Investigating the effect of spark advance, compression ratio and charge pressure on performance of an ultraboosted gasoline engine
Ateşleme avansı, sıkıştırma oranı ve doldurma basıncının aşırı doldurmalı benzinli motor performansına etkilerinin incelenmesi
- Tez No: 496347
- Danışmanlar: PROF. DR. CEM SORUŞBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 69
Özet
Günümüzde, otomotiv endüstrisinde en çok talep gören öğelerden biri, daha düşük yakıt tüketimiyle daha az maliyetli ve daha yüksek performanslı motorlar elde etmektir. Bu talebin bir sonucu olarak, otomotiv üreticileri muhtemel arıza modlarını, reaksiyonları ve motor parametrelerinin yüksek performans sonuçları ile farklı korelasyonunu tahmin edebilen ve simüle edebilen yazılım araçları üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu yazılım araçlarının büyük avantajı yüzlerce motor parametresini değiştirerek bir simülasyonun birkaç kez çalıştırılmasına olanak tanınmasıdır. Bu yazılım programları gerçek zamanlı dinamometre testlerinin yerine, daha kısa sürede daha fazla sonuç alma imkanı veren; imalatçılar için yalnızca maliyet tasarrufu değil, ayrıca zamandan da tasarruf sağlanan araçlar olmuşlardır. Neredeyse tüm motor parçaları için çok kısa sürede, programlara girilen her farklı parametrenin gerçek hayattaki simülasyonu yapılabilir. Motor parçaları haricinde, egzoz emisyon tahminleri, malzeme dayanımları gibi araştırmalar için de bu programlardan faydalanılmaktadır. Simülasyon programlarının bu amaç doğrultusunda, yüzlerce motor parametresinin değiştirilmesine imkan tanıyarak farklı motor koşullarını gözlemlemede en büyük yardımcılardan olduğu söylenebilir. Özetle, analiz programları, geleneksel yöntemlere kıyasla daha uygulanabilir olduğundan tasarım ve analiz sürecinin hızlanması ve ekonomik olması yönünden çok fazla tercih edilmektedir. Her geçen gün artan araç sayısı çevre kirliliğine yol açmakta ve insan sağlığını tehdit etmektedir. Bu sorundan yola çıkılarak, emisyon standartları, insan sağlığını korumak ve hava kalitesi standartlarını yakalamak amacıyla, sabit veya mobil kaynaklardan salınan belirli hava kirletici miktarlarını sınırlayacak şekilde günden güne sıkılaşmaktadır. Bu nedenle otomotiv üreticileri bu sınırlandırmalara sadık kalmak durumundadırlar. Emisyon standartları açısından önem arzeden kimyasallar, NOx, HC ve CO bileşenleri gibi içten yanmalı motorlar tarafından üretilen kritik kirleticilerdir. Ancak üreticilerin daha yüksek performanslı bir motor geliştirmesi için kullandıkları yöntemler, kimi zaman emisyon seviyelerinde artışa sebep olmaktadır. Güçte elde edilen artış ve yakıtta elde edilen tasarruf, negatif etkileri de beraberinde getirebilir. Yukarıda bahsedilen simülasyon programları kullanılarak, değişik koşullarda motor çalışmalarına ve tanımlanan yüzlerce değişik parametreye göre sistemlerden bu kirleticilerin ne seviyede yayılacağı hesaplanabilir ve emisyon standartlarına uyulacak şekilde veri girdisi sağlanarak doğru seviyeler ayarlanabilir ve böylece sadece dinamometrede test edilen bir motora göre, çok daha ekonomik ve hızlı sonuçlar alınabilir. Ayrıca dinamometre şartlarında aylarca süren bir test, bu program sayesinde, hem daha kısa sürede hem de birbirinden farklı varyasyonlar için oluştururalak koşulabilir. Son yıllarda yukarıda belirtilen müşteri beklentilerini karşılamak amacıyla, performans ve yakıt ekonomisi dikkate alınarak, aşırı doldurmalı motorlar yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. İçten yanmalı motorlarda kullanılan aşırı doldurma sistemlerin amacı moto verimini arttırmaya yöneliktir. Turboşarjlı ya da süperşarjlı olarak isimlendirilen bu sistemlerin ana prensibi, silindir içerisine basınçlı hava gönderilerek yanma veriminin arttırılması, böylece egzoz sırasında dışarı atılan yanmamış yakıt oranın azalmasını sağlamaktır. Aşırı doldurma sırasında elde edilen yüksek basınç, sıcaklık ve daha iyi bir yanma sonucunda vuruntu ihtimali de gündeme gelmektedir. Vuruntu sebeplerinin başında seçilen yakıttaki oktan sayısı gelir. Oktan sayısı kısaca, yakıtın motor vuruntusuna olan dayanımı olarak tanımlanabilir. Düşük oktan sayılı yakıtların tutuşmaya daha erken başlamasından dolayı, vuruntu ihtimali daha da artar. Bu çalışmada en yaygın olarak kullanılan oktan sayısı 95 olarak seçilmiştir. İçten yanmalı motor performansını etkileyebilecek birçok parametre vardır. Bu