Dizel piezo enjektörü valf oturma çapının enjektör püskürtme parametrelerine olan etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of diesel piezo injector valve seat diameter on injector spray parameters
Yazar: ŞİRZAT UĞUR AKSAKAL
Danışman: DR. OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dizel motorlar,19 yüzyılın sonlarına doğru ortaya çıkmıştır. Prototip olarak Rudolf Diesel tarafından artık olan kömür tozlarını kullanmak amacıyla dizayn edilmiştir. Katı yakıt ile bekleneni vermeyen motor, daha sonra sıvı yakıt ile kullanılmaya başlanmıştır.
Sıvı yakıt ile kullanılan motor benzinli içten yanmalı motordan daha verimli olmuştur. Bunun ana sebebi ise yakıtın püskürme ve yanma prensibidir. Dizele göre daha yanıcı olan benzinin kullanıldığı motorlarda , crank hareketine göre yanma zamanının ayarlanması buji yardımı ile yapılmıştır. Dizel motorlarda ise yanma sıkıştırma ile gerçekleştirilir. Daha fazla sıkıştırma yapabilen dizel motorlar, benzinli motorlara göre daha verimlidir. Bunun yanında daha az yanıcı olan dizel yakıt püskürtülürken daha yüksek basınçlara çıkabilmektedir. Bu sayede daha iyi yakıt hava karışımı elde edilir ve daha kontrollü bir yanma sağlanır. Dizel motorlardaki daha yüksek yakıt basıncı da bir verim katkısı getirmektedir. Dizel motorların hızı ise benzinli motorlara göre sınırlıdır. Daha çok sıkıştırma yapan piston, daha fazla yol aldığından motorun dönme hızını sınırlandırır.
Dizel motor taşıtlarda kapladığı hacim yüzünden 20. yüzyılın ortalarına kadar deniz taşıtları ile sınırlı kalmıştır. Açığa çıkan verim ihtiyacı sonucunda yapılan geliştirme faaliyetleri ile 20. Yüzyılın ikinci yarısında önce ticari araç ve kamyonlarda daha sonra ise yolcu taşıtlarında kullanılmaya başlanmıştır. 
20. yüzyılın sonlarına doğru taşıtların çıkardığı emisyon gazları kaynaklı hava kirlilikleri ve asit yağmurları oluşmuştur. Bu sebeple devletler taşıtların çıkardığı emisyon gazlarına sınırlama getirmeye başlamışlardır. 2000li yıllar ile bu sınırlar iyice sıkılaşmış ve konvansiyonel dizel sistemleri ile bu sınırları yakalamak zor hale gelmiştir. Konvansiyonel sitemlerde kullanılan mekanik tetikleme ile enjektörün püskürtme zamanlaması, motorun hızından bağımsız olarak ayarlanamaz. Aynı zamanda enjektöre yakıtı basınçlı olarak gönderen pompa da motorun devrine bağlı olarak çalışmaktadır. Bu sistem ile artırılan emisyon kısıtlamalarını yakalamak ve 
enjektörün parametrelerini motordan bağımsız olarak değiştirmek, onları optimize etmek imkansızdır.
Araçlardaki emisyon gazları , gürültü ve titreşim kontrolü yapılan yasal kısıtlamalar  ile iyice artmıştır. Gelişen elektronik kontrol teknolojisi ile birlikte bu parametreler sürekli optimize edilerek yasal sınırların altında tutulmuştur. Bu kontrol mekanizmasının dizel püskürtme sistemi ile birleşmesinden Common Rail Injection sistemi ortaya çıkmıştr. Bu sistem ile püskürtme yapılan enjektörlerin yakıt püskürtme basıncı basıncı, açma kapama süreleri, yanma süresi kontrol edilebilir ve optimize edilebilir hale gelmiştir.Common Rail sistem ile dizel motorların payı kara taşıtlarında iyice artış göstermiştir.
