İçten yanmalı motorlarda ekserji analizi

Abstract

Dünya genelinde petrol türevli yakıt kullanımının etkisiyle kirletici emisyon salınımının 20.yy. içerisindeki yüksek ivmeli artışı sonucu, otomotiv endüstrisinde, emisyon salınımının azaltılmasına yönelik kısıtlamalar getirilmiştir. Türkiye’de de geçerli olan EU (Avrupa Birliği) standartlarının zorlayıcı etkisi ile yürürlüğe giren yeni emisyon standartlarının da egzoz türevlerinin kirletici emisyon etkisini ciddi oranlarda azaltmayı hedeflemiş olması, emisyonların azaltılmasını hedefleyen çalışmalara odaklanılmasını sağlamıştır. Araştırmacılar farklı yöntemler ile emisyon salınımını azaltmayı hedeflemektedirler. Bu çalışmalara, alternatif yakıt çalışmaları, yanma sonrası emisyonların azaltılmasına yönelik katalitik konvertör, DPF ( Diesel Particulate Filter), SCR (Selective Catalytic Reduction ), uygulamaları ve yanma mekaniğine etki ederek yanma esnasına emisyon oluşumunu azaltmaya yönelik EGR, yanma odasına su püskürtme çalışmaları örnek olarak verilebilir. Belirtilen örnek çalışmalarla birlikte, 20.yy. son çeyreğinde elektronik bilim dalındaki ilerlemelerin sayesinde dizel motor teknolojisi, püskürtme stratejilerini değiştirerek, yanma esnasında optimum yanmayı tayin etmeye ve bu sayede emisyon miktarının düşürülmesine olanak sağlamıştır. Modern dizel püskürtme sistemlerinde, püskürtmenin farklı fazlarda yapılabilmesi emisyon kontrolünün sağlanabilmesi için motor üreticilerine esneklik sağlanmıştır. Temel uygulamada; aynı çevrim içerisinde sisteme ön(pilot), ana ve art püskürtme olarak, selenoid bobin ile enjektörlerde üç, piezo enjektörlerin kullanılması durumunda bir çevrim esnasında dörtten daha fazla parça halinde püskürtme yapılabilmesi mümkündür. Modern dizel motorlarda püskürtme fazlara bölünebildiği gibi, püskürtme zamanlaması ve enjeksiyon basıncı da optimize edilebilmektedir. Modern dizel motorlarda kullanılan yüksek basınç yakıt pompaları ve common-rail teknolojisi ile yüksek basınçlı yakıt püskürtme olanağı sayesinde püskürtülen yakıtın daha iyi atomize olması sağlanabilmektedir. Bu çalışmada, 4 zamanlamalı 4 silindirli direk püskürtmeli turbo sıkıştırmalı yeni nesil bir dizel motor üç farklı enjeksiyon basıncı ve üç farklı motor suyu sıcaklığında test edilmiştir. Tüm test ölçümlerinde, yanma prosesi esnasında püskürtülen yakıt miktarı, ön enjeksiyon zamanlaması, ana enjeksiyon zamanlaması, ön ve ana enjeksiyon püskürtülen yakıt miktarları, emilen hava basıncı ve motor devri kalibrasyon stratejisinde sabitlenmiştir. Test adımları olarak 93.4 , 103.4 ve 113.4 MPa yakıt basıncı noktaları ve 90 °C , 60 °C ve 40 °C motor suyu sıcaklıkları seçilmiş olup, toplamda 9 farklı rejim test edilmiştir. Test sonuçları analiz edilerek elde edilen sonuçlardan, NOX, CO, CO2, İs, Ortalama indike basınç, ortalama efektif basınç, ekserji verimi, enerji verimi, egzoz kayıpları, egzoz ekserjisi, soğutuma kayıpları, soğutma ekserjisi, intercooler kayıpları, intercooler ekserjisi, motor bloğu kayıpları, motor bloğu ekserjisi karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Test aşamalarında yakıt basıncı ve motor soğutma suyu sıcaklığı değiştirildiğinde oluşan değişiklikler incelendiğinde, sabit motor suyu sıcaklığında yakıt enjeksiyon basıncının arttırıldığı deney noktalarında yanma sıcaklığında belirgin bir artış gözlemlenmiştir. Sabit yakıt enjeksiyon basıncı noktalarında motor suyu sıcaklığının düşürüldüğü deney noktalarında yanma sıcaklığında bir miktar düşüş gözlemlenmiştir. Sabit motor suyu sıcaklığında yakıt enjeksiyon basıncının arttırıldığı deney noktalarında açığa çıkan ısı dağılımı incelendiğinde, enjeksiyon basıncı arttıkça ön püskürtme ve ana püskürtme esnasında daha fazla ısı açığa çıktığı görülmüştür. Yakıt enjeksiyon basıncının arttırılması durumunda yanma sıcaklıkların artış gözlemlenmiştir. Yanma sıcaklığının artışı nedeniyle NOX emisyonlarında artış meydana gelmiştir. Yakıt enjeksiyon basıncının artması kaynaklı NOX emisyonlarının, seçilen deney noktalarında motor suyu sıcaklığının azaltılarak düşük miktarda iyileştirilebileceği görülmüştür. Deney noktalarında, motor soğutma suyu sıcaklığının sıcaklık değerine göre değiştirilebilir deplasman açılı termostat sistemi kullanılarak NOX emisyonları üzerinde iyileşme sağlanabileceği mümkün görülmektedir. Deney noktalarının genişletilerek tüm yük noktalarında NOX emisyonlarına etkisinin araştırılması uygun olacaktır.