RHOMBİC HAREKET İLETİM ve KRANK-BİYEL MEKANİZMASINA SAHİP BUJİ İLE ATEŞLEMELİ İÇTEN YANMALI MOTORUN TERMODİNAMİK ANALİZLERİ

Transkript

1 14th Intenational Combustion Symposium (INCOS018) 5-7 Apil 018 HOMBİC HAEKET İLETİM ve KANK-BİYEL MEKANİZMASINA SAHİP BUJİ İLE ATEŞLEMELİ İÇTEN YANMALI MOTOUN TEMODİNAMİK ANALİZLEİ Eme YILMAZ 1, Can ÇINA 1, Seyfi POLAT, H. Seda YÜCESU 1, Ahmet UYUMAZ 3 Hamit SOLMAZ 1 1 Teknoloji Fakültesi,Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Gazi Ünivesitesi Mühendislik Fakültesi, Mekatonik Mühendisliği Bölümü, Afyon Kocatepe Ünivesitesi 3 Teknik Bilimle Meslek Yüksekokulu, Mehmet Akif Esoy Ünivesitesi emeylmz@gazi.edu.t, cancina@gazi.edu.t, seyfipolathitit@gmail.com, yucesu@gazi.edu.t, auyumaz@mehmetakif.edu.t, hsolmaz@gazi.edu.t ÖZET- Kank biyel mekanizması uzun yılladı içten yanmalı motolada kullanılmaktadı. Kank haeket mekanizmasının üetim kolaylığı avantajı iken balans poblemlei en önemli dezavantajıdı. hombic haeket mekanizmasında yanal kuvvetle kaşılıklı olaak dengelenmekte piston-silindi aasında yanal sütünme dienci çok azaldığından sütünme kuvvetlei ve aşıntı en aza indiilmektedi Kank mekanizmalı motoda maksimum silindi basıncı 63.1 ba iken hombic mekanizmalı motoda maksimum silindi basıncının 64.5 ba olduğu göülmektedi. Genişleme boyunca kank mekanizmalı motoda 589 J iş yapılıken hombic mekanizmalı motoda J iş üetimi geçekleşmişti. hombic mekanizmalı motoda bi çevimdeki net iş üetimi J iken kank mekanizmalı motoda bu değe J olaak hesaplanmıştı. Bu duum moto momentinin de azalmasına neden olmuştu. hombic mekanizmalı motoda moment.6 Nm iken kank mekanizmalı motoda 3.46 Nm olaak hesaplanmıştı. Bu duumda özgül yakıt tüketimlei de sıasıyla 55.9 g/kwh ve 4.9 g/kwh olaak hesaplanmıştı. Anahta Kelimele: hombic Haeket İletim Mekanizması, İçten Yanmalı Moto, Temodinamik Analiz THEMODYNAMIC ANALYSIS OF SPAK IGNITION INTENAL COMBUSTION ENGINE WITH HOMBIC DIVE AND CANK- CONNECTING OD MECHANISM ABSTACT-Cank and connecting od mechanism have been used fo a long time. Cank mechanism has advantage in view of easy poduction but it has balance poblems. Lateal foces ae mutually balanced in hombic mechanism and fictional foces and wea decease, because lateal fiction esistance deceases between piston and cylinde. Maximum in-cylinde pessue was obtained as 63.1 ba and 64.5 ba with cank mechanism and hombic mechanism espectively. 589 J and J wok values wee obtained with cank mechanism and hombic mechanism espectively duing expansion stoke. Net wok was computed as J with cank mechanism while J with hombic mechanism. This situation caused to decease engine toque. Engine toque was computed as.6 Nm with hombic mechanism while 3.46 Nm with cank mechanism. Specific fuel consumption was obtained as 55.9 g/kw and 4.9 g/kwh espectively. Keywods:hombic dive mechanism, Intenal combustion engine, Themodynamic analysis I. GiiŞ Ülkelein gelişmesine paalel olaak dünya çapında atan yakıt tüketimine kaşın sınılı fosil kökenli yakıt ezevi, sea gazlaının sebep olduğu çeve kililiği ve emisyon sınılamalaı içten yanmalı motolada yapılan aaştımalaın temelini oluştumakladı. İçten yanmalı motolada özellikle