5. Uluslararası İleri eknolojiler Sempozumu (IAS 09), 13-15 Maıs 2009, Karabük, ürkie ARASOĞUMALI-URBOŞARJ DİZEL MOORLARDA BİLGİSAYAR DESEKLİ PERFORMANS ANALİZLERİ COMPUER AIDED PERFORMANCE ANALYSIS OF INERCOOLING-URBOCHARGED DIESEL ENGINES Abdullah UZUN a, *, Fahri VAANSEVER b a, * Sakara Üniversites Sakara, ürkie, E-posta: auzun@sakara.edu.tr b Sakara Üniversites Sakara, ürkie, E-posta: fahriv@sakara.edu.tr Özet Bilgisaar teknolojisindeki hızlı gelişmeler, insan haatının her alanına girmektedir. Bilgisaarların sunduğu büük kolalıklardan biri de eğitim haatına sağladığı katkılardır. Bilgisaar; ileri sevie matematiksel ve teknik analizlerin gerçekleştirilmes görsel çizim ve efektlerin oluşturulması, hareketlerin kazandırılması, tasarımların gerçekleştirilmesi gibi birçok avantajlar sunmaktadır. Bilgisaar destekli eğitimin fadaları ortaa çıktıkça, daha çok agınlaşmakta ve kalıcı öğrenim için görsel materallerin kullanımı da zorunluluk haline gelmektedir. Bu çalışmada arasoğutmalıturboşarj dizel motor için hem teknik analizler apmak hem de eğitim amaçlı kullanılabilecek bir program Delphi ortamında tasarlanmış ve örnek ugulamalar gerçekleştirilmiştir. Bölece hem teknik analizlerde hem de öğretim aşamalarında parametre değişimlerinin sonuçlara etkiler görsel ve karşılaştırmalı olarak incelenebilmekte, optimum verim ve çalışma şartları için değerler elde edilebilmektedir. Anahtar kelimeler: Dizel motor, arasoğutma, simülason, analiz, performans Abstract Development of computer technologies almost has entered all area of human life. One of the computer s advantages is contribution of education life. Computer is using in advance level mathematic, technical analsis, driving and animation effects. hen advantages of computer come out visual materials have to use and tend in education area. In this stud intercooling-turbocharged diesel engine parameters are calculated via technical analsis and also design to programme in Delphi for education then to realize in sample ercises. hus, it can obtain and amination visual and comparative results in this work condition. Kewords: Diesel engine, intercooling, simulation, analsis, performance 1. Giriş Bilgisaar dünasındaki hızlı gelişmeler, insan haatını olumlu önde etkilemekte ve birçok kolalıklar sunmaktadır. Bilgisaar ile ileri sevie matematiksel ve teknik analizlerin gerçekleştirilmes görsel çizim ve efektlerin oluşturulması, hareketlerin kazandırılması, tasarımların gerçekleştirilmesi gibi birçok avantajlar sunmaktadır. Motor parametrelerinin analiz makine mühendisliğinin temel alanlarından birisidir. Karmaşık motor analizlerinin elle gerçekleştirilmesi çok zordur. Arıca birçok değişken koşul ve parametrelerin sonuca etkilerini belirlemek için çok arıntılı hesaplamalar gerektirmektedir. Anı şekilde öğrencilere bu analizlerin iice kavratılması, bu eğitim dalının temel hedeflerindendir. Bu çalışmada tasarlanan analiz programı ile çok değişik koşullar altında motor analizleri; doğru, hızlı ve kola bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Arıca parametre değişimlerinin sonuca etkileri hem saısal hem de grafiksel olarak görülebilmektedir. Bölece teknik personelin ve öğrencilerin analizleri gerçekleştirmesi/öğrenmesi büük oranda kolalaşmaktadır. 