Marş Süresince Aktif Olan Daimi Kıvılcımlı Buji Devresi Tasarımının Dizel Motorlarında Kullanılması

Transkript

1 Marş Süresince Aktif Olan Daimi Kıvılcımlı Buji Devresi Tasarımının Dizel Motorlarında Kullanılması Ahmet İRGİN 1, Mustafa AYDIN 2 1 Kastamonu Üniversitesi Küre MYO Motorlu Araçlar ve Ulaştırma Teknolojileri Kastamonu, Türkiye airgin@kastamonu.edu.tr 2 Karabük Ümiversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Karabük, Türkiye m.aydin@karabuk.edu.tr Abstract In this study, the process of first movement the engine of the diesel engines in cold climatic conditions is investigated. Especially in cold weather and diesel engines with reduced compression performance, it is difficult to start a cold engine. The glow plugs, flame glow plugs, or intake manifold electrical heating systems used in existing diesel engines are inadequate for running a cold and dysfunctional diesel engine alone. To avoid these negative, a permanent spark plug circuit which is active during the starter is designed. With this designed circuit, it has been experimentally determined that the diesel fuel injected from the injector fires earlier than the glow plug. Keywords Diesel Engines, Glow Plug, Flame Type Heater Plug, Flame Start, Starting Ignition Control. Bu çalışmada, soğuk iklim şartlarında bulunan dizel motorlu araçların motorunun ilk harekete geçirilme süreci incelenmiştir. Özellikle soğuk havalarda ve kompresyon performansı azalmış dizel motorlarında soğuk motorun çalıştırılması zorlaşmaktadır. Halihazırdaki dizel motorlarında kullanılan kızdırma bujisi, alevli kızdırma bujisi veya emme manifoldunun elektrikle ısıtılması sistemleri soğuk ve performansı azalmış dizel motorlarının ideal marş süresi içerisinde çalıştırılmasında yetersiz kalmaktadır. Bu olumsuzlukların önüne geçmek amacıyla marş süresince aktif olan daimi kıvılcımlı bir buji devresi tasarlanmıştır. Tasarlanmış olan bu devre ile, enjektörden püskürtülen dizel yakıtının kızdırma bujisine göre daha erken alev aldığı deneysel olarak tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler Dizel Motorları, Kızdırma Bujisi, Alevli Kızdırma Bujisi, İlk Çalıştırma Isıtıcısı, İlk Çalıştırma Ateşleme Kontrolü. I. GİRİŞ Dünya genelinde günden güne artan içten yanmalı motorlu araç sayısına bağlı olarak dizel motorlarının kullanımı yaygınlık göstermektedir. İş makinelerinde, jeneratörlerde, gemilerde, kamyon ve tırlarda baskın olarak kullanılan motor çeşiti dizel motorudur. Günümüz otomobil dünyasında dahi güç ve yakıt ekonomisi bakımından dizel motorlu otomobiller tercih edilir hale gelmiştir. Dizel motorlarının sayıca bu denli artış göstermesi, dizel motorlarının yapısından kaynaklanan sorunlara çözüm arayışlarını hızlandırmıştır. Dizel motorlarının yapısından kaynaklanan önemli sorunlardan bir tanesi de soğuk ilk çalıştırma zorluğudur. Aşırı soğuk iklim şartları ve buna bağlı olarak artan motor yağı viskozitesi, jeneratör gibi araçların uzun bir aradan sonra sadece ihtiyaç halinde çalıştırılması, motor kompresyon ve yakıt enjeksiyonu performansının gitgide azalması, voltaj kaybına uğramış akümülatörün kızdırma bujisini yeterince besleyememesi vs. sebepler dizel motorlarının soğuk ilk çalıştırılmasını daha da zorlaştırmakta hatta ve hatta imkansız hale getirmektedir. Yapılan literatür taramasında, bu sorunların üstesinden gelmek için farklı yöntemlerle araştırmalar yapıldığı görülmüştür. Yao vd. (2017) tarafından yapılan bir çalışmada, kızdırma bujisi destekli sıkıştırma ateşlemesi deneysel olarak incelenmiştir. Kızdırma bujisi bir modül tarafından motor çalıştırıldıktan sonra da aktif tutulmuştur. Bu şekilde motor performansı ve egzoz emisyonu değerleri ölçülmüştür. Ambekar vd. (2015) tarafından yapılan bir çalışmada, sabit hacimde püskürtülen nitrometan, kızdırma bujisi yardımı ile yakılmıştır. Bu yanma sonucunda dizel motorunun az bir ateşleme gecikmesiyle kolaylıkla ateşlenebileceği sonucuna varılmıştır. 129

2 Pastor vd. (2011) tarafından yapılan bir çalışmada, yüksek hızlı, direkt enjeksiyonlu dizel motorları için püskürtmekızdırma bujisi konfigürasyonunun soğuk çalıştırma yanması üzerine etkisi incelenmiştir. Pilot dizel enjeksiyonunun pilot dizel alevinin oluşmasında etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Li vd. (2015) tarafından yapılan bir çalışmada, buji ateşlemeli bir motorun soğuk çalıştırılması sırasında kritik ateşleme ve hatalı ateşleme sınırları incelenmiştir. 16 C den daha soğuk ortamlarda motorun soğuk çalıştırma yardımcıları ile çalıştırılması gerektiği, LPG için kritik ateşleme sıcaklığının ise -13 C olduğu tespit edilmiştir. Broatch vd. (2010) tarafından yapılan bir çalışmada, dizel motorlarının soğuk çalıştırılmasında yakıtın kendiliğinden tutuşması için silindir içerisindeki sıcaklık eşiği bir hesaplama yöntemi ile hesaplanmıştır. Motorun çalıştırılabilmesi için silindir içi sıcaklık eşiğinin 415 C olması gerektiği tespit edilmiştir. Soğuk motorun çalıştırılmasında ön ısıtmanın gerekliliği vurgulanmıştır. Lawler vd. (2018) tarafından yapılan bir çalışmada, benzinli motorda aktif olarak kontrol edilen bir kızdırma bujisi ile oluşan yanmanın ısı salınımı, temel katmanlaşma, verimlilik ve emisyon üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kızdırma bujisi farklı gerilim değerlerinde çalıştırılmıştır. Kızdırma bujisine uygulanan gerilim arttıkça motorun yanma sonu basıncı artmıştır. Kızdırma bujisine uygulanan değişken voltaj, motorun ısı salınım oranını bir noktaya kadar kontrol etme kabiliyetini sunmuştur. Liu vd. (2017) tarafından yapılan bir çalışmada, soğuk ilk çalıştırma şartlarında dizel jetinin ateşleme özellikleri araştırılmıştır. Dizel jeti ateşleme sistemi ile silindir içerisindeki değişkenler simüle edilmiştir. Böylece az miktarda yakıt ile karışım oluşturmanın ateşlemeyi kolaylaştırabileceği sonucuna varılmıştır. Yakıt sıcaklığı ise ateşleme özelliklerini etkileyen önemli bir parametredir. 535 C lik bir ortamda yakıt sıcaklığının her 10 C lik artışı ateşleme zamanında 0,1 ms lik değişime sebep olmuştur. Bundan dolayı dizel yakıtının ısıtılması, dizel motorlarının soğuk çalıştırılması yeteneğini arttırır. Tablo 1. Dizel Motoru Teknik Özellikleri Marka Model DİZEL MOTOR Katana KM 178 FE Silindir Sayısı 1 Yakıt Cinsi Dizel Silindir Çapı (mm) 78 Strok (mm) 62 Sıkıştırma Oranı 18 /1 Silindir Hacmi (cm 3 ) 296 Maksimum Motor Hızı (d/d) 3000 Püskürtme Basıncı (bar) 200 Püskürtme Avansı (KMA) 25 ±1 Hava Filtresi Elektrik Sistemi Çift Elemanlı 12 V 36 Ah Yağ Haznesi Kapasitesi (lt) 1,1 Marş motoru ile çalıştırılan dizel motorunun orijinalinde kızdırma bujisi yoktur. İlk harekette motorun devirlenmesi için emme subabını açık konumda tutan bir mekanizma mevcuttur. Bu mekanizmanın ve motorun genel görünümü Şekil 1 de verilmiştir. II. MATERYAL VE METOT Yapılan deneyde Tablo 1 de teknik özellikleri verilen tek silindirli bir dizel deney motoru kullanılmıştır. Şekil 1. Dizel Deney Motorunun Genel Görünümü Dizel deney motorunun üst kapağı, bir adaptör yardımı ile kızdırma ve ateşleme bujisi monte edilecek şekilde revize edilmiştir. Revize edilen üst kapak Şekil 2 de verilmiştir. 130

3 Şekil 2. Dizel Deney Motorunun Silindir Üst Kapağı Deneyler öncelikle motorun orijinal haliyle, daha sonra ise kızdırma bujisi ve ateşleme bujisi monte edilerek yapılmıştır. Deneyde kullanılan kızdırma bujisi Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 5. Ateşleme Bobini Ateşleme bobini, marş süresince faal olan bir elektronik ünite ile tetiklenmiştir. Kullanılan elektronik ateşleme ünitesi Şekil 6 da verilmiştir. Şekil 3. Kızdırma Bujisi Kızdırma bujisi ile deney yapıldıktan sonra motor üzerindeki adaptörden kızdırma bujisi sökülmüş ve yerine ateşleme bujisi monte edilmiştir. Kullanılan ateşleme bujisi Şekil 4 te verilmiştir. Şekil 6. Elektronik Ateşleme Ünitesi Elektronik ateşleme ünitesine güç girişi, kontak anahtarının marş motoru selenoidine bağlandığı hat üzerinden yapılmıştır. Şekil 7 de bu bağlantı sistemi görüntülenmiştir. Şekil 4. Ateşleme Bujisi Deneylerde ateşleme bujisinin çalıştırılması için bir adet bobin kullanılmıştır. Şekil 5 te bobin gösterilmiştir. 131

