Adnan Parlak, İsmet Çevik, Osman Eldoğan

Transkript

1 SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 7.Ci lt. l.say (Mart 2003) BirDizel MotorundaSkştrru Oran Artşnn Performansa Etkis A.Parlak, İ.Çevik, O.Eldoğar BIR DlZEL MOORUNDA Slt<IŞIRMA ORANI ARIŞININ PERFORMANSA EKiSi Adnan Parlak, İsmet Çevik, Osman Eldoğan optimun Özet Bu çalşmada farkl ekstrem scaklk oranlarnda, skştrma oran değişiminin bir dizel motorunun giiç ve verimi Uzerine etkisini araştrmak amacyla teorik dizel çevrim analizi gerçekleştirilmiştir. Optimum skştrma orann veren bağnti çkarlmştr. eorik dizel çevrim analizi, skştrma oran sürekli artrldğnda noktadan itibaren motor performansnda düşmenin olduğunu göstermektedir. Deneysel çalşmada, ön yanma odal tek silindirli skştrma oran değiştirilebilir Ricardo E6 tipi bir dizel motorunda skştrma oram den a çkarldğnda özgül yakt sarfiyatnn /o8 e varan oranda arttğ, efektif verimin ise 0/o 7.5 e varan oranda azaldği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Skştrma oran, çevrim analizi, dizel motoru. Abstract An optimisation of the Diesel cycle has been performed for power output and thermal efficiency witb respect to compression ratio for various extreme temperature ratio. he relation betveen con1pressjon raöo and extreme tempereture ratio,lvhich gives optimum performance is derived. As the compression ratio of the diesel engine is increased in comparison to the optimum value of the engine, it is shown that the performance of the engine is decreased. he experimental study agrees \vith these results. In this study, compression ratio of a single cylinder precombustioo chamber variable comprcssion ratio Ricardo E6 type engine \Vith the optimun compression ratio of was increased to As a results of this increase, specific fuel consumption was increased about So/o and brake thernal efficiency \Vas decreased about 7.5 /o o Key Words : Compression ratio, cycle analysis, diesel engne. I.GİRİŞ İçten yanmal motorlarda yanma sonu ürünleri dşar atlr ve yeni dolgu motora girer; dolaysyla iş yapan akşkan termodinamik çevrimi tamanlamaz. Bunun1a birlikte gerçek içten yanmal motorlar terrnodinamik bakmdan incelenirken açk çevrime çok yakn bir çevrim mukayese çevrimi olarak ele alnrr [ 1]. Gerçek açk çevrimlere benzeyen mukayese çevrimlerine, ideal hava çevrünleri denir. İdeal çevrimlerin öneni, değişik parametrelerin çevime olan tesirlerini incelemeye imkan sağlamasdr. Bu parametreler gerçek motorda da ayn yönde tesir ederler. Motor geliştirme çalşmalannda yol gösterici olnalar nedeniyle önemlidir [2,3,]. Çevrime s transferi ve iç sürtünmeler gibi tersinmezlikler ilave edilerek gerçek motor verilerine daha yakn sonuçlarn elde edilmesi mün1kündür [ 6, 7]. Skştrma oram, notor performansn doğrudan etkileyen önemli bir dizayn parametresidir. Dolaysyla optimum skştrma orannn tespiti güç ve verim üzerine etkisini bilnek açsndan önem arz eder. Bu çalşmada, skştrma orannn motor performans üzerine etkisini incelemek amacyla bir teorik c.zel çevrim analizi gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar deneysel bulgularla karşlaştrlmştr. Skştrma orannn çok yükseltilmesi, çevrim veriminin azalmasna ve sürtünmeden kaynaklanan g"r kayplarnn