Yeni teknolojilerin geleceğin içten yanmalı motorlarına uyarlanmasının etkilerinin incelenmesi

İnsan nüfusu arttıkça enerji tüketimi dünya için daha da önemli bir problem halini almaktadır. Artan nüfusa ek olarak, teknolojinin durmayan gelişmesi ve küresel nüfus içinde yaygınlaşması enerji telebinin artışına yol açmaktadır. Ortaya çıkan alternatiflere ve bu alternatiflerin geleceğin enerji kaynağı olarak görülmesine rağmen, fosil yakıtlar hala güncel ana enerji kaynağı durumunda olup, aynı zamanda içten yanmalı motorlar da dünya genelinde taşıt tahriği için baskın alternatif olmayı sürdürmektedirler. Pistonlu içten yanmalı motorlar, 1876'da August Otto tarafından icat edilmelerinden beri sürekli evrilmekte, verim, güç yoğunluğu ve emisyon anlamında gelişmeye devam etmektedirler. Küresel politika, ekonomi ve çevre ile ilgili kaygılar bu gelişimi sürdüren ana faktörler olmuştur. Özellikle çevresel kaygıların daha sesli biçimde dile getirilmeye başlandığı ve devletlerin emisyon regülasyonları getirmeye başladığı 1970'lerin başından beri, içten yanmalı motorlar olumlu bir gelişim içerisinde olup, regülasyonlar güncellenerek daha sıkı bir hal aldıkça, geliştiriciler emisyon anlamında içten yanmalı motorları iyileştirmek konusunda daha da zorlanmaktadır. Son dönemde, dünya, taşıt tahriği için daha iyi çözümler bulmak adına arayışlarına devam edereken, elektrik motorları taşıt tahriği için elverişlilikleri, yüksek iç verimleri ve kara taşıtı tahriğine mükemmel şekilde uyan moment-hız karakteristikleri ile ön plana çıkmıştır. Ancak, modern bataryaların enerji yoğunluklarının fosil yakıtlara kıyasla çok düşük olması sebebiyle, batarya teknolojisi elektrikli taşıt tahriğinin kısıtlayıcı faktörü konumundadır. Ayrıca, dünyada elektrik %100 oranında rüzgar enerjisi ya da güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilmediği sürece, elektrikli taşıtların gerçekten sıfır-emisyon olarak anılması mümkün değildir. Enerji kaynaklarının kullanımına daha geniş bir perspektiften bakıldığında, kuyudan tekerleğe verim ve bütün yaşam döngüsünün çevresel etkilerinin önem kazandığını söylemek mümkündür. Bu bakımda taşıt tahrik opsiyonları küresel anlamda faydacı bir yaklaşımla kıyaslandığında, taşıt içi verimden ziyade genel verim göz önünde bulundurulmalıdır. Elektrikle tahrik gelecek vaadetse de, gelişim potansiyelleri göz önünde bulundurulduğunda, içten yanmalı motorların gelişimlerinin devam etmesi gerekmektedir. Yakıttaki kimyasal enerjisi mekanik enerjiye çeviren makineler olan içten yanmalı motorların ana hedefi, bunu en verimli şekilde gerçekleştirmektir. Günümüz içten yanmalı motorları ile ideal içten yanmalı motorlar arasındaki engelleri daha iyi görmek adına, içten yanmalı motorların çalışma prensipleri ve verimsizliklerine ve zararlı emisyonlara yol açan mekanizmalar iyi anlaşılmalıdır. İlk olarak, geleneksel içten yanmalı motorların esnek çalışmaya olanak kılmayan yapılarından ötürü, günlük kullanımda potansiyellerinin büyük kısmı atıl kalmaktadır. Bu sınırlı esneklikten dolayı, performans ile yakıt ekonomisi arasında ters orantu bulunmaktadır. Aynı zamanda modern yanma teknolojileri de çeşitli dezavantajlara sahiptir. Örneğin, vuruntu fenomeni, bujili motorlarda verimi kısıtlayan faktördür. Bir başka örnekse, sıkıştırma yanmalı motorların ön karıışımsız yapılarından dolayı yüksek NOx ve is emisyonlarına sahip olmasıdır. Bu gerçekler göz önünde bulundurulduğunda, daha çok yönlü, daha verimli ve