İçten yanmalı motorlarda turbo aşırı doldurma grubunun termodinamik modellemesi
Thermodynamic modeling of turbocharging group in internal combustion engines
Yazar: ERAY YALÇIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AYKUT SAFA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Egzoz gazı türbini ile aşırı doldurma sisteminin termodinamik modellenmesi kapsamında temelden başlamak suretiyle öncelikli olarak içten yanmalı motorların ideal çevrimlerinden bahsedilmiştir. Otto çevrimi, klasik Diesel çevrimi ve karma çevrim bu kapsamda termodinamik açıdan incelenmiştir. Bu çevrimleri oluşturan proseslerdeki basınç ve sıcaklık değişimlerinin ve termik verimin hesaplanabilmesi için gerekli formülasyona değinilmiştir. Bu formülasyon motor termodinamik modellemesinin yapı taşlarını oluşturmaktadır.Aşırı doldurma sistemlerinin çeşitleri ve temel çalışma prensipleri anlatılarak birbirleriyle kıyaslanmışlardır. Tezin ana konusu kapsamında egzoz gazı türbini ile aşırı doldurma sistemi üzerinde daha yoğun durulmuştur.Egzoz gazı türbini ile aşırı doldurma grubunun performansının ve etkilerinin gözlemlenebilmesi için sadece aşırı doldurma grubu termodinamik modeli değil, karma çevrime göre çalışan türbo aşırı doldurmalı tam bir Diesel motor modeli oluşturulmuştur. Bu motor modeli ile hem iki zamanlı hem de dört zamanlı Diesel motorlar için termodinamik simülasyon yapılabilmektedir. Bu tez kapsamında türbo aşırı doldurmalı dört zamanlı gerçek bir motorun termodinamik simülasyonu için oluşturulan termodinamik model ve simülasyon sonuçları yayımlanmaktadır.Türbin ve kompresör grubunun termodinamik olarak modelllenebilmesi için boyut tahmini, verimli çalışma alanının saptanabilmesi ve motor ile uyumunun sağlanabilmesi gerekmektedir. Bu amaçla boyutsuz karakteristik parametrelerden yararlanılmıştır. Önce kompresörün motor ile eşleşmesi yapılmış; uygun kompresör tipi, devri ve çark çapı belirlenmiştir. Türbin tahrikinin tam basınçlı egzoz gazları ile gerçekleştirilebilirliği denenmiş, türbindeki yüksek basınç düşümü nedeniyle hesaplanan boyutsuz karakteristik değerlerin mantıklı mertebelerde çıkmaması sonucunda yarı genişletmeli türbin tahrikinin uygulanabilirliği araştırılmıştır. Yarı genişletmeli türbin tahrikinin tam basınçla türbin tahrikine göre daha iyi türbin karakteristik değerleri sağladığı tespit edilmiştir.Aşırı doldurmaya kayda değer etkileri bulunan parametrelerinin değişiminin motor performansına yansımalarının araştırılması kapsamında son bölümde bir dizi grafiğe yer verilmiştir. Bu grafikler aşırı doldurma ve motordaki bazı önemli parametrelerin değişiminin motor verimine etkisini, maksimum basınç ve sıcaklık değişimlerini ve bunlara bağlı olarak da sistemin ne kadar zorlandığı konusunda yorum yapmayı mümkün kılmaktadır.

Abstract:
In order to make a basic beginning to thermodynamic modeling of turbocharging with exhaust turbine system, the ideal cycles of internal combustion engines are explained. Otto cycle, classic Diesel cycle, and mixed cycle are thermodynamically investigated in this context. The formulas which are needed to calculate the change of pressure, temperature and thermal efficiency in these cycles are presented. These formulas are great guidance for modelling of an engine thermodynamic simulation.Different types of turbocharging systems and their principals are explained and compared with each other. More detailed information is given about exhaust turbine turbocharge system deliberately as it is the main topic of the thesis.To observe the effects of exhaust turbine turbocharging on engine performance, not a simple turbocharge model is created, a four stroked mixed cycle Diesel engine model is programmed. This detailed model can simulate not only two stroke engines, also four stroke engines. But in content of this thesis, only an exhaust turbine turbocharged four stroke Diesel engine simulation thermodynamic model and simulation results are published.In order to make a thermodynamic model of an turbocharging group, turbine and compressor efficiency, efficient working limits and impeller dimensions are to be determined. Dimensionless characteristic parameters are beneficial in this determination. Firstly compressor characteristics which match with the engine are determined. In this content compressor impeller diameter, revoluation speed and compressor type are calculated. High pressure exhaust is directly given to turbine after engine expansion prosess, but it is observed to be unsensible as the turbine characteristic areas and dimensionless parameters are inconsistent. So half expanded exhaust turbine drive method is investigated. Driving the turbine with half expanded exhaust gases rather than full pressure exhaust gives better results on turbine dimensionless characteristic parameters.A series of graphics are presented at last section in order to determine the dominant parameters on engine performance and turbocharging. These parametric graphics give an idea of how the system is strained with maximum pressure and temperatures which are caused by changes on engine and turbocharging parameters.