Ticari araçlarda egzoz gazının soğutulması için yeni bir tasarım

Abstract

İnsan ve yük taşıma amaçlı araçlarda termal sistemlerin yönetimi, güvenlik ve standartlar açısından büyük önem taşır. Termal sistemlerin başında ısı kaynakları, bu ısı kaynaklarından yayılan ısının ve atık gazların yönetimi yer alır. Temel olarak hava ve yakıt bileşenlerinin motora içeresinde yakılıp ortaya çıkan ısı enerjisinin faydalı işe çevrilmesi sürecinde enerji çeşitli yollar ile motordan aktarılır ve alınır. Bu ısıl enerjini bir kısmı mekanik enerjiye çevrilir, bir kısmı motor çeperlerinden, bir kısmı soğutucu akışkanla alınır ve geri kalan kısmı da egzoz gazı olarak atmosfere atılır. Egzoz gazının sıcaklığı ve debisi aracın kullanım koşullarına, performansına, emisyon değerlerine, standartlarına ve enerji kullanım stratejilerin göre değişir. Temel ve kritik olarak üç farklı durum göz önüne alınabilir bunlar; maksimum güç, maksimum tork ve idle’dır. Bu durumlarda standart emisyon değerlerini tutturmak için farklı uygulamalar gerçekleştirilir. Ana yanma öncesi ve sonrası ateşlemeler, egzoz gazının tekrar sisteme geri alınıp soğutulduktan sonra temiz hava ile birlikte yanma odasına gönderilip tekrar yakılması, egzoz gazındaki partikülleri tutan DPF sisteminde biriken partiküllerin yakılması için yüksek sıcaklıklara çıkarılması gibi çeşitli işlemlerin yanında emisyon değerlerini düşürmek için çeşitli katalistler kullanılır. Bu durumların hepsi egzoz gaz xvii sıcaklığını etkiler veya kimyasal tepkimenin verimli olması için motordan çıkan egzoz gaz sıcaklığı yükseltilir. Kamyonlarda egzoz gazlarının atmosfere atılma sıcaklıkları 500°C ve üstünde seyretmektedir. Bu yüksek sıcaklıktaki gaz; araçta ısıya hassas ve fonksiyonlarını yitirdiklerinde güvenlik riski taşıyan, aracın fonksiyonel olarak çalışmasını sağlayan parçalara zarar verebilmektedir. Bunun dışında araç çevresindeki insanlara ve diğer canlılara zarar verme riskiyle beraber, egzoz çıkışı çevresinde ot gibi tutuşma süresi ve sıcaklığı düşük maddelerin tutuşmasına ve alev almasına sebep olabilmektedir. Bu nedenle, egzoz sıcaklığının düşürülmesi kritik önem arz etmektedir. Bunun için yapılabilecek olanlar, ısı kaynağına müdahale etmek yanma sonucu çıkan ısıyı düşürmek, motorun çeperlerinden atılan ısıyı artırarak atılan egzoz gaz sıcaklığını düşürmek. Bu iki madde gerçekleştirilirse egzoz gazının atmosfere atılma sıcaklığı düşer fakat bununla beraber yanma performansı düşer, araçtan istenilen performans elde edilemez. Bu nedenden ilk durumun gerçekleştirilmesi uygun değildir. İkinci durumda ise eğer olması gereken değerin çok üstünde bir ısı çeperlerden atılırsa, yanma odasının sıcaklığı yanma için uygun sıcaklıklarının altına düşer ve bu yanma verimini direkt olarak etkiler, bunun yanında motor malzemeleri üzerindeki gerilme yüksek miktarda artarak, motor bloklarında ve pistonlarında ömrün azalmasına sebep olur. Bununla beraber iki madde içinde, yanma sonucu düşük sıcaklıkta egzoz gazı; emisyon değerlerinin sağlanması için tasarlanmış katalizörlerde sıcaklığın düşük olmasına sebep olur bundan ötürü kimyasal tepkimelerin verimli gerçekleşmemesine ve emisyon değerlerinin sağlanamamasına veya katalizör boyutlarının büyütülüp ek maliyet getirmesine sebep olur. Sayılan tüm bu nedenlerden dolayı, egzoz gazının sıcaklığının düşürülmesi gerekilen bölge motor ve yanma odasından ve emisyon işlemlerinin yapıldığı katalizör ve ayrıştırıcılardan sonra, egzoz gazı hemen atmosfere atılmadan önce yapılmalıdır. Bu şekilde araç performansına ve emisyona negatif bir etki yerine pozitif etki yaratılır. Bu çalışmada egzoz gazının atmosfere atılmadan hemen öncesinde yeni bir soğutucu sistem tasarımı yapılmıştır. Bu soğutucu tasarımdaki öncelikli hedefler, aktif enerji kullanmadan çalışabiliyor olması yani pasif ortamda var olan enerjinin kullanılması ve dolayısıyla araç işletim ve bakım masraflarına ek yapmamasıdır. Soğutucu tasarımın üzerinde haraketli parçalar olmaması, bu da yine enerji tüketimimi olmaması açısından parça ömrünün daha uzun olması ve bakım gerektirmemesi açısında önemlidir. Bu sebeplerden dolayı endüstride katı partikülleri taşımak için geniş alanda kullanılan ve ayrıca sıvı akışkanları taşımak ve sürüklemek için kullanılan jet pompası, kamyonlar ve egzoz sisteminde bir soğutucu sistem olarak tasarlanarak, geliştirilmiştir. Jet pompasının performansını etkileyen faktörler araştırılmıştır ve bunun yanında sıcaklıkla ilgili performans değerleri bu çalışma içerisinde geliştirilmiştir. Jet pompası performansı basınç düşüşü ve sürükleyebildiği akışkan değerlerinin fonksiyonu ile hesaplanır. Buna ek olarak daha önce çalışılmamış, sıcaklık düşüşü performansı bunlara eklenerek geliştirilmiştir. Jet pompası tasarımı için literatürde çeşitli analitik formülasyonlar mevcuttur. Bunlar detaylı şekilde incelenmiştir ve bu formülasyonların jet pompasının geometrik etkilerini tam olarak içermemesi, standart ampirik verilerin kullanılması, simetrik olmayan akışın etkisinin katılamaması ve akışa üç eksende üniform olmayan şekilde etkiyen unsurların xviii eksikliğinden dolayı, gelişmiş çözüm mekanizması olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı kullanılarak parametreler incelenmiştir. Optimum geometri istenilen koşullar altında sağlanmıştır ve jet pompası tasarım prosedürü oluşturulmuştur. Çalışma içerisinde termodinamik olarak minimum teorik sıcaklık düşüş değerleri hesaplanmıştır. Bu değerlere had çalışmalarıyla uygun parametrelerle kısıtlar altında yaklaşılmıştır. HAD çalışmalarında Realizable model ile çalışmalar yapılmış buna ek olarak LES ile karşılaştırılması yapılmıştır. Sonuç olarak en uygun geometrili jet pompası tasarımı üretilmiştir. Bu prototiple beraber testler gerçekleştirilmiştir. Test sonuçları ve yapılan hesaplamaların iyi bir şekilde uyuştuğu ortaya konmuştur. HAD ve test çalışmalarıyla tüm araç çalışma koşulları için geçerli olan, teorik olarak mümkün olan en yüksek verimli, en kısa mesafede en düşük sıcaklığa homojen şekilde düşürülebilen jet pompası tasarımı gerçekleştirilmiştir.