buji ile ateşlemeli motolada vuuntu poblemlei dolayı sıkıştıma oanı dizel motoladaki gibi attıılamamakta ve ısıl veimlei daha düşük olmaktadıla. Buji ile ateşlemeli motola düşük ısıl veime sahip olmasına ağmen, kolay tutuşabilme, yanmanın kontol edilebili olması ve ilk haekete geçiş kolaylığı gibi avantajlaı nedeniyle yaygın olaak kullanılmaktadı[1]. İçten yanmalı motolada yanma sonucu oluşan ve piston ile silindi kapağına etki eden değişken gaz kuvvetlei, döngüsel ve ivmeli doğusal haeket geçekleştien moto paçalaının ataletlei ve balanssızlıklaı, volanın meydana getidiği mekezden kaçık dönme haeketi, supap mekanizması ve zaman aya mekanizmasındaki geçici ejim etkileşimleinden meydana gelen titeşimle önemli bi poblem oluştumaktadı[, 3-6]. Stiling motolaı dıştan yanmalı olduğu için faklı yakıt ve ısı kaynaklaından eneji alaak güç üetmektedi. Stiling motolaı temik veimleinin yüksek olması, düşük titeşim ve güültü seviyelei gibi avantajlaa sahipti. İçten yanmalı motolala kaşılaştııldığında Stiling motolaı çeveye daha duyalıdı[7-9]. Stiling motolaı bu avantajlaı nedeniyle elektik üetimi, iklimlendime 551

2 14th Intenational Combustion Symposium (INCOS018) 5-7 Apil 018 sistemlei ve uzay teknolojisi gibi biçok alanda kullanılmaktadı. Stiling motolaın doğusal haeketin daiesel haekete dönüşümünde oss Yoke, Scotch Yoke, eğik plaka, kank-biyel, Wobble Yoke ve hombic gibi haeket iletim mekanizmalaı kullanılmaktadı[10,11]. Bu mekanizmala aasında kank-biyel ve hombic haeket mekanizması yaygın olaak kullanılmaktadı. Kank biyel mekanizması uzun yılladı içten yanmalı motolada kullanılmaktadı. Kank haeket mekanizmasının üetim kolaylığı avantajı iken balans poblemlei en önemli dezavantajıdı[11]. hombic haeket mekanizmasında yanal kuvvetle kaşılıklı olaak dengelenmekte pistonsilindi aasında yanal sütünme dienci çok azaldığından sütünme kuvvetlei ve aşıntı en aza indiilmektedi [14]. Bu nedenle en çok tecih edilen ve kullanılan haeket iletim mekanizmalaından biisi hombic haeket iletim mekanizmasıdı. hombic haeket iletim mekanizması; mekanik bağlantılaı azaltmak, dolayısıyla sütünme ve mekanik kayıpladan doğan veim kaybını otadan kaldımak, moto boyutlaını küçültmek ve titeşimi azaltmak amacıyla kullanılmaktadı. hombic haeket iletim mekanizması ilk olaak 1900 lü yıllada iki silindili Lanceste otomobil motolaında kullanılmıştı[1]. Bu motola, 1953 yılında Philips aaştıma tesisleinde çalışan oelof Meije e Stiling motolaı için hombic haeket iletim mekanizmasını tasalamasına ilham kaynağı olmuştu[13] yılında Meije çalışma maddesi olaak hidojen, helyum ve hava kullanmış ve en iyi pefomans değeini hidojen ile elde etmişti[9]. Bi yıl sona bu mekanizma Philips Stiling motolaında kullanılmaya başlanmıştı[14, 15]. 