4 Kızdırma bujisi ile dizel motorunun çalıştırılmasında şöyle bir durum söz konusudur: Marş esnasında kızdırma bujisi pasif olduğu için, motor ilk sıkıştırma sonu çevriminde çalışmazsa ikinci çevrimde yeni hava dolgusu ile kızdırma bujisi soğumaktadır. Çok silindirli dizel motorlarında ise ancak bir veya iki silindir kızdırma bujisi ile ateşlemeye uygun bir çevrim sürecine denk gelmekdedir. Marş süresince aktif olan daimi kıvılcımlı buji devresi sistemi ile bu olumsuzlukların önüne geçilmiştir. IV. SONUÇLAR Şekil 7. Marş Selenoidi ve Elektronik Ateşleme Ünitesi Deneyler 5 C sabit motor sıcaklığında 3 değişkenli olarak gerçekleştirilmiştir. Deney motorunun kızdırma bujili ve ateşleme bujili görüntüsü Şekil 8 de verilmiştir. Bu çalışmada, marş süresince aktif olan daimi kıvılcımlı buji devresi tasarımının dizel motorlarında kullanılması deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler üç değişkenli olarak gerçekleştirilmiştir. Her üç değişken durumunda dizel deney motorun sıcaklığının 5 C olması sağlanmıştır. Dizel deney motorunun orijinal haliyle ilk hareket süresi 15 saniyedir. Dizel deney motorunun kızdırma bujisi ile ilk hareket süresi 6 saniyedir. Dizel deney motorunun marş süresince aktif olan daimi kıvılcımlı buji devresi ile ilk hareket süresi 3 saniyedir. Dizel deney motorunun kızdırma bujisi ile marş süresinin %60 oranında azaldığı tespit edilmiştir. Dizel deney motorunun marş süresince aktif olan daimi kıvılcımlı buji devresi ile ilk çalışma süresinin %80 oranında azaldığı tespit edilmiştir. Şekil 8. Ateşleme ve Kızdırma Bujisinin Montajlı Görüntüsü III. BULGULAR VE TARTIŞMA Yapılan deneylerde dizel deney motoru öncelikle orijinal haliyle çalıştırılmıştır. 5 C sabit motor sıcaklığında, deney motoru 15 saniye marş süresi sonunda çalışmıştır. Daha sonra 8 saniye boyunca kızdırma bujisini ısıtmak suretiyle deney motoru 6 saniye marş süresi sonunda çalışmıştır. Son olarak ise marş boyunca ateşleme bujisi aktif tutularak deney motoru 3 saniye marş süresi sonunda çalışmıştır. Kızdırma bujisi sistemi ile marş süresince aktif olan daimi kıvılcımlı buji devresi sistemi maliyet bakımından incelendiğinde aralarında kayda değer bir fark bulunmamaktadır. REFERANSLAR [1] Yao, C., Zhou, T., Yang, F., Hu, Y., Wang, J. and Ouyang, M., "Experimental study of glow plug assisted compression ignition", Fuel, 197: (2017). [2] Ambekar, A., Bhangale, R., Chatterjee, R., Kulkarni, C., Kumar, S. and Chowdhury, A., "Glow-plug-assisted combustion of nitromethane sprays in a constant volume chamber", Applied Thermal Engineering, 76: (2015). [3] Pastor, J. V., Garcia Oliver, J. M., Pastor, J. M. and Ramirez Hernandez, J. G., "Ignition and combustion development for high speed direct injection diesel engines under low temperature cold start conditions", Fuel, 90: (2011). [4] Li, Z., Gong, C., Qu, X., Liu, F., Sun, J., Wang, K. and Li, Y., "Critical firing and misfiring boundary in a spark ignition methanol engine during cold start based on single cycle fuel injection", Energy, 89: (2015). 132

5 [5] Broatch, A., Ruiz, S., Margot, X. and Gil, A. "Methodology to estimate the threshold in-cylinder temperature for self-ignition of fuel during cold start of diesel engines", Energy, 35: (2010). [6] Lawler, B., Lacey, J., Güralp, O., Najt, P. and Filipi, Z., "HCCI combustion with an actively controlled glow plug: The effects on heat release, thermal stratification, efficiency, and emissions", Applied Energy, 211: (2018). [7] Liu, F., Zhang, Z., Wua, H., Li, Y., Maa, Y., Li, X. and Dua, W., "An investigation on a diesel jet s ignition characteristics under cold-start conditions", Applied Thermal Engineering, 121: (2017). 133