artmasna neden olmaktadr [5,8,7]... Skştrma oran artşnn motor performansila etkisin incelemek anacyla yaplan bir deneysel çalşmada, skştrma oran 18 den 19 a çkarldğnda özgül yakt sarfiyatnda %6.5 e varan oranda bir artmann meydana geldiğini ifade edilmiştir [9]. Skştrma oranndaki artş optimum noktay geçtiğinde net güçte düşme meydana gelmektedir [, 7]. II.EORİK DİZEL ÇEVRiM ANALİZİ A. Parlak, İ. Çevik, O. Eldoğan. SAÜ EF Makine Böl. B u çalşmada, teorik dizel çevrimilln analizi aşağdaki kabullere göre yaplmştr: 36

2 SAU Fen Bilimleri Enstittisil Dergisi 7.Cilt, I. Say (Mart 2003) Bir Dizei MotorundaSkştirma Oran Artişnn Performansa Etkisi A.Parlak, İ.Çevik, O.Eidoğan Çevrimde iş yapan akşkan olarak mükemme1 gaz(ideal gaz) kabul edilen hava alnmştr, Yanma işlemi yerine, yüksek scaklktaki bir s kaynağndan iş yapan akşkana s geçişi olmaktadr, Çevrimin içinde cereyan ettiği kap cidarlarna s transferi yoktur, Gerçek motor çevrinindeki emme ve egzoz işlemleri yeine, iş yapan akşkandan atmosferik çevreye s geçişiyle ternodinamik çevrim tamamlanmaktadr. Bütün hal değişimleri tersinirdir. Özgül slar scaklkla. değişnemektedir ve k= ep /cv = 1. alnmştr. WNE = Q23 Q1 = m[cp(3 z) Cv ()) (1) Burada Cv ve Cp srasyla sabit hacim ve sabit basnçtaki özgül slardr. m =1 kg/s ve 3maks alnarak, (2) Çevrimde dikkate alnan parametreler yukardaki bağntdayerine konularak yeniden düzenlenirse eorik dizel çevrim analizinde maksimum güç ve bu güce karşlk gelen verimi esas alan bir kriter göz önüne alnmştr. Çevrim analizi esnasnda scaklk artma oran, a=7 arasnda ve skştuna oran s, l2 arasnda alnmştr. İdeal di zel çevriminin PV ve S di ya gramlan Şe ki] 1 de görülmektedir. Çevrimde neydana gelen olaylar şunlardr: 12: Adyabatik skştrma; 23: Sabit basnçta yann1a (s alma); 3: Adyabatik genişleme; 1: Sabit hacimde egzoz ( s verme) bulunur. (3) denkleminde gerekli düzenlemeler yaplp boyutsuz iş ifadesine dönüştürüldüğünde, w WNE NE bulunur. Cv 1 kl == ka(l 8 ) (a kek(tk) 1) ( ) a Dizel çevriminin termik verimi ise, Çevrimde dikkate alnan parametreler: (5) p 2 3 bulunur. ( ) denklemi skştrma oran, s na göre maksimize edildiğinde, maksimum boyutsuz gücü veren skştrma oran, k,. 2 E =ak 1 (6) V s Şekil eorik Dize1 Çevriminin p.y ve S diyagram bulunur. Maksin1un1 boyutsuz güç ve bu güce karşlk gelen verim, (6) bağntsnn srasyla () ve (5) bağntlannda yerine konulmasyla, a == maks t (Ekstrem scaklk oram) (W NE )maks == (1 +ka ) (1 + k)a k J k (7) V e= V 2 (Skştrna oran) (Püskürtme oran) r =1 k 1 ak+ ] k(a k+ 1) (8) İş gören akşkan, sürekli akşl ve kararl kabul ederek, çevrimin net gücü aşağdaki gibi yazlabilir: bulunur. Şekil 2 deki 11 W N E ve Şekil 3 d eb E W N E grafiklerine bakldğnda extern scaklk oran 37

3 SAU Fen Bilinleri Enstitüsü Dergisi 7.Cilt, 1.Say (Mart 2003) BirDizel MotorundaSkştnn Oran Artaşnn Performansa Etkis: A.Parlak, İ.