Evaluation of an automotive air intake system in terms of pressure loss and flow characteristics

Abstract

Bir otomobilin tasarımındaki en önemli unsurlardan biri üretilen parçaların akışkanlarla etkileşiminin doğru şekilde hesaplanması ve davranışının önceden bilinmesidir. Özellikle araca hareket fonksyonunu kazandıran motor, akışkan etkileşimi bakımından tüm aracın en karmaşık kısmıdır. Sistemdeki sürtünmeyi azaltan yağlama sistemindeki yağın, yanma sonucu ortaya çıkan ısının malzeme için tehlikeli olmasını önleyen soğutma sistemindeki suyun, yanma odasına beslenen yakıtın ve en önemlisi atmosferden yanma odasına, yanma odasından eksoza gerçekleşen ve motor performansını belirleyen havanın akışı, motor içerisindeki akışkan hareketlerini oluşturur. Bu çalışmanın ana odağında havanın atmosferden yanma odasına kadar izlediği yolu oluşturan hava emiş sistemi bulunmaktadır. Hava emiş sistemindeki kayıpların hesaplanması ve tasarımın kayıpları en aza indirecek şekilde yapılması motorun tasarımı açısından kritik önem taşır. Son yıllarda daha çevreci motorlar üretilmesi yönünde yapılan yasal düzenlemeler, otomotiv şirketlerini üretilen her motordan olabilecek en iyi performansı ve en yüksek verimi almaya yönlendirmektedir. Günümüz teknolojisinde hava emiş sisteminde karşılaşılan karmaşık geometri ve yapıların üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile incelenip performansının değerlendirilmesi mümkündür. Bu çalışmada hava emiş sisteminin akışkanlar dinamiği açısından en karmaşık parçası sayılabilecek hava filtresinin HAD ile modellenmesini kolaylaştıran bir yöntem geliştirilmiş ve kullanıma sunulmuştur.Hava emiş sistemindeki kayıpların doğru hesaplanabilmesi için otomotiv firmaları iki ana yol izlemektedirler. Bunlardan birincisi hava ile etkileşecek parçaların prototiplerinin üretilerek deneylere tabi tutulması olup bu yöntem çoğunlukla motor tasarımının ilk aşamalarında mümkün değildir. Bu yöntemin kullanılması aynı zamanda birden fazla tasarım alternatifinin değerlendirilmesi gerektiği durumlarda oldukça pahalı ve iş gücü gerektiren bir hal alır. Bu güçlükleri içermeyen ve tasarım esnasında kullanılan diğer yöntem ise bilgisayar destekli benzetimlerle parçaların performanslarının sanal ortamda değerlendirilmesidir. İçerdiği karmaşıklık ve gerektirdiği teorik bilgi yükü nedeniyle benzetimin doğru, gerçeğe yakın ve etkin şekilde yapılması sistem hakkında doğru bilgiyi almak açısından büyük önem taşır.Hesaplamalı akışkanlar dinamiği açısından hava emiş sisteminin en karmaşık parçası içerdiği küçük ölçekli detaylar ve gözenekli yapısı nedeniyle hava filtresidir. Otomobillerde kullanılan hava filtreleri çoğunlukla `filtre kağıdı` adı verilen geniş düzlemsel malzemenin katlanması ile elde edilen girinti ve çıkıntılara sahip geometriyi içerir. Bu parçanın ana görevi aracın çalıştığı ortamdaki tozun ve kirin motorun içerisine ulaşmasını önlemektir. Motorun çalışması esnasında iyi tasarlanmış bir hava emiş sistemi üzerindeki kayıpların büyük çoğunluğunu hava filtresi oluşturur. Kaybın HAD ile doğru hesaplanabilmesi için filtrenin karmaşıkxxivyapısının doğru modellenmesi esastır. Ancak hava filtresinin en ince ayrıntısına kadar modellenmesi benzetime çok büyük bir hesaplama yükü getirir. Bu nedenle literatürdeki genel eğilim, hava filtresinin detaylardan arındırılarak gözenekli bir blok halinde modellenmesi yönündedir. Hava emiş sisteminin tümünün benzetime katıldığı durumlarda bu yaklaşımın hesaplama süresi ve maliyeti bakımından getirdiği kazanımlar aşikardır. Ancak bahsi geçen `gözenekli blok` model içerisinde doğru temsil edilmelidir. Ticari HAD programları genellikle gözenekli ortamın