DEĞIŞKEN SIKIŞTIRMA ORANLI VE TURBO DÖNGÜSEL TÜRBINLI TEK SILINDIRLI BIR MOTORUN TASARIMI

Transkript

1 DEĞIŞKEN SIKIŞTIRMA ORANLI VE TURBO DÖNGÜSEL TÜRBINLI TEK SILINDIRLI BIR MOTORUN TASARIMI Melih OKUR 1, Can ÇINAR 1, Tolga TOPGÜL 1, Fatih ŞAHIN 1 1 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl., Teknikokullar, Ankara,TURKEY mokur@gazi.edu.tr, cancinar@gazi.edu.tr, topgul@gazi.edu.tr, fasahin@gazi.edu.tr, ÖZET Sıkıştırma oranı, buji ile ateşlemeli motorlarda performansı ve verimi etkileyen en önemli parametrelerden biridir. Artan sıkıştırma oranıyla sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklıkları yükselmekte, dolayısıyla yanma hızı artmaktadır. Yanma hızının artmasıyla birlikte motor performansı yükselmektedir. Yapılan bu çalışmada tek silindirli iki zamanlı bir motorun yanma odasının yerine turbo döngüsel bir türbin yerleştirilerek değişken sıkıştırma oranlı bir motorun tasarlanması hedeflenmektedir. Yapılan bilgisayar programı ile pistonlu motor ile turbo döngüsel türbinin tasarım parametreleri belirlenerek güç eşleştirmesi yapılmış olup, prototip motor başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır. Anahtar kelimeler: Değişken sıkıştırma oranı, Tek silindirli motor, Döngüsel türbin, Buji ile ateşlemeli motor DESIGN OF A SINGLE CYLINDER ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO AND ROTARY TURBINE ABSTRACT Compression ratio is one of the most important parameters that affect the performance and efficiency of spark ignition engines. With increasing compression ratio, compression pressure and temperature increase, so rate of combustion and engine performance increases. In this study, it is aimed to design a variable compression ratio engine by placing a turbo rotary turbine in place of the combustion chamber of a single-cylinder two-stroke engine. The design parameters of the turbo rotary turbine with piston engine were determined with the computer program and the power matching was done and the prototype engine was successfully operated. Keywords: Variable compression ratio, Single cylinder engine, Rotary turbine, Spark ignition engine 1. GİRİŞ Günümüzün ekonomik koşulları, gerek fertleri gerekse ülkelerin ihtiyaçlarını en ekonomik şekilde karşılamaya zorlamaktadır. Dolayısıyla günlük hayatımızda kullanılan motorlu taşıtların da daha tasarruflu çalışmaları konusundaki araştırmalar giderek önem kazanmaktadır. Bu ise, taşıtların yapımında, servisinde ve kullanımında yakıt tasarrufunu etkileyen faktörlerin bilinmesi ve tasarrufu olumsuz yönde etkileyen faktörlerden kaçınılmasıyla gerçekleşebilmektedir [1] Sıkıştırma oranı buji ile ateşlemeli motorlarda performansı ve verimi etkileyen en önemli parametrelerden biridir. Sıkıştırma oranı silindir hacminin yanma odası hacmine oranı olarak ifade edilir. Bir başka ifade ise Otto çevriminde sıkıştırma oranı ile termik verim arasındaki 1 1 k 1 ilişkiyi veren ifadesidir. Artan sıkıştırma 571

2 oranıyla sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklıkları yükselmekte, dolayısıyla yanma hızı artmaktadır. Yanma hızının artmasıyla birlikte motor performansı yükselmektedir. Sıkıştırma oranının yanma üzerindeki etkisi göz önüne alınırsa, bu parametrenin değişken hale getirilmesi ile değişik çalışma şartlarında önemli kazançlar elde edilebilmektedir [2]. Sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklıkların düşük olması, yanma sonu basınç ve sıcaklıklarının da düşük olmasına ve piston üzerindeki itme kuvvetin azalmasına neden olmaktadır. Kısmi yüklerde yanma verimini artırmak için karışımı zenginleştirmek yerine sıkıştırma oranının artırılmasıyla hem yakıt ekonomisi iyileşmekte, hem de egzoz emisyonları düşmektedir [3]. Sıkıştırma oranının artmasıyla sıkıştırma ve yanma sonu basınç ve sıcaklıkları yükselmekte, ortalama efektif basınç ve verimi arttırmaktadır. Sıkıştırma oranının vuruntuya neden olmayacak kadar yükseltilmesiyle birlikte çıkış gücü artmakta ve yakıt tüketimi azalmaktadır [4]. Motorun sıkıştırma oranını değişken hale getirmek için ya sabit sıkıştırma oranlı motor üzerinde bir takım değişiklikler gerçekleştirilmekte ya da motor ilk baştan değişken sıkıştırma oranlı olarak tasarlanmaktadır. Motorun kısmi yük performansını artırmak ve yakıt ekonomisi sağlamak amacıyla sıkıştırma oranının değişken hale dönüştürülmesi çeşitli şekillerde yapılmaktadır. Bunlar, yanma odası hacmini büyütüp küçülterek, biyel boyunu değiştirerek, piston yüksekliğini değiştirerek, krank mili ana ve biyel muylu çapını değiştirerek, silindir kapağını hareket ettirerek olabilmektedir [5]. Otomobillerin kullanım ömürlerinin büyük bir kısmı şehiriçi trafiğinde geçtiğinden şehir içi çalışmalarında yakıt ekonomisini iyileştirme çalışmaları yoğunlaşmıştır. Şehiriçi çevriminde, motor daha çok kısmi yüklerde çalışmakta ve kısmi yüklerde volümetrik verim düşük olduğundan, geometrik sıkıştırma oranı 8:1 olan bir motorda gerçek sıkıştırma oranı 3:1, 4:1 gibi değerlere düşmektedir. Bu da motor verimini azaltmakta ve yakıt sarfiyatını artırmaktadır. Motorun tam yük bölgesinde standart sıkıştırma oranı ile çalıştırılması ve yük azaldıkça sıkıştırma oranının artırılmasını sağlayacak şekilde sıkıştırma oranının değişken hale getirilmesi ile performansı artırılabilmektedir [5]. Değişik yük ve çalışma koşullarına göre sıkıştırma oranının değiştirilmesiyle daha iyi performansa ulaşmak mümkün görülmektedir. Kısmi yüklerde yanma verimini artırmak için karışımı zenginleştirmek yerine sıkıştırma oranının artırılmasıyla hem yakıt ekonomisi iyileşmekte hem de egzoz emisyonları düşmektedir [6]. Değişken sıkıştırma oranı aynı zamanda motora alternatif yakıtlarla çalışabilme esnekliğini de vermekte olup bu sayede sıkıştırma oranı yakıtın özelliklerine uygun olacak şekilde değiştirilebileceğinden motor daima yakıt için en uygun ayarlanmış sıkıştırma oranında çalışabilmektedir. Hava-yakıt çevrimine göre çeşitli sıkıştırma oranları, silidir basınç ve hacimlere göre değişlikler göstermektedir. Sıkıştırma oranı ile sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklıkları artacağından maksimum basınç ve maksimum sıcaklık da artmaktadır [7]. Bu çalışmada değişken sıkıştırma oranının motor çalışırken değişken hale getirilmesi için kompresör olarak iki zamanlı tek silindirli buji ile ateşlemeli bir motor, türbin olarak ise özgün bir yapıya sahip Pars Türbini kullanılmış ve türbin kompresör eşleştirmesi optimum hale getirilmiştir. 2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI Yakıt muayenesi ve özellikle vuruntu ölçülmesi için kullanılan değişken sıkıştırma oranlı ilk motorlardan birisi Ricardo tarafından yapılmıştır. Bu motorda sıkıştırma oranının değiştirilmesi (3,7:1-8:1) silindirin krank miline göre yükseltilip alçaltılmasıyla sağlanmıştır [5]. İlk hareketi kolaylaştırmak, daha iyi relanti çalışması sağlamak ve maksimum silindir basıncını artırmadan çıkış gücünde artış elde etmek için değişken sıkıştırma oranının dizel motorlarına da uygulamaları yapılmaktadır [8]. Harne ve Marathe, tek silindirli, iki zamanlı buji ile ateşlemeli bir motorun silindir kapağı yerine yardımcı pistona sahip bir silindir kapağı yerleştirerek sıkıştırma oranını değişken hale dönüştürmüşlerdir [6]. Adams ve arkadaşları, değişken sıkıştırma oranlı motor ile yanma işlemini optimize etmek amacıyla 4-zamanlı, 4 silindirli, benzin enjeksiyonlu bir motorun silindir kapağına bir yardımcı yanma odasının eklenmesi ile sıkıştırma oranını 9,5:1-15:1 aralığında hız ve yüke bağlı olarak değiştirmişlerdir. Sıkıştırma oranı yardımcı yanma odası içerisine yerleştirilen hareketli bir piston tarafından değiştirilmektedir. Değişken sıkıştırma oranlı motora dönüştürülen taşıt ile yapılan denemelerde, kısmi yüklerde yakıt tüketiminde %12 ye varan azalmalar elde edilmiştir. Ayrıca, CO ve NOx emisyonlarında azalma, HC emisyonlarında artış belirlenmiştir [9]. Boggs ve Hilbert tarafından 4 silindirli 1,6 litre silindir hacimli Otto-Atkinson (OA) çevrimine göre çalışan sıkıştırma oranı 9,5:1-15,5:1 arasında kademeli olarak değişebilen bir motor tasarlanmıştır. Sıkıştırma oranının değişimi sıkıştırma yüksekliği değişken piston aracılığıyla 572

3 sağlanmıştır. Standart motorla karşılaştırıldığında özgül yakıt tüketiminde %15 azalma elde edilmiştir [10]. Muranaka ve arkadaşları, yüksek sıkıştırma oranlarında buji ateşlemeli motorların ısıl verimindeki iyileşmeyi sınırlandıran faktörleri belirlemek üzere yaptıkları termodinamik hesaplama ve deneysel çalışma ile ana faktörlerin soğutma kayıpları ve yanmamış yakıt olduğunu belirlemişlerdir. Bu iki faktörün küçük silindir hacimleri, büyük yüzey/hacim oranlı yanma odaları, düşük motor hızı ve yükünde arttığı açıklanmıştır [4]. Abd Alla ve arkadaşları, 4-zamanlı buji ateşlemeli motor performansını etkileyen eşdeğerlik oranı, ateşleme zamanlaması, sıkıştırma oranı, sıkıştırma ve genişleme indeksi gibi parametreleri incelemek üzere bir simülasyon modeli geliştirmiştir. Bu modele göre sıkıştırma oranı artışı (5:1-11:1) ile termik verim artmakta, özgül yakıt tüketiminde yaklaşık %21,5 azalma olmaktadır [11]. Yamin ve Dado tarafından değişik güç ve verim karakteristikleri farklı sıkıştırma oranları için bir motor güç çevrim modeli ile hesaplanmıştır. Motor performansının tüm sürüş koşullarında optimize edilebileceğini; yakıt veriminden faydalanmak için düşük güç seviyelerinde yüksek sıkıştırma oranı, yüksek güç seviyelerinde ise vuruntudan kaçınmak için düşük sıkıştırma oranı ile çalışılması gerektiğini açıklamışlardır [12]. Mustafi ve arkadaşları tek silindirli değişken sıkıştırma oranlı Ricardo E6 motoru ile yaptıkları çalışmada sıkıştırma oranının 8:1 den 11:1 e yükseltilmesiyle çıkış gücünde yaklaşık %22 iyileşme elde etmişlerdir [13]. Yamin ve arkadaşları, sıkıştırma oranı artışının sıkıştırma sonu sıcaklık ve basıncının artışı ve ard gazların azalmasından dolayı yanma süresinin kısaldığını, yanma hızının arttığını ve tutuşma gecikmesinin azaldığını açıklanmışlardır [14]. Sugözü ve arkadaşları, yaptıkları çalışma sıkıştırma oranının 8,50/1, 9,25/1, 10,16/1, 11,28/1 ve 12,72/1 değerleri arasında ve silindir kapağı 0,5 mm aralıklarla beş kez taşlanarak sağlanmıştır. Deneyler sonucunda en yüksek sıkıştırma oranı için motor momentinde yaklaşık % 20 oranında artış elde etmişlerdir. [15]. Yapılan araştırmalar göstermektedir ki sıkıştırma oranının vuruntuya neden olmayacak seviyede arttırılması ile yanma sonucu sıcaklık, basınç ve motor performansı gibi parametreler artmaktadır. Döngüsel motor türbinleri üzerine yapılan çalışmalar 100 yılı aşkın bir süredir birçok farklı tasarımlar ile geliştirilmektedir. Yeni bir tasarım olan Pars motorun, az sayıda parçaya ve düşük atalet kuvvetlerine sahip olması, aerodinamik rotor yapısı ve tasarımının basit olması gibi birçok avantajı vardır. Pars motor, pistonlu motorlara göre daha yüksek hızlara çıkabilmektedir. Bu avantajları nedeniyle gelecekte insansız hava araçlarında kullanılabilecek bir yapıdadır [16]. Turbo Döngüsel Pars motorunun termodinamik çevrimi ile ilgili patent Akmandor tarafından 2006 yılında Amerika Patent ve Marka Ofisi nden (USPTO) alınmıştır. Akmandor un tasarımında üretim ve montaj maliyetleri düşük, gaz türbinlerine göre daha modüler ve daha verimli bir motor amaçlanmıştır. Turbo döngüsel Pars motor genel olarak kompresör yanma odası ve türbin olmak üzere üç ana kısımdan meydana gelmektedir [17]. Turbo döngüsel motor farklı bir çevrime göre çalışan, sıkıştırma işlemi sonrası maksimum sıcaklığı sınırlandırılmış bir motordur. Turbo döngüsel motorlarda yüksek güç düşük yakıt tüketimi ile elde edilebilmektedir. Motorun kapalı bir hacme sahip olması, hilal şeklindeki paletin kullanılması ve termodinamik hal değişimlerinin daha uzun süre olmasını sağlayan türbinlerin üretilmesi düşük yakıt tüketimi ile gücün artırılmasına yardımcı olmaktadır. Motorun geliştirme çalışmalarının başında yanma odasının şeklinin belirlenmesi, farklı palet tasarımları ve malzemesinin değiştirilmesi gibi konular ön plana çıkmaktadır [18]. Pars motorun türbin ve kompresör kısımlarının geliştirme çalışmaları halen devam etmektedir. Arabacı gerçekleştirdiği çalışmada 16 cm3 türbin hacmine sahip bir döngüsel motorda palet kalınlığı, yanma odası boyutu ve şeklinin motor performansına etkilerini deneysel olarak incelemiştir. 30 l/min hava debisinde, motor gücünde palet değişikliği ile %15 ve yanma odası değişikliği ile % 40 a varan artış sağlamıştır [19]. Okur ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada motorun, buji konumlarının değiştirilmesi ile türbin performansına etkileri deneysel olarak incelemiştir. Deneylerde, 16 cm3 hacmindeki türbin bir dış kaynaktan hava ve yakıt ile beslenmiş olup, karışım debileri sabit tutularak devir değişkenine göre türbin güçleri, giriş basınçları ve hava-yakıt tüketim değerlerini elde etmişlerdir. Deney sonuçlarına göre türbin performans eğrileri incelendiğinde çift ateşlemeli durumun sadece güç artışlarında buji 1 ve buji 2 konum deneylerine göre daha iyi sonuçlar verdiğini görmüşlerdir [20]. Eray, Pars motorun palet mekanizmasında değişik malzemelerden yapılmış palet tasarımlarıyla gaz kaçaklarını önleyerek motor gücünü iyileştirmeye çalışmıştır. Motor deneyleri sonucu düşük hızlarda Al2O3, yüksek hızlarda ise 573

4 WC-Co malzemesinden imâl edilen palet ve plakalarla çalıştırılan motordan, AISI M2, B4C, GGG 70 malzemelerine göre daha fazla güç elde edilmiştir [21]. 3. MATERYAL METOD Pars motor az sayıda ve basit yapıda parçalardan oluşmaktadır. Ayrıca motorun boyutlarının küçük oluşu, pistonlu motorlara oranla düşük atalet kuvvetlerine ve aerodinamik rotor yapısına sahip olması önemli avantajlarındandır. Pars motor, kompresör, yanma odası ve türbin olmak üzere üç ana kısımdan oluşmaktadır. Şekil 1 de Pars motor türbininin parçaları görülmektedir. Şekil 1. Pars motor türbin parçaları Bu çalışmada kompresör olarak Palmera CG430 marka tek silindirli, 2 zamanlı buji ile ateşlemeli bir motor, türbin olarak ise özgün bir yapıya sahip Pars türbini kullanılmıştır. Pars türbini motorun piston çıkışına monte edilerek yanma türbin içerisinde gerçekleştirilmiş olup, değişken sıkıştırma oranı bir zincir dişli sistemiyle sağlanmıştır. Şekil 2 de tasarlanan motorun yapısı görülmektedir. Şekil 2. Tasarlanan motorun yapısı Pars türbini her devirde bir iş gerçekleştirdiği için her devirde emme ve kompresyon işlemi yapan iki zamanlı bir motor bu çalışmada kompresör olarak kullanılmıştır. Kompresör ile türbinin milleri birbirlerine 1/1 oranında bağlantılı olup, her devirde bir çevrim meydana gelmektedir. Şekil 3 te motorun çalışma zamanları görülmektedir. 574

5 Şekil 3-b de kompresörün karter kısmı karbüratörden taze dolgu emmeye başlamış olup, piston da yanma odasına sıkıştırma işlemi yapmaktadır. Türbinde ise bir önceki çevrimdeki yanmış gazlar egzoz portundan dışarıya atılmaya başlanmıştır. Şekil 3-c de kompresörün karter kısmı karbüratörden taze dolguyu tamamen emmiş olup, piston da yanma odasına sıkıştırma işlemini tamamlamıştır. Bu pozisyonda bujinin ateşlenmesi ile yanma odasındaki basınç yaklaşık 2,5-3 kat artmaktadır. Şekil 3-d de türbinde genleşme olmaktadır. Piston ise aşağı inerken karterdeki emilen taze dolguyu sıkıştırmaktadır. Çevrim sırasında yanmış egzoz gazlarının pistonun yaptığı vakum sebebiyle silindire kaçmasını engellemek amacıyla kompresör ile türbin bağlantısının yapıldığı boğaza tek yönlü çek valf yerleştirilmiştir. a) Emme ve sıkıştırma b) Sıkıştırma ve egzoz Yanma odası yakıtın içeri alındığı ve bujinin uygun konumda çakmasıyla yanmanın oluştuğu kısımdır. Bu çalışmanın amacı yanma odası hacminin ve sıkıştırma oranının bir zincir dişli yardımıyla değiştirilmesidir. Zincir dişli sistemi bir taraftan krank miline diğer taraftan ise türbin eksantrik miline bağlıdır. Bu bağlantının açıları değiştirilerek farklı sıkıştırma oranları elde edilebilmektedir. Çalışmada kullanılan kompresör ve türbin ölçüleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Kompresör ve türbin ölçüleri Kompresör Ölçüleri Türbin Ölçüleri Piston Çapı [mm] 40 Türbin Gövde Çapı [mm] 63.5 Kompresyon Kurs Türbin Gömlek Çapı 28 Boyu [mm] [mm] 52.5 Kompresör Hacmi Türbin Derinliği [cm 3 35,186 ] [mm] 50 Biyel Uzunluğu Sabit Bağlantı Hacmi 80 [mm] [cm 3 ] 1,299 Biyel Ağırlığı [g] 250 Toplam Türbin Hacmi [cm 3 ] 50,108 Piston Ağırlığı [g] 150 Egzoz Açılma Açısı [KMA] 330º Devir [rpm] 1000 Devir [rpm] 1000 c) İş ve karter emmesi d) Genleşme ve karter sıkıştırması Şekil 3. Motorun çalışma zamanları Şekil 3-a da piston üst ölü noktaya çıkarken türbin de genleşme işlemini bitirmiş ve egzoz işlemine başlamak üzeredir. Bir önceki çevrimde karter tarafından emilen yeni dolgu piston yardımıyla silindir içerisinde sıkıştırılmaya başlanmaktadır. 3.1 Hesaplamalar Kompresör ve türbinin eşleştirilmesi için boyut hesaplamaları, kompresörün çektiği güç ve türbinin ürettiği güç olmak üzere iki ana grupta yapılmıştır Kompresör Hesabı 575

6 Kompresör hesabı, sıkıştırma sırasında piston üzerinde oluşan basıncın piston-biyel ve krank mekanizması kuvvet diyagramı yardımı ile yapılabilmektedir. Şekil 4 de türbin kompresör açısal bağıntıları ve kompresöre gelen yükler görülmektedir. Şekil 5. Türbin moment hesabı Şekil 4. Türbin Kompresör Açısal Bağıntıları ve Kompresöre Gelen Yükler Türbin Hesabı Pars motorun rotor açısının (θ) değişimine göre anlık motor momentinin hesaplamalarında paletli kompresörlerin hidrolik moment hesaplamaları kullanılabilmektedir. Döndürme momenti (H), Eşitlik (1) yardımıyla hesaplanabilmektedir. Burada, h rotor derinliği, r rotor yarıçapı, ε eksantriklik oranı ve Ө rotor açısıdır [24]. H=h. r2. p. Ɛ. (1+ Ɛ. sin2ө cosө. 1 Ɛ 2. sin 2 Ө) (1) Pars motor türbinin moment hesabı Şekil 5 te verilen boyut parametreleri ile hesaplanmıştır. e. sinө sin φ = r (2) φ = sin 1 e. sinө ( ) r (3) 180 (φ + Ө) α = 2 (4) x = cosα. e (5) M = F x (6) P = M n 9459 Tablo 1 de verilen kompresör ve türbin ölçüleri dahilinde, yukarıda belirtilen motor hesaplamalarına göre yapılan bir bilgisayar programı ile kompresör türbin eşleştirmesi yapılmıştır. Şekil 6 da kompresör ve türbin tasarımları için programın ara yüzleri görülmektedir. (7) 576

7 Şekil 6. Kompresör ve türbin tasarımları için programın ara yüzleri Kompresör ve türbin için yapılan programın ara yüzü Şekil 6 incelendiğinde, Tablo 1 de verilen kompresör ve türbin ölçülerine göre hesaplamaların sonuçları görülmektedir. Kompresörün çektiği güç 310 W olarak hesaplanırken, türbinin ürettiği gücün 2 basınç yükselme oranına göre 590 W olarak hesaplandığı görülmektedir. Yapılan hesaplamalar ideal şartlara göre yapılmış olup, basınç, yanma, sürtünme kayıpları gibi kayıplar ihmal edilmiştir. Bu sonuçlara göre kompresör ve türbinin eşleştiği görülmektedir. 3.1 Değişken Sıkıştırma Oranı Prototip motorun sıkıştırma oranının hesaplanabilmesi için, kompresör hacmi, bağlantı hacmi ve türbin hacmi olmak üzere 3 hacmin bilinmesi gerekmektedir. Şekil 7 de prototip motorun hacimleri görülmektedir. Şekil 7. Prototip motorun hacimleri Tablo 1 de verilen kompresör ve türbin ölçülerine göre Kompresör hacmi 35,186 cm3, bağlantı hacmi 1,299 cm3 ve toplam türbin hacmi ise 50,108 cm3 olarak hesaplanmaktadır. Değişken sıkıştırma oranlı prototip motorun kompresör kısmı olarak kullanılan karterden süpürmeli iki zamanlı motor, yapısı gereği 90 derece KMA boyunca sıkıştırma işlemi yapmaktadır. Kompresör sıkıştırma işlemine başladığında türbinin egzoz yapan kısmının emme işlemine başlamış olması gerekmektedir. Türbinin üst ölü noktası palet ekseni olarak kabul edildiğinde üst ölü noktayı 20 derece geçtikten sonra kompresör sıkıştırma işlemine başlamaktadır. Türbin 110 dereceye geldikten sonra sıkıştırılmış olan hava yakıt karışımı buji ile ateşlenmektedir. Egzoz portu üst ölü noktaya 30 derece kala açıldığı için türbinde yaklaşık 220 derece genleşme yapmaktadır (Şekil 8). 577

8 Şekil derece için sıkıştırma oranı Kompresör hacmi (35,186 cm3) ve bağlantı hacmi (1,299 cm3) sabit kalırken, maksimum sıkıştırma oranı için türbin hacmi ise 110 derece için 8,81 cm3 olarak hesaplanmıştır. Şekil derece için sıkıştırma oranı Kompresör hacmi (35,186 cm3) ve bağlantı hacmi (1,299 cm3) sabit kalırken, sıkıştırma oranını düşürmek için türbin hacmi ise 200 derece için 30,06 cm3 olarak hesaplanmıştır. = Vtoplam Vyanma odası =Vkompresör+Vbağlantı+Vtürbin Vbağlantı+Vtürbin 35,186+1,299+8,81 1,299+8,81 = 4,48 1 Sıkıştırma oranını değiştirmek için kompresör mili ile türbin mili bağlantı dişlisinin konumlarını değiştirmek yeterli olmaktadır. Sıkıştırma oranını düşürmek için kompresör sıkıştırma işlemine türbin üst ölü noktayı 110 derece geçtikten sonra başlamakta ve 200 dereceye kadar devam etmektedir. Kompresörün sıkıştırmaya başladığı açı değiştirilerek sıkıştırma oranı değişken hale getirilmiş olmaktadır (Şekil 9). = = Vtoplam Vyanma odası =Vkompresör+Vbağlantı+Vtürbin Vbağlantı+Vtürbin 35,186+1,299+30,06 1,299+30,06 = 2, SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada tek silindirli bir motorun değişken sıkıştırma oranlı hale getirmek için paletli döngüsel bir türbin ile adaptasyonu yapılmıştır. Prototip motorun, Tablo 1 de verilen türbin ve kompresör ölçülerine göre imalatı yapılarak motor başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır. Kompresör-Türbin eşleştirmesinde kompresörün çektiği güç ve türbinin ürettiği gücü hesaplamak için bir bilgisayar programı yapılmıştır. Yapılan hesaplamalara göre 4,48/1 sıkıştırma oranında kompresörün çektiği güç 310 W, türbinin ürettiği güç ise 590 W olarak hesaplanmıştır. Sürtünme, yanma ve basınç kaçakları göz önünde bulundurulduğunda türbin ile kompresörün yaklaşık olarak eşleştiği görülmektedir. Sıkıştırma oranının değişken hale getirebilmesi için kompresör ve türbin milleri arasındaki zincir dişlinin konumu değiştirilerek yanma odası hacmi arttırılmıştır. Türbin hacmi 110 derece yerine 200 dereceye alındığında sıkıştırma oranının yaklaşık yarısı kadar (2,12/1) azaltıldığı görülmektedir. Yapılan bu özgün tasarım ile sıkıştırma oranının motor çalışırken bile değişken hale = 578

9 getirmek mümkün olmaktadır. Bir sonraki değişken sıkıştırma oranlı prototip motor çalışmalarında, döner rotorlu türbin yerine, türbin gücü daha yüksek olan döner gövdeli türbin kullanılması ile deneysel çalışmalar yapılması öngörülmektedir. KAYNAKLAR [1] Bekcen A. B., Motorlu Taşıtlarda Motor ve Seyir Şartına Bağlı Olarak Yakıt Tasarrufu Yönünden Optimizasyon, Yıldız Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, [2] Drangel H., Olofsson E., Reinmann R., The variable compression (SVC) and the combustion control (SCC) Two ways to improve fuel economy and still comply with world-wide emission reguirements, SAE, Paper No: , (2002): [3] Junior H. G., Obtainment of same thermal efficiency in spark engines with different compression ratio, SAE paper, (1992): [4] Muranaka S., Takagi Y., Ishida T., Factors Limiting The Improvement in Thermal Efficiency of S.I. Engine at Higher Compression Ratio, SAE Paper, (1987): [5] Çelik M.B., Buji ile Ateşlemeli Bir Motor Sıkıştırma Oranının Değişken Hale Dönüştürülmesi ve Performansa Etkisinin Araştırılması, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Ankara, Şubat [6] Harne V., Marathe S. R., Variable Compression Ratio Two Stroke Engine, SAE Paper, (1987): [7] Erduranlı P., Buji İle Ateşlemeli Tek Silindirli Değişken Sıkıştırma Oranlı Bir Motorun Teorik Simülasyonu, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Ankara, Ağustos [8] Wallace W.A., Lux F.B., A Variable Compression Ratio Engine Development, SAE, Paper, (1964): No: [9] Adams W.H., Hinrichs H.G., Adamis P., Analysis of The Combustion Process of a Spark Ignition Engine with a Variable Compression Ratio, SAE, Paper, (1987): No: [10] Boggs D.L., Hilbert H.S., The Otto-Atkinson Cycle Engine Fuel Economy and Emissions Results and Hardware Design, SAE, Paper, (1995): No: [11] Abd Alla G.H., Computer Simulation of A Four- Stroke Spark Ignition Engine, Energy Conversion &Management, 43, (2002): [12] Yamin J.A.A., Dado M.H., Performance simulation of a four-stroke engine with variable stroke-length and compression ratio, Applied Energy, 77(4), (2004): [13] Mustafi N.N., Miraglia Y.C., Raine R.R., Bansal P.K., Elder S.T., Spark-ignition engine performancewith Powergas fuel (mixture of CO/H2): A comparison with gasoline and natural gas, Fuel, 85(12-13), (2006): [14] Yamin J.A.A., Gupta H.N., Bansal B.B.,, Srivastava O.N., Effect of combustion duration on the performance and emission characteristics of a spark ignition engine using hydrogen as a fuel, International Journal of Hydrogen Energy, 25(6), (2000): [15] Sugözü İ., Deniz T., Mutlu İ., Buji Ateşlemeli Bir Motorda Sıkıştırma Oranının Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi, 1(1) (2009): [16] Okur M., Şahin F., Turbo Döngüsel Bir Motorda Döner Valf ve Elektromanyetik Valf Uygulamalarının Türbin Gücüne Etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, (2013): [17] Akmandor İ. S., Rotary Vane Engine and Thermodynamic Cycle, USPTO, (2006): 2006/ A1, -10. [18] Okur M., Akmandor İ. S., Arabacı E., Turbo Döngüsel Bir Motorun Yanma Odasının Geliştirilmesi, 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, 9-10 Ekim (2008): [19] Arabacı E., Turbo Döngüsel Bir Motorun Performansının Arttırılması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 5-61, [20] Okur M., İçingür Y., Akmandor İ. S., Turbo Döngüsel Motorda Farklı Buji Konumlarının Performansa Etkisi, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs, Karabük, Türkiye, (2009): [21] Eray M. E., Yeni Tasarım Turbo Döngüsel Motor Türbin Palet Mekanizmasının Kompozit Malzemelerle Geliştirilmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 10-81,