Çevik, O.Eidoğa arttkça güç ve verimin arttğ ancak, sabit extrem scaklk oranlarnda, skştrma oran arttrldkça W NE optimum noktaya kadar artş göstermektedir. Optimum noktadan itibaren slaştrma oran artrlnaya devam edilirse YJ NE in düştüğü görülmektedir. Bu durun, skştnna orannn optinum nokta civarnda tutulmas gerektiğini göstermektedir. Optimun noktadan sonra skştrma oran artnidğnda verimdeki artş devam etmekte ancak; atş hz yavaşlamaktadr. Güçteki düşme,düşük ekstrem scaklk oranlarnda optimum skştrma oramndan sonra çok belirgin iken( a= ), ekstrem scaklk oran arttkça bu etki azalmaktadr( a=7) w... B=2 D.r= e=z2 0.5 e=2 Bununla birlikte, termal batiyer uygulamasyla ekstrett scaklk oran arttnlarak, motorun daha düşük sbştrma orannda çalştrlmas da mümkündür [ll]. Ill.MAERYAL VE MEO Çalşmada özellikleri ablo 1 de verilen Ricardo E6 MS/128/76 tipi deney motoru kullanlnştr. est düzeneğinin şematik görünüşü ise Şekil de görülmektedir. Deneyler esnasnda supap ayarlan, motor katalogunda belirtilen değerlere göre ayarlanmş, enjektör açma basnc 150 bara test edilmiş, segmanlar yenilenmiştir. Emme havasnn ölçümünde eğik manometresönümleme tank düzeneği kullanlmştr. ablo 1 Deney motoruna ait telmik öze11ikler MOOR ÖZELLİKLER Motor ti_pi E6MS/128/76 Silindir says Silindir çap (mm) 76.2 Silindir stroku( mm) 110 Silindir hacmi ( cm 3 ) 507 Skştrma oram.520 Devir( d/d) Püskürtme avans o o Şekil 2 Farkl a Değerleri İçin 11 W NE oranlannda) Değişimi(değlşen sllaştrma ,..., \VNE r:.=s OJ::6 ar.7 o _. 5 lo E Şekil 3 Farkh aiçin skştrma oranna bağh olarak E w net değişimi. Çevrim tersinmez olarak ele alndğnda, skştrma oran ainlmaya devam edilirse hem gücün hemde verimin düşmektedir [7, 1 O]. Skştrma oran, motor gövdesine monte edilen dişli mekanizma vastasyla komple silindir ve silindir başlğnn yukan ve aşağ hareketiyle ölü hacmin değiştirilmesi suretiyle değiştirilmektedir. Motor skştrma oran değişimi hareketli silindir başlğ ile sabit gövde arasna monte edilmiş 1/0 hassasiyetli bir mikrometre vastasyla ölçülmüştür. IYiilimetre cinsinden ölçülen değerler üretici f mann vermiş olduğu önüşüm grafiğinden girilerek motorun skştrma oran bulunnuştur. Deneyde kullanlan dizel motorunun silindir başlğnda Ricardo comet tipi ön yanma odas mevcuttur. Ön yanma odas küresel formdaki üst yan ve ana yanma odasna konik bir biçimde açlan alt yan parçadan oluşmaktadr. Deneyler esnasnda motor, elektrik dinamometresiyle yüklenmiştir. Yüklemeler esnasnda elde edilen elektrik enerjisi stc dirençler üzerinden havuza verilerek harcanmştr. Deney ler esnasnda kimyasal formülü CsH8 olan dizel yaktt kullanlmştr. Motor devri, yük, emme manifold scaklğ, egzoz scaklğ, motor soğutma suyu girişçkş scaklklar, yakt tüketim zamanlar her bir test noktas için kaydedilmiştir. Her ölçüm noktasnda motor kararl çalşmay sağlayncaya kadar yeterli bir süre 38

4 ... SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 7.Cilt, l.say (Mart 2003) Bir Dizel MotorundaSkştirma Oran Artşinan Performansa Etkisi A.Parlak, İ.Çevik, O.Eidoğan beklenilmiştir. Ölçümlerde hatay mininll.ze etmek amacyla 5 ölçümün ortalanms alruruştr Her bir test noktasndaki yakt tüketim süresinin tespiti önem arz etmektedir. ölçüm hassasiyetini artrmak için, başlangç ve bitiş sürelerinin tespitinde infrared alc ve vericiler kullamlmştr. Alcdan alnan sinyaller bilgisayarda, assenly dilinde yazlmş program tarafndan işlenmiş ve ölçüm süresi bittiğinde ölçüm durdurularak tüketim süresi 0.01 s hassasiyetle bilgisayar ekran1nda gösterilmiştir. Deneylerde her bir skştrma orannda motor 1000 devir/dak dan 