2. Arasoğutma-urboşarj Dizel Motor Analizi Aşırı doldurmalı motorlarda sıcaklık artışı sebebile motora emilen havanın oğunluğu ve bunun tabii sonucu olarak da emilen hava miktarı azalmaktadır. Doldurucu havası oğunluğunda, dolaısıla motor emme havası miktarında ve motor gücündeki bu azalmanın önüne geçmek için doldurucu çıkış havası motora gönderilmeden önce soğutulmalıdır. Bu soğutma anı zamanda sıkıştırma başı sıcaklıklarının, dolaısıla genel sıcaklık seviesinin ükselmemesi için de gereklidir. Doldurucu çıkış havasının soğutulması (arasoğutma) sonucu, anı doldurma basıncı için, motora emilen havanın miktarı arttığından, ulaşılan ortalama efektif basınç da büümekte ve hem mekanik verim göreceli olarak büüdüğü ve hem de düşen sıcaklıklar ile ısı kabı azaldığı için motor verimi de artmaktadır [1]. Arasoğutucular üç kısımdan medana gelirler: a) üpler b) Kanatçıklar c) Hava giriş-çıkış hazneleri Arasoğutucu peteğinden geçen havaı kılcallaştırarak ısıı kanatçıklara aktaran hava kanallarına tüp denir. Yuvarlak, assı ve oval kesitli olabilirler. Malzeme olarak bakır ve alüminumdan (alaşım olarak) apılırlar. üp iç kesitleri türbülansı arttırmak amacıla türbülatörlü (iç kanatlı) olarak imal edilebilmektedir. Bu tür soğutucularda hava hızı aklaşık olarak 11 m/sn ve soğutucu su ise, su hızı 0.75 m/sn değerlerindedir. Arasoğutucular ağır ük ve olcu taşıtlarında, demirolu araçlarında, gemilerde ve az da olsa otomobillerde IAS 09, Karabük Üniversites Karabük, ürkie
(özellikle arış otolarında) kullanılmaktadır. Arasoğutma işlemi: a) Motorun soğutma sistemine bağlı bir su soğutmalı ısı değiştiricisi ile, b) Motorun soğutma sisteminden bağımsız bir su soğutmalı ısı değiştiricisi ile, c) Hava soğutmalı bir ısı değiştiricisi ile, d) Bağımsız vantilatörü olan (tip-türbine) hava soğutmalı ısı değiştiricisi ile apılmaktadır. Ara soğutucu egzoz gazlarından aldığı enerji ile dönen türbin miline akuple kompresör, atmosferden aldığı havaı (atmosfer basıncından) üksek bir basınçla emme manifolduna göndermektedir. Bu arada üksek basınç ve kazanmış olduğu hız ile artan sıcaklığından dolaı oğunluğu azalmış, içerdiği oksijen miktarı düşmüştür. Emme manifolduna girmeden önce bir ısı eşanjörü ile havanın bünesindeki ısı, atmosfere transfer edilerek soğutulmaktadır. Bölece hava miktarında artma ve soğuma temin edilerek; a) Yakıt ekonomisinin geliştirilmes b) Motor gücünün arttırılması, c) Motor daanıklılığının arttırılması, d) İi bir anma ile motor gaz emisonlarının azaltılması, özellikleri iileştirilmiş olur. Yüklü bir kamon türbo şarjından 300 F (149 C) sıcaklığında çıkan havanın sıcaklığı, hava soğutmalı bir ara soğutucudan çıktıktan sonra 110 F (43,3 C)' e kadar düşürülebilmektedir [2]. Aşırı doldurmalı motorlarda, doldurucu çıkışındaki hava soğutucunun ara soğutucu (intercooler )'da soğutulması, ısı eşanjörlerinin çalışma prensibi ile,su-hava, vea havahava etkileşimi ile gerçekleşmektedir [3]. Arasoğutucu (intercooler) hesaplamalarında dizana önelik ve verime önelik hesaplamalar vardır. Dizana önelik hesaplar çok geniş ve birçok faktör etkili olduğundan optimizason gerektiren hesaplardır. Verime önelik hesaplamalar için, motor ve turbo doldurma ile ilgili bilgilerin anısıra, arasoğutucu