Dizel motorlarda soğukta ilk hareket desteği için FDM kullanımı
Using PCM's to assist the cold start of diesel engines
Yazar: FERHAT KAYA
Danışman: PROF. MEHMET AKİF CEVİZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dizel motorların performansları ve sürüş konforları son teknolojik gelişmelerle son yirmi yıl boyunca önemli seviyede geliştirilmiştir. Bununla beraber, dizel motorların dezavantajlarından birisi soğuk şartlarda, özellikle de ortam sıcaklığının 0 ºC'ye yakın veya altında olduğu şartlarda ilk hareket esnasındaki zorluklar ile ilgilidir. Buna ek olarak, zararlı egzoz emisyonları da soğukta ilk hareket koşullarında önemli seviyede artmaktadır. Dizel motorlardan çıkan karbon monoksit (CO) emisyonlarının çoğu motor ısınması esnasında üretilir. Dizel motorların soğukta ilk hareket karakteristiklerini iyileştirmek için hava giriş hattına kızdırma bujileri ve hava ısıtıcıları gibi pek çok önlemler öne sürülmüştür.

Soğukta ilk hareket performansını artırmak için kullanılan kızdırma bujileri ve hava ısıtıcıları gibi konvensiyonel sistemler bazı dezavantajlara sahiptirler. Bu çalışmada, doğrudan enjeksiyonlu dizel motorların soğuk başlama performanslarını artırmak ve egzoz emisyon karakteristiklerini iyileştirmek için faz değiştiren malzemeler (FDM) kullanılmıştır.

FDM'ler yüksek füzyon ısılarına sahiptirler ve erimeden ve donmadan önceki gizli ısıyı absorbe edebilirler. FDM'lerin sıcaklıkları faz değişimi esnasında neredeyse sabit kalmaktadır. Bu çalışmada 45-51ºC erime sıcaklığı aralığındaki FDM üretilen bir ısı eşanjöründe kullanılmıştır. Motor soğutma suyu eşanjörde sirküle edilmiş ve FDM'yi eritmek için ısı kaynağı olarak kullanılmıştır. Motor emme havası, emme manifoldundan önce eşanjörün boruları arasından geçirilmiştir. Motor soğuma periyodu esnasında imal edilen ısı eşanjörünün içindeki FDM motor giriş havasının soğuma periyodunu artırmıştır.

İki silindirli bir dizel motorun soğukta ilk hareket karakteristiklerini gözlemlemek için imal edilen eşanjörlü ve eşanjörsüz bir deney düzeneği kurulmuştur. FDM kullanılarak artırılan motor giriş hava sıcaklığının ve eşanjörün katkısını değerlendirmek üzere farklı noktalardan alınan sıcaklık ölçümleri, CO emisyonları, devir sayıları ve silindir içi basınç ölçümleri kullanılmıştır. Farklı FDM ve ortam sıcaklıklarıyla deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonuçlarına incelendiğinde motor emme havasının soğuma periyodunun uzayabileceğini görülmüştür. Buna ek olarak, düşük ortam sıcaklıklarında giriş havasının sıcaklığındaki artış motorun soğukta ilk hareket performansının artmasına, motorun ilk hareket süresinde azalmaya ve motor egzoz emisyon karakteristiklerinin iyileştirilmesine de yardımcı olmaktadır.

Abstract:
During the last two decades, the diesel engine performance and drivability have significantly improved with the latest technologic developments. Nevertheless, one of the disadvantageous of diesel engines is related to the difficulties for starting at cold conditions, particularly in the conditions where the ambient temperature is near or below 0 ºC. Additionally, the harmful exhaust emissions are also significantly important levels during the cold start conditions. Most of carbon monoxide (CO) emissions from diesel engines are produced during the engine warm-up period.  In order to improve cold start characteristics of diesel engines, many measures have been proposed, such as glow plugs and air heaters in air intake lines.


The conventional systems, such as glow plugs and air heaters, used to increase the cold start performance of diesel engines have some disadvantages. In this study, in order to increase the cold start performance and improve the exhaust emission characteristics of a direct injection diesel engine, phase change materials (PCM) have been used. 
  
PCMs have high heats of fusion and they can absorb latent energy before melting or solidifying. During the phase change, temperature of PCMs remains nearly constant. In this study, a PCM was used with the 45-51ºC melting temperature band in a heat exchanger. Engine cooling fluid was circulated in the exchanger and used as heat source in order to melt the PCM. Engine intake air has been passed throug the exchanger before engine intake manifold.  During the engine cooling period, the PCM in the produced heat exchanger have increased the cooling time period of engine intake air. 

An experimental setup has been established to observe the cold start characteristics of the two cylinder diesel engine with and without using the produced exchanger. Temperature measurements from different points, CO exhaust emissions, engine speed and in cylinder pressure measurements have been used to evaluate the contribution of exchanger and increasing the intake air temperature by using the PCM. The experiments have been carried out at different PCM and ambient temperatures. The results of experimental studies have been showed that the cooling period of engine intake air can be extended. Additionally, the increase in the temperature of intake air at low ambient temperatures assists the engine cold start performance, decreases the starting time of engine and improve the engine exhaust emissions characteristics.