çevresel açıdan daha az zararlı içten yanmalı motorlar için, geleceğin içten yanmalı motorları rakiplerine karşı daha rekabetçi olmak adına yeni teknolojileri bünyelerine katmalıdır. Geleceğin içten yanmalı motorları, daha güç yoğun, daha verimli ve çevre ile daha barışık, en önemlisi değişen koşullarda daha esnek olmalıdır. Henüz seri üretime geçmemiş yeni teknolojiler, içten yanmalı motorların gelişim potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu çalışma kapsamında, içten yanmalı motorları geliştirecek yeni teknolojiler ve bu teknolojilerin potansiyel etkileri incelenmiştir. Öncelikle, limit ve hedeflerin belirlenmesi için içten yanmalı motorların prensipleri ve teorik sınırılarına değinilmiştir. Bu kapsamda, içten yanmalı motorların verimlerinin teorik olarak kısıtlı olduğunu, buna ek olarak ısı transferi, pompalama kayıpları, yanma verimsizlikleri ve sürtünme gibi faktörler ile içten yanmalı motorların verimlerinin daha da düştüğü görülmektedır. Ayrıca zararlı emisyonlar da içten yanmalı motorlar için göz önünde bulundurulan önemli birer faktördür. Daha yüksek termal verim için yakıt enerjisinin daha büyük bölümünün faydalı işe çevrilmesi, ve bu sırada daha az zararlı salınıma yol açacak bir yolun izlenmesi hedef alınmalıdır. İdeal yanmanın ürünü olan karbon dioksit salınımını düşürmenin tek yolu ise içten yanmalı motorlarının verimlerinin artırılmasıdır. İçten yanmalı motorların geliştirilmesi için, verim düşüşüne ve zararlı emisyonlara sebebiyet verilen mekanizmalar iyi anlaşılmalı, daha sonra, bu mekanizmaları önleyecek yöntemler geliştirilmedir. İdeal çevrimlere göre içten yanmalı motrların verimlerinin iyileştirilmesi, yüksek sıkıştırma oranı ve hızlı enerji salınımını gerektirmektedir. Ancak bu parametreler gerçek motorlarda motor malzemelerinin mekanik dayanım gibi faktörlerden dolayı kısıtlannmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda, vuruntu, sıkıştırma oranını dolayısı ile üst verimi kısıtlayan önemli bir faktördür. Yine de daha düşük zararlı emisyon için, ön karışımlı dolgunun yüksek yanma verimi ile düşük sıcaklıkta yakılması gerekmektedir. Ancak, ön karışımlı bir dolgu, vuruntu yatkınlığını artırmakta, yüksek yanma verimi ise yüksek sıcaklık anlamına gelmektedir. Pistonlu içten yanmalı motorların bir diğer önemli dezavantajı da esnek çalışmayı güçleştiren mekanik konstrüksiyonlarıdır. Örneğin, bujili motorlar vuruntu sebebiyle sıkıştırma yanmalı motorlara kıyasla daha düşük geometrik sıkıştırma oranları ile çalıçacak biçimde üretilmekte ve monte edilmektedirler. Bu geometrik kısıt, düşük yüklerde daha yüksek sıkıştırma oranı ile vurutusuz biçimde sağlanabilecek yanma ile kazanılacak verim artışının önüne geçmektedir. Benzinli motorlarda dolgu kademelendirmeyi sağlayan direkt benzin püskürtme ya da dizel motorlarda emisyonları düşüren SCR gibi kompleks egzoz sistemleri benzeri bazı modern metodlar günümüz motorlarında sıkça kullanılmaktadır. Egzos gazlarının enerjisinden faydalanmayı mümkün kılan turboşarj, hem benzinli hem de dizel motorlarda sıkça kullanılmakta olan bir teknolojidir. Egzoz gazlarının tekrar silindire gönderilmesi de tüm modern motor türlerinde kullanılan bir NOx emisyonu indirgeme yöntemidir. Bir önceki paragrafta belirtilen bir çok çelişen parametre, mevcut yanma stratejilerinin avantajlarını bir araya getiren ve aynı anda dezavantajlarını ortadan kaldıracak yöntemlere yönelik araştırmalara yol açmıştır. Ayrıca esnek operasyon