.Common rail sistemi bir çok alt parçayı bir araya getirerek, ECU yardımıyla hepsinin iletişimde kalmasını sağlamaktadır. Kullanılan sensörler yardımı ile sistemin o anki durumu anlaşılıp, kullanıcının isteği ile birleştirerek gerekli olan püskürtme miktarı ve basıncı hesaplanır, enjektörler yardımı ile  püskürtme gerçekleştirmektedir. Common rail teknolojisi ile püskürtme işini yapan dizel enjektörlerde birer mekatronik cihaz haline gelmişlerdir Elektronik kontrol ünitesi ile konuşarak ve istenilen miktarda yakıtı istenilen basınçta yanma odasına, olabildiğince küçük moleküller halinde iletirler. Bu yapılan işlem ile yanma odasındaki yanma verimi artmakta yakıt tüketimi motor titreşimi, gürültüsü ve çıkan emisyon gazları optimize edilmektedir.
Yıllar boyunca değişen market ihtiyacı ve yasal sınırlamalar ile enjektörler bu ihtiyaçlara cevap verebilmek adına geliştirme faaliyetlerinin odağı olmuşlardır. Konvansiyonel sistemlerde basınç seviyesi 800-1000 Bar olarak kalsa da common rail sistemde enjektörler 3000 Bar seviyesine yaklaşmıştırlar.
Dizel enjektörler tetiklenme tiplerine göre Solenoid ve Piezo enjektörler olmak üzere ikiye ayrılırlar. İki enjektör tipi de elektrik, mekanik ve hidrolik zincir ile birbirine bağlı olan alt parçalardan oluşmaktadır. Alt parçaların davranışları enjektörün püskürtme karakteristiğini ciddi oranda etkilemektedir. Geliştirme faaliyetleri sırasında yapılan testlerde bu alt parçaların davranışlarının kesin olarak bilinmesi imkânsızdır. Bu sebeple simülasyon çalışmaları yapılmaktadır. Enjektörün her alt parçası 1-D ortamında modellenerek çalışma prensipleri ve püskürtme karakteristiğine olan etkileri gözlemlenmiştir. 1-D simülasyon metodunda kullanılan analitik denklemler, her alt parça için yeterli olmamaktadır. Alt parçalar yüksek basınç altında hacimsel olarak genişleme ve daralma gösterebilir, yüksek türbülanslı ve çok fazlı akışlara maruz kalabilir. Bu sebeple enjektörün tüm alt parçalarının modellenebilmesi için 3 boyutlu Sonlu elemanlar analizi ve 3 boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiğinden yardım alınmaktadır.
Bu tez çalışmasında enjektörün açılmasında ve kapanmasında ana faktör olan valf parçasının, farklı dizayn tiplerinin enjektör püskürtme parametrelerine olan etkisi simülasyon yöntemi ile incelenmiştir. Valf karakteristiğini anlayabilmek için 3D CFD simülasyonları yapılmış ve bu karakteristiğin püskürtmeye olan etkisini inceleyebilmek için 1-D simülasyon içine tanımlanmıştır.Yapılan simülasyon çalışmalarında valf oturma çapının değişiminin etkisi gözlemlenmiştir.105 tane CFD simülasyon yapılıp sonuçları 1-D simülasyon ile paylaşılıp,bir enjektörün 1-D simülasyon için kullanılan özelikleri sabit tutulup, sadece valf CFD simülasyon sonuçları değiştirilmiştir. Sadece bu değişikliğin yapılması ile saf olarak enjektör püskürtme parametrelerine valf oturma çapının etkisini incelenmiştir

Abstract:
Diesel engines emerged towards the end of the 19th century. It was designed by Rudolf Diesel as a prototype to use leftover coal powders. The engine, which does not give the expected with solid fuel, was started to be used with liquid fuel.
The engine used with liquid fuel was more efficient than the gasoline internal combustion engine. The main reason for this is the spraying and burning principle of fuel. In engines using gasoline, which is more flammable than diesel, the adjustment of the combustion time according to the crank movement was made with the help of a spark plug. In diesel engines, combustion is performed by compression. Diesel engines that can perform more compression are more efficient than gasoline engines. In addition, diesel fuel, which is less flammable, can reach higher pressures while spraying. In this way, better fuel-air mixture is obtained and a more controlled combustion is provided. Higher fuel pressure in diesel engines also contributes to efficiency. The speed of diesel engines is limited compared to gasoline engines. The more the piston compresses, the more travel it takes, which limits the rotational speed of the engine.
Due to the volume of diesel motor vehicles, it was limited to watercraft until the middle of the 20th century. With the development activities carried out as a result of the emerging efficiency need, it was first used in commercial vehicles and trucks and then in passenger vehicles in the second half of the 20th century.
