İHA uygulamalarına uygun atmosferde çalışan bir Wankel motorunun performansının analizi ve iyileştirilmesi

Oldukça yüksek güç üretimini küçük motor hacminden elde etmeye imkân sağlayan döner pistonlu motorlar (Wankel motorları), düşük titreşime sahip olmaları, hafiflikleri, kompakt yapıları, güç/ağırlık oranının yüksek olması, daha yüksek volumetrik verim ve vuruntuya daha az bağımlılık gibi pek çok avantajlara sahiptir. Bu özelliklerinden dolayı denizcilik endüstrisinden hafif hava aracı endüstrisine kadar pek çok uygulama alanında tercih edilmektedirler. Bu motorların özellikle, güç/ağırlık ve güç/boyut oranı yüksek tahrik sistemlerinin kaçınılmaz olduğu İHA'larda kullanımı oldukça avantajlı ve yaygındır, yapılacak iyileştirmeler ile kullanım avantajları daha da arttırılabilir. Son dönemde ülkemizde yapılan yerli üretim çalışmaları kapsamında özellikle savunma sanayi tarafından İHA'larda kullanılmak üzere güç yoğunluğundan dolayı Wankel motoru üretimi arzu edilmektedir. Fakat bu konuda daha önce bir üretim girişimi, dolayısıyla bilgi birikimi ve üretim alt yapısı olmadığından şu ana dek yerli Wankel motoru üretimi gerçekleşmemiştir. Bu ihtiyacı giderme yolunda bir adım olmak üzere bu tez çalışmasının yapılmasına karar verilmiştir. Bu kapsamda, öncelikle TSK envanterinde İHA'larda kullanıma uygun olarak bulunan ve Vestel Savunma Sanayi'nden (LENTATEK) temin edilen Wankel motorunun üç boyutlu tarama teknolojisi ile ölçümleri alınarak bilgisayar destekli tasarım (BDT) modeli oluşturulmuştur. Ardından sırasıyla sıfır boyutlu, 1 boyutlu ve 3 boyutlu olarak Wankel motoru modellemesi gerçekleştirilmiştir. Bu aşamadaki hedef, 3B hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları sonucunda Wankel motorunun farklı irtifa koşullarında performansı, yanma karakterstikleri ve emisyonları konusunda bilgi sahibi olmaktır. Wankel motorunun yüzey/hacim oranı konvasiyonel pistonlu motorlara göre çok daha yüksektir. Dolayısıyla Wankel motorunun irtifa artışıyla birlikte ateşlememe sorunlarının olması kuvvetle muhtemeldir. Eğer Wankel motorunun yüksek irtifalardaki performansı, yanma karakterstikleri bilinebilirse ateşlememe sorununu bertaraf edilmesi konusunda tedbirler alınabilir. Gerçekleştirilen analizler ile bu tip muhtemel problemlerin görülebilmesi ve ona göre tedbir alınması mümkündür. Ayrıca artan irtifa ile birlikte ortam havasının sıcaklığı, basıncı ve yoğunluğu düşeceği için yanma odası içerisine alınan karışım özellikleri de değişmektedir. Bu sebeple hava fazlalık katsayısının değişiminin Wankel motor performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesinde de fayda vardır. Bu çalışmada ele alınan bir diğer konu da budur. Wankel motorunda irtifa artışı ve hava yakıt oranı değişiminin referans Wankel motorunun performansı, yanma karakteristikleri ve emisyonları üzerine etkileri tespit edildikten sonra günümüzdeki Wankel motor performansını artırmaya yönelik en popüler metotlardan olan yakıta hidrojen zenginleştirme stratejisi uygulanmıştır. Gerçekleştirilen simülasyon sonuçları hidrojen zenginleştirme yaklaşımının Wankel motorların performansı üzerinde oldukça olumlu bir etkisi olduğunu göstermiştir. Benzinli 4 zamanlı referans Wankel motoruna %5 ve %10 oranlarında hidrojen katkısı yapıldığında, Wankel motorunun saf benzinle çalışma durumuna kıyasla ortalama efektif basıncında sırasıyla %8.18 ve %9.68, indike tork değerinde sırasıyla %6.15 ve %7.99 artış gözlemlenirken özgül yakıt sarfiyatı değerinde azalma olmuştur. Ayrıca uygulanan hidrojen zenginleştirme yöntemi sonucu hidrokarbon (HC) ve karbonmonoksit (CO) emisyonlarında da azalma olmuştur. Bununla birlikte hidrojen zenginleştirme stratejisi uygulanmış referans motorda saf benzinle çalışma durumuna göre daha sıcak çalışma şartları oluştuğu için Azotoksit (NOx) emisyonlarında ise artış gözlemlenmiştir. Bu tez çalışmasında İHA'larda kullanılan bir Wankel motoru için elde edilen numerik bulguların, hem geometrik hem de yakıt içeriği itibariyle Wankel motor konusunda üretim çalışmalarına katkı sağlaması beklenmektedir. Bunun yanısara, özellikle Wankel motorunun hidrojen katkısı ile prototip üretimi konusunda firmalarla görüşmeler gerçekleştirilmiş ve tez sonrası devam projesi olarak prototip üretimi konusunda adımlar atılmıştır.