Ticari araçlarda egzoz gazının soğutulması için yeni bir tasarım
A new design for cooling exhaust gases for commercial vehicles
Yazar: FATİH KANTAŞ
Danışman: PROF. DR. HAKAN DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Jet pompa = Jet pump

Özet:
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 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 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 k-e 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.

Abstract:
The management of thermal systems in ground vehicles is great importance in terms of safety and standards. Basics of the thermal systems are the heat sources, the heat from these heat sources and the management of the waste gases. Basically, when the air and fuel components are burned in the engine and the resulting heat energy is converted into useful work, the energy is transferred and taken out of the engine in various ways. Some amount of this thermal energy is converted to mechanical energy, some of it is thrown through the engine walls and the remainder is thrown into the atmosphere as exhaust gas.
The temperature of the exhaust gas varies depending on the conditions of use, performance, emission values, standards and energy usage strategies of the vehicle. Three basic and critical situations can be considered: maximum power, maximum torque and idle. In these cases, different applications are carried out to achieve the standard emission values. Various catalysts are used to reduce emissions, as well as various processes, such as afterburning before and after the main combustion, after the exhaust gas is recycled back to the system and then sent back to the combustion chamber together with clean air and recirculated. All of these affect the exhaust gas temperature or increase the exhaust gas temperature in order to interact.
Temperature of exhaust gases in trucks are at 500° C and above. This high temperature gas; can cause damage to parts are sensitive to heat in the vehicle and the parts that provide security risk when they lose their functions and which allow the vehicle to functionally work. Apart from this, with the risk of harming people and other living things around the vehicle, low ignition timing and temperature such as weed around at the exhaust outlet can cause ignition. For this reason, reducing the exhaust temperature is critical. To reduce exhaust gas temperature there various way, one of these reducing combustion efficiency and other is taking out heat from engine walls. If these two substances are carried out, engine performance is getting lower. This is why it is not appropriate to realize the first case. In the other case, if a much higher amount of heat is blown from the walls, the temperature of the combustion chamber falls below the temperatures suitable for combustion and directly affects the combustion efficiency, which in turn increases the amount of stress on the engine materials, resulting in reduced life in the engine blocks and pistons. However, in the two substances, the catalysts designed for the emission of exhaust gases at the low temperature of the combustion end result in low emissions due to low temperature, or the catalyst size is increased and the additional cost is incurred. For all these reasons, the exhaust gas must be taken to the atmosphere immediately after the catalyst and separators where the emission process is performed. In this way, a positive effect can be created instead of a negative effect on vehicle performance and emissions.
A new cooling system was designed for the part just before the exhaust gas was thrown into the atmosphere. The primary goals of this cooler design are to be able to operate without using active energy and the use of energy in a passive environment. Therefore, the vehicle does not add to the operating and maintenance costs. The absence of moving parts on the cooler design is crucial to the fact that the parts life is longer and maintenance is not required in terms of not having energy consumption again. In many the industry has been developed jet pump to carry particulers however in this study jet pump is designed as a cooling system, it is another point of view to jet pump and this is why this study is unique.
Factors affecting the performance of the jet pump have been investigated, as well as performance values related to temperature have been developed in this study. Jet pump performance is calculated by the function of the pressure drop and the fluid values that can be dragged. It was further enhanced by adding previously unworked temperature drop performance.
There are various analytical formulations in the literature for jet pump design. These have been studied. These formulations have been investigated by using a computational fluid dynamics program as an advanced solution mechanism because of the implementation of geometries, the use of standard empirical data, the inability of symmetric flow effects and the lack of uniformity of the three axes of flow. Optimum geometry is achieved under desired conditions and the jet pump design procedure and also new formulations are created for design of jet pump.