Development of heat rejection prediction methodology for selection of cooling elements in diesel engines
Dizel motorlarda soğutma elemanlarının seçimi için ısı atımı tahmin metodolojisinin geliştirilmesi
- Tez No: 719842
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR, DR. EMRE ÖZGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Motorlar, motorin, benzin ve alternatif yakıtlar(hidrojen, doğalgaz vb.) gibi yakıtlarda mevcut kimyasal enerji değerini mekanik enerjiye çeviren makinelerdir. Motorların genel olarak sınıflandırılması 8 başlık alında toplanabilir. Bunlardan ilki strok sayısına göre motorlar. Bu motorlar 2 veya 4 stroklu olarak ayrılır. Karışım şekline göre ayrılan motorlar mevcuttur. Bu motorlar hava yakıt karışımının silindir içinde veya dışında olmasına göre ayrılmaktadır. Bir başka sınıflandırma çeşidi ise çalışma çevriminin karakterine göre sınıflandırmadır. Bu noktada yanma işleminin sabit hacimde gerçekleştiği- otto , sabit basınçta gerçekleştiği-dizel ve kısmi olarak sabit hacim ve basınçta gerçekleştiği seilinger çevrimleri olmak üzere 3 farklı sınıflandırması mevcuttur. Motorlar ayrıca kullanılan yakıtlarına göre de sınıflandırılmaktadırlar. Sıvı yakıtlı (benzin, motorin vb.) ve gaz yakıtlı (doğalgaz, hidrojen vb.) olmak üzere 2 çeşidi vardır. Havanın silindirlere alınış şekline göre de ayrılmaktadır. Bunlar doğal emişli ve turboşarj motorlarıdır. Motorlar silindirlerin yerleşim tarzına göre de sınıflandırılabilmektedir(sıralı motor, V motor vb.). Piston hızına göre düşük ve yüksek hızlı motorlar olarak ayrılabilirler ve son olarak soğutma şekline göre hava ve sıvı soğutmalı motorlar olarak sınıflandırılabilmektedirler.İçten yanmalı motorlar ile dıştan yanmalı motorlar arasındaki en kritik fark hava yakıt karışımının yanma veya oksitlenme işleminin silindirlerin içerisinde gerçekleşmesidir. İçten yanmalı dizel motorlarda, enjektörlerden silindir içerisindeki yanma odasına atılan yakıt ile motorun hava hattından (turboşarj var ise kompresör ara soğutucudan) emme manifolduna, daha sonra emme portlarından valfler yardımıyla silindir içine alınan hava bu ortamda kimyasal reaksiyona girerek ısı enerjisinin açığa çıkmasını sağlar. Pistonun hareketini sağlayan durum ise ortaya çıkan bu ısı enerjisidir. Isı enerjisi ile yanma odasında bulunan gaz basıncı yükselmiş olur ve yükselen bu basınç yardımıyla pistonun hareketi sağlanmaktadır. Motor soğutma sistemi ve atılan ısı değerleri incelendiği zaman,yakıttan elde edilen enerjinin yaklaşık olarak üçte biri egzoz gazı ile ısı olarak atılır. Enerjinin esas olarak dörtte biri motor bloğunu ısıtmak için kullanılır ve bu enerjinin sadece üçte bir oranı tahrik için kullanılır. Motoru soğutmanın temel amacı, motorun ve motoru oluşturan metal parçaların aşırı ısınmadan dolayı zarar görmesini engellemek ve böylece motoru korumaktır. Motor soğutma kontrol sistemi, motorun aniden hızlı bir şekilde ısınmasına destek olmaktadır. Kış ayında motoru soğuk olarak başlatıldığı durum örnek olarak verilebilir. Aracın iç kısmı için gerekli olan ısı, motor soğutma hattından gelen sıcak soğutma sıvısı ile elde edilmektedir. Bu işlevsel özellikler soğutma sisteminin geleneksel görevleridir. Tüm bu işlevleri üç parametre gerçekleştirmektedir. Bu parametreler soğutma sıvısı, hava ve egzoz gazıdır. Soğutma sıvısının motor içerisinde dolaştığı hat incelendiğinde bazı kritik komponentler ile karşılaşılmaktadır. Bunlardan kritik olanlarından ilki soğutma sıvısı pompasıdır. Enjektörlerden silindirlerin içine atılan yakıt, hava ile yakıldığından dolayı motor ve bileşenleri kullanım sırasında önemli ölçüde ısınır. Motor, yağ ve soğutma sıvısı yardımıyla soğutulur. Bir soğutma sıvısı pompası, soğutma sıvısını, motor bloğunu ve silindir kafalarını soğutan soğutma hattından pompalamaktadır. Kritik olan bir diğer komponent ise radyatördür. Soğutma sıvısı, radyatörün paralel borularından geçerek aracın ön tarafındaki radyatörde bulunan