1958'de de Geneal moto, hombic haeket iletim mekanizmalı motolaın geliştiilmesi için bi pogam yapmıştı lee kada başta askei amaçlı jeneatö setlei olmak üzee, taşıtlada ve lokomotiflede uzay aaçlaında, topil süücüleinde ve denizaltılada kullanılmak üzee, hombic Haeket Mekanizmalı Stiling motolaı üzeinde aaştıma ve geliştime çalışmalaı yapılmıştı[14]. hombic haeket iletim mekanizması; iki senkonize dişli taafından bileştiilen ve kaşıt yönlede dönen ot mekanizması ile dengeli dönen kank milinden oluşu. Ye değiştime pistonu ve güç pistonunu bağlantı paçalaı, biyel kollaı ve zaman aya dişlilei ile bibiine 90 faz fakı ile çalışacak şekilde bağlanmıştı. Güç piston biyeli üst bağlantı paçasına, ye değiştime piston biyeli ise alt bağlantı paçasına bağlanmıştı. Güç pistonu ve ye değiştime pistonu basit hamonik haeketle çalışmaktadı. Bu tip mekanizmada yanal kuvvetle kaşılıklı olaak dengelendiğinden piston ve silindi aasında ve ye değiştime piston odu ile güç piston odu aasında yanal sütünme otadan kaldıılmaktadı ve moto paçalaındaki aşıntı miktaı azaltılmaktadı. Titeşim ve sessizlik yönünden diğe mekanizmaladan daha iyi pefomansa sahiptile[14-16]. Bu çalışmada kank haeket mekanizmasına altenatif olacak hombic haeket mekanizması geliştiebilmek için he iki mekanizmanın temodinamik olaak kaşılaştıılması yapılacaktı. Buji ile ateşlemeli tek silindili bi motoa uygulanacak ve böylece kank haeket mekanizmasının oluştuduğu negatif etkilede hombic haeket mekanizması kullanıldığında ne gibi değişmele olacağı gözlemlenecekti. A. Moto Geometilei II. MATEYAL ve METOD 1) Kank-Biyel Mekanizmalı Motoun Kinematik İlişkilei Şekil 1 de pistonun kank-biyel mekanizmasına bağlı haeketi göülmektedi. Kank-biyel mekanizmasında pistonun he kank açısında aldığı yol eşit değildi. Şekil 1 deki β açısı büyüdükçe piston kank açısı değişiminde daha az yol kat ede. β açısının küçülmesi ile daha fazla yol kat ede. Şekil 1 Kank-Biyel mekanizmalı motoun geometisi Şekil 1 deki motoun kus hacmi;. D Vk. H (1) 4 Yanma odası hacmi; 55

3 14th Intenational Combustion Symposium (INCOS018) 5-7 Apil 018 Vk Vc () 1 ) hombic Haeket İletim Mekanizmalı Motoun Kinematik İlişkilei Toplam silindi hacmi ise; Vs Vk Vc (3) Buada silindi çapı (D), kus boyu (H), sıkıştıma oanı (ε) ile gösteilmişti. Pistonun ye değiştimesi; L S L.cos L.cos (4) L.sin.sin (5) sin.sin L (6) sin cos 1 (7) cos 1 sin (8) cos 1.sin (9) L Yulaıdaki eşitlikle düzenlenise pistonun kank açısına bağlı haeketi aşağıdaki gibi olu [17]. Şekil. hombic haeket mekanizmalı motoun geometisi Kinematik bağıntıla Şekil ' de göe belilenmişti ve hombic kollaının dikey eksenle aasındaki açılaı, hombic kollaının yatay ve dikey eksendeki ye değişimlei ve ayıca pistonun ye değişiminin denklemleini elde etmek için kullanılmıştı. L: Dişli çaklaın mekezlei aasındaki mesafe. : Kank yaıçapı. h c : Dişli mekezi ile ÜÖN aasındaki mesafe. h p : Pistonun boyu. : hombic kol mekezlei aasındaki mesafe. p : Biyel boyu. : Kank (dişli) açısı. : hombic kolu açısı S( ) L.cos L. 1.sin L Buada; : Kank açısı ( o ) S( ): Pistonun kank açısına bağlı ye değişimi (m) : Kank yaıçapı (m) L : Biyel uzunluğu (m) du. Toplam silindi hacminin kank açısına bağlı değişimi ise aşağıdaki gibidi. 1 sin.sin (1) 1 acsin.sin (10) (13) cos..cos. (14).cos. (15).cos sin.. cos..sin...cos. D VT Vc S( ) (11) 4 553