kabiliyetinin artırılması için içten yanmalı motorlardaki bazı mekanik parçaların elektrikli alternatifleri ile yer değiştirmesi gerektiği de bir sır değildir. Gerçekleştirilen geniş bir literatür taraması, henüz seri üretime geçmemiş ancak geleceğin motorlarının teorik sınırlarına yaklaşma potansiyelini gösteren bir çok yeni teknoloji olduğunu göstermiştir. Örneğin PCCI, HCCI ve RCCI gibi düşük sıcaklıklı yanma stretejileri, eş zamanlı termal verim artışı ve düşük NOx ve is emisyonları sağlamaktadır. Ayrıca içten yanmalı motorların daha esnek çalışmasını sağlayacak ve performans ile yakıt ekonomisi arasındaki çelişkiye son verecek bir çok teknoloji mevcuttur. Tam değişken sübap aktivasyonu, değişken sıkıştırma oranı, hibritleşme, e-kompresör ve e-turbo gibi teknolojiler içten yanmalı motorların tüm çalışma bölgelerinde ödünsüz gelişimlerini sağlayacak teknolojilerdir. Ayrıca yüksek entropili alaşımlar gibi yeni malzeme teknolojileri de içten yanmalı motorların gelişimine katkıda bulunacaktır. Literatür taramasının bulguları önceki bölümlerde belirtilen hedef ve limitlerle birleştirildiğinde, yukarıda belirtilen metodların konbine edilmesinin daha yüksek iyileştirme potansiyeline sahip olacağı değerlendirilmektedir. Geleceğin en iyileştirilmiş içten yanmalı motorları için bir mimari öngörüsünde bulunulmuştur: gelecekte içten yanmalı motorların, aynı yapıda buji, benzin ve dizel enjektörlerine sahip olacağı bu sayede yük ve motor hızı koşullarına göre benzin, dizel ya da biyo yakıtlar gibi farklı reaktivite özelliklerinde yakıtlarla SI, CI, HCCI ya da RCCI gibi farklı yanma rejimlerinde çalışabilecekleri düşünülmektedir. Tam değişken sübap aktivasyonunun düşük sıcaklı yanma stratejileri ile yük kontrolü ve esnek çalışma anlamında sinerjik olacağı bulgusuna erişilmiştir. Ayrıca, mekanik kontrollü subaplardan, elektro-hidro-pnomatik kontrollü sübaplara geçiş sayesinde, akış kontrolü yalnızca silindir subapları tarafından gerçekleştirilebilecek, her silindirin akış kontolü bağımsız şekilde gerçekleştirilebilecektir. Bu sayede tam değişken sübap aktivasyonu, ayrca silindir deakviasyonunu ek bir komponente ihtiyaç duymadan gerçekleştirebilecektir. Buna ek olarak, efektif sıkıştırma oranının çok bağlantılı bir piston-biyel bağlantısı veya emme sübabı kapanma zamanının değiştirilerek, değiştirilmesi ile bujili ateşlemeli motorlarda düşük yüklerde yüksek verim ve yüksek yüklerde vuruntusuz çalışma aynı anda sağlanabilecektir. Bir sonraki bölümde, literatür taramasına göre en yüksek potansiyele sahip düşük sıcaklıklı yanma stratejisi olan reaktivite kontrollü sıkıştırmalı yanma (RCCI), AVL Fire yazılımında incelenmiştir. Bir RCCI motor ve bu motorun baz alındığı Dizel motor AVL Fire ESE Diesel modolünde modellenmiş ve farklı koşullarda incelenmiştir. Aynı zamanda yüksek sıcaklarda yükse dayanıma sahip olan yüksek entropi malzemelerin (HEA), motor malzemesi olarak kullanılması ile mümkün olacak daha yüksek duvar sıcaklıklarında çalışmanın verime sağlayacağı katkı da simülasyonlarda incelenmiştir. Simulasyon sonuçlarına göre RCCI motor dizel motora kıyasla verim artışı sağlarken, aynı zamanda silindir duvar sıcaklarının artırılmasının da termal verime katkı sağladığı görülmüştür. Daha sonra, bu simülasyonlarda elde edilen verim artışı değeleri, bir baz dizel motorun spesifik yakıt tüketimi haritasına yansıtılmış ve RCCI, HEA, silindir deaktivasyonu gibi teknolojilerin yakıt tüketimi ve depodan tekerleğe verime etkilerinin gözlemlenmesi adına farklı motorlar, yeni devreye giren ve gerçek sürüş koşullarını daha iyi yansıtan WLTC çevriminde, motor haritaları taşıtlar ile eşleştirilerek kıyaslanmıştır. Tek boyutlu WTLC simülasyonları, turbosarj, RCCI, HEA ve silindir deaktivasyonunun gibi teknolojilerin baz atmosferik benzinli motora kıyasla depodan tekerleğe verimi %100 artırdığını göstermiştir. Göz önünde bulundurulması gereken bir diğer bulgu enerji kullanımı açısından dizel motorlara kıyasla dah verimli olan RCCI motorların dizel motorlara benzer yakıt tüketimine sahip olduğu görülmüştür. Bu durumun sebebinin RCCI motorlarda kütlesel olarak %80 civarında benzin kullanılması ve benzinin, dizel yakıta göre daha düşük yoğunluklu olmasıdır. Bu yüzden, dezavantajlı karbonmonoksit ve yanmamış hidrokarbon emisyonları ile, RCCI yanma stratejisinin kullanıcı seviyesine inebilmek adına daha fazla araştırılması gerektiği düşünülmektedir. Çünkü RCCI motorlar iki yakıt tankı, iki set enjektör gibi gereksinimlere sahiptir. Simülasyon sonuçlarına göre en baskın ve en çok gelecek vaadeden teknoloji, benzinli, dizel ve RCCI motorlarda depodan tekerleğe verimi ortalama %25 artıran tam değişken sübap kontrolü ile gerçekleştirilen silindir deaktivasyonu olmuştur. Bu çalışma kapsamında değişken sübap zamanlaması ve kalkması simüle edilmediğinden, tam değişken sübap zamanlamasının, verime katkısının elde edilen bu değerden daha fazla olacağı değerlendirilmekte, değişken sıkıştırma oranı, e-boost gibi teknolojiler ve tüm yanma stratejileri ile bu teknolojinlerin sinerjilerin daha yüksek verim kazançları sağlayacağı düşünülmektedir. Son bölümde termal ve elektrik itki alternatifleri kuyudan tekerleğe verim açısından karşılaştırılmıştır. Enerji akış rotaları verim değerleri literatür taraması ve önceki bölümlerde elde edilmiş olan tek boyutlu bir modelde simüle edilmiştir. Sonuçlara göre, %29'luk ortalama kuyudan tekerleğe verim değerleri ile elektrikli tahriğin, modern içten yanmalı motor tahriğine kıyasla oldukça verimli olduğu görülmüştür. Ayrıca projeksiyonlara göre artacak verim parametreleri ile elektrikli taşıtların daha da yüksek verimlere çıkacağı görülmüştür. İçten yanmalı motor model sonuçları, aynı zamanda içten yanmalı motorların sahip olduğu büyük gelişim potansiyelini ortaya koymuştur. Örneğin yüksek entropili alaşımlar sayesinde yüksek duvar sıcaklıklarında çalışan ve tam değişken sübap kontrolü ile silindir deaktivasyonu yapan RCCI motorun %24'lük bir kuyudan tekerleğe verime sahip olacağı hesaplanmıştır. Tam değişken sübap kontolü ve e-boost gibi diğer teknolojilerin bu çalışma kapsamında tam olarak modellenmediği ve bu teknolojilerin katkısının daha yüksek kuyudan tekerleğe verimlere yol açacağı aşikardır. Özetlemek gerekirse, elektrikli araçlar, enerjinin verimli kullanımı ve egzoz emisyonları anlamında günümüzde ve gelecek için daha iyi taşıt tahriği opsiyonlarıdır. Batarya teknolojisi gibi teknolojik bariyerler aşıldığında, bu teknolojinin avantajları daha da artacaktır. Yine de, sahip oldukları büyük gelişim potansiyeli ile içten yanmalı motorlar, taşıt tahriğinin uzun vadeli geleceğinden bağımsız şekilde geliştirilmeye ve iyileştirilmeye devam etmelidir. Özellikle ağır taşıtlar için içten yanmalı motorların en iyi seçenek olmayı sürdüreceği unutulmamalıdır. Bu yüzden, içten yanmalı motorlardaki herhangi bir iyileştirme çevre ve enerji kaynaklarının verimli kullanımı açısından fayda sağlayacaktır.