Değişken sıkıştırma oranlı bir silindirli dizel motor modeli tasarımı ve simülasyonu
One cylinder diesel variable compression ratio engine model design and simulation
Yazar: TÜRKAY ARSLAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dizel motorlar = Diesel engines ; İş verimi = Work efficiency

Özet:
Daha yüksek güç ile birlikte daha güvenilir ve uzun motor ömrü ihtiyacı, içten yanmalı motorlarda diğer tüm mühendislik alanlarında olduğu gibi aranan ve geliştirme ihtiyacı duyulan önemli bir konudur. Buna ulaşmak için en sık kullanılan yüksek basınçlı turbo doldurucu sisteminin yüksek termal yükler sebebiyle motor ömrünü olumsuz etkilediği söylenebilir. Turbo doldurucu sistemleri iyi bir adyabatik verime sahip değildir ve özellikle tam yükte yüksek basınçtan dolayı problemler çıkabilmektedir. Bu sorunlar sıkıştırma oranı değiştirilerek en az indirilebilir. Ayrıca değişken sıkıştırma oranı, daha verimli motor çalışma başlangıcına ve kısmi yüklerde çok daha verimli çalışma noktalarına olanak sağlayabilir. Değişken sıkıştırma oranlı motorlar için firmaların geliştirme çalışmaları devam etmektedir ve yakın bir gelecekte bu sistemi kullanan daha verimli içten yanmalı motorlarla karşılaşmamız oldukça muhtemeldir.
Otomotiv sektöründe kullanılan dizel motorlarında sıkıştırma oranı genelde 11 ila 24 arasında değişmektedir. Sıkıştırma oranının değiştirilebildiği bir sistem kullanıldığında, motor yüküne göre ayarlama yapmak mümkün olmakta ve kısmi yük ile tam yükte daha verimli çalışma noktalarına erişilebilmektedir. 
Yüksek sıkıştırma oranı, genellikle kısmi yüklerde ve daha iyi bir stabilite istendiğinde tercih edilmektedir. Benzer mantıkta daha düşük sıkıştırma oranı ise, tam yüklerde turbo doldurucu giriş basıncını arttırmak ve daha verimli çalışmak için kullanılabilmektedir. Yük arttıkça egzoz gazı sıcaklığı ve basıncı da artacak ve daha fazla güç için ihtiyaç olan oksijen, turbo doldurucu sistemi sayesinde yanma odasına gönderilecektir. Bu sebepten dolayı tam yükte çalışmada sıkıştırma oranının azaltılması daha iyi verim almak ve termal gerilimi azaltmak için tercih edilmektedir.  
Değişken sıkıştırma oranı uygulaması, genellikle turbo dolduruculı dizel motorlarında tercih edilmektedir. Ayrıca, yakıt ekonomisine de katkısı olmaktadır. Benzinli motorlarda kullanıldığında ise yüksek sıkıştırma oranından düşük sıkıştırma oranına hızlı geçişten kaynaklanabilecek vuruntu ile karşı karşıya kalınabilir.
Teze konu olan tasarım, Alvar motorunun geometrisi değiştirilmiş bir versiyonudur. Tasarımda, yardımcı pistonu silindir kafasına yerleştirmek yerine ana silindire paralel olarak konumlandırılmıştır. Ana krank mili ile yardımcı krank mili birbirine 2'ye 1 oranında bağlıdır ve yanma odasından yardımcı silindir hacmine bağlantı silindirik bir kanalla sağlanmıştır. 
Sıkıştırma oranının değişken hale getirildiği bu tasarım ile amaçlanan kazanımlar genel olarak, kısmi yüklerde sıkıştırma oranını arttırarak yanma verimini arttırmak, sıkıştırma oranını düşürerek vuruntuyu engelleyecek şekilde turbo besleme basıncını arttırmak ve dolayısıyla güç yoğunluğunu arttırmak, yakıt setan sayısına göre sıkıştırma oranını ayarlayarak emisyonları optimize etmektir.
Bu tez çalışmasına konu olan, tam ve kısmi yüklerde, pistonlar arası faz farkı değiştirilerek ve silindirler arası bağlantı hacminin çap değişimine göre sıkıştırma oranının değiştirilerek performans ve yakıt tüketimi üzerindeki etkisinin GT-Power ile modellenmesi ve sonuçlarının ortaya koyulmasıdır.
GT-Power programı, GT-Suite Gamma Teknoloji tarafından geliştirilen en popüler motor simülasyon yazılımlarından biridir. Temel olarak tek boyutlu bir simülasyon aracıdır ve içinde kendi alanlarında uzmanlaşmış pek farklı alt program barındırır. GT-Power, genel sistem açısından gaz dönüşümü ve yanma simülasyonlarında kullanılır. GT-Power sıkıştırılabilir Navier-Stokes denklemlerini tek boyutta çözebilen özel bir CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) programıdır.