4 14th Intenational Combustion Symposium (INCOS018) 5-7 Apil 018.sin.cos sin..... (17).cos.cos cos sin. sin.. cos...cos cos (18) y h.cos.sin (19) y p p p.sin..cos. (0) p y.cos...sin..sin...cos. p III. BULGULA ve DEĞELENDiiLMESi Bu bölümde hombic ve kank-biyel mekanizmalaına sahip içten yanmalı iki motoun temodinamik yönden kaşılaştıılması geçekleştiilmişti. hombic ve kank mekanizmalı moto için moto paametelei kaşılaştıma işleminin daha doğu yapılabilmesi amacıyla kus boylaı, kus hacimlei, toplam silindi hacimlei ve sıkıştıma oanlaı aynı olacak şekilde belilenmişti. İçten yanmalı motolada güç bi milden alınmakta ve moto haeketi bu milin açısal haeketi ile tanımlanmaktadı. Bu haeket kank mekanizmalı motolada kank açısı adını alıken hombic mekanizmalı motolada dişli açışını ifade etmektedi. Bu çalışmada daha anlaşılı olması bakımından he iki mekanizma için de moto haeketlei kank açısı tabii ile adlandıılacaktı. Değelendimede kolaylık sağlaması için kinematik ilişkile he iki mekanizmada kank açısı sıfı iken piston ÜÖN da olacak şekilde düzenlenmişti. Ancak mekanizmaladaki faklılığın doğası geeği AÖN la aynı kank açılaında meydana gelmemektedi. Şekil 3. hombic ve kank mekanizmalaı için silindi hacminin kank açısına bağlı değişimi Şekil 3 de hombic ve kank mekanizmalı içten yanmalı motola için silindiş hacminin değişimi göülmektedi. He iki motoun da toplam silindi hacmi 383 cm 3 tü. Kank açısı 0 o ve 360 o de iken he iki mekanizma (1) için pistonla ÜÖN da bulunmaktadı. Kank mekanizmasında kank kolunun haeketi nedeniyle piston AÖN ye 180 o de ulaşmaktadı. Ancak hombic mekanizmasında pistonun AÖN ye ulaşması için 1 o lik bi kank haeketi geekmektedi. Bu duum emme zamanının kank mekanizmalı motoa göe en az 3 o daha fazla olması anlamına gelmektedi. Emme zamanının daha geniş bi kank açısına yayılması bu zamanda pistonun otalama hızının kank mekanizmalı motoa göe düşük seyetmesine neden olacaktı. Bu sıada emme potundan silindi içeisine gimekte olan dolguda meydana gelen akış kayıplaı otalama piston hızının düşmesi ile azalacaktı. Bu duum pistona üst taaftan etki eden vakumun ve dolayısıyla pompalama kayıplaının azalması anlamına gelmektedi. Bu duumda hombic mekanizması kullanılmasının motoun volümetik veimini attıacağı da ifade edilebili. Ancak bu çalışmada emme süecinde basınç sabit kabul edildiğinden akış ve pompalama kayıplaı dikkate alınmamıştı. Bu nedenle bu duum için bi değelendime yapılamamıştı. Kank mekanizmalı motolada o aalığı sıkıştıma zamanı olaak bilinmektedi. hombic mekanizmalı motoda pistonun AÖN ya ulaşması daha geç geçekleştiğinden sıkıştıma süecinin 148 o de tamamlanması geekmektedi. Emme zamanında düşen otalama piston hızının sıkıştıma süecinde kank mekanizmasına göe daha fazla olması geekmektedi. Isı tansfei için kank mekanizmasına göe daha az süe kalması nedeniyle ısı kayıplaı azalacaktı ancak sıkıştıma işleminin daha hızlı yapılması nedeniyle dengeli hal değişimi şatlaından daha da uzaklaşılacaktı. 554

5 14th Intenational Combustion Symposium (INCOS018) 5-7 Apil 018 Şekil 4. hombic ve kank mekanizmalaı için silindi basıncının kank açısına bağlı değişimi Şekil 4 de silindi içi basıncının kank açısına bağlı değişim göülüken şekil 5 de ise silindi basıncının silindi hacmine bağlı değişimi göülmektedi. Hem hombic hem de kank mekanizmasında maksimum silindi basıncı 371o de elde edilmişti. Kank mekanizmalı motoda maksimum silindi basıncı 63.1 ba iken hombic mekanizmalı motoda maksimum silindi basıncının 64.5 ba olduğu göülmektedi. Silindie veilen ısı miktaı aynı olmasına ağmen hombic mekanizması kullanıldığında silindi basıncının daha yüksek elde edilmesinin nedeninin sıkıştıma süecindeki kinematik faklılıktan kaynaklandığı düşünülmektedi. Sıkıştıma süecince hombic mekanizmalı motoda otalama piston hızının daha yüksek olması nedeniyle silindi duvaından kaybedilen ısı miktaının da daha az olması beklenmektedi. Şekil 4 de de göülebileceği gibi maksimum basıncın yüksek olması nedeniyle genişleme zamanı boyunca hombic mekanizması kullanılan motoda basınç kank mekanizmalı motoa göe daha yüksek seyetmektedi. Bu duum genişleme zamanında yapılan iş miktaının hombic mekanizmasında daha yüksek olduğunu ifade etmektedi. Genişleme boyunca kank mekanizmalı motoda 589 J iş yapılıken hombic mekanizmalı motoda J iş üetimi geçekleşmişti. Şekil 6 da göülmekte olan net iş gafiğinde, genişleme boyunca hombic mekanizmalı motodaki iş üetiminin daha düşük seyetmesinin nedeni bi kank açısına kaşılık hacimdeki değişimin daha küçük olmasından kaynaklanmaktadı. Hehangi anlık bi kank açısı için yanıltıcı olan bu gafikte iş zamanının tamamına bakıldığında hombic mekanizmalı motoda genişleme süecinin daha uzun südüğü göülmektedi. Bu nedenle hombic mekanizmalı motoda genişleme boyunca üetilen iş miktaı daha fazla olmuştu. Şekil 5. hombic ve kank mekanizmalaı için silindi basıncının silindi hacmine bağlı değişimi Şekil 5 de göülen p-v diyagamlaında emme çizgilei aynı olmasına ağmen egzoz zamanındaki basınçla kaşılaştııldığında hombic mekanizmalı motoda basıncın daha yüksek olduğu göülmektedi. Şekil 4 de de göülebilen bu duum hombic mekanizmalı motoda genişleme süecinin daha uzun sümesinden kaynaklanmaktadı. Bu duum egzoz zamanında pistona veilmesi geeken iş miktaını, dolayısıyla pompalama kaybını attııcı bi etki yaatacaktı. Bu duum çevimin net işinin azalmasına neden olacaktı. Şekil 6 da göülen net iş eğileinde egzoz zamanında hombic mekanizmalı motoda iş eğisinin daha set düştüğü ve çevimin sonundaki net işle kaşılaştııldığında hombic mekanizmalı motoun net işinin daha az olduğu göülmektedi. hombic mekanizmalı motoda bi çevimdeki net iş üetimi J iken kank mekanizmalı motoda bu değe J olaak hesaplanmıştı. Bu duum moto momentinin de azalmasına neden olmuştu. hombic mekanizmalı motoda moment.6 Nm iken kank mekanizmalı motoda 3.46 Nm olaak hesaplanmıştı. Bu duumda özgül yakıt tüketimlei de sıasıyla 55.9 g/kwh ve 4.9 g/kwh olaak hesaplanmıştı. Şekil 6. hombic ve kank mekanizmalaı için net işin kank açısına bağlı değişimi 555

6 14th Intenational Combustion Symposium (INCOS018) 5-7 Apil 018 IV. SONUÇ ve ÖNEiLE Geçekleştiilen temodinamik analiz neticesinde yapılan kaşılaştımala incelendiğinde hombic mekanizmalı motoun kank mekanizmasına göe temodinamik olaak bi üstünlüğünün olmadığı göülmüştü. Bununla bilikte hombic motoun kank mekanizmalı motoa göe büyük bi dezavantajı da bulunmamaktadı. Ancak buada dikkat edilmesi geeken nokta emme zamanında basıncın atmosfeik basınca eşitlenmesidi. Motoun volümetik veimi he iki moto için de %70 olaak sabit kabul edilmişti. hombic mekanizmalı motoda emme süecinin daha geniş bi kank açısı aalığına yayılması geçekte bu motoda elde edilecek volümetik veimin daha yüksek olmasına imkân veecekti. Ayıca bu analiz kapsamında piston sütünme kayıplaı dikkate alınmamıştı. Kank mekanizmasındaki en büyük kayıpladan bii piston yan yüzey yaslanma kuvvetinden kaynaklanan sütünme kayıplaıdı. Bu kayıpla motodaki toplam sütünme kayıplaının yaklaşık %0 sini oluştumaktadı. hombic mekanizmalı motoda yaslanma kuvvetlei otadan kalktığı için sütünme kayıplaında yaklaşık %0 lik bi azalma göülebili. V. KAYNAKLA [1] Uyumaz, A., (014). "Homojen Dolgulu Sıkıştıma İle Ateşlemeli Bi Benzin Motounda Supap Kalkma Miktaının Yanma ve Pefomansa Etkileinin İncelenmesi" Doktoa Tezi, Gazi Ünivesitesi Fen Bilimlei Enstitüsü. [] Solmaz, H., (014). "Döt Silindili Döt Zamanlı Bi Dizel Motounun Dinamik Modeli Ve Titeşimleinin İncelenmesi" Doktoa Tezi, Gazi Ünivesitesi Fen Bilimlei Enstitüsü. [3] Çelikten, İ., Mutlu, E., Solmaz, H. (01). "Vaiation of Pefomance and Emission Chaacteistics of a Diesel Engine Fueled With Diesel, apeseed Oil and Hazelnut Oil Methyl Este Blends" enewable Enegy, 48, [4] İçingü, Y., Solmaz, H. (011). "Detemination Of Dag Coefficinets Of Vaious Automobile Models In a Low Speed Wind Tunnel" Jounal Of The Faculty Of Engineeing and Achitectue of Gazi Univesity,, [5] Solmaz, H., Çelikten, İ. (01). "Estimation of Amount of Pollutants Geneated by Vehicles in Tukey Until 030" Gazi Univesity Jounal of Science, 5(), [6] Polat, S., Solmaz, H., Yücesu, H.S., Uyumaz, A. (013). "Bi Dizel Motoun Bilgisaya Yadımı İle Temodinamik ve Pefomans Analizi" Gazi Ünivesitesi Fen Bilimlei Degisi Pat C: Tasaım ve Teknoloji, 1 (3), [7] Shendage, D.J., Kedae, S.B., Bapat, S.L., (011). An Analysis of Beta Type Stiling Engine With hombic Dive Mechanism enewable Enegy, 36, [8] Finkelstein, T., Allan, J. O., (004) Ai Engines The Ameican Society of Mechanical enginees, New Yok. [9] Walke, G., (1980). Stiling Engines United States by Oxfod Univesity Pess., [10] Eol, D., (009). Düşük Sıcaklık Fakıyla Çalışan Bi Stiling Motounun Tasaımı ve İmalatı Yüksek Lisans Tezi, Gazi Ünivesitesi Fen Bilimlei Enstitüsü, Ankaa. [11] Çına, C., (001). Gama Tipi Bi Stiling Motounun Tasaımı, İmali ve Pefomans Analizi Doktoa Tezi, Gazi Ünivesitesi Fen Bilimlei Enstitüsü, Ankaa. [1] Najt, P., Foste, D.E. (1983). "Compession- Ignited Homogeneous Chage Combustion" SAE Intenational Technical Papes, [13] Thing,. H. (1989). "Homogeneous-Chage Compession-Ignition (HCCl) Engine" SAE Intenational Technical Papes, [14] Zhao, H., Ladommatos, N., Ma, T. (00). "New Geneation Diect Injection Gasoline Engine with Contolled Autoignition" Bunel Univesity, School of Engineeing and Design, eseach epot, United Kingdom. [15] Johansson, B. (007). "Homogeneous chage compession ignition: the futue of IC engines" Intenational Jounal of Vehicle Design, 44(1/), [16] Stone,. (000). "Intoduction to intenal combustion engines (second edition)" London, Macmillan Pess, 3-3, , [17] Etiz, U., Simulation of The Combustion Pocess In A Spak Ignition Engine On A Pesonal Compute, MSc Thesis, Metu Gaduate School of Natual And Applied Sciences, Ankaa, 1-9 (1994). 556