Önden motorlu araçlarda aktif grıll kapatma sistemleri geliştirilmesi
Active grille shutter systems development of front engine vehicles
Yazar: KORAY ERDOĞAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALP TEKİN ERGENÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, M2 sınıfındaki bir aracın motor bölgesi soğutma performası ve aracın sürükleme direnç analizi metodolojisini uygulamak amaçlanmaktadır. Araştırma iki aşamadan oluşmaktadır; ilk aşama, CFD araçları yardımıyla kaput altı hava ve ısı akışını içermektedir. İkinci aşamada Aktif Gril (Izgara) Kapatıcı prototipi ve bu mekanizmanın, sürüş koşullarına göre kontrol edilmesini içermektedir. İkinci aşamada, ızgara kapatıcısının kullanımını görmak amacıyla bir dizi laboratuvar ve yol testleri yapıldı. Çalışmaya Aktif gril kapatıcı sistemleri ve araç ısı yönetimiyle (VTM) ilgili literatür ve patentlerin araştırılmasıyla başlandı. Akış analizi için, aracın tüm yüzey ve motor kompartımanı bilgileri içeren CAD dataları ile aerodinamik ve kaput altı bilgileri içeren bir CFD model oluşturuldu. Motor kompartımanında bulunan temel elemanlar, soğutma modülü (radyatör, intercooler, fan, shroud) ve egzoz manifoldu ile DPF gibi alt bileşenler de 3 boyutlu modele dahil edilmiştir. Grid oluşturmada "wrap mesh" tekniği kullanılmıştır. Motor, kaporta ve ızgara yüzeyleri için farklı eleman boyutları kullanılmıştır. Simulasyon için önceden belirlenen araç hızları ızgaranın açık ve kapalı durumları için uygulanmıştır. Sonuçlar, motor kompartımanında basınç, hız ve sıcaklık dağılımını detaylı olarak göstermektedir, ayrıca akım çizgileri sayesinde akış karakteristikleri daha anlaşılır olmaktadır. Motor bölgesi için ön ızgaradan DPF kısmına kadar olan bölgenin basınç dağılımı çıkarılmıştır. Farklı araç hızlarında; basınç değişimleri Aktif Izgara Kapatıcısı için analiz edilebilir. Ayrıca, farklı soğutma koşullarının irdelenmesi için motor bölgesinin sıcaklık haritası da çıkarılmaktadır.
Çalışmanın bir diğer önemli kısmı olan Aktif Izgara Kapatma sisteminin aerodinamik soğutma sürüklenme katsayısına etkisini anlamaktır, bu sayede yakıt ekonomisi sağlanacaktır. EPA aktif akış kontrol sistemlerinin Sürüklenme katsayısında (CD) %3 oranında azalma potensiyeli olduğunu raporlamıştır. Aktif ızgara kapatma sistemleri şu anda yolcu araçlarında kullanılmaktadır.

Abstract:
In this study, it is aimed to implement a methodology of analyzing the engine compartment thermal performance and the vehicle drag of an M2-class vehicle. The work comprises two phases; the preliminary phase is to obtain air and thermal flow under-the-hood using CFD tools. The second phase is to develop an AGS (Active Grille Shutter) prototype and the control of the active system with respect to driving conditions. In the second phase, extensive indoor and road testing done for gathering temperature effects caused by AGS prototype usage. We have started from reviewing the literature and patents which are related to underhood vehicle thermal management and AGS concepts.  For flow analysis, aerodynamic underhood CFD model has been generated. All vehicle surfaces and subsystems obtained as CAD data. Engine compartment has been transferred from CAD PLM system and main powertrain components modeled. The engine cooling module (including radiator, CAC, shroud, fan), AIS, exhaust manifold and DPF subsystems have also been added to 3D model. Wraping mesh technique was used for grid generation. Different mesh densities have been applied for engine, body and front grille surfaces.  For simulation setup, predefined vehicle speeds have been selected for both AGS- ON and OFF conditions.  As results, one can obtain detailed visualizations in pressure, velocity and temperature distributions inside the engine compartment and also streamlines can be visualized for better understanding of the flow characteristics.  Ram air pressure contribution has been extracted for underhood components beginning from front grille to exit plane of DPF. For various vehicle speeds the pressure differential can be analyzed for AGS cases. Also the simulation temperature map in engine compartment has been extracted for better understanding of cooling variations. 
One of the key point of this study is understanding the  aerodynamic cooling drag forces by controlling the grill shutter, so this results in fuel saving. EPA's report mentioned 3% or more decreasing in aerodynamic drag (CD) potential of using such active flow systems. AGS systems are already in the market, generally on passenger cars.