çalışmada, bu parametrelerden ateşleme avansı, sıkıştırma oranı ve doldurma basıncı gibi faktörlerin motor performansı üzerindeki etkisi araştırılacak ve seçilen bir benzinli motor için en ideal çalışma şartları irdelenecektir. Bu sonuçlara varabilmek için, simülasyon programlarından Ricardo Wave isimli program kullanılmıştır. Wave programı motor performansı ve NVH analizlerinde kullanılan, tek boyutlu motor modelleme, gaz dinamik analizleri, denizcilik, yeraltı taşımacılığıı vb. gibi alanlarda kullanılan bir simülasyon SW paketidir. Programda performans ve akustik ile ilgili simülasyonlar, emme, yanma ve egzoz sistem düzenlemeleri, aktarma organları da gözönünde bulundurularak bütün araç simülasyonunu da gösterecek şekilde tamamlanabilir. Buji ateşlemeli motorlardaki ileri seviye yanma modellenmesi, aşırı doldurma için kompressör ve türbin haritalarının motor hacmine göre ayarlanması, gerçek zamanlı simülasyon yetkinliği, egzoz sistemlerinin modellenmesi bu program avantajları arasında gösterilebilir. Programa istenilen tüm girdiler eklenerek motor performansı hakkında yorumlar yapılabilir. Başlangıç olarak, seçilen motor simülasyonda, 5 farklı sıkıştırma oranı için, 0 derece krank açısından, 50 derece krank açısına kadar koşturulacaktır. Fakat vuruntu limitlerine gelindiğinde her sıkıştırma oranı için 50 derece krank açısına kadar simülasyonu devam ettirmek mümkün olmayacaktır ve alınan grafiklerde 50 derece krank açısına gelmeden eğrilerin sona erdiği görülecektir. Bunun sebebi artan sıkıştırma oranlarında, daha fazla sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşılması ve vuruntu sınırının belirlenme ihtiyacıdır. Yukarıda bahsedilen çalışma koşulları 3 farklı motor hızı için irdelenecektir. Bu üç farklı motor hızının verdiği motor çıktılarına göre, elde edilen en yüksek motor gücü ve en düşük yakıt tüketimi için yorumlama yapılacak, sonrasında irdelenen hız ve sıkıştırma oranı verilerinden optimum değerlerin alındığı sıkıştırma oranına ve hıza karar verilecektir. Belirli bir motor hızı için seçilen optimum çalışma koşullarında bazı değişikliklere gidilerek, motor gücü ve yakıt tüketimi için alınan değerlerde tekrar iyileştirme çalışması yapılacaktır. Bu iyileştirme çalışması halihazırda turboşarjlı olan motorda, aşırı doldurma yapılarak ve yine vuruntu limitleri göz önüne alınarak farklı ateşleme avansları taranacak şekilde yapılacaktır. Doldurma basıncı ilk alınan değere göre yüzdesel olarak arttırılacak ve motor çıktıları tekrar control edilecektir. Motor silindirleri içine daha fazla sıkıştırmış hava gönderildiğinden, optimum hava yakıt karışımını sağlayabilmek adına, silindirler içerisine verilen yakıt miktarı da aynı şekilde belli yüzdelerle arttırılacaktır. Böylelikle sadece doldurma basıncı değil, yakıt miktarının da ayarlanıp, bir artışa gidilerek sonuçların irdelenmesi gerekecektir. Aşırı doldurma silindir içerisine gönderilen sıkıştırlmış ve daha fazla hava miktarı sayesinde daha bir yanma sağlar. Bu da daha yüksek sıcaklık ve basınç verileri anlamına gelir. Yüksek basınç ve sıcaklığın bir ürünü olan vuruntu ihtimali tekrar karşılaşılan bir sorun haline gelir. Bunu yorumlayabilmek için, silindir içinde oluşan basınç ve sıcaklık verileri baz alınarak vuruntu hesabı yapılacaktır. Elde edilen vuruntu limitlerine göre, her farklı motor hızı için ateşleme avansının hangi noktalarda yapılabileceği araştırılarak, çıktıların değerlendirmesi yapılacaktır. Son olarak elde edilen veriler başlangıç koşullarına göre incelenerek bir kıyaslama yapılacaktır. Bu sayede seçilen benzinli ve aşırı doldurmalı bir motorda, belli başlı motor parametrelerinin değiştirilerek en iyi çalışma koşullarına nasıl ulaşılabileceği ve aşırı doldurmanın etkileri irdelenecektir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, one of the most demanded items in the automotive industry is to get more powerful engines with high performance but with less fuel consumption and cost. As an output of this demand automotive manufacturers are concentrated on the software tools to be able to predict and simulate possible failure modes, reactions and different correlation of engine parameters with a high performance results. A big advantage of these software tools is to get a chance to run a simulation several times by changing the hundreds of engine parameters. It is not only costs save but also time save for