ĐKĐ ZAMANLI BENZĐNLĐ MOTORDA BUJĐ YERLEŞĐMĐNĐN SĐLĐNDĐR ĐÇĐ YANMA DĐNAMĐĞĐNE ETKĐSĐ

Transkript

1 ĐKĐ ZAMANLI BENZĐNLĐ MOTORDA BUJĐ YERLEŞĐMĐNĐN SĐLĐNDĐR ĐÇĐ YANMA DĐNAMĐĞĐNE ETKĐSĐ Serkan KINDEN 1 1 TUSAŞ Motor Sanayi A.Ş. / Tasarım Direktörlüğü / Aerotermal Mühendislik Müdürlüğü Esentepe Mahallesi Çevreyolu Bulvarı No: Tepebaşı/Eskişehir Türkiye Tel: /2963, E-posta: serkan.kinden@tei.com.tr ÖZET Bu bildiride iki zamanlı bir motorda yapılan buji yerleşim çalışmaları anlatılmıştır. Yapılan çalışmada ticari bir yanma analiz programı kullanılmış ve yanma analizi çalışmalarına göre buji yerleşiminin belirlenmesi ve motorun yakıt sarfiyatının ve performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmaya konu olan motor; iki zamanlı, iki silindirli, doğal emişli, port yakıt enjeksiyonlu, port akışlı bir benzinli havacılık motorudur. Geçici bir motor geometrisi üzerinde yapılan çalışmada buji yerleşiminin farklı versiyonlarıyla ticari yanma analiz programı kullanılarak analizler yapılmıştır. Öncelikle referans bir yerleşim ile analizler yapılmış, çıkan sonuçlar da göz önünde bulundurularak iki farklı buji yerleşim değişikliği yaklaşımı denenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu çalışma sonucunda, buji yerleşiminin yanma dinamiğine ve dolayısıyla motor performansına etkisi ile ilgili bilgi birikimi ve yaklaşım oluşturulması amaçlanmıştır. Anahtar Kelimeler 2 Zamanlı Motor, Silindir içi Akış Analizi, Silindir içi Yanma Analizi, Buji Yerleşimi GĐRĐŞ Bilindiği üzere benzinli motorlardaki yanma prosesi, buji tarafından oluşturulan alevin ilerlemesiyle elde edilmektedir. Dizel motorlardan farklı olarak buji ateşlemesi gerçekleştirilene kadar, silindir içerisinde herhangi bir alev oluşumu istenmemekte, alev oluşum zamanının elektronik veya mekanik şekilde kontrol altında tutulması amaçlanmaktadır. Buji ateşlemesi, buji tırnaklarının arasında elektrik arkı oluşturulmasıyla gerçekleştirilmektedir. Elektrik arkıyla tırnaklar arasındaki yakıt/hava karışımı alev almakta ve oluşan alev önündeki yakıt/hava karışımını yakarak silindir içerisine ilerlemektedir. Bu nedenle, buji tırnakları arasında kalan bölgenin silindir içerisindeki konumu, alevin silindir hacmindeki dağılımı ve dolayısıyla yanma süresi, zamana bağlı silindir içi basınç değişimi, yakıt tüketimi, motorun indike gücü vs. performans parametrelerini etkileyebilmektedir. 021

2 1. LĐTERATÜR ÖZETĐ Daha önce benzer alanlarda yayınlanmış olan 2 zamanlı motor buji sayısı ve yerleşimi hakkındaki farklı makaleler incelenmiştir yılında Hardik A. Patel ve J. J. Goswami [1] nin yayınladığı makalede, iki zamanlı benzinli motorlarda yapılan daha önceki çalışmalara değinilmiştir. Bu çalışmalar arasından Atilla Bilgin, Đsmail Altın ve Đsmet Sezer [2] in yayınladığı 2009 tarihli yayında, buji yerleşiminin SI motorların yanma ve egzoz emisyon karakteristiğine etkisi üzerinde durulmuştur. Bu yayında 0D diferansiyel denklemler kullanılarak çalışma yapılmıştır. Yine F. Bozza, A. Gimelli, D. Siano, E. Torella [3] tarafından yayınlanan 2004 tarihli çalışması da incelenmiştir. Bu çalışmada bir SI motorun tasarımında buji ateşlemesinin yanma hızına etkisi üzerinde durulmuş ve hem test hem de analiz çalışmaları ile incelemeler gerçekleştirilmiştir. Bu bildiride ise, çift bujili iki zamanlı bir benzinli motorun buji yerleşiminin yanma karakteristiğine etkisi üzerinde durulacak ve bu etkilerin nedeni incelenecektir. 