Towards the end of the 20th century, air pollution and acid rain occurred due to emission gases from vehicles. For this reason, states have started to limit the emission gases emitted by vehicles. By the 2000s, these limits were tightened and it became difficult to reach these limits with conventional diesel systems. With the mechanical triggering used in conventional systems, the injection timing of the injector cannot be adjusted independently of the engine speed. At the same time, the pump, which pressurizes the fuel to the injector, operates depending on the engine speed. It is impossible to catch the emission restrictions increased with this system and to change the parameters of the injector independently from the engine and to optimize them.
The emission gases in the vehicles have increased with the legal restrictions on noise and vibration control. With the developing electronic control technology, these parameters are constantly optimized and kept under legal limits. The Common Rail Injection system emerged from the combination of this control mechanism with the diesel injection system. With this system, the fuel injection pressure pressure, opening and closing times, burning time of the injectors injected have become controllable and optimized. With the Common Rail system, the share of diesel engines has increased well in land vehicles.
.Common rail system combines many sub-components and ensures that all of them stay in communication with the help of ECU. With the help of the sensors used, the current state of the system is understood and combined with the user's request, the required spraying amount and pressure are calculated, spraying is realized with the help of injectors. They have become a mechatronic device in diesel injectors that do the spraying work with common rail technology and by talking with the electronic control unit and deliver the desired amount of fuel to the combustion chamber in the desired pressure as small molecules as possible. With this process, the combustion efficiency in the combustion chamber increases, fuel consumption, engine vibration, noise and emission gases are optimized.
Car engines needs to exact torque value and neet to run smoothly. That was a main reason for using diesel engines in passanger cars. Espically in Europe, diesel passanger car is very popular because of less CO emission level in terms of gasoline internal combustion engines.
The first ignition system of bosch is a low voltage magneto-ignition system..Following patent was about high voltage magneto ignitiyon system. After 1922, bosch give more attention to the diesel engines.at that time, the main ide was directly spraying diesel to the combustion chamber, but there were no nozzle or injector. First invention about diesel spraying system was high pressure pump for pumping compressed air-diesel mixture.The pump pressure was around 100 bar.The nozzle implemented this pump by bosch to inject high pressurized diesel to the directly combustion chamber. Years by year development facilities carry on to get better higher pressure, better delivery, efficient combustion and less noise.
Injectors have been the focus of development activities in order to meet these needs with changing market needs and legal restrictions over the years. Although the pressure level remained at 800-1000 Bar in conventional systems, injectors in the common rail system approached the level of 3000 Bar. High pressure injection allow better application and better combustion and less emission with good performance and efficiency.
Diesel injectors are divided into two as Solenoid and Piezo injectors according to their trigger types. Both types of injectors consist of sub-parts connected by electrical, mechanical and hydraulic chains. The behavior of the lower parts seriously affects the spraying characteristics of the injector. It is impossible to know exactly the behavior of these sub-pieces during the tests carried out during the development activities. For this reason, simulation studies are carried out. Each lower part of the injector was modeled in 1-D environment, and its working principles and effects on spray characteristics were observed. Analytical equations used in 1-D simulation method are not sufficient for every sub-part. Lower parts can expand and contract volumetrically under high pressure and are subject to high turbulent and multiphase flows. For this reason, 3D finite element analysis and 3-dimensional computational fluid dynamics are obtained in order to model all the lower parts of the injector.
In this thesis, the effect of piezo triggered injector valve pin seating diameter on injecton parameters was investigated by simulation method. Two different types of simulation were used for this examination. All sub-parts of the piezo trigger injector were modeled with the 1D simulation method. Support for 3D FEM or 3D CFD simulations was taken when needed to model these sub-parts.
The flow in the piezo injector valve seating area, which is one of the sub parts, is modeled with the help of 3D CFD for three different seating diameters, and the resulting data is made available for 1D Amesim simulation. With the help of these analyzes, the effect of the change of injector valve pin seat diameter on the injection parameters was investigated. These parameters are the injector opening behavior, closing behavior, maximum fuel injection speed, multiple spraying behavior, fuel injection amount.
As a result of the thesis study, the relationship between valve pin seating diameter change and injection  parameters is revealed with the help of simulation.