2200 devir/dak a kadar 00 devir/dak. aralkla ve 5 ayr yük kademesinde ölçülmüştür. haritalar verilmiştir Deneysel çalşma sonucunda bulunan özgül yakt sarfiyat ve efektif verim değerleri srasyla Şekil 7 ve Şekil 8 de görülmektedir. Şekil 7(a) da normal motorda en avantajl bölgenin düşük devir yiiksek yük bölgesi olduğu görülmektedir. Ayn bölge baz alndğnda, skştrma oramnda(şekil 7(b)), özgül yakt sarfiyatnda önemli ölçüde artmamn olduğu gözlenmektedir. Bölgelerdeki değişimleri şekil 7( c) de karşlaştrnal olarak daha net bir şekilde görmek mümkündür. Şehir içerisindeki araçlarm daha çok düşük devir bölgelerinde çalştğ düşünülürse, sktştrma oranndaki artşa neden olabilecek bir uygulamann, doğuracağ sonucun önemi ortaya çkar. D 100 o o o srm _... (Q) Kontrol panelf.bpoz sn. scc. Ponpu..:) j:: t.,._, L \ Slintnlome anlo /; Ml Dlnamomotre Mofoa"ll 1 Yakt () Filtre Ywt Öçlinl,..J Düzeruif Ya&Pompas...,... Şekil Motor test düzeneğinin şematik görünümil Lç Detitirici IV.DENEY SONUÇLARI VE ARIŞMA Detayl bir inceleme için yumurta eğrileri Şekil 5 de gösterilen ayr bölgede incelenmiştir. Bu bölgeler: 6.8 eorik dizel çevrim analizinden de görüleceği gibi skştma oranndaki artş optimun1 noktadan sonra motor performansnda kötüleşmenin meydana geldiğini göstermektedir. Dolaysyla teorik analiz sonuçlar ile deneysel bulgular uygunluk arz etmektedir. Performans haritalarna dikkat edildiğinde skştrma orannda minimum yakt sarfiyat devir/dak. ve bar çalşma aralğnda( düşük devir yüksek yük bölgesi) 260 glkwh olarak gerçekleşmektedir skştrma oramnda ise özgül yakt sarfiyatnda bariz bir artş göze çarpmaktadr. Bu skştrma orannda minimun özgül yakt sarfiyat devir/dak ve 66.7 bar aralğnda 270 g/k\vh olarak gözlenmektedir skştna oramnda elde edilen minimun1 yakt sarfiyat(270 g/k Wh) baz alndğnda skştrma orannda, ayn yakt sarfiyat değeri çok daha geniş bir çalşma aralğnda (.36.8 bar ve devir/dak. aralğ) elde edilmektedir. Minimun1 yakt sarfyatnn elde edildiği bölgeler genellikle düşük devir yüksek yük bölgeleri o; juğundan yukanda belirtilen zararara ilave olarak ağr vasta araçlan şehirleraras yolculuklarda tumanma şeritleriuje yüksek yük ve düşük devir bölgelerinde çalştrldğndan yakt sarfiyatndaki artş önemli seviyelere çkabilir (Devir/dak) n Şkil 5 Eş NO eğrilerine ait bölgeler 1. bölge: Düşük yükdüşük devir, 2.bölge: Yüksek yük Düşük devir, 3.bölge: Düşük yükyüksek devir ve. Bölge: Yüksek yükyüksek devirdir. Şekil 6 de 18.2 ve skştrma oranlarndaki perfonnans haritalar ve karşlaştrmal performans 3 Optimum skştrma oranndan sonraki yüksek skştrma oranlarnda peformanstaki düşneye, sürtünmeye harcanan gücün a1mas neden olmaktadr. Sürtünmenn motor performansna etkisini dikkate alan teorik çalşmalar bunu doğrulamaktadr [7,10] Şekil 8de Farkl skştrma oranlarnda motor devrine bağl olarak özgül yakt sarfiyatndaki değişme görülmektedir. Düşük devir ve tüm yüklerde özgül yakt sarfiyatndaki artşn etkisi çok büyüktfu. Devir arttkça bu etkinin azaldğ1 göülmektedir. Özgül yakt sarfiyatndaki artmaya paralel olarak motor efektif veriminin belirtilen çalşma aralklarnda düştüğü Şekil 9 de görülmektedir. Grafklerden de görüleceği 39

5 SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergis 7.Cilt, l.say (Mart 2003) Bir Dize) MotorundaSkştrm Oran Artişnn Performansa Etki A.Parlak, İ.ÇEvik, O.Eidoğa gibi yük arttkça efektif verimdeki belirginleşmektedir. kötüleş me 60 0,....c o.o C= 19.6 E=l J..).... <> n (dew/dak) 6.5 a) c=l :t:f _g n (devir/dak) (a) Pmc= 6.81 bar.... " &= &= , J. 5 S"., 3...:J(} <_,,, i... ".. " _...,_,_.., 230r n (Devir/dak) (b) Şekil 8 Fark h skştrma oranlannda a) Pme;:;2.27 bar b) Pme=6.80 bar" da motor devrine bağl olarak özgül yakt sarfiyatndaki değişme " JO 2200 n (devir/dak) b) E=19.6 u 20 s o s 1000 devir/dak E=19.60 e=l8.20 E= C=] 8.20 be: glkwh o p me (bar) 6.5 (a) 6 S. S 5 i ;; n (devir/dak) Şekil 7 (a) 18.20, (b) skştrma oranlarndaki performans c) haritalan (c) Karşlaştrmal performans haritas. 30,... (/( 20.._, 15 5 ;., devir/dak. E= o,,.r.. r Pnc (bar) (b) Şekil 9 Ortalama efektif basmç değişimine bağl olarak a) 1000 dev ir/dak. b)100 devir/dak. da farkh skştrma oranlarnda efektif verimdeki değişme. 0

6 AU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi.Ci lt, l.say (Mart 2003) BirDizel MotorundaStkştrma Oram Artşnn Performansa Etkisi A.Parlak, İ.Çevik, O.Eldoğan be n p Pe Pne s V Cp Cv maks a WNE W f\re (WNE) maks E * E V. SİMGE VE KIS.ALMALAR :Özgül yakt sarfiyat (g/kwh) :Motor devri ( devr/dak.) :Basnç (bar) :Efektif güç (k W) :Ortalama efektif basnç (bar) :Scaklk (1<.) :Entropi (kj/kgk) :Hacin1 ( m 3 ) :Sabit basnçtaki özgül s (k:j/kgk) :Sabit hacimdeki özgül s (kj/kgk) :Maksimun yanma scaklğ (K ) :Maksimum yanma scaklğnn giriş scaklğna oran :N"et güç (kw) : Boyutsuz net güç :Maksimum boyutsuz net güç :Sloştnna oran :M aksimum gücü veren skştrma oran :eorik dizel çevrim verinn :Maksimum boyutsuz net güce karşlk gelen verim :Efektif verin1 (o/o) [8] Stone, R.l989. Motor Vehicle Fuel Economy. Macroilan Education Ltd., London,UK. Printed in Hong Kong. [9] akeuchi} K., Kuboba,M., Konagai, M., Watanabe and Kihara R he New Isuzu 2.5 lt. Cylinder Direct Injection Diesel Engine, SAE (10] Wang W., Chen L., S1m F. and Wu C he effect of friction on the perfomance of an air standart dual cycle (in press). [ 11] Parlak A., Yasar H., and S ahin B., Performance and exhaust emission characteristics of a lower compressian ratio LIIR diesel engine, Energy Canversion & management. Vol., p.l63175 KAYNAKLAR [1] Öztürk A., KILIÇ A Çözümlü Problemlerle ermodinanuk, 3.Bask, Çağlayan Yaynevi, İstanbul. [2] Safgönül B Pistonlu 1vfotorlar Cilt I, eknik )niversite Yaynlan, İstanbul [3] Borat O.,Sünnen A., Balc M İçten yanmal n1otorlar Cilt I, G.l). eknik Eğitim Fakültesi Matbaas. [ ] Parlak A., Yaşar H., 2001.Yanma Scaklğ Skştrma Oran İlişksinin Motor Performansna Etkisi ")zerine eorik Dizel Çevrim Analizi,Gazi Üniversitesi en Bilimleri enstitüsü dergisi,cilt: 1, say:. [ 5] Parlak A., Yaşar H. and Kusoglu A An experimenal study on NOx emission of a lower ompression ratio LHR IDI Diesel engine. IV. International hermal Energy Congress. Cesmeurkey. [ 6]Lin J., Lingen Chen, Chih W u and Fengriu Sun.l 999. Finitetime thermodynarnic perfomance of a dual cycle. International Journal of Energy Research. Vo1.23, p [7] Bhattacharyya S.,2000. Optimizing an irreversible Diesel cyclefne tuning of compressian ratio and cutoff,ratio. Vol. 0, p