boutları, ağırlığı, malzemesi ile ilgili bilgiler ve test sonucu değerleri eterlidir. Bu tür hesaplamalar daha kola olmakla birlikte, dene düzeneği gerektirmektedir. Arasoğutucu ile ilgili değerlerin hesaplanması için, arasoğutucu giriş ve çıkış değerlerinin bilinmesi gerekir. Arasoğutucua gelen hava, aşırı doldurma sisteminden alınmaktadır. asarlanan programda analizler, Şekil 1 deki sistem için ablo 1 de verilen eşitlikleri kullanarak gerçekleştirmektedir [4]. Şekil 1. Sistemin blok diagramı [4]
ablo 1. asarlanan programdaki analizlerin apılmasında kullanılan eşitlikler Parametreler Denklem Efektif güç F. n P e = ( k) 13337 Açısal Hız 2πn ϖ e = ( rad / s) 60 Moment Pe M e = (Nm) ϖ Kütlesel akıt debisi Özgül Yakıt üketimi e 3 v. ρ.10 = ( kg / s) t 3600 be = ( kg / kh) P Birim zamanda akıt ile giren toplam enerji = H (k ) Efektif verim eorik hava miktarı Gerçek hava miktarı Volumetrik Verim Pe η e = e u H, t = ρ H. Z. Vh. i. n( kg / s) 2 H 1/ 2 H, = 7,182. d.( h ) ( kg / s) H r η v = Hava fazlalık katsaısı ( ) Motor soğutma suuna ısı transferi Egzoz gaz akışı λ = H, r H, t H, r / h min m, w mm, wc p ( w, o w, i )( ),( J / s = & = + air ( kg / s) ürbin öncesi egzoza giren enerji miktarı = C )( ) ürbine giden enerji miktarı eorik iş miktarı eorik adabatik verim İndike verim Organik verim p, (, i air tur = C p, (, i, o )( ), = ( k) η i t t, ad = η i = Arasoğutucua havadan transfer edilen ısı miktarı As, h = HC p, H ( H, i H, o ) AS ( k) Arasoğutucudan sua transfer edilen ısı miktarı, =, C, (,, ) ( k) Arasoğutucudan soğutucu akışkan ve çevree transfer edilen ısı miktarı As, h = As, w + env( k) Arasoğutucuda çevree transfer edilen ısı miktarı = h. A.(, )( k) η org As w env r = t r t w AS h avr p w w o air w i AS )
3. Simülasonlar Delphi ortamında [5] tasarlanan program ile gerçekleştirilen analizlere ait örnek simülason ekranları Şekil 2 de verilmektedir. Şekil 2a da efektif güç ve momentum analiz ekran sekmesi görülmektedir. Burada giriş parametrelerine göre efektif güç ve momentumlar hesaplanmaktadır. Arıca efektif güç ve momentumun ilgili parametrelere göre, kullanıcının belirleeceği aralıklardaki değişimi grafiksel olarak izlenebilmektedir. Benzer şekilde Şekil 2b de kütlesel akıt akışı, özgül akıt tüketim toplam giriş akıt enerjisi ve efektif verim hesaplamaları ve değişimleri hem saısal hem de grafiksel olarak kullanıcılara sunulabilmektedir.
Şekil 2. Örnek simülason ekran görüntüleri 4. Sonuçlar Gerçekleştirilen çalışmada arasoğutmalı-turbosarj dizel motorların analizi için program tasarlanmıştır. asarlanan programla analizler kolalıkla ve üksek doğrulukla gerçekleştirilebilmektedir. Arıca eğitim kurumlarında öğrencilerin bu konudaki teknik bilgileri kavramaları ve analizleri gerçekleştirebilmeleri için de verimli bir şekilde kullanılabilir. [2] Mack echnical Bulletin, 'Econdne Fuel Efficienc- Mack's New Chassis-Mounted Charge-Air Cooling ', Page 3-7, March, 1996. [3] Ergeneman, M., 'İçten Yanmalı Pistonlu Motorlarda Aşırı Doldurma', İÜ, İstanbul, 1990. [4] Borat, O., Balcı, M., Sürmen, A., ' İçten Yanmalı Motorlar ', Cilt - 1, 3. Baskı, G. Ü. eknik Eğitim Fakültes Ankara, 1994. [5] www.borland.com Kanaklar [1] Hewood, J.B., 'Internal combustion Engine Fundamentals', 1988.