaplamalı akışkanlar dinamiğine, yanma fiziği ve kimyasına dayanmaktadır. Yanma odası sonlu hacimlere bölünerek kütlenin, momentumun ve enerjinin korunum denklemleri bu küçük hacimlere uygulanmaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) için geliştirilmiş yazılımlar son zamanlarda içten yanmalı motorlardaki akış, ısı transferi, yanma ve emisyon problemlerinin çözümü için matematiksel modelleme sırasında sıklıkla kullanılmaktadır. Böylece daha tasarım aşamasındayken problemler sebepleriyle beraber görülerek deneme yanılma sürecine girilmeden çözümler geliştirilip tasarım süreci kısaltılmakta ve optimize edilmiş ürünler piyasaya sürülerek rekabet şansı artırılmaktadır. Bu çalışma kapsamındaki simülasyonlar AVL FIRE CFD programı kullanılarak, ESE Diesel adlı alt programıyla ağ yapısı oluşturulduktan sonra Workflow Manager yazılımıyla çözülmüştür. Hücre sayılarının kabadan hassasa doğru değişmesiyle simülasyon sonuçlarının çok değiştiği görülmektedir. Seçilen hücre sayısı çözümu etkilemeyeck şekilde olduğu tespit edildikten sonra, bilgisayar gücü ve çözüm süreleri göz önünde bulundurularak 56000 civarındaki hücre sayılarıyla asıl simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, öncelikli olarak 9,1 sıkıştırma oranındaki yanma odasına sahip bir buji ateşlemeli motorun deneysel ve simülasyon sonuçlarının farklı motor hızlarında örtüşmesi amaçlanmıştır. Model doğrulandıktan sonra EGR, hava fazlalık katsayısı ve ateşleme avansi parametrelerinin motor performansı ve kirletici emisyonlara olan etkisi incelenmiştir. AVL FIRE yazılımı ile krank açısına bağlı olarak silindir içindeki basınç, maksimum basınçlar, ortalama ve maksimum sıcaklılar, yakıt tüketimi, yakıt miktarındaki değişim, ısı açığa çıkışı, güç, ortalama efektif basınç, oluşan HC, is, CO ve NOx miktarları incelenmiştir. 3 boyutlu grafikler için ESE Diesel programı kullanılmıştır. Kalibrasyon amaçlı simülasyonlar sonucunda yanma hızları ve ateşleme avanslarının da ayarlanması gerektiği görülmüştür ve farklı avans değerleri uygulanarak ayarlama yapılmıştır. Ayrıca simülasyon ve deneylerdeki tutuşma gecikmesi sürelerinin farklı olduğu görülerek simülasyonlarda, deneylerdeki ateşleme avansları yerine güncelleştirilmiş değerler kullanılmıştır. GR sisteminin amacı, motora giren taze havanın belirli oranlarda yanma ürünleri ile karıştırılması sonucu alev sıcaklığının düşürülmesidir. Böylece NOx emisyonları azaltılmaktadır. Bu çalışmada farklı EGR miktarları % 0, 5, 10, 13, 15, 18, 20 uygulanarak, egzoz gaz resirkülasyonunun güç, yakıt tüketimi ve egzoz emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Motorlarda en ekonomik çalışma fakir karışımla sağlanmaktadır. Maksimum güç için ise zengin karışıma ihtiyaç vardır. Motorun değişik çalışma koşullarında hava-yakıt oranının iyi bir şekilde sağlanması, değişimin minimum düzeyde kalması gerekmektedir. Bu çalışmada hava yakıt oranı değiştirilerek, farklı karışımlarda motor performansı ve kirletici emisyonları incelenmiştir. Ulaşım sektörü için alternatif yakıtlar aramanın başlıca nedenleri; süratle tükenmekte olan petrol rezervleri, sınırlı sayıdaki petrol üreticilerine bağımlılığın azaltılması ve çevrenin korunması şeklinde özetlenebilir. Son yıllarda artış gösteren taşıt sayısı ile birlikte etkin hale gelen hava kirliliği de, daha temiz bir yanma sağlayabilecek alternatif yakıt arayışlarındaki diğer bir faktördür. Alternatif yakıtların; kaynak ve potansiyel yakıt temini, emniyet, zehirlilik ve sağlığa zararlılık, motor performansı ve emisyonları ve tekrar yakıt temini gibi kriterler açısından incelenmesi gerekir. Doğal gaz, bu kriterler bakımından olumlu ve motor yakıtı olarak kullanılabilecek en önemli alternatif yakıtlardan birisidir. Bolluk, düşük maliyet ve temiz yanma karakteristikleri ve dağıtım sistemlerinin var oluşuna ek olarak daha düşük araç emisyonlarına imkan vermesi, doğal gazı son derece elverişli bir alternatif yakıt yapmaktadır. Doğal gaz hacimsel olarak 80–95% metan (CH4) gazından oluşmaktadır. Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), gelecekte taşıtların enerji ihtiyacını daha büyük oranda karşılayabilecek olan çevreci ve önemli bir alternatif yakıt olarak görülmektedir. Deneysel çalışmalar, doğal gazın hem buji ile ateşlemeli hem de sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda önemli modifikasyonları gerektirmeksizin ve dikkate değer performans kaybına yol açmaksızın kullanılabileceğini göstermektedir. Bu tezde, doğal gaza dönüştürülen buji ile ateşlemeli bir motorunda, doğal gazın güç, yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları bakımından etkisi değerlendirilmiştir. Yapılan araştırmada, benzin motorunun doğal gazla çalıştırılmasının moment ve güç değerlerinin bir miktar azalttığı görülmektedir. Homojen-karışımlı sıkıştırmalı ateşlemeli (HCCI) motorlar, geleneksel buji ile ateşlemeli ve sıkıştırma ile ateşlemeli motorlardan tamamen farklıdır. Bu yeni yanma teknolojisine göre çalışan motorlar, her iki geleneksel motorun avantajlarına aynı anda sahip olabilmektedir. Silindir içerisinde ya da dışında homojen ve seyreltilmiş olarak hazırlanan dolgu, herhangi bir kısılma işlemine tabi olmadan silindire alınır. Ön-karışımlı homojen dolgunun sıkıştırılması sonucunda, alev gelişimi olmaksızın yanma odasında birden fazla bölgede eşzamanlı ve ani olarak gerçekleşen yanma olayında NOx oluşumuna yeterli zaman tanınmadığı ve ön-karışımlı yanma gerçekleştiği için de partiküllerinin oluşumu önlendiği için emisyonlar bakımından avantaj sağlar. Çalışmada ilk aşamanın son bölümünde doğal gaz yakıtlı bir HCCI motorun AVL FIRE yazılımı kullanılarak modellemesi yapılarak, simülasyon sonuçları benzin ve doğal gaz yakıtlı geleneksel buji ile ateşlemeli motorun simülasyon sonuçları ile karşılaştırılarak, bu yeni yanma teknolojisinin avantajları ve dezavantajları incelenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise, dört zamanlı, tek silindirli, doğal emişli, direkt püskürtmeli ve tam yükte çalışan bir dizel motorunun yanma, performans ve emisyon analizi için AVL FIRE programında bir simülasyon gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonucunda; bu motor referans alınarak krank mili açısına bağlı olarak 1500 [devir/dakika] motor dönme sayısında, farklı hava fazlalık katsayılarında (1.2 , 2.0 ve 3.0) ve farklı EGR oranlarında (% 5, 10, 20), silindir basıncı, sıcaklık ve motor performans eğrileri elde edildikten sonra yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları bakımından karşılaştırılması yapılmıştır. Daha sonra yapısal değişiklik yapılmayan dizel motorda toplam yakıt kütlesi sabit kalacak şekilde ana püskürtmeye ek olarak ilk püskürtme de yapılmıştır. Çift püskürtme yöntemi ile yapılan bu çalışmada ilk püskürtme süresi sabit tutularak (35 KMA), ilk püskürtülen yakıt miktarının performans ve emisyon değerlerine olan etkileri araştırılmıştır. ˙Ilk püskürtülen yakıt miktarları toplam yakıt miktarlarının sırası ile % 20 ,30 ve 40'ı olacak şekilde yapılmış ve yine bu koşularda sırası ile %5, %10, %13, %15, %18 ve %20 EGR uygulanmıştır. Bununla birlikte, ilk püskürtmenin süresi gibi püskürtme sistemi parametrelerinin; yanma olayı, performans ve emisyonlar üzerine olan etkisi incelemiştir. Sonuçlara göre ilk püskürtülen yakıt yüzdesi çoğaldıkça bu yöntemın avantajları azalmakta ve NOx emisiyonlarinın artışı ile birlikte güç kaybı da gorülmektedir, bu nedenle ilk püskürtülen yakıtın kütleleri sabit tutularak, püskürtme süreleri sırası ile 35, 40, 45, 50, 55 KMA arasında değiştirilerek ve %5 ve %10 EGR kullanılarak püskürtme süresi ve EGR nin birleşik etkisi motor performansından ödün vermeden emisyonlara olan etkisi incelenmiştir. Yapılan koşu sonuçlarına dayanarak yakıt miktarı arttıkça püskürtme süresini uzatarak istenilen sonuçları elde etmek mümkündür. Yapılan tüm koşular tek püskürtmeli koşuların sonuçları ile karşılaştırılmıştır ve buna göre optimum yakıt yüzdesi, ilk püskürtme süresi ve EGR miktarlarını seçerek performans ve emisyonlarda iyileşme sağlanmıştır.