Geliştirilen ve modellenen tasarım, Alvar motorundan farklı olarak yardımcı silindirin ana silindire paralel yerleştirilerek faz açısının değiştirilmesi suretiyle sıkıştırma oranının ayarlanmasını sağlamaktadır. Ana ve yardımcı silindir arasında silindirik bir hacme sahip bağlantı kanalı mevcuttur. Ana krank mili ile yardımcı krank mili birbirine 2'ye 1 oranında bağlıdır. Yani yardımcı pistonun hızı ana pistonun hızının yarısı kadardır. Kabul edilen faz açısı ise ana piston üst ölü noktada iken krank mili pozisyonuna göre yardımcı krank milinin açısıdır.
Faz açısının 0° olma durumu, kısmi yüklerde tercih edilmekte olup bu durumda ana piston ve yardımcı piston aynı anda üst ölü noktadan harekete başlarlar. Ana krank mili ile yardımcı krank milinin açısal hız oranı 2'ye 1 olduğundan, ana piston alt ölü noktaya ulaştığında, yardımcı piston strok boyunun yarısını biraz geçmiştir. Yani ana piston 4 strok tamamladığında, yardımcı piston henüz 2 strok tamamlamış olacaktır. 
Faz açısının 180° olduğu durum ise tam yüklerde tercih edilmektedir. Böylece sıkıştırma oranı daha düşük olacaktır. Krank mili açısal hızlarındaki 2'ye 1 orandan dolayı ana piston alt ölü noktaya ulaştığında yardımcı piston üst ölü noktaya doğru hareket etmeye devam etmektedir.
Sürücü, aracı hızlandırmaya başladığında, yük ve manifold basıncı artar. Sürücü, düşük yükte seyir haline uygun noktaya geldiğinde, yük ve manifold basıncı azalır ve sıkıştırma oranı artar. Bu noktadan sonra püskürtülen yakıt arttığında, sıkıştırma oranı düşürülür, manifold basıncı ve yük artar
Tez çalışması iki aşamalıdır. Birinci aşamada, bu motorun GT-Power programında bir silindirli modeli oluşturulmuş ve verileri gerçek performans değerleri ile doğrulanmıştır. İkinci aşamada, bir silindirli model üzerinden tasarım değişiklikleri yapılmış, yardımcı silindir eklenmiştir. Koşullar aynı olacak şekilde emme manifoldu ve egzoz manifoldu modellenmiş, çalışma koşulları belirlenmiştir.
Sonuçlar değerlendirildiğinde, sıkıştırma oranı değişken motor modelinin özellikle şehir içi kullanımlarda, yani kısmi yüklerde, daha avantajlı olduğu görülmektedir. Sıkıştırma oranı değişken motor modeli kısmi yüklerde yaklaşık %16 gibi ciddi bir oranda daha fazla güç ve döndürme momenti üretirken yaklaşık %14 oranında daha az yakıt tüketimine sahip olduğu görülmüştür. Motor hacmi büyüdükçe bu avantajın artacağı öngörülmektedir. Bu uygulamanın, özellikle ticari araçlarda yakıt ekonomisi sağlaması açısından tercih edilebilecek bir alternatif olması mümkündür. Tam yüklerde ise, 180°KMA'lık faz farkı durumunda değişken sıkıştırma oranlı bir silindirli motor modeli normal bir silindirlirli motor modeline göre %20 oranında daha az güç ve döndürme momenti üretmekte, yakıt tüketiminde ise %25 oranında dezavantajlı olmaktadır. Ancak tam yüklerde, kısmi yüklere göre bu avantajının azalması faz açısı değiştirilerek optimize edilebilmektedir. Ayrıca, gittikçe sıkılaşan emisyon standartları göz önüne alındığında standart dizel motorlara oranla daha iyi emisyon oranlarına sahip olabilmesi sebebiyle ayrı bir avantaja sahiptir. Ancak üretimi, kontrolü ve maliyeti sebebiyle bir dezavantaja sahip olabilir.

Abstract:
As it is in many other engineering fields, an engine providing a higher power output with high reliability and longer durability is the main subject of focus in internal combustion engine studies. In order to achieve these goals, the most preferred technology is high pressure turbo charger systems, while these systems have a negative effect on engine durability due to high thermal loads. The adiabatic efficiency of turbo charger systems is not high enough and it may lead to degradation due to extreme pressures, especially at full load. This can be improved by changing compression ratio. Additionaly, variable compression ratio can enable a more efficient engine start and engine operation at partial loads. Majority of the engine manufacturing companies have ongoing development activities of designs with variable compression ratio and internal combustion engines operating with this system will possibly be used more widely in near future.