ortam havası tarafından yeniden soğutulur. Ayrı borular arasındaki ince oluklu kanatçıklar, duvar tipi bir radyatöre benzer şekilde ortam havasının etrafında Isı transferi açısından etkin yüzey alanını arttırır. Bu sayede hava, soğutucudan mümkün olduğunca ısıyı emebilir. İnce oluklu kanatlar bu etkiyi maksimize edebilmek adına yarıklara sahiptir. Solungaç olarak adlandırılan bu yarıklar, havanın sürekli hareket etmesini sağlar ve böylece ısıyı daha fazla dağıtabilirler. Soğutucu akışı,bir başka kritik parametre olan ve sıcaklığa karşı hassas olan termostatlar tarafından kontrol edilir. Soğutucunun sıcaklık değerine göre açılır veya kapanırlar. Örneğin, soğutma sıvısı, kış aylarında olduğu gibi hala çok soğuksa, termostat kapalı kalır. Böylece soğutma suyu akışı radyatörden geçmez ve motoru daha hızlı ısıtır ve ünite çalışma sıcaklığına daha çabuk varır. Termostat valfi sadece belirli bir sıcaklığın üzerinde açılır. Devredeki diğer termostat valfleri, belirli bir çalışma noktasında motor yağı soğutucusu gibi diğer bileşenlere ve ayrıca iç ısıtma sistemine ne kadar soğutma sıvısının ne zaman gideceğinin kontrolünü sağlarlar. Havanın motor içerisinde dolaştığı hattı incelediğimiz zaman karşımıza turboşarj ve şarj hava soğutucu komponentleri çıkmaktadır.Geçmiş yıllarda turboşarjlar silindir kapasitesini veya sayısını değiştirmeden motorun performansını arttırmak için kullanılmaktaydı. Günümüzde ise aynı performansı daha küçük bir motorla elde etmek ve yakıt tasarrufu sağlayabilmek adına kullanılmaktadır. Turboşarj bulunan motorlarda, hava yanma odasına girmeden önce sıkıştırılır ve bu işlem sırasında ısınan hava bir şarj hava soğutucu yardımıyla soğutulmalıdır. Hava alığından motora alınan hava kompresörde sıkıştırılır ve uzun borular yardımıyla şarj hava soğutucusuna aktarılır. Sıkıştırılmış hava burada ortam havası ile soğutulur ve daha sonra emme manifoldundan ve portlarından geçerek yanma odasına yönlendirilir.Uygulanan bu yöntem ile sıkıştırılmış şarj havasının basıncı bir miktar düşüşe uğrar. Borular boyunca hareket eden ve soğutulan doldurma havası kompresör çıkışı ile artık aynı basınca sahip değildir. Bunun temel nedeni şarj hava soğutucusudur. Şarj hava soğutucusu, soğutma havasında ana soğutma devresinden bağımsız olarak aracın ön ucunda kendi düşük sıcaklıklı soğutma sıvısı radyatörü olarak bilinen ek bir düşük sıcaklıklı soğutma hattı tarafından soğutulur. Egzoz gazı hattının motor içerisinde dolaştığı hattı incelediğimizde ise karşımıza soğutma açısından kritik öneme sahip olan EGR soğutucusu komponenti çıkmaktadır.Egzoz manifoldu çıkışında elde edilen ve EGR soğutucusu yardımıyla soğutulmuş olan egzoz gazı, NOx emisyonlarını azaltmak için tipik olarak dizel motorlardaki yanma odalarında yeniden dolaştırılır. Egzoz gazı yakıt/hava karışımındaki temiz hava miktarını azaltarak bu karışımı seyreltir. Bu durum yanma sıcaklığını düşürür. NOx'lar temel olarak yüksek yanma sıcaklıklarında üretildiğinden, bu aynı zamanda kirletici emisyonları da azaltmış olur. Bu fonkisyonun çalışabilmesi için egzoz gazı EGR cooler soğutucusundaki soğutma sıvısı tarafından 450 °C ila 800 °C derece sıcaklığından en az 150°C ila 200°C seviyelerine soğutulmalıdır. Tüm bu ısı ayrıca soğutma sıvısı tarafından emilip ardından soğutma sıvısı radyatörü aracılığıyla dağıtılmalıdır. Dizel araçlarda karşılaşılan çevre ve sağlık açısından en büyük problemler bahsedilen bu NOx'ların ve parçacıkların emisyonundan meydana gelmektedir. Bunların ikisinin de emisyonu benzinli araçlardakine oranla çok yüksektir. Bu emisyonları kontrol altında tutabilmek adına emisyon standartları oluşturulmuştur.Giderek daha katı bir hale gelen emisyon düzenlemeleri, otomotiv endüstrisini daha düşük emisyon sağlayan yeni teknolojilere odaklanmaya zorluyor. Avrupa Birliği Komisyonu'nun Mayıs 2018'deki deklarasyonu, ağır vasıta pazarındaki 2019 ortalama filo değerlerine kıyasla \%30 daha düşük CO2 emisyonunu