Turbo şarjlı dizel motorlarda giriş havası sıcaklığının motor performans ve emisyonlara etkilerinin incelenmesi

Abstract

İçten yanmalı motorlardan kaynaklanan zararlı emisyonlar hem insan sağlığına hem de çevreye olumsuz etkiler yapmaktadır. Bu yüzden içten yanmalı motor kullanan araçların zararlı emisyonları için daha katı sınırlandırılmalar getirilmektedir. Bu çerçevede istenilen performansı sağlayarak motorlardan kaynaklanan zararlı emisyonların azaltılması önemli bir konudur. Bu tez kapsamında, direkt püskürtmeli turbo şarj sistemine sahip bir dizel motor incelemeye alınmıştır. Turbo şarj sistemi, yüksek dönme sayılarında yüksek güç ve torku sağlayabilmek için gerekli havayı bir kompresörle motora göndermektedir. Kompresör egzoz gazları ile döndürülen bir türbin ile tahrik edilmektedir. Kompresör çıkışında hava sıcaklığını düşürmek için ara soğutucu kullanılmaktadır. Ara soğutucuya giren dış hava hızının azalması ile ara soğutucunun etkinliğinin azaldığı ve hava sıcaklığının yeterli seviyede düşürülemediği deneysel ölçümlerle ortaya konulmuştur. Bu durumda hava yoğunluğu yeterli oranda artırılamadığı için motora giren havanın kütlesel debisi de yeterli oranda artırılamamaktadır. Ayrıca motora giren yüksek sıcaklıktaki hava yanma sıcaklığının artmasına ve buna bağlı olarak özellikle NOx emisyonlarında artışa sebep olmaktadır. Bu çerçevede ara soğutucu ile emme manifoldu arasındaki kauçuk esaslı borunun yerine farklı kanatçıklı metal boru kullanılması üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı kullanılarak farklı ısı değiştirici tasarımları gerçekleştirilmiştir. Etkili olabileceği öngörülen ısı değiştiricilerin üretimleri yapılarak sisteme montajından sonra farklı şartlarda motor performans ve emisyonlara etkileri incelenmiştir. Sıcaklık düşümü için en etkili ısı değiştiricinin hem dış hem iç kanatlara sahip su soğutmalı ısı değiştirici olduğu tespit edilmiştir. Motor performansında olumsuzluk olmadan belirli oranlarda NOx ve CO emisyonlarda azalmalar tespit edilmiştir.

Harmful emissions from internal combustion engines have negative impacts on both human health and the environment. Therefore, stringent emission limits have been imposed on the harmful emissions of vehicles using internal combustion engines. In this context, it is an important issue to reduce the harmful emissions from the engines by providing the desired performance. In this thesis, a direct injection turbocharged diesel engine was examined. The turbocharging system delivers the required air to the engine via a compressor to provide high power and torque at high speeds. The compressor is driven by a turbine that is rotated by the exhaust gases. An intercooler is used to reduce the air temperature at the compressor outlet. It was demonstrated by the experimental measurements that the effectiveness of the intercooler decreases and the air temperature cannot be reduced sufficiently with the decrease of the external air velocity entering the intercooler. In this case, since the air density cannot be increased sufficiently, the mass flow rate of the air entering the engine cannot be increased adequately. In addition, the high temperature air entering the engine causes an increase in combustion temperature and consequently an increase in NOx emissions. In this context, studies have been performed on using different finned metal pipes instead of the rubber based pipe between the intercooler and the intake manifold. Different heat exchanger designs were realized using a computational fluid dynamics program. The heat exchangers, which were supposed to be effective, were manufactured and fixed in the system. The effects of the heat exchangers on the engine performance and emissions were investigated under different conditions. It was found that the most effective heat exchanger for the temperature reduction is a water cooled heat exchanger with both outer and inner fins. Reductions in NOx and CO emissions were determined at certain rates without adversely affecting engine performance by using the heat exchanger.