manufacturers which allows getting more results with a short time rather than a real time dynamometer tests. Simulation programs are the biggest assistants for that purpose, which allow changing hundreds of engine parameters for different engine operating conditions. To protect human health and achieve air quality standards, emission standards are getting tighter day by day overall the world, which is limiting specific amount of air pollutants that are released from fixed or mobile specific sources. Thus, suppliers also consider towing the rules for the restrictions. NOx, HC and CO pollutants are most critical ones that are produced by the internal combustion engines. By using the simulation programs this is also achieved to estimate the rate of pollutants that will be released from the system with entered input to the models. In same way it is possible to modify engine model based on these emission outputs by adjusting affecting parameters many times. This is a big advantage of simulation programs rather than usage of real engine setups and waste of time. There are many parameters that may have impact on the internal combustion engine performance. Key factors could be listed as; compression ratio, spark advance, knocking limit, boost pressure and so on. The purpose of this study is to investigate the effect of these parameters on the engine performance by defining the optimum operating condition of a selected gasoline engine. As a start point, engine to be run for five different compression ratios by sweeping from 8:1 to 12:1 based on swept spark advance. Spark advance has been swept from 0 to 50 deg CA, but for some of the compression ratios it was not possible to continue until 50 deg CA due to knocking. During this simulation it was important to monitor knocking limits as it will not be possible to continue analysis after a while due to engine knock by increased temperature and pressure with the incremental compression ratios. These datas were checked for 3 different engine speeds; 2000 rpm, 4000 rpm and 6000 rpm. Based on the analysis results one of the conditions with maximum power and minimum fuel will be selected as optimum operating condition. Right after this selection, boost pressure will be the main factor to force to improve the engine operating conditions. Boost pressure impact to be investigated on the engine outputs by changing when compared to the baseline. In the meantime, as air is increased inside the cylinders, the more fuel will be required to provide appropriate air fuel ratio. So in the second trial there will be change on not only boost pressure where pressure is increased inside the manifold, but also injected fuel amount to be adjusted. Ultra-boost provides better combustion by having more compressed air inside the cylinders which means higher temperature and pressure during combustion process. Thus, challenging point for the ultra-charging is knocking probability again. It will be tracked to understand how charge pressure impacts the spark advance limits with engine knocking limits. The outcomes from this thesis may contribute to have a perspective for improvement of the engine performance by using simulation programs and possible impacts of come critical parameters to engine performance.
Benzer Tezler
- Wankel motoru ve çevrim atlatma sisteminin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the Wankel engine and skip cycle system
ÖMER CİHAN
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Buji ateşlemeli motorlarda çevrim atlatma yönteminin kısmi yüklerde incelenmesi
Skip cycle method investigation at part load conditions of spark ignition engines
BARIŞ DOĞRU
Doktora
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Chemical kinetic modelling of autoignition under conditions relevant to knock in spark ignition
Kıvılcım ateşlemeli motorlarda vuruntu şartlarında kendiliğinden tutuşmanın kimyasal kinetik modellemesi
HAKAN SERHAD SOYHAN
- İçten yanmalı motorlarda farklı yanma odası geometrilerinin performans ve emisyonlara etkisi
The effects of different combustion chamber geometries on the performance and emissions of a internal combustion engine
ABDURRAHMAN DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Alkollü benzinlerin alternatif motor yakıtı olarak değerlendirilmesi
Evaluation of alcohol-gasoline blends as engine fuel alternative
FİLİZ KARAOSMANOĞLU