Compression ratio of Diesel engines which are commonly used in automotive industry varies between 11 and 24. When an engine operating with variable compression ratio is preferred, it is possible to adjust engine operation according to the engine loads and consequently to achieve more efficient operation conditions at partial and full loads. 
High compression ratio is applied generally in the cases of partial loads and better stability requirements. Similarly, low compression ratio is preferred at full loads in order to increase torbo charger input pressure and to operate at higher efficiencies. As the load increases, the temperature and pressure of exhaust gas rise and more oxygen, which is essential for higher load, is transferred to the combustion cylinder by turbo charger. Hence, low compression ratio is applied for full loads in order to obtain more efficiency while decreasing thermal stresses.
Variable compression ratio applications are generally used in Diesel engines with turbo charger. Additionally, these systems contribute fuel economy. Usage in petrol engines may cause knocking due to the fast transition from low compression ratio to high compression ratio.
The subject of this thesis is a geometrically modified version of Alvar engine. In the design, the auxilary piston is positioned parallel to the main cylinder instead of postioning on the cylinder head. Main crank shaft and auxilary crank shaft are connected to each other with 2:1 ratio and the link between the combustion chamber and the auxilary cylinder volume is designed with a cylindrical connection.
The main advantages, which are aimed with variable compression ratio, are increasing combustion efficiency by increasing compression ratio at partial loads, increasing turbo charger input pressure consequently the engine power by decreasing compression ratio and optimizing engine emissions by adjusting compression ratio according to the fuel cetane number.
The main focus of this thesis is simulating with GT-Power and analyzing the performance and fuel consumption effects of adjusting the phase angle between pistons and the compression ratio according to the diameter variation of the link between cylinders at full and partial engine loads.
GT-Power program, developed by GT-Suite Gamma Technologies, is one of the most popular engine simulation softwares. It is basically a 1-D simulation tool with many sub-programs which are separately specialized for their own subjects.GT-Power is used for gas exchange and combustion simulations in terms of system applications. It is a CFD software which is able to compute Navier-Stokes equations in 1-D.
Unlike the Alvar engine, in the developed and simulated design the auxilary cylinder is positioned parallel to the main cylinder and it enables to vary the compression ratio by adjusting the phase angle. There is a cylindrical connection channel between main and auxilary cylinder and the main crank shaft and auxilary crank shaft is connected via a 2:1 ratio. Hence, the speed of the auxilary piston is half of the main piston while the phase angle assuption is the angle between auxilary shaft and main shaft when the main piston is at top dead center.
The case of 0° phase angle is applied at partial loads and in this cases main piston and auxialry piston starts operating at the same time from top dead center. Due the 2:1 ratio between main shaft and auxilary shaft, at the time when main piston reaches the top dead center, the auxilary piston position is at nearly half of the stroke length. Therefore, as the main piston completes 4 strokes, the auxilary piston would be at the end of 2 strokes.  
On the other hand, the case of 180° phase angle is applied at full loads. Consequently, compression ratio would be lower. The 2:1 ratio between crank shaft angular speeds causes auxilary piston to move towards the top dead center while the main piston is at the bottom dead center.
As the driver accelerates the vehicle, load and manifold pressure increases. If the driver runs the vehicle at low loads, engine load and manifold pressure decreases and the comression ratio rises. After this point, if the injected fuel is increased, the compression ratio is decreased leading manifold pressure and load to increase.
There are two phases of this thesis. In the first phase, a single cylinder version of the engine is designed in GT-Power and the simulation data is confirmed with test performance data. In the second phase, the design modifications are applied to the single cylinder engine and auxilary cylinder is introduced. Intake and axhust manifolds are also modelled with the same conditions and operation conditions are defined.
In conclusion of the analysis, the variable compression ratio engine has advatages especially for urban usage i.e. partial engine loads. Variable compression ratio engine model gives 16% higher power and the fuel consumption is 14% lower during torque generation. It is forseen that this advantage will rise with engine volume increases. For medium duty vehicles, this application can be an alternative in terms of fuel economy. At full loads, the variable compression ratio engine model generates 20% lower power and torque. Moreover, it is 25% less efficient compared to the normal engine in terms of fuel consumption. However, at full loads this loss of efficiency can be optimized by modifying the phase angle. Lastly, in terms of very strict emission standards, the subjected design has an advantage since it has a better emission rates compared to the conventional Diesel engines. However, in terms of production, control and cost aspects, it may have a disadvantage.