2. MESH ÇALIŞMALARI Bu çalışma kapsamındaki ön tasarım motor geometrisi, uygun formatta alınmış ve silindir içi akış & yanma analizlerinde kullanılan programa aktarılmıştır. Mevcut ön tasarım geometrisi, analizlerdeki akış dinamiğinden dolayı farklı alt akış hacimlerine bölünmüştür. Farklı bölgelere bölünen herbir akış hacmi için kapalı yüzey geometrisi oluşturulduktan sonra herbir alt hacim için mesh oluşturulmuştur. Oluşturulacak olan mesh için akış karakteristiğine uygun şekilde mesh sıklaştırmaları yapılmış ve tahmini akış hızları göz önünde bulundurularak sıklaştırma derinlikleri ayarlanmıştır. Yine herbir duvar yüzeyi için bir katmanlık ince duvar temas bölgesi mesh boundary layer sıklaştırması yapılmıştır. Oluşturulan alt akış hacmi mesh yapıları, akış karakteristiğine uygun şekilde birbirleriyle ilişkilendirilmiş, yüzeyler arasında geometriden kaynaklanan kaçıklıklar varsa mapping işlemi ile düzeltilmiş ve temas bölgelerinde arbitrary arayüz mesh birleştirme işlemi yapılması sağlanmıştır. Bütün bu işlemler sonucunda tüm alt akış hacimleri birleştirilmiş ve motorun akış hacmi mesh yapısı bütünü elde edilmiştir. Şekil.1 Ön tasarım seviyesinde motor geometrisi & birleştirilmiş mesh yapısı Birleştirilen ve birbirleriyle ilişkilendirilen mesh yapısı, motorun tüm krank açıları boyunca krank dinamiğine göre hareketli hale getirilmiştir. Bu nedenle, krank mekanizması hareketi tanımlanmış ve krank açısına bağlı olarak hareket ettirilerek dinamik mesh elde edilmiştir. 3. SĐMULASYON PARAMETRELERĐNĐN BELĐRLENMESĐ Oluşturulan dinamik mesh domain üzerinde koşulacak simülasyonun ayarları yapılmış, initial şartlar ve sınır şartları tanımlanmıştır. Motorun transient analizinin yapılacağı maksimum motor devrinde, krank açısı adımı ve simülasyon süresi aralığı belirlenmiştir. Initial şartların ve sınır şartlarının belirlenmesinde başka bir programda hazırlanan 1D motor modelinden elde edilen datalar kullanılmıştır. Motorun ön tasarım 1D modeli oluşturulmuş, istenilen çalışma şartlarında motorun çalışması temel düzeyde modellenmiştir. 3D akış & yanma analizi yapılacak maksimum motor devrinde gerekli boundary ve initial değerleri elde edilmiştir. 022

3 Lineer çözücü algoritması, tüm denklemler için GSTB (Gauss Seidel) seçilmiş ve maksimum iterasyon sayıları sınırlandırılmıştır. Yakınsama kriterleri (convergence criteria) de uygun şekilde belirlenmiştir. 4. REFERANS BUJĐ YERLEŞĐMĐ ANALĐZĐ Çalışma kapsamında, oluşturulan ön tasarım motor geometrisi üzerinde ilk çift buji yerleşimi yapılmıştır. Đlk buji yerleşimlerinde, benzer motorlardaki yerleşimler de incelenmiş ve referans buji yerleşimi tahminen belirlenmeye çalışılmıştır. Şekil.2 Ön tasarım seviyesinde 1D motor modeli Analiz dahilinde çözülecek denklemler olarak momentum & süreklilik (continuity), türbülans, enerji, total entalpi, viskoz ısınma (viscous heating), basınç işi (pressure work) ve skaler (scalar) denklemleri aktifleştirilmiştir. Sıkıştırılabilir akış belirlenmiş, çözümlerde çift kademe basınç düzeltme (two stage pressure correction) devreye alınmış ve simple algoritması kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak ise k-zeta-f modeli seçilmiştir. Akış denklemleri dışında kullanılacak diğer alt modüller belirlenmiş, kimyasal tür geçişi (species transport) ve yanma (combustion) modülleri aktifleştirilmiş ve ayarları yapılmıştır. Yanma modeli olarak ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model Three Zoned) modeli seçilmiş, buji ateşleme algoritması (spark plug ignition) olarak ise spherical model kullanılmış ve ateşleme zamanı, ateşleme süresi ve alev çapı belirlenmiştir. Ayrıklaştırma şeması (Differencing Scheme) olarak süreklilik denklemi için Central Differencing kullanılmış, diğer denklemler için Minmod Relaxed ikinci derece hibrit ayrıklaştırma şeması kullanılmıştır. Referans yerleşime göre belirlenen buji tırnakları arasında kalan kıvılcım oluşum noktası konumları, simülasyon parametreleri içerisinde belirtilmiştir. Referans çift buji yerleşimine göre silindir içi akış & yanma analizleri koşulmuş ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Referans buji yerleşimiyle elde edilen silindir içerisindeki yanma ilerlemesi (reaction progress variable) parametresinin değişimi incelenmiştir. Şekil CA, CA, CA, CA Şekil CA, CA, CA, CA Şekil.4 Referans buji yerleşimi analizleri, krank açısına bağlı yanma ilerleme parametresi dağılımı (üst kesit) Referans buji ateşleme hizasına tekabül eden hizadaki Y ekseni kesitinde (silindire üstten bakış), CA aralığında 10CA aralıklarla analiz görüntüsü alınmıştır. 330CA ateşleme zamanında alev oluşmaya başlarken 363CA zamanında yaklaşık %10 yanma değerine ulaşılmıştır. %90 yanma seviyesine ise yaklaşık 385CA zamanında ulaşılırken 390CA zamanında %97 yanma gerçekleşmiştir. %10-90 yanma arası yani ana yanma süresi 22CA olarak elde edilmiştir. Şekil.3 MinMod Relaxed (mavi şema) 2. derece TVD Ayrıklaştırma Şeması [4] 023

4 Şekil CA, CA, CA, CA Şekil.5 Referans buji yerleşimi analizleri, 370CA zamanında yanma ilerleme parametresi dağılımı (yan kesit) Motorun X eksenindeki orta kesitinde (yandan bakış), ana yanma süresinin ortalarına tekabül eden 370CA zamanında silindir içerisindeki alevin, silindir içi akıştan dolayı silindir kafa duvarlarına doğru yayıldığı gözlemlenmiştir. Şekil.6 Referans buji yerleşimi analizleri, 370CA zamanında silindir içi hız vektörleri (yan kesit) Silindir içerisindeki akış yanmayı içten dışa doğru yönlendirmektedir. Akış çizgilerine bakıldığında, kafa duvarına yakın şekilde yerleştirilmiş olan bujilerin oluşturduğu alevin duvar kenarından aşağıya doğru ilerlediği görülmektedir. 5. BUJĐLERĐN SĐLĐNDĐR ĐÇERĐSĐNE DALDIRILMASI Đkinci buji yerleşiminde bujilerin silindir içerisine 5mm daldırılması durumu incelenmiştir. Bu yerleşimi analiz ederek bujilerin silindir içerisine daldırılmasının yanma performansını nasıl etkileyeceği ile ilgili deneme yapılmıştır. Buji tırnakları arasında kalan bölgenin konumu, bujinin dalma açısı doğrultusunda 5mm ilerletilmesiyle elde edilmiştir. Buji tırnakları arasında kalan kıvılcım oluşum noktası konumları, simülasyon parametreleri içerisinde belirtilmiştir. Daldırılmış buji yerleşimine göre silindir içi akış & yanma analizleri koşulmuş ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Şekil CA, CA, CA, CA Şekil.7 Silindir içerisine daldırılmış buji yerleşimi analizleri, krank açısına bağlı yanma ilerleme parametresi dağılımı (üst kesit) Referans buji ateşleme hizasına tekabül eden hizadaki Y ekseni kesitinde (silindire üstten bakış), CA aralığında 10CA aralıklarla analiz görüntüsü alınmıştır. Böylelikle referans analizlerle buji konumu değiştirilmiş analizlerin birebir karşılaştırılması amaçlanmıştır. Daldırılmış buji yerleşiminde, buji konumu referans yerleşime göre daha aşağıda kaldığı için buji oluşumu net olarak görülememektedir. 330CA ateşleme zamanında buji ateşlemesiyle alev oluşmaya başlarken ancak 366CA zamanında yaklaşık %10 yanma değerine ulaşılmıştır. %90 yanma seviyesine ise yaklaşık 387CA zamanında ulaşılırken 390CA zamanında %95 yanma gerçekleşmiştir. %10-90 yanma arası yani ana yanma süresi 21CA olarak elde edilmiştir. Yanma süresinde 1CA çok az bir iyileştirme olmuşken, alev oluşumu süresinde ise 3CA gecikme gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Şekil.8 Silindir içerisine daldırılmış buji yerleşimi analizleri, 370CA zamanında yanma ilerleme parametresi dağılımı (yan kesit) Motorun X eksenindeki orta kesitinde (yandan bakış), ana yanma süresinin ortalarına tekabül eden 370CA zamanında silindir içerisindeki alevin, silindir içi akıştan dolayı silindir kafa duvarlarına doğru yayıldığı gözlemlenmiştir. Referans buji yerleşimiyle elde edilen silindir içerisindeki yanma ilerlemesi (reaction progress variable) parametresinin krank açısına bağlı olarak değişimi incelenmiştir. 024

5 Şekil.9 Silindir içerisine daldırılmış buji yerleşimi analizleri, 370CA zamanında silindir içi hız vektörleri (yan kesit) Bujilerin silindir içerisine daldırılmasıyla oluşan alevin silindir içi akış nedeniyle silindir merkezinden daha da uzaklaştığı görülmüştür. Akış çizgilerine bakıldığında, yanma dinamiğinin değişmesi akış karakteristiğinde ciddi bir değişime neden olmamıştır. Merkeze yaklaştırılmış buji yerleşiminde, buji konumu referans yerleşime göre yaklaşık olarak benzer seviyelerdedir. 330CA ateşleme zamanında buji ateşlemesiyle alev oluşmaya başlarken 364CA üst ölü noktada yaklaşık %10 yanma değerine ulaşılmıştır. %90 yanma seviyesine ise yaklaşık 384CA zamanında ulaşılırken 390CA zamanında %98 yanma gerçekleşmiştir. %10-90 yanma arası yani ana yanma süresi 20CA olarak elde edilmiştir. Yanma süresinde az da olsa bir iyileşme sağlanmıştır. 6. BUJĐLERĐN SĐLĐNDĐR MERKEZĐNE YAKLAŞTIRILMASI Bujilerin silindir içerisine daldırılmasının yanma dinamiğine pozitif etki etmemesi nedeniyle bir sonraki aşamada buji konumlarının silindir merkezine yaklaştırılması denenmiştir. Bu değişiklikteki amaç, buji yerleşiminin silindir içi akışa daha uygun şekilde yapılmasıyla istenilen yanma ilerlemesinin sağlanmasıdır. Şekil.11 Silindir merkezine yaklaştırılmış buji yerleşimi analizleri, 370CA zamanında yanma ilerleme parametresi dağılımı (yan kesit) Motorun X eksenindeki orta kesitinde (yandan bakış), ana yanma süresinin ortalarına tekabül eden 370CA zamanında silindir içerisindeki alevin, silindir içi akıştan dolayı silindir kafa üst yüzeyine doğru ilerlediği gözlemlenmiştir. Referans buji yerleşimiyle elde edilen silindir içerisindeki yanma ilerlemesi (reaction