hedefliyor. Gereksinimi karşılamak için geleneksel dizel motorlar maksimum enerji verimliliği ile çalışmalıdır.Havaya ve soğutuculara (su, yağ) motor ısı atımını azaltmak, enerji verimliliğini artırmak ve boşa harcanan enerjiyi gelişmiş egzoz entalpisi olarak kullanmak için bir zorunluluktur. Bu tez kapsamında içten yanmalı bir motor geliştirmenin ilk aşamalarında kullanılabilecek, radyatöre atılan toplam ısı atımının 1 boyutlu termodinamik model yardımıyla tahmin metodolojisi üzerinde çalışılmış ve test verileri ile korelasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma, radyatöre atılan toplam ısı doğru bir şekilde tahmin ederek soğutma komponenti seçiminde büyük fayda sağlamaktadır. Bu tez kapsamında Ford OTOSAN A.Ş.'ye ait yerli üretim ağır hizmet aracı olan F-MAX'in, yerli motoru Ecotorq ile çalışılmıştır. Bu çalışma kapsamında analizleri gerçekleştirilen Ecotorq, 13L motor hacmine ve 500PS güce sahip 4 zamanlı, turboşarj ve EGR sistemi olan Euro6d kalibrasyonu bulunan bir içten yanmalı motordur. Bu çalışmada öncelikle tanıtılan kavram, yanma odası duvarlarından ısı transferini hesaplamak için soğutucu ve yağ sıcaklığı ölçüm prosedürüdür. Hesaplanan ısı transferi daha sonra model korelasyonu için referans veri olarak kullanılır. Soğutucu ve yağ sıcaklığı ölçümü yalnızca silindir kapağı, silindir gömleği ve pistondan gelen toplam ısı transferini vereceğinden silindir kapağı, gömlek ve piston için ayrı ayrı daha rafine ısı transferi referans verilerine ihtiyaç vardır. Bu nedenle, yanma odası bölümlerindeki ayrıntılı korelasyon için referans test verileriyle zaten korele edilmiş olan bir 3B-HAD birleşik ısı transfer modeli kullanıldı. Soğutma sıvısı ve yağa atılan ısı değerleri ayrıca soğutma sıvısı ve yağ sıcaklığı ölçümüne bakılarak kontrol edilebilir. Dolayısıyla ısı transferi bu değerlerden hesaplanır. Gerçek ısı transferi, 3B-HAD ısı transferi modelinden en yüksek doğrulukla elde edilebilmesine rağmen, beklendiği gibi son derece yavaş ve zaman alıcı bir süreç istemektedir. Termal olarak korelasyon çalışması yapılmış olan 1 boyutlu motor performans modelinin bu noktadaki üstünlüğü, gerçekten hızlı olması ve bir kez korelasyon çalışması tamamlandığında, simülasyonlar için her çalışma noktasında ürettiği uzamsal maksimum ve ortalama yüzey sıcaklıkları için çok güvenilir olmasıdır. Metodolojide öncelikle baz motora ait 1 boyutlu bir termodinamik model oluşturuldu ve daha önce referans test datasına korelasyonu sağlanmış olan 3 boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli çıktılarına termal korelasyon çalışması gerçekleştirildi. Bu çalışma sırasında kritik metal sıcaklığı,atılan ısı ve egzoz sıcaklığının korelasyonları kritik rol aldı. Ardından, termal test verileri bir dinamometre test ortamında toplandı. Modelde görülen indike tork, silindir içi maksimum basınç gibi kritik performans parametrelerinin yanı sıra silindirden atılan toplam ısı değerinin sonuçları ve toplanan bu test datası sonuçlarının iyi bir korelasyon seviyesine sahip olduğu görüldü. EGR soğutucusundan atılan ısının tahmini için ayrı bir 1 boyutlu model oluşturulup test dataları ile korelasyon çalışması gerçekleştirildi. Akabinde , korelasyon çalışması gerçekleştirilmiş baz motor, EGR soğutucu modeli ve turboşarj birleştirilerek bir motor modeli oluşturulmuştur. Bu motor modelinin atılan ısıyı tahmin edebilmesinin yanında motor performans parametrelerini de iyi bir seviyede ve hızlı bir şekilde tahmin edebilmesi adına bir öngörücü yanma modeli olan“DI-Pulse”yanma modeli için optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Son olarak optimizasyon sonucunda elde edilen bu nihai termal model ile hem motor performans hem de termal dataların karşılaştırılabilmesi adına toplanan test datası ile karşılaştırma gerçekleştirilerek metodoloji çalışması tamamlanmıştır. Üretilen bu model, toplam radyatör ve EGR soğutucusu ısı reddini ±10 kW seviyesinde, silindirlerden ve portlardan atılan ısı için ±5 kW seviyesinde tahmin edebilmektedir ve test verileri ile karşılaştırılarak metodoloji doğrulanmıştır. Metodoloji yardımıyla, beklenmeyen aşırı ısınma problemleri öngörülebilir, analitik araçlar aracılığıyla soğutma sistemi bileşenlerinin doğru tasarımı & seçimi gerçekleştirilebilir ve gerçek test ihtiyaçlarını azaltarak maliyet ve zaman konusunda optimizasyon yapılabilmesi sağlanabilir.
Özet (Çeviri)
Internal combustion engines convert chemical energy in fuels such as diesel, gasoline, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas) into mechanical energy. The fuel used enters a chemical reaction with the air in the combustion chamber inside the engine and releases heat energy. This heat released increases the gas pressure in the combustion chamber, which causes the piston to move. Engines can be classified according to criteria; such as fuel type, cylinder arrangement, operating time, mixture formation, ignition type (spark ignition - compression ignition), cooling technique (air-cooled, water-cooled), method of filling the cylinder (naturally aspirated, turbocharged, supercharged), or valve arrangement. The most significant environmental and health problems encountered in diesel vehicles are caused by nitrogen oxides and particles emissions. Both of these have very high emissions compared to gasoline vehicles. Emission standards have been established to keep these emissions under control. The amount of NOx (Nitrogen Oxide) formed during combustion is highly rely on temperature. By diluting the mixture in the combustion chamber with the exhaust gases with the help of the EGR (exhaust gas recirculation system), the combustion end temperatures and thus the amount of NOx produced are reduced. The function of this system is to reduce the oxygen concentration in the mixture by sending the exhaust gases back to the cylinders, reducing the mixing ratio, and reducing the maximum gas temperature by raising cylinder gases heat capability . Increasingly stricter emissions regulations are forcing the automotive industry to focus on new technologies ensuring lower emissions. The declaration of the European Union Commission in May 2018 targets 30% lower CO2 (carbon dioxide) emissions compared with 2019 average fleet values in the heavy-duty vehicle market. Conventional diesel engines must operate with maximum energy efficiency to fulfill the requirement. Lowering the engine heat rejection to air and coolants (water, oil) is an obligation to increase energy efficiency and utilize the wasted energy as enhanced exhaust enthalpy. Within the scope of this thesis, the estimation methodology of the total heat rejection to the radiator, which can use in the early stages of an internal combustion engine development, is studied with the help of a 1-dimensional thermodynamic model, and a correlation study is carried out with the test data. It provides a meaningful benefit in the selection of cooling components by accurately estimating the total heat. Furthermore, within the scope of this thesis, the domestic engine (Ecotorq) of F-MAX, a domestic production heavy-duty vehicle belonging to Ford OTOSAN A.Ş., is studied. Ecotorq, analyzed within the scope of this study, is an internal combustion engine with 13L engine displacement and 500PS brake power, 4-stroke, turbocharger and EGR system, Euro6d calibration. The concept first introduced in this study is the coolant and oil temperature measurement procedure to calculate the heat transfer from the combustion chamber walls. The calculated heat transfer is then used as reference data for model correlation. More refined heat transfer reference data is needed separately for the piston, cylinder head, and liner, as the coolant and oil temperature measurement will only give the total heat transfer from the cylinder head, cylinder liner, and piston. Therefore, a 3D-CFD combined heat transfer model, already correlated with the reference test data, is used for the detailed correlation in the combustion chamber sections. Coolant and oil heat values can also be checked by looking at the coolant and oil temperature measurements. Therefore, the heat transfer is calculated from these values. Although the actual heat transfer can obtain with the highest accuracy from the 3D-CFD heat transfer model, it requires an extremely slow and time-consuming process as expected. At this point, the advantage of the thermally correlated 1D engine performance model is that it is really fast, and once the correlation study is complete, it is very reliable for the spatial maximum and average surface temperatures it produces at each operating point for simulations. In the methodology, a 1-dimensional thermodynamic model of the base engine is generated, and a thermal correlation study is carried out to the outputs of the 3-D computational fluid dynamics model, which was previously correlated to the reference test data. During this study, the correlations of critical metal temperature, heat rejection, and exhaust temperature played a vital role. Next, thermal test data is collected in a dynamometer test environment. In addition to the critical performance parameters such as indicated torque and maximum in-cylinder pressure in the model, the total rejected heat from the cylinder &ports, and the results of these test data are at a good correlation level. A separate 1-dimensional model was produced, and a correlation study was performed with the test data to estimate the rejected heat from the EGR cooler. Subsequently, an engine model was created by combining the base engine, EGR cooler model, and turbocharger with the correlation study. An optimization study has been carried out for the“DI-Pulse”combustion model, which is a predictive combustion model. This engine model can predict heat rejection parameters and engine performance parameters at a good level and quickly. Finally, the methodology study was completed by comparing this final thermal model obtained as a result of optimization with the test data collected to compare both engine performance and thermal data. This model can predict total radiator and EGR cooler heat rejection at ±10 kW and ±5 kW for heat dissipated from cylinders and ports. The methodology has been validated by comparing it with test data. With the help of the methodology, unexpected overheating problems can be predicted, the correct design selection of cooling system components can be realized through analytical tools, and cost and time optimization can be achieved by reducing the actual testing needs.
Benzer Tezler
- An integrated modeling approach to investigate performance of selective catalyst reduction
Seçici indirgeyici katalistlerin performansını incelemek için entegre modelleme yaklaşımı
İSMAİL HAKKI SAVCI
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ZAFER GÜL
- A novel approach for identification of thermal and optical characteristics for the active layer of high power photonic devices
Yüksek güçlü fotonik sistemlerin aktif katmanının termal ve optik özelliklerinin karakterizasyonu için yeni bir yaklaşım
AHMET METE MUSLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
- Assessment of properties and mechanical behavior of novel Al/Mg cast alloys
Yeni nesil Al/Mg dökme alaşımlarının özelliklerinin ve mekanik davranışının değerlendirilmesi
KAMİL ARMAĞAN GÜL
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ÖZGÜR ASLAN
- Petrol rafinelerindeki yangınların CFD ile modellenmesi
CFD modeling of fires in oil refines
AHMET ABDULLAH
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiYangın ve Yangın Güvenliği Anabilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN
- Gemi makine dairesi bakım işlemlerinin verimlilik analizi
Efficiency analysis of maintenance of ship machinery systems
ÇAĞLAR KARATUĞ
Doktora
Türkçe
2023
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU