DİREKT PÜSKÜRTMELİ BENZİNLİ MOTORLARIN TASARIM VE PERFORMANS AÇISINDAN İNCELENMESİ

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi Haziran 2006, BURSA DİREKT PÜSKÜRTMELİ BENZİNLİ MOTORLARIN TASARIM VE PERFORMANS AÇISINDAN İNCELENMESİ A. Necati Özsezen*, Mustafa Çanakçı*, Cenk Sayın ** *Kocaeli Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 41380, Umuttepe-İzmit ** Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 34722, Göztepe-İstanbul ÖZET Direkt püskürtmeli (DP) benzinli motorların, yakıt ekonomisi sağlaması, motor geçiş devirlerine hızlı cevap verebilmesi, ilk çalışma anındaki egzoz emisyonları azaltması gibi avantajlar sergilemesi, motor üreticilerinin bu motorlar üzerine araştırma eğilimini artırmıştır. Genelde içten yanmalı motorlar laboratuarlarındaki araştırmalar, silindirdeki hava-yakıt karışım prosesini geliştirmeye yöneliktir. DP benzinli motorlarda, yakıtın püskürtme karakteristiklerine bağlı olarak atomizasyon oranın, buharlaşma hızının ve volumetrik verimin artması, motor tasarımına bağlı olarak hava hareketlerinin kontrol edilebilmesi karışım oluşumunu geliştirmiştir. Bu makalede, literatür temel alınarak gelişen DP benzinli motor teknolojisi ile emme manifolduna püskürtmeli (EMP) sistem, karışım oluşumu ve motor performansı açısından karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Direkt Püskürtme, Benzinli Motorlar, Tasarım, Performans INVESTIGATION OF GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE WITH RESPECT TO DESIGN AND PERFORMANCE ABSTRACT Gasoline direct injection (GDI) engines has exhibited advantages such as providing fuel economy, rapid responding to changing in engine speed, reducing exhaust emissions at starting engine run, so research trend of the engine manufacturers have increased on this engine. Generally, the researches in internal combustion engines laboratories focus on developing of air-fuel mixing process in cylinders. The improved fuel injection characteristics in GDI engines such as increasing atomization ratio, evaporation speed, volumetric efficiency and turbulence control have developed mixture formation. In this paper, based on the literature advanced GDI technology and port fuel injection (PFI) have been compared with respect to mixture formation and engine performance. Keywords: Direct Injection, Gasoline Engine, Design, Performance 1. GİRİŞ Yıllardır taşıt üreticilerinin hedefi; buji ateşlemeli motorlardaki yanma kontrolü, çeşitli devirler arasındaki geçiş kolaylığı, dizel motorların düşük emisyon değerleri, yüksek yakıt ekonomisi ve çıkış gücü gibi avantajları bir araya getirerek içten yanmalı motorlarda optimum değerleri yakalayabilmektir öncesinde DP benzinli motorlar üzerine çalışmalar yapılmasına rağmen, geçtiğimiz 15 yıl içerisinde otomotiv endüstrisi, DP buji ateşlemeli motorlara olan ilginin yeniden dirilişine şahitlik etmiştir. Bu ilgideki en temel etken Japon motor üreticisi Mitsubishi nin pazara başarılı bir DP buji ateşlemeli motor ile girmesidir. Birçok motor araştırma merkezinde bu konu ile ilgili çalışmalarda bir patlama yaşanmaktadır. 87

2 Günümüzde DP benzinli motorlar, üretici firmanın araştırmalarına bağlı olarak çok farklı sistem özellikleri sergileyebilmektedir. Fakat tüm DP sistemler, homojen ve katmanlı karışım olmak üzere iki temel karışım oluşumu gerçekleştirmektedirler. Çok noktadan EMP li motorlarda yakıt, emme zamanının başlaması ile birlikte emme kanalına püskürtülmektedir. DP sistemde ise motor tam yük altında çalışır iken emme zamanında yakıt püskürtülmekte, böylece emme zamanın sonunda homojen bir karışım elde edilmektedir. DP sistemin homojen çalışma periyodu, karışım hazırlama ve yanma süreci açısından EMP li sisteme çok benzemektedir. Fakat DP motorlar kısmi yükte ve düşük devirlerde çalışır iken karışım hazırlama ve yanma süreci bakımından DP dizel motorlara benzemektedirler. DP buji ateşlemeli motorların karışım oluşturma işlemi ve yanma karakteristikleri EMP li sisteme oranla vuruntuyu önleyici bir etkiye sahiptir. Yanma odasına püskürtülen yakıt buharlaşarak dolgu havasının sıcaklığını düşürmekte, bu durum benzinli motorlardaki vuruntu eğilimini önemli derecede azaltmaktadır. Bu azalma benzinli motorlarda sınırlı olan sıkıştırma oranının artırılmasına müsaade etmektedir. Ayrıca silindir içerisindeki havanın soğuması, DP bir motorun volumetrik verimini çok noktadan EMP sistemine göre artırmaktadır. Volumetrik verimin artmasında en önemli etken, emme zamanında püskürtülen yakıtın buharlaşması ile ortamdan ısı çekilmesinden dolayı, emme supabının açık kaldığı sürede atmosfer havası ile silindir basıncı arasındaki fark biraz daha sabit kaldığından silindir içerisine alınan hava miktarının artmasına sebep olmaktadır. Özellikle motorun tam yük çalışma koşullarında silindir içerisine daha fazla hava alınması, stokiyometrik veya biraz daha fakir homojen bir karışım elde edilmesine yol açmaktadır. Bu durum, yüksek devirli benzinli motorların tam yük çalışma koşulları için önemli bir gelişmedir. Aynı zamanda bu hal yüksek motor çıkış gücü de sağlamaktadır [1, 2, 3]. 2. DP BENZİNLİ MOTORLARDA KARIŞIM OLUŞUMU Katmanlı karışım oluşum sisteminde, motor tam yükte çalışırken homojen bir karışım elde edebilmek için yakıt emme zamanında püskürtülmektedir. Erken püskürtme ile motor tüm tam yük çalışma periyodunda stokiyometriye yakın hava- yakıt karışımı ile çalışmaktadır. Kısmi yüklerde ve düşük devirlerde ise yakıtı sıkıştırma zamanında püskürterek katmanlı havayakıt karışımı elde edilmektedir. Bujinin etrafında yakıtça zengin hava-yakıt karışımı oluşurken hava dolgusunun diğer katmanlarında yeterli hava-yakıt karışımının sağlanamaması amaçlanmaktadır. Bu durum üç yollu katalitik konvertör oksidasyon modunda çalışmasına yol açmaktadır. Bu yüzden egzoz çıkışındaki NO x miktarının düşük olabilmesi için katmanlı karışımın belirli bir kararlılık içerisinde tutulabilmesi gerekmektedir [4, 5]. DP buji ateşlemeli motorlar kısmi yüklerde katmanlı karışım dolgusu oluşturarak, ortalama 30 40:1 (λ=2 3) gibi oldukça fakir karışım ile çalışmaktadır. Normal şartlar altında buji ateşlemeli motorlarda böyle bir karışımın yanması mümkün değildir. Böyle bir karışımın yanabilmesi için buji etrafında yakıtça zengin bir karışım oluşturulurken, yanma odasının geri kalan hacminde yakıtça fakir bir karışım oluşturulmaktadır. Bujinin etrafındaki yakıt yanarak silindirin diğer bölgelerindeki fakir karışımların tutuşturulmasında bir kıvılcım etkisi yapmaktadır. Homojen karışım periyodunda ise genellikle stokiyometrik hava-yakıt 14,5:1 (λ=1) karışımlarında çalışmaktadır [6, 7]. Şekil 1 de DP benzinli motorlarda kullanılan karışım oluşumları gösterilmektedir. Şekil 1. DP benzinli motorlarda kullanılan karışım oluşumları [2] 88

3 Bu oluşumlar EMP buji ateşlemeli motorların çalışmasında kontrol elemanı olarak kullanılan kelebeğe olan ihtiyacı azaltmaktadır. EMP benzinli motorlarda yük kontrolünün kelebek ile yapılması, özellikle düşük devirlerde pompalama kayıpları oluşturmakta ve termik verimde azalma meydana getirmektedir. DP sistemde yakıt-hava karışımının silindirden silindire değişimi de EMP sisteme nazaran daha azdır. Bunun yanında, DP benzinli motorlarda memnun edici bir çalışma elde edilebilmesi için silindirdeki hava akışının yakıtın püskürtüleceği noktaya doğru çok hassas ayarlanması ve yakıt enjektörünün emme manifolduna yakın tasarlanması gerekmektedir [8]. 3. DP BENZİNLİ MOTORLARIN TASARIM AÇISINDAN İNCELENMESİ Günümüz DP buji ateşlemeli motorlarda kullanılan katmanlı karışım oluşumu ilk olarak Japon motor üreticisi Mitsubishi şirketi tarafından hayata geçirilmiştir. Şirket bu tasarımı ile önemli bir patent sahibidir. Şekil 2 de Mitsubishi Motor şirketinin patentini aldığı DP motora ait hava ve yakıt besleme sistemi genel olarak gösterilmektedir [4]. Şekil 2. Mitsubishi Motor firmasının DP benzinli motor tasarımı [9] DP buji ateşlemeli motorlarda da benzinin yanma odasına yüksek basınçta püskürtülebilmesi için aynı dizel motorlarında olduğu gibi yüksek basınç pompasına ihtiyaç vardır. Dizel motorlarındaki yüksek basınç pompası, MPa veya üzerindeki basıncı zorlanmadan üretebilmektedir. Bununla birlikte benzinli motorlardaki yüksek basınç pompası için kritik nokta 5 20 MPa arasındadır [10]. DP sistemin yüksek basınç pompası hareketini krank milinden aldığından dolayı elde edilebilecek motor momentinde küçük bir azalmaya neden olmaktadır. Aynı zamanda yakıt tüketiminde ve egzoz emisyonlarında küçük bir artış ortaya çıkmaktadır. Buna rağmen DP buji ateşlemeli motorlar hem yakıt tüketimi hem de egzoz emisyonları açısından çok noktadan EMP sistemine oranla daha iyidir [8]. Yüksek basınç pompasının plancırı ve gövdesi arasındaki kayan yüzeylerde sürekli hidrodinamik yağlamanın olması gerekmektedir. Dizel motorlarda yüksek basınç pompa elemanları (plancır, gövdesi vb. gibi) dizel yakıtının yağlama özelliği kullanılarak yağlanır. Son zamanlardaki egzoz emisyon düzenlemeleri ile dizel yakıtının içeriğindeki sülfür seviyesinin düşürülmesinden dolayı dizel yakıtının yağlayıcı özelliği azalmıştır. Sülfürsüzleştirme prosesiyle motorinden nitrürler, oksitler ve aromatik organikler gibi bileşiklerin çıkarılması, geleneksel dizel yakıtına nazaran daha düşük yağlayıcı özelliğe sahip bir yakıt meydana getirmektedir. Bu düzenlemeye rağmen motorinin yağlayıcı özelliği benzine göre çok daha yüksektir. Benzinin akıcılığından dolayı yüksek basınç pompa sisteminin elemanlarında sızıntı problemi meydana gelmekte, pompanın püskürtme için gerekli olan yüksek basıncı üretme kabiliyeti azalmaktadır. Bir müddet sonra da oluşan aşıntılar pompanın gerekli püskürtme basıncını üretememesine 89

4 yol açmaktadır. DP benzinli motorlarda kullanılan yakıt pompası benzinin bu eksikliğini giderecek aşınmayı önleyici teknolojinin gelişimine ihtiyaç duymaktadır. Tam tersi bir durumda çok yüksek basınçla püskürtülen yüksek akıcılığa sahip benzinin yağlama yağına karışması durumunda ise kam mili, yataklar, krank mili vb. gibi kısımlarda bulunan yağlama filmi, benzinin içerisinde bulunan deterjan bileşikleri tarafından birçok noktadan kırılmaya maruz kalmaktadır. Pompa elemanlarında yağlama yağı kullanılması durumunda, yağlama yağı yakıt sistemi içerisine sızmakta yanan yağlar katalitik konvertöre ciddi zarar vermektedir. Bu nedenle, DP benzinli motorlarda yakıt sistemi yağlama sisteminden tamamen ayrılması gerekmektedir. DP buji ateşlemeli motorların gelişmesinde anahtar teknolojilerden biri yüksek basınçlı yakıt pompasıdır [11]. DP benzinli motorlarda düşük ısı kayıplı bir yanma gerçekleşebilmek için yakıt enjektörü, yüksek sıcaklığa sahip egzoz supabının yakınına monta edilmeyerek, tercihen silindir merkezinde, bujiye yakın bir konuma yerleştirilmesi istenmektedir. Bu tercihin bir sonucu olarak enjektörün yeri emme supabı tarafındadır. Yakıt emme supabı tarafına püskürtüldüğü için piston çanağındaki iç bükey oyukluk emme supabına doğru olması gerekmektedir. Bu tip motorlarda özellikli piston çanak tasarımı oldukça önemlidir. Aynı zamanda, geleneksel emme manifoldu kullanıldığında, piston oyuğu döngüsel hava akışını yavaşlatmaktadır. DP buji ateşlemeli motorlarda emme manifoldu yanma odasına dik olarak imal edilmekte, böylece geleneksel döngüsel hava akışının tersine bir akış elde edilmektedir [12]. Şekil 3 de DP ve EMP buji ateşlemeli motorlarda kullanılan emme manifoldu tasarımının karşılaştırılması gösterilmektedir. EMP sistemde hava döngüsü DP sistemde hava döngüsü Şekil 3. DP ve EMP sistemlerde kullanılan emme manifoldu tasarımının karşılaştırılması [13] DP sistemde döngüsel olarak hareket eden hava akımları içerisine püskürtülen yakıt molekülleri bujiye doğru hareket etmekte ve daha sonra piston oyuğuna çarpmaktadır. Katmanlı karışımın kolayca yanabilmesi için silindir basıncının 3 10 bar olduğu zaman diliminde yakıtın püskürtülmesi gerekmektedir. Homojen karışım periyodunda silindir basıncının 1 bar civarında olması istenmektedir. İki püskürtme arasındaki bu basınç farkı homojen dolgu oluşumuna yardım etmektedir. Ayrıca, emme zamanında püskürtme işleminin yapılmasıyla yakıtın buharlaşması için gerekli ısı dolgu havasından çekilerek iki önemli yarar kendiliğinden oluşmuş olur. Birincisi; DP sistem, çok noktadan EMP sistemle karşılaştırıldığında volumetrik verimde yaklaşık %5 oranında bir artma, İkincisi, sıkıştırma zamanı sonundaki gaz sıcaklığı yaklaşık 30K azaldığından motorun vuruntu eğiliminde azalma olmaktadır [6, 14]. DP sistemler gelişme süreci içerisinde, enjektör konumu, piston çanak tasarımları, püskürtme açısı, püskürtme basıncı, püskürtme boyu gibi birçok teknolojiye bağlı olarak aşamalar kaydetmiştir. Yanma odasının merkezinde, bujinin ve enjektörün birbirine en yakın olduğu düzenleme birçok avantaja sahip olmasına rağmen yanma odası duvarından püskürtme sistemi bugüne kadar daha sıklıkla kullanılmıştır. Yanma duvarına yerleştirilmiş enjektörle püskürtme sistemi birinci nesil olarak, silindir merkezine yerleştirilen enjektörle püskürtme sistemi de ikinci nesil olarak adlandırılmaktadır. 90

5 Birinci Nesil DP Sistem İkinci Nesil DP Sistem Şekil 4. Birinci ve ikinci nesil DP sistemleri [15, 16] Yanma odası duvarından püskürtme sisteminde hava-yakıt karışımı hazırlanır iken püskürtülen yakıt ile piston çanağı arasında bir etkileşim olmaması gerekmektedir. Etkileşmesi durumunda ise, piston yüzeyine yapışan yakıt zerreleri is emisyonun başlıca kaynağı konumunda olmaktadır. Silindir merkezinden püskürtme sisteminin temeli, buji etrafında yanabilecek uygun yakıt karışımları elde ederek hızlı bir alev yayılımı sağlamaktır. Püskürtülen yakıt demeti ile döngüsel hava hareketi arasındaki etkileşim uygun karışım hazırlama işleminde büyük bir öneme sahiptir. Silindir merkezinden DP sistemde, motorun farklı çalışma koşullarındaki uygun hava-yakıt karışımı püskürtülen yakıt demeti karakteristikleri (demet boyu, püskürtülen yakıt miktarı) ile tanımlanmaktadır. Enjektör ile buji arasındaki mesafenin çok kısa (yaklaşık 20mm) olmasından dolayı karışım oluşumu süresi çok kısadır. Üstelik mesafede çok kısa olduğundan yakıt bujiye yapışarak bujinin kıvılcım üretememesine yol açabilmektedir. Bu sistemde püskürtülen yakıtın çok hassas olarak ayarlanması, motor üzerine montaj toleransının çok küçük olması gibi zorluklar, bu sistemle ilgili çalışmaların yalnızca laboratuar şartlarında gerçekleştirilmesine sebep olmuştur. Bununla birlikte, bu sistemin yanma odası kenarından püskürtme sistemine oranla çok daha fakir karışımlarda çalışması iyi bir yakıt ekonomisi sağlamaktadır. Bu yüzden motor üreticileri bu sistem üzerine çalışmalarını yoğunlaştırmıştır [8, 17]. 4. DP BENZİNLİ MOTORLARIN PERFORMANS AÇISINDAN İNCELENMESİ DP sistem, özellikle motor tam yük şartlarında çalışır iken EMP sisteme göre volumetrik verimi artırmakta, vuruntu eğilimi ve özgül yakıt tüketimini azaltmaktadır. DP benzinli motorlarda yanma karışım oluşumuna göre farklılık arz etmektedir. DP benzinli motorlarında performans, volumetrik verim, vuruntu eğilimi, özgül yakıt tüketimi ve yanma açısından incelenecektir DP Benzinli Motorlarda Volumetrik Verim DP benzinli motorlarda yakıtın silindir içerisine direkt püskürtülmesi sonucunda, yakıtın buharlaşması için gerekli enerjiyi taze hava dolgusundan çekmesi, volumetrik verimin artmasında temel etkendir. Volumetrik verim, gücün maksimum olduğu çalışma şartlarında, emme manifoldu ve supaplardaki hava akış kapasitesi tarafından etkilenmektedir. DP sistemde püskürtülen yakıt emme manifoldu kanalarından geçmeye maruz kalmadığından volumetrik verimi EMP sistemine göre daha iyidir. Özellikle, motor tam yükte çalışırken, püskürtülen tüm yakıtın buharlaşması için gerekli enerjiyi ortam havasından sağlaması teorik olarak %6,5 oranında volumetrik verimi artırmaktadır [18]. Bazı kaynaklarda bu artış %7 10 oranında olarak da belirtilmektedir [7, 19]. Çok noktadan EMP sistemlerde yakıtın buharlaşması için gerekli buharlaşma ısısının bir kısmını metal yüzeylerden çekilmektedir. Bu durum, teorik volumetrik verimi 91

6 %2 5 oranında düşürmektedir. Fry ve ark., [18] 0,4 litre silindir hacmine sahip, tek silindirli bir motorda, tam yük çalışma şartlarında DP ile EMP sistemini volumetrik verim açısından karşılaştırmışlardır. Bu karşılaştırılma Şekil 5 de gösterilmektedir. sağladığı avantajı bozmaktadır. DP motorlarda yakıt buharlaşması için gerekli enerjiyi ortam havasından sağladığı için silindir basıncı ve sıcaklığı düşmektedir. Bu hal DP motorlarda vuruntu eğilimini azaltmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda vuruntu, hava-yakıt karışımının 12 18:1 olduğu sınırlar içerisinde sıcaklığın artması ile görülmektedir. DP buji ateşlemeli motorlarda özellikle kısmi yük ve düşük hız çalışma şartlarında oluşan 30 40:1 hava-yakıt karışımı vuruntu eğilimi hassasiyetinin oldukça azalmasını sağlamaktadır [21]. Şekil 6 da buji ateşlemeli motorlardaki vuruntu bölgesi gösterilmektedir. Şekil 5. DP ile EMP sistemin volumetrik verim açısından karşılaştırılması [18] Yang ve Anderson [20] yüksek hava döngüsüne sahip DP sistemlerde taze hava dolgusunun, emme zamanında sıcak silindir cidarlarından ısı çekebilmesi için püskürtme zamanın geciktirilmesi gerekliliğini ve böylece maksimum volumetrik verime ulaşılabileceğini söylemektedir. Aynı zamanda Yang ve Anderson silindir içerisine alınan havanın soğutulması (intercooler) ile hava dolgusunun silindir cidarlarından daha fazla ısı çekeceğini, bu durumun volumetrik verime katkıda bulunacağını da ifade etmektedirler. Diğer bir görüşe göre [18], eğer hava dolgusu normal püskürtme zamanından önce püskürtülen yakıt ile soğutulursa bir sonraki emme zamanında dolgu havası ısısı artacaktır ve volumetrik verim azalacaktır. Yüksek penetrasyonlu erken püskürtme yakıtın piston yüzeyine çarpmasına yol açmakta ve bir sonraki dolgu havasının soğutulmasını azaltmaktadır. Bu durumun volumetrik verim üzerinde negatif bir etkisi olduğu düşünülmektedir DP Benzinli Motorlarda Vuruntu Eğilimi Buji ateşlemeli motorlarda vuruntu, silindir içerisinde bulunan hava-yakıt karışımının reaksiyon sıcaklığı aniden 1000 K ulaştığı zaman meydana gelmektedir. Vuruntu eğilimi, silindirdeki hava-yakıt karışımının homojen olduğu bölgelerde bir veya daha fazla alanda gelişen yanma ile açığa çıkmaktadır. Vuruntulu yanmada açığa çıkan egzoz emisyonları vuruntusuz yanmaya oranla çok daha fazladır. Araştırmacılar bunun sebebi olarak, vuruntulu yanma sırasındaki ani basınç artışını ve alev yayılımının hızını göstermişlerdir [8, 21]. Pratikte vuruntu eğilimini azaltmak için ateşleme noktası biraz daha geciktirilmektedir. Bu durum yanma veriminin düşmesine yol açmakta ve yüksek sıkıştırma oranının Şekil 6. Buji ateşlemeli motorlardaki vuruntu eğilim bölgesi [21] Vuruntu eğiliminin azalması DP buji ateşlemeli motorların soğuk çalışma şartlarında bile motorun ani hızlanma eğilimini yükseltmektedir. Ayrıca motor devirler arasında geçişe hızlı cevap verebilmektedir. Motorun vuruntu eğiliminin azalması ile ateşlemenin geciktirilebilmesi, emme zamanında püskürtme ile artan volumetrik verim, DP buji ateşlemeli motorlarda yüksek çıkış gücü elde edilmesini sağlamaktadır [22] DP Benzinli Motorlarda Fren Özgül Yakıt Tüketimi DP benzinli motorlar, çok noktadan EMP benzinli motorların özgül motor gücünü sağlarken, yakıt tüketiminin azalmasında da önemli bir potansiyele sahiptir. Aynı zamanda DP benzinli motorlar, hem benzinli motorların hem de dizel motorların avantajlı yönlerini bir araya getiren sistem olarak gözükmektedir. DP sistemin en önemli avantajlarından biri de kararlı hava-yakıt karışım katmanları üretme potansiyelidir. Özellikle motor kısmi yükte çalışırken gaz kelebeğinin devre dışı kalması ile dizel 92

7 motorlardaki karışım oluşumuna benzeyen katmanlı karışım dolgusu oluşturması önemli bir avantaj sağlamaktadır. Bu yöntemle buji etrafında yakıtça zengin bir karışım oluşturulurken geri kalan hacim içerisinde ise yakıtça son derece fakir bir karışım dolgusu bulunmaktadır. Sürekli fakir karışımla çalışan motor rölantide ve düşük devirlerde EMP sisteme göre yaklaşık %20 yakıt ekonomisi sağlamaktadır [23]. Şekil 7 de DP ve EMP sistemde soğutma suyu sıcaklığına göre püskürtülen yakıt miktarı grafiksel olarak karşılaştırılmıştır. Şekil 7. DP ve EMP sistemde farklı soğutma suyu sıcaklığına göre püskürtülen yakıt miktarı [8] Ayrıca motor yakıtça fakir yanma şartlarında çalışırken pompalama kayıpları azalmaktadır. Çok noktadan EMP sistemde görülen emme manifoldu yüzeyindeki yakıt filmi DP sistemde görülmemektedir. DP sistemde ise sadece piston yüzeyinde ve silindir cidarlarında küçük bir yakıt filmi oluşabilmektedir. Bu durum çok noktadan EMP sisteme oranla DP sistemde daha az HC kullanılmadan egzozdan atılmasına yol açmaktadır. Aynı zamanda emme manifoldu yüzeyine yapışan yakıttan dolayı gaz kelebeğinin açılmasıyla hava-yakıt oranında sapmalar meydana gelmektedir. DP sistemde ise piston ve silindir cidarlarına yapışan yakıt çok az olduğundan bu sapma çok noktadan EMP sistemine oranla daha azdır [8, 22]. Fry ve ark., [18] tek silindirli, 10,5:1 sıkıştırma oranına sahip bir benzinli motorda çok noktadan EMP ve çeşitli tipteki DP sistemlerini performans açısından test etmişlerdir. Performans karakteristiklerini incelediklerinde, DP sistemlerdeki hava-yakıt oranının EMP sisteme oranla iki kat daha fazla olduğunu görmüşlerdir. Bu durum yakıt tüketimi açısından direkt püskürtmeli sistemlerin önemli bir avantaja sahip olduğunu göstermektedir DP Benzinli Motorlarda Yanma DP buji ateşlemeli motorlarda özellikle katmanlı karışım sırasında iyi bir yanma elde edebilmek için stokiyometrik hava-yakıt karışımına sahip katmanın, ateşleme zamanında bujinin etrafında hazır bulunması gerekmektedir. DP sistemde tam yük çalışma koşullarındaki karışım oluşumları geleneksel sistemlere göre, yaklaşık 2 3 kat yakıtça daha fakir olmasına rağmen püskürtülen yakıtın yanması çok daha hızlı ve kararlı bir yapı sergilemektedir. Harada ve ark., [24] katmanlı karışımında hava-yakıt karışımının 40:1 olduğu zaman, katmanlı karışım sırasında alev yayılımının döngüsel hava hareketi yönünde geliştiğini tespit etmişlerdir. Aynı zamanda yanma başlangıcında, mavi alevin çevrelediği parlaklığı incelediklerinde karalı bir alev yayılımının meydana geldiğini doğrulamışlardır. DP buji ateşlemeli motorlarda katmanlı yanma sırasında motor yükü, kelebek kontrolü olmadan püskürtülen yakıt miktarı ile ayarlanırken, homojen yanma zamanında motor yükü kelebek açıklığı ile ayarlanmaktadır. Bunun bir sonucu olarak homojen ve heterojen çalışmadaki maksimum silindir basıncı hem serbest (yanmasız) hem de yanma zamanında birbirinden ayrılmaktadır. Spicher ve ark., [2] homojen ve katmanlı karışımdaki silindir basıncını karşılaştırmışlardır. Test düzeneklerinde, püskürtme açısı 90 o ve konik olan helisel tip enjektör memeli common rail yakıt püskürtme sistemine sahip DP buji ateşlemeli bir motor kullanmışlardır. Testlerin tümü atmosferik şartlarda gerçekleşmiştir. Karşılaştırma için her iki karışım oluşumunda da motor devrini 1500 dev/dak ya ve ortalama efektif basıncı 0,2 MPa a ayarlamışlardır. Bu çalışmanın sonucunda elde edilen silindir basınç grafiği Şekil 8 de gösterilmektedir. 93

8 Şekil 8. DP benzinli bir motorda homojen ve katmanlı karışımın silindir basınç grafiği [2] Motorun katmanlı karışım ile çalışması durumunda homojen karışımlıya oranla volumetrik veriminin artması ile hem serbest silindir basıncı hem de yanma sonu basıncının çok daha yüksek çıkmasını sağlamıştır. Bunlara ilave olarak, katmanlı karışımın yanma süresi homojen karışımlıya göre daha hızlı olduğu yanma basıncı tepesinin üst ölü noktaya (ÜÖN) yakınlaşması ile görülmektedir. 5. SONUÇ Bu makalede yapılan inceleme sonucunda DP benzinli motorların sağladığı avantajlar şöyle özetlenebilir; DP buji ateşlemeli motorlarda pompalama ve ısı kayıplarının az olması yüksek termik verim sağlamaktadır. DP sistem, EMP sistemine göre volumetrik verimi artırmaktadır. Volumetrik verimin artması, vuruntu eğiliminin azalmasını sağlamakta ve benzinli motorlarda yüksek sıkıştırma oranlarına müsaade edebilmektedir. Soğuk çalışma şartlarında bile motorun ani hızlanma eğilimi yükselmektedir. Ayrıca devirler arasında geçişe hızlı cevap verebilmektedir. Bunun yanında bu motorların bazı dezavantajları vardır. Bütün çalışma aralıklarında karışım oluşturma kompleksdir, özellikle silindir hacmi büyük motorlarda katmanlı karışımın kontrolü çok zordur. Benzinin yağlayıcı özelliğinin az olmasından dolayı motor parçalarında aşınmalara sebebiyet vermektedir. Püskürtme açısının ve derinliğinin çok hassas ayarlanması gerekmektedir. KAYNAKLAR 