progress variable) parametresinin krank açısına bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Şekil CA, CA, CA, CA Şekil CA, CA, CA, CA Şekil.10 Silindir merkezine yaklaştırılmış buji yerleşimi analizleri, krank açısına bağlı yanma ilerleme parametresi dağılımı (üst kesit) Referans buji ateşleme hizasına tekabül eden hizadaki Y ekseni kesitinde (silindire üstten bakış), CA aralığında 10CA aralıklarla analiz görüntüsü alınmıştır. Böylelikle referans analizlerle buji konumu değiştirilmiş analizlerin birebir karşılaştırılması amaçlanmıştır. Şekil.12 Silindir merkezine yaklaştırılmış buji yerleşimi analizleri, 370CA zamanında silindir içi hız vektörleri (yan kesit) Silindir içerisindeki yanma karakteristiğinin silindir içi akışı etkilediği durumuyla karşılaşılmıştır. Bujilerin birbirine yaklaştırılmasıyla oluşan alevin silindir içi türbülans yaratmasıyla alev oluşum bölgesi çevresinde iki ayrı girdap oluşmuştur. Bu durum sonucunda, akışın kafa duvarından aşağı doğru inmesi yerine üst yüzey bölgesini sardığı görülmüştür. Böylece ana yanma süresinde bir miktar iyileşme elde edilmiştir. 025

6 7. ANALĐZ SONUÇLARININ KARŞILAŞTIRILMASI Referans buji yerleşimiyle farklı buji yerleşimi denemeleri karşılaştırılmış ve buji yerleşiminin motorun performans parametrelerine etkisi incelenmiştir. Yapılan analizlerde elde edilen yanma ilerleme parametresinin karşılaştırması yapılmıştır. Şekil.13.1-Referans, 13.2-Daldırılmış, 13.3-Yaklaştırılmış Şekil.13 Referans yerleşim, Silindir içerisine daldırılmış yerleşim ve Silindir merkezine yaklaştırılmış yerleşim analizleri karşılaştırması, Yanma ilerleme parametresi Yanma ilerlemesine bakıldığında bujilerin silindir içerisine daldırılması yanmanın ilerlemesini kötü yönde etkilemiş ve silindir üst ölü hacminin merkezindeki yakıt/hava karışımının geç yanmasına neden olmuştur. Yanma dinamikleri sonucunda silindir içerisinde elde edilen ortalama basınç eğrisinin krank açıları boyunca değişimi incelenmiştir. Yapılan incelemede bujilerin silindir içerisine daldırıldığı analizin sonuçları (R1) referans analiz sonuçlarıyla (R0) karşılaştırıldığında maksimum silindir içi basıncın düştüğü görülmüştür. Referans buji yerleşiminde maksimum 43bar elde edilen ortalama basınç değeri, daldırılmış versiyonda 41bar maksimum basınca gerilemiştir. Diğer yandan, bujilerin merkeze yaklaştırıldığı analizin sonuçları (R2) referans analiz sonuçlarıyla (R0) karşılaştırıldığında maksimum silindir içi basınçta bir miktar artış gözlemlenmiştir. Referans buji yerleşiminde maksimum 43bar elde edilen ortalama basınç değeri, yaklaştırılmış versiyonda 46bar maksimum basınca yükselmiştir. Elde edilen silindir içi ortalama basınç değerleri, silindir içi hacim değişimine bağlı olarak çizdirilmiş ve P-V diyagramları elde edilmiştir. R2 R0 R1 Bunun nedeni olarak silindir içerisindeki akışın buji alevini dışa doğru sürüklemesi olarak görülmüştür. Bu nedenle, bujilerin merkeze kaydırılması çalışılmış ve bujilerin merkeze yaklaştırılmasıyla yanmanın silindir üst ölü hacmine daha iyi yayılması sağlanmıştır. R2 R0 R1 Şekil.15 Referans yerleşim, Silindir içerisine daldırılmış yerleşim ve Silindir merkezine yaklaştırılmış yerleşim analizleri karşılaştırması, P-V diyagramları Üç farklı versiyon arasında karşılaştırma yapıldığında elde edilebilecek maksimum basınç işinin bujilerin merkeze yaklaştırılmasıyla elde edileceği sonucuna varılmıştır. Bujilerin merkeze yaklaştırılmasıyla motor gücünde yaklaşık 1HP güç artışı sağlanmıştır. Şekil.14 Referans yerleşim, Silindir içerisine daldırılmış yerleşim ve Silindir merkezine yaklaştırılmış yerleşim analizleri karşılaştırması, Silindir içi basınç eğrisi Bujilerin silindir içerisine daldırılmasıyla ise P-V diyagramından da görüleceği üzere, pistondan elde edilebilecek basınç işi düşecektir. Bu yerleşimle, referans buji yerleşimine oranla motorun gücünde 0.7HP güç düşüklüğü olacağı görülmüştür. 026

7 8. SONUÇ Referans buji yerleşimiyle farklı buji yerleşimi denemeleri karşılaştırılmış ve buji yerleşiminin motorun performans parametrelerine etkisi incelenmiştir. Buji yerleşiminin yanma ilerlemesini nasıl etkilediği belirlenmeye çalışılmış, yanma-akış etkileşimine göre uygun buji ateşleme konumu ayarlanmaya çalışılmıştır. Motor geometrisi üzerinde yapılan ön çalışmayla, herhangi bir buji yerleşimi tasarım çalışmasında nelere dikkat edilmesi gerektiği ve uygun konumun nasıl belirleneceği netleştirilmiştir. Bujilerin silindir içerisine daldırılmasından negatif etki görülmüş, fakat bujilerin akışa uygun şekilde merkeze yaklaştırılmasından pozitif etki alınmıştır. Bujilerin merkeze yaklaştırıldığı yerleşimle motor gücünde 1HP güç artışı sağlanmıştır. 9. REFERANSLAR [1] Patel H. A., Goswami J. J., Performance and Emission Analysis of Two Stroke Dual and Triple Spark plug Single Cylinder SI Engine with Gasoline fuel, IJSRD - International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 1, Issue 12, 2014, ISSN (online): , (2014). 10. ÖZGEÇMĐŞLER Serkan KINDEN 18 Mart 1982 yılında Đzmir de doğmuştur yılında Đstanbul Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü nden mezun olmuştur. Eylül Mart 2006 tarihleri arasında Sistem Teknik Endüstriyel Fırınları A.Ş. firmasında mekanik tasarım mühendisi olarak çalışmıştır yılında askerlik görevini tamamlamıştır. Ocak Temmuz 2007 tarihleri arasında Bosch Rexroth firmasının ana bayisi olan Hipaş Hidrolik A.Ş. firmasında proje ve satış mühendisliği yapmıştır. Ekim Aralık 2011 tarihleri arasında BMC Sanayi ve Ticaret A.Ş. firmasında motor & aktarma organları tasarım sorumlusu görevini yürütmüştür. Ocak 2012 tarihinde Tusaş Motor Sanayi A.Ş. (TEI) firmasına geçmiştir ve Ocak Ağustos 2016 tarihleri arasında kıdemli performans & kalibrasyon mühendisi olarak çalışmıştır. Şu anki çalışma hayatına, Ağustos 2016 tarihinden bu yana kıdemli akış & yanma analiz mühendisi olarak devam etmektedir. [2] Bilgin A., Altın Đ., Sezer Đ., Investigation of the Effect of Dual Ignition on the Exhaust Emissions of an SI Engine Operating on Different Conditions by Using Quasi-dimensional Thermodynamic Cycle Model, CODEN STJSAO, ZX470/1404 ISSN UDK : , (2009). [3] Bozza F, Gimelli A, Torella E and Mastrangelo G, A quasi-dimensional three zone model for performance and combustion noise evaluation of a twin spark high EGR engine, SAE paper no , (2004). [4] Versteeg, H. K., Malalasekera, W., An Introduction To Computational Fluid Dynamics The Finite Volume Method, Second Edition 2007, (2007). 027