yarattığı kayıpları genel momentum denkleminde gövde kuvveti adı verilen momentum kayıp mekanizmaları altında değerlendirir.Bu çalışmanın amaçlarından biri benzetimde kullanılan momentum denklemindeki gövde kuvvetinin doğru hesaplanmasını sağlamada kullanılan katsayıları belirlemede kullanılan bir yöntemin başarıyla uygulanmasıdır. Bu yöntem fiziksel özellikleri bilinen karmaşık hava filtresi geometrisinin küçük bir kısmının analiz edilmesi sayesinde, deneysel yöntemler kullanılmaksızın yeterli bir yaklaşıklıkla ilgili katsayıların hesaplanmasını sağlamaktadır. Çalışmaya konu olan düzlemsel hava filtresi içerisinden seçilen alan, filtre kağıdında oluşan üç ana yöndeki akış HAD analizine tabi tutulmuştur. Bu üç ana yön; havanın katlamaların gerçekleştirildiği doğruya paralel doğrultu, havanın büyük çoğunluğun izlediği yol olan katlama doğrultusuna düşey yönde dik olan doğrultu ve havanın geçmekte en çok zorlanacağı katlamalara filtre düzleminde dik olan doğrultudur. Bu üç doğrultu üç ayrı benzetim grubunda incelenmiş ve her benzetimde o doğrultuya özgü tahmini debi aralıkları taranarak hızlara bağlı basınç kaybı karakteristikleri belirlenmiştir. Belirlenen bu değerler üzerinden geçirilen eğrilerle Forchaimer terimini içeren Darcy kanununa göre poroz ortam katsayılarına ulaşılmıştır. Benzetimlerde yaygın kullanılan ticari HAD yazılımlarından StarCCM+(v10.02) tercih edilmiştir.Üç ana yönde yapılan analizler sonucunda elde edilen gözenekli ortama dair katsayılar daha sonra benzetime tabi olan filtre kağıdının takıldığı bütün bir hava emiş sisteminin analizinde kullanılmış ve sistemde oluşan basınç kayıpları kademeli bir şekilde hesaplanmıştır. Çalışma sonunda hesaplanan basınç kayıpları ilgili standart yönergelere uygun yapılmış deneylerle doğrulanmıştır.Doğru bir hava emiş sistemi modellemesi için HAD modelinin yalnızca basınç kaybını doğru modellemesi de yeterli değildir. Yapılan benzetimde gözenkli blok halinde modellenen filtre kağıdı bölgesinin içerisinde oluşacak akış alanının doğru şekilde modellenmesi de öncesindeki ve sonrasındaki parçaların oluşturduğu kayıpları doğru modellemek açısından kritik önem taşımaktadır.Bu yöntem ile daha önceden yapılan deneyler ile belirlenen gözenekli ortam katsayıları deneye ihtiyaç duymaksızın HAD ile belirlenebilir hale gelmiştir. Yöntemin etkin çalışabilmesi için gereken tek deney otomotiv ve tekstil endüstrisinde filtre elemanlarının standartlaştırılması amacıyla yapılan ASTM(F778-88) standartlarına dayalı ölçümün sonuçlarıdır. Filtre kağıdı üreticileri ürün gamındaki ürünleri bu deney ile belirlenen hava geçirgenliğine göre sınıflandırırlar. Seçilen filtre için ulaşılan hava geçirgenliği ölçüm sonuçlarına da çalışma içerisinde ayrıca yer verilmiştir.Çalışmanın tamamlanması ile beraber;- Hava emiş sisteminin basınç kaybı ölçülen değere kıyasla HAD tarafından %11 seviyesinde bir fark ile doğru tahmin edilmiştir.- Hava filtre elemanının katlanmış haldeki basınç kaybı HAD tarafından, ölçülen değerine kıyasla %15 daha az olarak tahmin edilmiştir.xxv- ASTM F778-88 standardı kapsamında yapılan ölçüm HAD ortamında tekrarlanmış ve basınç kaybı %7'nin altında bir fark ile doğru tahmin edilmiştir.Filtre elemanının HAD benzetimlerinde daha detaylı incelenmesi sayesinde basınç kayıpları literatürdeki benzer çalışmalara kıyasla daha ölçüm sonuçlarına daha yüksek yaklaşıklıkla belirlenmiştir.Bunun yanı sıra kütle debisi sensörünün öncesi ve sonrası, filtre elemanının giriş yüzeyi, kompresör girişi gibi kritik bölgelerdeki akış dağılımları görsel olarak alınan eş basınç ve hız eğrileri ile; ve sayısal olarak da tekdüzelik katsayısı (uniformity index) ile gösterilmiştir.