1. Befrui, B., Kneer, R., Breuer, S., Reckers, W., Robart, D., Wanlin, H. and Weiten, C., 2002, Investigation of a DISI Fuel Injector for a Close-Arranged Spray-Guided Combustion System, SAE Paper, No: Spicher, U., Kölmel, A., Kubach, H. and Töpfer, G., 2000, Combustion in Spark Ignition Engines with Direct Injection, SAE Paper, No: Kano, M., Saito, K., Basaki, M., Matsushita, B., Gohno, T., 1999, Analysis of Mixture Formation of Direct Injection Gasoline Engine, JSAE Review, (20): Richard S., 1999, Introduction to Internal Combustion Engines, 3th Edition, SAE, Warrendale. 5. Ghandhi, J. B. and Bracco, F. V., 1996, Mixture Preparation Effects on Ignition and Combustion in a Direct-Injection Spark- Ignition Engine, SAE Paper, No: Li, Y., Zhao, H., Leach, B., Ma T. and Ladommatos, N., 2004, Characterization of an In-Cylinder Flow Structure in a High-Tumble Spark Ignition Engine, Int. J. Engine Res., 5(5):

9 7. Andriesse, D. Ferrari, A., 1997, Assessment of Stoichiometric GDI Engine Technology, Proceedings of AVL Engine and Environment Conference, (2): 93, Graz, Austria. 8. Zhaoa,F., Laia, M. C. and Harringtonb, D. L., 1999, Automotive Spark-Ignited Direct- Injection Gasoline Engines, Progress in Energy and Combustion Science, (25): Gasoline Direct Injection, 2005, m, Aralık. 10. Mitsubishi New Technologies, 1997, Digital Contents Package, Mitsubishi Motors Corporation. 11. Na, B.C., 2002, Design Improvement of A High- Pressure Fuel Pump for Gasoline Direct Injection Engines, Proc. Instn. Mech. Engrs., Part D, (216): Kume, T., lwamoto, Y., Iida, K., Murakami, M., Akishino, K. and Ando, H., 1996, Combustion Control Technologies for Direct Injection SI Engine, SAE Paper, No: Features of GDI Engines, 2005, engin.htm, Aralık. 14. Iwamoto, Y., Noma, K., Nakayama, O., Yamauchi, T., Ando, H., 1997, Development of Gasoline Direct Injection Engine, SAE Paper, No: Jackson N. S, Stokes J,, Whitaker P. A., Lake T. H., 1996, A Direct Injection Stratified Charge Gasoline Combustion System for Future European Passenger Cars, IMechE Seminar of Lean Burn Combustion Engines, S433, 3 4 December. 16. Yamaguchi J., 1997, Honda Integrated Motor Assist to Attain the World s Top Fuel Efficiency, Automotive Engineering, (12): Georjon, T., Bourguignon, E., Duverger,T., Delhaye, B. and Voisard, P., 2000, Characteristics of Mixture Formation and Combustion in a Spray-Guided Concept Gasoline Direct Injection Engine: An Experimental and Numerical Approach, SAE Paper, No: Fry, M., King, J. and White, C., 1999, A Comparison of Gasoline Direct Injection Systems and Discussion of Development Techniques, SAE Paper, No: Eichlseder, H., Baumann, E., Müler, P. and Rubbert, S., 2000, Gasoline Direct Injection A Promising Engine Concept for Future Demands, SAE Paper, No: Yang, J. and Anderson, R.W., 1998, Fuel Injection Strategies to Increase Full-Load Torque Output of a Direct-Injection SI Engine, SAE Paper, No: Töpfer, G., Reissing, J., Weimar, H.J. and Spicher, U., 2000, Optical Investigation of Knocking Location on S.I.-Engines with Direct-Injection, SAE Paper, No: Ohsuga, M., Shiraishi, T., Nogi, T., Nakayama, Y., Sukegawa, Y., 1997, Mixture Preparation for Direct-Injection SI Engines, SAE Paper, No: Preussner, C., Döring, C., Fehler, S. and Kampmann, S., 1998, GDI: Interaction between Mixture Preparation, Combustion System and Injector Performance, SAE Paper, No: Harada, J., Tomita, T., Mizuno, H., Mashiki, Z., Ito, Y., 1997, Development of Direct Injection Gasoline Engine, SAE Paper, No: