Dizel bir motorun rakım performansının turboşarj kompresörü optimizasyonuyla arttırılması
Increasing the altitude performance of a diesel engine via turbocharging compressor optimization
Yazar: ENES ŞAHİN
Danışman: DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Teknolojinin sürekli olarak gelişmesiyle birlikte, 19. yüzyıldan bu yana hayatımızı kolaylaştıran içten yanmalı motorların performansı da artmaktadır. Bununla birlikte trafikteki araç sayısı arttıkça, kısıtlı fosil yakıt rezervleri sebebiyle motorların yakıt verimliliğinin artması günümüzde önemli hale gelmiştir. Buna ek olarak motorlardan yayılan emisyonların hem sera gazı etkisi yaratması hem de insan sağlığına olan olumsuz etkileri sebebiyle bir aracın emisyon performansı dikkate alınmaya başlanmış ve özellikle 21. yüzyıl itibariyle emisyon standartlarıyla ilgili birtakım kritik önemler alınmıştır. Emisyon salınımıyla ilgili ilk önemli adım 1992 yılında yayınlanan Euro 1 emisyon standartlarıyla birlikte dizel motorların karbonmonoksit, partikül madde emisyonlarına sınır getirilmiştir. İlerleyen yıllarda devreye alınan Euro 3 standartıyla azot oksit ve hidrokarbon emisyonlarına da sınırlama getirilmiştir. Bu emisyon kısıtlamaları her geçen gün daha da artmaktadır ve 2025 itibariyle Euro 7 emisyon standardının uygulamaya başlanması hedeflenmektedir [1]. 
İçten yanmalı motorlarda hem yakıt verimliliği arttırmak, hem de uygulanan emisyon standartlarına uyabilmek için birçok teknoloji geliştirilmiştir. Bunlardan en önemlisi turboşarj adı verilen aşırı doldurma sistemidir. Turboşarj sistemi, temel olarak türbin, kompresör ve bunlar arasında güç aktarımı sağlayan mil komponentlerinden oluşmaktadır. Egzoz gazları sahip olduğu hız ve sıcaklıkla yüksek bir termal enerjiye sahiptir. Türbin komponenti, bu termal enerjiyi kullanarak mekanik güç üretir ve şafta bu gücü aktarır. Şaftın diğer tarafındaki kompresör komponenti şafttan aldığı güçle dönmeye başlar ve motor girişindeki hava kompresörden geçerek basıncı arttırılır. Kompresör havanın basıncını arttırırken aynı zamanda sıcaklığını da arttırmaktadır. Motor içerisinde daha verimli bir yanmanın gerçekleştirilmesi için basınçlı hava bir ara soğutucudan geçirilir ve silindir içerisine portlar aracılığıyla alınır. Silindirlerdeki yanma sonucu egzoz gazları tekrardan türbine gönderilir ve böylece bir çevrim tamamlanmış olur. Turboşarj kompresörleri havanın basıncını arttırırken aynı zamanda hava sıkıştırılabilir bir gaz olduğu için silindirlere alınan hava miktarı da arttırılmaktadır. Böylelikle motor içerisinde daha verimli bir yanma gerçekleşir ve daha küçük hacimli bir motorla atmosferik motorların ürettiği güçlere çıkılabilir. Ayrıca bu sayede motorun hem yakıt verimi, hem de emisyon performansında iyileşme sağlanır. 
Kompresör girişindeki havanın atmosferik koşullarına göre kompresörün çalışma şartları değişmektedir. Günümüz turboşarjlarında, kompresör çıkışında hedeflenen basıncı yakalamak adına tahliye kapağı bulunur. Temel olarak çalışma prensibi şöyledir: Tahliye kapağı türbin girişinde bulunmaktadır. Kompresörün talep ettiği güçten fazla egzoz gazı enerjisi olması durumunda fazlalık egzoz gazlarının tahliyesinde kullanılmaktadır. Kompresör çıkışına bir yay bağlanır ve basınç kuvveti hedeflenen değere ulaştığında yay aktive edilir. Yayın aktivasyonu tahliye kapağını açar ve fazlalık enerji türbine girmeden baypas edilir. Motor kalibrasyonları, bu hedeflenen kompresör çıkış basıncına göre yapılmaktadır. Bir diğer deyişle, kompresör sabit bir basınç hedefine göre çalışmaktadır. Ancak operasyonel olarak rakım arttığında kompresör girişindeki basınç düşmekte ve basınç hedefi sabit olduğu için kompresörün basınç oranı artmaktadır. Basınç oranının artması, kompresör çıkış sıcaklıklarını da arttırmakta; ancak malzeme teknolojisi sebebiyle belirli bir sıcaklıktan sonra kompresör mekanik zarara uğramaktadır. Bu limit sıcaklık değerine ulaşınca, malzemenin zarara uğramaması için kompresörün basınç oranı daha fazla arttırılmaz ve silindirlere alınan hava sınırlandırılır. Havanın azalmasıyla birlikte silindirlere enjekte edilen yakıt miktarı da azaltılmak zorunda kalınır ve motor bu rakım seviyesinden daha yükseklerde deniz seviyesinden daha az güç üretir. 
Kompresörün çalışma veriminin artması, kompresörün şafttan aldığı gücü daha az kayıpla kullanmasına ve kompresör çıkışındaki gazın sıcaklığının daha düşük seviyelere çıkmasını sağlamaktadır. Böylelikle sadece kompresörün veriminin arttırılmasıyla, içten yanmalı motorun güçten düşmeye başladığı rakım seviyesi daha yükseklere çekilebilir. 
Bu tez kapsamında, 3.4 litre bir dizel motorunun rakım performansı, turboşarj kompresörü aracılığıyla incelenmiştir. Bu dizel motorunun sağladığı güç, deniz seviyesinde motor isterlerini karşılasa da motorun operasyonel konseptinde yer alan 1500 metre rakım seviyesinde daha az güç ürettiği gözlemlenmiştir. Buna sebep olarak motorda kullanılan kompresörün çalışma verimlerinin düşük olduğu görülmüş ve burada yapılabilecek bir iyileşmeyle motorun operasyonel konseptine uygun şekilde 1500 metre rakımda istenilen gücü sağlayabileceği kanaatine varılmıştır. Bu kapsamda öncelikli olarak HAD analiz modelinin doğrulanması adına mevcut kompresör geometrisi üzerinde CFX yazılımı kullanılarak HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve HAD analiz sonuçları test verisi kullanılarak doğrulanmıştır. Buna ek olarak bu dizel motora ait dinamometre verileri de mevcuttur. Motorun komponentlerinin 1 boyutlu olarak modellenebildiği GT-Suite yazılımı kullanılarak motora ait 1 boyutlu bir model geliştirilmiş ve bu model dinamometre verileri kullanılarak doğrulanmıştır. Bir sonraki aşamada, mevcut kompresör geometrisi literatür taramasına göre parametrize edilmiştir ve geometri kompresör tasarım noktasında optimize edilmiştir. Hedeflenen optimizasyon çıktıları benzer basınç oranları ve yüksek verim değerleri olmuştur. Optimizasyon sonucu elde edilen kompresöre ait tüm bir kompresör haritası çıkartılmış ve kompresör haritası GT-Suite yazılımına gömülmüştür. GT-Suite kullanılarak hem deniz seviyesinde, hem de 1500 metre rakım seviyesinde bir boyutlu analizler koşulmuş ve optimize edilmiş kompresörün performansı ortaya koyulmuştur. Kompresörde kullanılan malzeme özelliklerine göre kompresörün dayanabileceği maksimum sıcaklığın 200 °C olduğu bilinmektedir. Yapılan optimizasyon çalışmasıyla, mevcut kompresörün tasarım noktasındaki toplam-toplam izantropik verimi 0.7'den, 0,795 seviyesine çıkartılarak çalışma verimi %7.4 mertebesinde arttırılmıştır. Ayrıca mevcut kompresör 1500 metre rakım seviyesinde çalışırken maksimum 214 °C sıcaklıklara ulaşırken optimize edilmiş kompresör maksimum 188 °C kompresör çıkış sıcaklığına ulaşmaktadır ve bu sayede motor deniz seviyesiyle aynı gücü verecek duruma ulaştırılmıştır. Bunu yaparken kompresörün basınç oranlarında düşük değişiklerin olması hedeflenmelidir. Optimize edilmiş geometri haritası incelendiğinde aynı çalışma noktalarında basınç oranlarında ortalama %1-2'lik farklılıklar olduğu gözlemlenmiş, bu optimizasyon hedefi de başarıyla geçekleştirilmiştir.

Abstract:
With the continuous development of technology, the performance of internal combustion engines, which have made our lives easier since the 19th century, is also increasing. However, as the number of vehicles in traffic increases, it has become important to increase the fuel efficiency of engines due to the limited fossil fuel reserves. In addition, the emission performance of a vehicle has started to be taken into consideration due to both the greenhouse gas effect of emissions emitted from engines and their negative effects on human health, and some critical measures have been taken regarding emission standards, especially as of the 21st century. The first important step regarding exhaust emissions was the Euro 1 emission standards published in 1992, which set limits on carbon monoxide and particulate matter emissions of diesel engines. With the Euro 3 standard, which was introduced in the following years, nitrogen oxide and hydrocarbon emissions were also restricted. These emission restrictions are increasing day by day and it is aimed to implement Euro 7 emission standard by 2025 [1].
In internal combustion engines, many technologies have been developed to increase fuel efficiency and to comply with emission standards. The most important of these is the devolepment of turbocharger system. The turbocharger system basically consists of turbine, compressor and shaft components that provide power transmission between turbine and compressor. Exhaust gases have a high thermal energy due to their speed and temperature. The turbine component uses this thermal energy to generate mechanical power and transfers this power to the shaft. The compressor component on the other side of the shaft starts to rotate with the power it receives from the shaft and the air at the engine inlet passes through the compressor and its pressure is increased. While the compressor increases the pressure of the air, it also increases its temperature. In order to realize a more efficient combustion in the engine, the compressed air is passed through an intercooler and taken into the cylinder through ports. After combustion in the cylinders, the exhaust gases are sent back to the turbine, thus completing the cycle. Turbocharger compressors increase the pressure of the air, while at the same time, since air is a compressible gas, the amount of air taken into the cylinders is also increased. This results in more efficient combustion within the engine and a smaller volume engine can produce the same power of an atmospheric engine. This also improves both the fuel efficiency and emission performance of the engine.
The operating conditions of the compressor vary according to the atmospheric conditions of the air at the compressor inlet. Today's turbochargers have a wastegate system to achieve the target pressure at the compressor outlet. Basically, the working principle is as follows: The wastegate is located at the turbine inlet. It is used to discharge excess exhaust gases in case there is more exhaust gas energy than the power demanded by the compressor. A spring is connected to the compressor outlet and is activated when the pressure force reaches the target value. The spring activation opens the discharge valve and the excess energy is bypassed through wastegate before it enters the turbine. The engine calibrations are based on this targeted compressor outlet pressure. In other words, the compressor operates according to a fixed pressure target. Operationally, however, when the altitude increases, the pressure at the compressor inlet drops and the pressure ratio of the compressor increases because the pressure target is constant by the wastegate system. The increase in the pressure ratio also increases the compressor outlet temperatures; however, due to material technology, the compressor suffers mechanical damage after a certain temperature. When this limit temperature value is reached, the pressure ratio of the compressor is not increased further and the air intake to the cylinders is limited in order to prevent damage to the material. As the air is reduced, the amount of fuel injected into the cylinders has to be reduced and the engine produces less power at this altitude where compressor outlet temperature comes to the limit than at sea level.
The increase in the efficiency of the compressor allows the compressor to use the power from the shaft with less loss and to lower the temperature of the gas at the compressor outlet. Thus, by simply increasing the efficiency of the compressor, the altitude at which the internal combustion engine starts to lose power can be increased.
In this thesis, the altitude performance of a 3.4 liter diesel engine has been investigated by means of a turbocharger compressor. Although the power provided by this diesel engine meets the engine requirements at sea level, it has been observed that the engine produces less power at the altitude of 1500 meters, which is included in the operational concept of the engine. The reason for this is the low operating efficiency of the compressor used in the engine and it is concluded that with an improvement that can be made here, the engine can provide the desired power at 1500 meters altitude in accordance with its operational concept. In this context, firstly, CFD analyses were performed on the existing compressor geometry using CFX software in order to verify the CFD analysis model and the CFD analysis results were verified using test data. In addition, dynamometer data of this diesel engine is also available. A 1D model of the engine was developed using GT-Suite software, where the components of the engine can be modeled as 1D, and this model was validated using dynamometer data. In the next stage, the existing compressor geometry was parameterized according to the literature review and the geometry was optimized at the compressor design point. The targeted optimization outputs were similar pressure ratios and higher efficiency values. A complete compressor map of the optimized compressor was created and the compressor map was embedded into GT-Suite software. Using GT-Suite, one-dimensional analyses were run both at sea level and at 1500 meters altitude level and the performance of the optimized compressor was revealed. According to the material properties used in the compressor, it is known that the maximum temperature that the compressor can withstand is 200 °C. With the optimization study, the total-total isentropic efficiency of the existing compressor at the design point was increased from 0.74 to 0.795, increasing the operating efficiency by 7.4%. In addition, while the existing compressor reaches a maximum temperature of 214 °C when operating at 1500 meters altitude, the optimized compressor reaches a maximum compressor outlet temperature of 188 °C, which allows the engine to deliver the same power as at sea level. While doing this, it should be aimed to have low changes in the pressure ratios of the compressor. When the optimized geometry map was examined, it was observed that there were 1-2% differences in pressure ratios for the same operating points on average, and this optimization target was successfully achieved.