In diesel engines, determination of pressure losses on air intake system is of crucial importance due to its detrimental effect on engine performance. Inefficiencies in performance present itself in elevated fuel consumption and/or high emmisions. Main effect of pressure losses in air intake system (AIS) is on compressor performance and combustion efficiency. The term AIS includes a major portion of an internal combustion engine's air path. In internal combustion engines, air path is basically a series of closed conduits that starts from grill opening that collects the fresh air to the exhaust tailpipe. AIS is the common name for system that comprises group of engine components which are responsible to deliver fresh air into the combustion chamber. Area of interest in this study is the series of components conveying air from atmosphere until compressor. Parts included in this study are the portion of AIS from atmosphere until compressor; a grill opening, dirty side ducts, air filter assembly, clean side ducts.When high pressure losses occur inside this system, AIS can accommodate less fluid flow under existing operating conditions to fulfil the demand of charged air into combustion chamber, compressor is forced to work in an inefficient operating point, resulting in extra load to turbine. Excessive load on turbine increases back pressure and hence, this phenomenon diminishes the combustion performance. To choose and calibrate the related parts of AIS, such as turbocharger, intake manifold, pressure losses from upstream should be determined correctly. However, this determination should be performed in early stages of design, leading to difficulties and complexity for test. Hence, employing a computational fluid dynamics (CFD) solver is more than a necessity to perform such evaluation. Yet again, to conduct a CFD study and to achieve reliable results in good correlation with real operating conditions, most of the cases require a validation procedure that includes testing.In this study a valid evaluation of the AIS performance is aimed. To achieve this goal, objectives that followed is;- Acquiring information about AIS system boundary conditions,- Building a CFD Model to model air filter's pressure loss characteristics,- Comparing pressure loss obtained in CFD model with ASTM (American Society for Testing and Materials) F778 Standard Air Permeability test results,- Building sector CFD models to evaluate the behavior of the filter element when installed into air filter assembly,xxii- Quantifying filter behavior with results of sector analyses and determining porous media tensor to represent filter element in complete AIS CFD model,- Building a full CFD model including all low pressure portion of the AIS and evaluating flow performance in terms of pressure loss and flow characteristics such as flow uniformity values on before and after mass flow rate sensor, filter element and at compressor inlet.- Gathering test results for the AIS subjected to CFD analyses and comparing pressure loss behavior to validate the evaluation.To perform CFD Analyses, a commercial CFD Solver called StarCCM+ (v.10.02) is used for analyses. Upon completion of the study, findings collected are as follows:- ASTM F778 test is reproduced via CFD, calculating air filter element's pressure loss with less than 7% difference in comparison with measurement.- CFD analysis of AIS is underpredicting the pressure loss by 11% when compared to tests.- CFD analysis of AIS underpredicts the pressure loss value around 15% for pleated air filter element when compared to measurement data.The results can be considered satisfactory, as the method to evaluate pressure loss is applicable for early stages of design where it is too expensive and time consuming to build and test a prototype for each design. Besides, the values of deviation for each pressure loss value are lesser than similar studies in literature, due to the increased detail level and quality.