İKİ ZAMANLI WANKEL MOTORU ÇEVRİM ANALİZİNİN GELİŞTİRİLMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ. Fırat SARAÇOĞLU. Makina Mühendisliği Anabilim Dalı.

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İKİ ZAMANLI WANKEL MOTORU ÇEVRİM ANALİZİNİN GELİŞTİRİLMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Fırat SARAÇOĞLU Makina Mühendiliği Anabilim Dalı Otomotiv Programı HAZİRAN 2012

2

3 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İKİ ZAMANLI WANKEL MOTORU ÇEVRİM ANALİZİNİN GELİŞTİRİLMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Fırat SARAÇOĞLU ( ) Makina Mühendiliği Anabilim Dalı Otomotiv Programı Tez Danışmanı: Y.Doç.Dr. Oman Akın KUTLAR HAZİRAN 2012

4

5 İTÜ, Fen Bilimleri Entitüü nün numaralı Yükek Lian Öğrencii Fırat SARAÇOĞLU, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten onra hazırladığı İKİ ZAMANLI WANKEL MOTORU ÇEVRİM ANALİZİNİN GELİŞTİRİLMESİ başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile unmuştur. Tez Danışmanı : Y.Doç. Dr. Oman Akın KUTLAR... İtanbul Teknik Üniveritei Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Rafig MEHDİYEV... İtanbul Teknik Üniveritei Prof. Dr. Oman Azmi ÖZSOYSAL... İtanbul Teknik Üniveritei Telim Tarihi : 4 Mayı 2012 Savunma Tarihi : 7 Haziran 2012 iii

6 iv

7 v Aileme,

8 vi

9 ÖNSÖZ Yenilikçi bir motor tipi olan Wankel motoru, orijinal taarımı ile bile diğer motor tiplerinden farkını ortaya ermektedir. Bu motorun çalışma prenibini değiştirmek de kendi başına bir yenilikçiliktir. Bir motoru daha kavram aşamaında taarlamak ve bununla ilgili geliştirme heapları yapmak heyecan verici bir üreçti. Bu çalışmayı ürdürmemde öncü rol oynayarak hiçbir deteğini eirgemeyen Sayın Yrd. Doç. Dr. Oman Akın KUTLAR a, Yük.Mak. Müh. Fatih MALKAZ a, uzun bir üredir içinde bulunduğum OTAM A.Ş ye ve değerli meai arkadaşlarıma teşekkürü borç bilirim. Ayrıca bu konuda daha önce çalışmış bilim inanlarına, bu noktaya gelmemde ütümde emeği geçmiş hocalarıma ve bana maddi ve manevi olarak her zaman detek olan aileme onuz evgi ve aygılarımı unarım. Mayı 2012 Fırat SARAÇOĞLU (Makina Mühendii) vii

10 viii

11 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ... vii İÇİNDEKİLER... ix KISALTMALAR... xi ÇİZELGE LİSTESİ... xiii ŞEKİL LİSTESİ... xv SEMBOL LİSTESİ... xvii ÖZET... xix SUMMARY... xxi 1. GİRİŞ Tezin Amacı WANKEL MOTORU ÇALIŞMA PRENSİBİ Dört Zamanlı Wankel Motoru Çalışma Prenibi Birinci zaman İkinci zaman Üçüncü zaman Dördüncü zaman İki Zamanlı Wankel Motorunun Çalışma Prenibi Birinci zaman İkinci zaman MOTORUN GEOMETRİSİ Gövdenin Geometrii Genişletilmiş Gövde Geometrii Rotorun Geometrii Çemberin Geometrii Rotorun ve Büyük Çemberin Gövde Geometriine Oturtulmaı Limon Geometrii Pencere Geometrii Yanma Odaı Hacim Değişimi Heabı Pencere Alanları Heabı TERMODİNAMİK ÇEVRİM HESAPLARI Kolchin Heabı Çevrimin Analizi Yanma odaındaki özgül ıılar oranının heabı Iı girişi Iı çıkışı Dolgu değişimi Kütleel debi heabı Heap adım aralığının eçimi İndike Parametrelerin Heabı Ortalama indike baınç İndike güç ix

12 4.3.3 İndike özgül yakıt tüketimi Sürtünme Baıncının Heaplanmaı Efektif Parametrelerin Heabı Ortalama efektif baınç Efektif güç Efektif özgül yakıt tüketimi SONUÇLAR Geometrik Heap Sonuçları Pencere Alan Heabı Sonuçları Yanma Odaı İçi Kütle Değişimi Yanma Odaına Iı Girişi Yanma Odaından Iı Çıkışı Yanma Odaı Baınç Değişimi İndike Parametrelerin Heabının Sonuçları Ortalama indike baınç İndike güç Özgül yakıt tüketimi Sürtünme Kaybı Baıncı Efektif Parametrelerin Heabının Sonuçları Ortalama efektif baınç Efektif güç Özgül yakıt tüketimi İki Zamanlı Motor Dolgu Değişimi Parametreleri Süpürme oranı Süpürme verimi YORUMLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ x

13 KISALTMALAR AÖN ÜÖN KMA EMA RA ÜÖNS HYO : Alt Ölü Nokta : Üt Ölü Nokta : Krank Mili Açıı : Ekantrik Mili Açıı : Rotor Açıı : Üt Ölü Noktadan Sonra : Hava Yakıt Oranı xi

14 xii

15 ÇİZELGE LİSTESİ Çizelge 1: İki zamanlı motorlarda egzoz ve emme açılma avanları Çizelge 2: İki Zamanlı Wankel motoru pencere avanları Çizelge 3: Geometrik Heap Sonuçları Çizelge 4: Farklı motorlara göre pencere alanları Çizelge 5: Farklı motor hızlarında kütle değişimi (Blair 2, p dol =2,5 atm) Çizelge 6: Farklı doldurucu baınçlarında pmi Çizelge 7: Farklı hızlarda pmi xiii

16 xiv

17 ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1: Wankel Motorunun Çevrim Şemaı Şekil 2.2: Wankel ve klaik pitonlu motor çevrimlerinin karşılaştırmaı Şekil 2.3: İki zamanlı Wankel Motoru ve iki zamanlı klaik pitonlu motor çevrimlerinin karşılaştırmaı Şekil 2.4: AB yüzeyi egzoz açılma anı Şekil 2.5: AB yüzeyi 180 RA onraı egzoz açılma anı Şekil 3.1: Wankel motoru gövde geometrii Şekil 3.2: dönme açıı ve a uzaklığının göterimi Şekil 3.3: Genişletilmiş gövde geometrii Şekil 3.4: Rotorun geometrii Şekil 3.5: Rotorun ve büyük çemberin konumu Şekil 3.6: Limon Geometrii Şekil 3.7: Blair 1 e göre pencere geometrileri Şekil 3.8: Rotor ile gövde araında kalan alanlar Şekil 3.9: Yanma odaının hacim değişimi Şekil 3.10: Oyuk hacmi Şekil 3.11: Pencere keit alanları Şekil 4.1: Iı taşınım katayıı Şekil 4.2: Iı taşınım katayıının motor hızına bağlı değişimi Şekil 4.3: Kontrol hacmi, ıı-kütle geçişi Şekil 4.4: Heun yöntemi Şekil 4.5: Süpürme pencerei kıılma katayıları Şekil 4.6: Egzoz pencerei kıılma katayıları Şekil 4.7: Kütle debiinin heap adım aralığı ile değişimi Şekil 4.8: Egzoz kütleinin heap adım aralığı ile değişimi Şekil 4.9: Sürtünme baıncının motor hızına bağlı değişimi Şekil 4.10: Sabit hızlarda ortalama efektif baıncın değişimine göre ürtünme baıncının değişimi. 44 Şekil 5.1: Farklı egzoz pencereleri alanları Şekil 5.2: Farklı üpürme pencereleri alanları Şekil 5.3: Blair 1.pencere geometriine göre yanma odaı kütle değişimi Şekil 5.4: Blair 2.pencere geometriine göre yanma odaı kütle değişimi Şekil 5.5: Blair 3.pencere geometriine göre yanma odaı kütle değişimi Şekil 5.6: Yanmış yakıt yüzdei-rotor açıı Şekil 5.7: Yanma odaına ıı girişi Şekil 5.8: Yanma odaından çıkan ıı miktarı Şekil 5.9: Yanma odaından çıkan ıı akıı Şekil 5.10: Farklı motor hızlarında P-V diyagramı Şekil 5.11: Farklı pencere geometrilerinde P-V diyagramı Şekil 5.12: Farklı doldurucu baınçlarında P-V diyagramı Şekil 5.13: Ortalama indike baıncın değişimi Şekil 5.14: İndike gücün değişimi Şekil 5.15: Özgül yakıt tüketiminin değişimi (indike) xv

18 Şekil 5.16: p mf nin değişimi Şekil 5.17: p me nin değişimi Şekil 5.18: Ortalama efektif gücün değişimi Şekil 5.19: Efektif özgül yakıt tüketiminin değişimi Şekil 5.20: SV nin değişimi Şekil 5.21: Karışımlı hal-karışımız hal karşılaştırmaı Şekil 5.22: Karışımlı-karışımız hal efektif güç karşılaştırmaı xvi

19 SEMBOL LİSTESİ : Yakıtın alt ııl değeri (kj/kg) φ : Dönme Açıı ( ) μ : Kıılma katayıı : Süpürme pencerei kıılma katayıı : Egzoz pencerei kıılma katayıı : Atmofer baıncı (MPa) : Atmofer ıcaklığı (K) v : Rotor açıı ( ) Tem : Emme manifoldu gaz ıcaklığı (K) n : Ekantril mil hızı (devir/dak) : Sıkıştırma oranı : Rotor çemberi-ekantrik mil çevre oranı cp : Sabit baınçtaki havanın molar özgül ııı (kj/kmolc) cv : Sabit hacimdeki havanın molar özgül ııı (kj/kmolc) pmi : Ortalama indike baınç (bar) N i : İndike güç (kw) : Strok hacmi (cm 3 ) k V H V min V mak p me p mf N e dm dm em dm eg dm emtepme : Üt ölü noktadaki hacim (cm 3 ) : Alt ölü noktadaki hacim (cm 3 ) : Çevrim zaman ayıı : Ortalama efektif baınç (bar) : Sürtünme kaybı baıncı (bar) : Ortalama efektif güç (kw) : Yanma odaında birim zamanda değişen kütle miktarı (kg) : Süpürme pencereinden birim zamanda giren kütle miktarı (kg) : Egzoz pencereinden birim zamanda çıkan kütle miktarı (kg) : Süpürme pencereinden birim zamanda çıkan kütle miktarı (kg) dm egtepme : Egzoz pencereinden birim zamanda giren kütle miktarı (kg) e : Yanma odaı gazlarının birim kütle başına iç enerjii (J/kg) i em i eg p : Emme gazlarının birim kütle başına entalpii (J/kg) : Egzoz gazlarının birim kütle başına entalpii (J/kg) : Yanma odaı baıncı (Pa) dv : Yanma odaı hacminin ekantrik mili açıına göre değişimi (m 3 ) dq : Yanma odaı birim zamandaki ıı geçişi miktarı (J) net xvii

20 T t R k a V b i b e p em p eg h : Sıcaklık (K) : Sıcaklık ( C) : İdeal gaz abiti(j/kgk) : Özgül ııların oranı : Yoğunluk (kg/m 3 ) : Debi fonkiyonu : Pencere keit alanı (m 2 ) : Yanma odaı hacmi (m 3 ) : İndike özgül yakıt tüketimi (g/kwaat) : Efektif özgül yakıt tüketimi (g/kwaat) : Emme manifoldu baıncı (Pa) : Egzoz manifoldu baıncı (Pa) : Iı taşınım katayıı (J/m 2 K) xviii

21 İKİ ZAMANLI WANKEL MOTORU ÇEVRİM ANALİZİNİN GELİŞTİRİLMESİ ÖZET Wankel motorları, imini yaratıcıı olan Felix Wankel den almıştır. Döner pitonlu bir motor çeşidi olan Wankel motorları, günümüzde dört zamanlı çalışma prenibine dayalı olarak üretilmekte ve çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Yapıı itibariyle küçük motor hacminden yükek güç üretimine olanak ağlayan bir motor tipidir. Sızdırmazlık ve yağlama problemleri nedeniyle kullanımı fazla yaygınlaşmamaına rağmen, motoru kullanmaya devam eden alanlar mevcuttur. Havacılık ektöründe, özellikle inanız hava araçlarında, güç/ağırlık oranı yükek tahrik itemleri gerekmektedir. Ağırlığın düşük olmaı, uzun üre havada kalacak araç için, yakıt tüketimi açıından avantaj ağlamaktadır. Aynı zamanda gücün yükek olmaı arzulanan bir durumdur. Otomotiv ektöründe de geçmiş yıllarda ve günümüzde bazı firmalar Wankel motoru bulunan taşıtlar üretmişlerdir. Günümüzde karayolu araçlarının hibrit araç teknolojilerinin içinde de Wankel motoruna yer verilmektedir. Elektrikli araçlarda, akü şarjı aşamaında kullanılan Wankel motorunun en önemli avantajı, aküler nedeniyle ortaya çıkan ağırlığın, ufak kütleli Wankel motorları tarafından tolere edilmeidir. Böylece elektrikli aracın aküye dayalı menzili, ağırlık artışına rağmen yükek eviyede tutulmaktadır. Bu tezde, dört zamanlı Wankel motorunu, motorda en az değişiklik yaparak iki zamanlı çalışır hale getirme durumu üzerine durulmuştur. Böylece dört zamanlı Wankel motoruna göre aynı hacimde iki kat güç elde etmek mümkün olacaktır. İki zamanlı motorunun avantajı, havacılık, ulaşım ve elektrik üretimi ektöründe, şu anda da kullanılan dört zamanlı Wankel motoruna göre daha fazla verim elde etmek olacaktır. Bu tezde, üretilmekte olan bir Wankel motoru olan Mazda nın 13 B Renei moturu geometrik olarak temel alınarak, iki zamanlı hale getirilecek şekilde taarlanmıştır. Tez kapamında yapılan çalışmaların ilk aşamaında, iki ve dört zamanlı çevrime dayalı olarak çalışan klaik pitonlu motorlar genel anlamda incelenmiş ve bu motorların çalışma prenipleri hakkında bilgi toplanarak çalışmanın onraki kıımları için temel oluşturulmuştur. Ardından, çeşitli kaynaklarda yer alan Wankel motorları hakkında gerekli bilgiler bir araya getirilmiş ve ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ek olarak, iki zamanlı Wankel motoru ile ilgili mevcut patentler araştırılmış, üpürme ve egzoz pencerelerinin konumlandırılmaı konuu incelenmiştir. Elde edilen bilgiler doğrultuunda Wankel motorunun ana taarım parametreleri oluşturulmaya başlanmıştır. İlk olarak Mazda RX-8 modellerinde kullanılan Wankel motoru Microoft Excel programıyla geometrik olarak bire bir uygun olarak taarlanmış ve boyutlar ile ilgili gerekli ayıal bilgiler geometrik şekil irdelenerek elde edilmiştir. Daha onra, motoru iki zamanlı çalıştırmak için, dolgu değişiminin ağlandığı üpürme ve egzoz pencerelerinin konumları ve şekilleri değiştirilmiştir. Süpürme ve egzoz pencerelerinin avanları ve açık kalma üreleri, klaik pitonlu iki xix

22 zamanlı motorlarda, motor büyüklüğüne ve çalışma şartlarına göre değişmektedir. Bu doğrultuda, 3 adet farklı pencere konfigürayonu, Wankel motorunun gövdeine bağlı kapaklarda olacak şekilde, Wankel motoru geometriine uygun olarak taarlanmıştır. Pencere zamanları iki zamanlı pitonlu motorlardan örnek alınarak elde edilmiştir. Geometrik taarım aşamaından onra, konu üzerindeki daha önce yapılmış tez çalışmaı model alınarak, motorun termodinamik çevrim analizine geçilmiştir. Bu kapamda öncelikle termodinamik analiz kımında kullanılacak heap yöntemleri belirlenmiştir. Pencerelerden dolgu değişimi, yanma odaı içi kütle değişimi, yanma odaına ıı girişi ve yanma odaından ıı çıkışının heabı anlatılmıştır. Bu yöntemler, motorun yanma odaı içindeki ıcaklık, baınç, hacim, kütle değerlerini, rotorun dönme açıına bağlı olarak ve her rotor açıı bir adım olarak kabul edilerek, heaplanmaında kullanılmıştır. Süpürme ve egzoz pençelerinden ağlanan dolgu değişimi, tek boyutlu gaz dinamiği denklemi ilkelerine bağlı olarak kütleel olarak heaplanmıştır. Analiz ıraında, bu tezde, daha önceki çalışmaya ek olarak, yanma odaından emme ve egzoz manifoldlarına doğru gerçekleşen gaz tepmeleri de heaba dahil edilmiştir. Daha onra, heap adım aralığının çevrim onuçlarına etkiini incelemek için, heap adım aralığı bir derece rotor açıından onda bir derece rotor açıına ve daha onra yüzde bir derece rotor açıına düşürülmüştür. Özellikle dolgu değişimi ıraında yanma odaından manifoldlara olan tepmelerde, heap adım aralığının küçülmei onuçlara etki etmiştir. Bu yüzden, heaplamayı hem hızlı hem de daha haa yapabilmek için onda bir derece rotor açıı heap adım aralığı uygun bir değer olarak eçilmiştir Daha onra, termodinamik analiz onucunda, yanma odaı içindeki baınç, ıcaklık, kütle, hacim değerleri, bir çevrim boyunca, her adım aralığı için, dolgu değişimi, hacim değişimi ve ıı girişi-çıkışı da göz önüne alınarak aptanmıştır. Bu değerlere göre çevrim boyunca yanma odaına giren gaz kütlei, yakıt miktarı, yanma odaından çıkan gaz kütlei, ortalama indike baınç gibi parametreler heaplanmıştır. Bu parametreler, farklı pencere geometrilerine, farklı motor hızlarına ve farklı doldurucu baınçlarına göre elde edilmiştir. Her durum için indikatör diyagramı çıkartılmış, ortalama indike baınç, indike güç ve indike özgül yakıt tüketimi değerleri heap edilmiştir. Efektif parametreleri elde etmek için, deney yapmakızın, literatürde Wankel motoru üzerinde yapılmış deneyler temel alınarak, hıza ve yüke bağlı ürtünme kaybı baıncı değerleri çıkartılmıştır. Bu ürtünme baınçları, ortalama indike baınçtan çıkartılarak, ortalama efektif baınç değerleri bulunmuştur. Ortalama efektif baınç değeri kullanarak, efektif güç ve efektif özgül yakıt tüketimi değerleri elde edilmiştir. Elde edilen onuçlara göre düşük ve orta hızlarda pencere açık kalma ürei en düşük olan pencere konfigürayonu daha yükek güç ve daha düşük yakıt tüketimi değerleri vermektedir. Ancak daha yükek hızlara çıkıldıkça, küçük pencerelerden dolgu değişimi ağlamak zorlaşmaktadır. Bunun için daha yükek motor hızlarına çıkıldığında daha büyük pencere geometrii kullanılmaı gerekmektedir. Doldurucu baıncının artmaı, her çalışma koşulu için daha yükek güç ağlamaktadır. xx

23 IMPROVEMENT OF THE CYCLE ANALYSIS OF TWO STROKE WANKEL ENGINE SUMMARY Wankel engine ha derived it name from it inventor, Felix Wankel. A type of rotary piton engine, Wankel engine are produced and utilized in variou area according to four troke cycle principal. Thank to it tructure, it i a type of engine which allow high power output from mall engine volume. Although it in t very popular becaue of it leakage and lubrication problem, there are plenty of field which Wankel engine i ued. In aviation ector, epecially in unmanned aircraft, high power/weight ratio i needed. With lower weight, the aircraft can fly longer ince the fuel conumption would be decreaed. At the ame time, higher power output i a deired quantity. Some companie in automotive ector have produced vehicle which have Wankel engine ince 60. Nowaday, in automotive field, Wankel engine i taking a part in hybrid vehicle technologie. Wankel engine which i ued to charge batterie in electric vehicle ha a big advantage over conventional internal combution engine. Becaue of it compact tructure and low weight, it can companate for the increaed ma of electric vehicle batterie. By uing Wankel engine a an electric charger for batterie, the range of electric vehicle can be extended. There are ome application in the ector which utilize Wankel engine a range extender in electric vehicle. In thi thei, changing the cycle type of four troke Wankel engine to two troke cycle ha been invetigated. With thi application, twice the power of Wankel engine could be achieved from the ame engine volume. The two troke cycle Wankel engine would bring more efficient olution than four troke cycle to aviation, tranportation and power generation field. In thi tudy, the geometry of Mazda 13-B Renei engine, which i till produced, i taken a a bae model for two troke Wankel engine deign. A a firt tage for thi tudy, the conventional four and two troke piton engine and their cycle principal have been invetigated and a bae for the next tage ha been contructed from the bai information. Next, information about Wankel engine from variou ource have been gathered and invetigated in detail. Alo, ome patent about the concept of two troke Wankel engine have been examined and the location of cavenging and exhaut port are determined. In the light of gathered information, the main deign parameter of two troke Wankel engine have tarted to be formed. Firtly, 13-B Renei Wankel engine exact geometry wa built up uing Microoft Excel. The neceary information about dimenion, volume and other geometrical parameter have been calculated and derived by further invetigation. Later, in order to provide ga exchange in the cylinder, cavenging and exhaut port location and hape have been altered. xxi

24 The cavenging and exhaut opening advance and port timing are changing according to engine ize and operating condition in conventional two troke cycle piton engine. Becaue of thi, 3 different port configuration, which the port are located in the engine cover, have been adjuted and deigned according to Wankel engine operating principal. Thee 3 different port timing have been derived from two troke piton engine port timing. After geometrical deigning tage, with taking the previou tudy a a bae for thi thei, the thermodynamic cycle analyi wa been tarted. In thi context, firtly the calculation method which will be ued in analyi were defined. The calculation of ga exchange through port, the ma exchange in cylinder, heat input to the cylinder and heat output from the cylinder have been explained. Thee method are ued to determine in cylinder temperature, preure, volume and ga ma depending on the rotor turning angle and accepting the calculation tep a one degree rotor angle. Ga mae in the ga exchange proce which are provided from cavenging and exhaut port are calculated according to one dimenional ga dynamic equation. During analyi, in thi tudy, a an addition to previou tudy, the backflow from cylinder to cavenging and exhaut manifold are calculated. Later, to invetigate the effect of calculation tep ize to the calculation reult, the calculation tep ize of one degree rotor angle have been reduced to 0,1 degree rotor angle and further 0,01 degree rotor angle, repectively. Specifically, the backflow from cylinder to manifold during the ga exchange proce differ when the calculation tep ize reduce. In order to reach more accurate reult a well a to execute the calculation more quickly, a calculation tep ize of 0,1 degree rotor angle ha been een fit to be choen. In further analyi, with taking the ga exchange proce, volume change and heat input-output into account; for every tep in one cycle, the preure, temperature, ma and volume inide cylinder have been calculated. According to thee value, during one cycle, the fuel ma, in-cylinder ga ma, cavenging and exhaut ga mae, indicated mean effective preure (imep) have been determined. Thee parameter are obtained for different port geometrie, for different engine peed and for different charging preure. For each condition, the indicator diagram (preure veru volume), imep, indicated power and indicated pecific fuel conumption value were calculated. To obtain effective parameter uch a brake mean effective preure (bmep), brake power and brake pecific fuel conumption; friction lo preure wa etimated. The friction lo preure i dependant on load and engine peed. Friction preure value are derived from the experiment which were conducted on a conventional Wankel engine. Thi experiment etup and reult were found after a literature canning. By ubtracting friction preure from the indicated mean effective preure, brake mean effective preure wa calculated. From brake mean effective preure, other effective parameter (brake power and brake pecific fuel conumption) have been calculated. Two approache have been ued in thee analyi. Firtly, the gae in the cylinder i accepted to be non mixing. Thi mean that freh charge and the exhaut gae do not mix and the fuel quantity i calculated from the ga ma found in the cylinder at the end of the cycle. By thi method, it i accepted that, at the end of the cycle, all the gae in the cylinder are freh charge. However, in reality, that i not the condition. xxii

25 The econd approach i called mixing calculation. In thi method, it i accepted that freh charge and the exhaut gae mix in the cylinder. The mixed ga i evacuated from the cylinder. To calculate fuel ma, it i neceary to know the quantitity of freh charge in the cylinder. In order to calculate it, ome correlation i done via experiment performed on two troke engine. So, a fraction of cylinder mixed gae i freh charge and thi fraction i changing according to engine peed and according to port timing. It i found that in higher engine peed, the ratio of freh charge in the mixture ga i decreaing. Alo mall port timing geometrie yield worer freh charge ratio than bigger port timing geometrie. A a comparion; the fuel quantity i calculated higher in non-mixed cae. So the indicated and brake parameter are found higher in non-mixed cae. But, a a more realitic approach, the mixed cae cenario ha to be ued and developed. From the calculated reult, it i found that at low and mid engine peed, the port geometry which ha the lowet port opening time yielded higher engine power and lower fuel conumption. However, at high engine peed, the ga exchange through mall port area geometry become harder. To provide ga exchange at higher engine peed, bigger port area geometrie hould be ued. Alo, the effect of charging preure wa invetigated. It can be aid that, for every port configuration and engine peed, the higher charging preure give higher power output. For further tudie, ome uggetion can be made. In thi tudy, the working ga wa aumed a air. In order to deepen the invetigation, pecie after combution can be taken into account. Alo the preure variation in manifold were neglected during thi tudy. Wave action preure model which i dependant on the hape and length of manifold can be invetigated. Alo combution and in-cylinder ga motion can be modelled and calculated in future. Lat but not the leat, a prototype engine can be manufactured and experiment can be carried out on thi engine. xxiii

26 xxiv

27 1. GİRİŞ 1954 yılında Felix Wankel tarafından taarlanan Wankel motoru diğer pitonlu motorlar gibi emme, ıkıştırma, yanma ve egzoz zamanlarından oluşan dört zamanlı çevrim prenibine göre çalışır. Ancak pitonlu motorun akine her faz motorun farklı bir kımında gerçekleşir. Çıkış mili, rotorun üç katı devir ayııyla döner ve çıkış milinin her bir turu için ayrı bir ateşlemeye ihtiyaç vardır. Wankel motorunun ana avantajları boyutu, bait yapıı ve düzgün çalışmaıdır. Tek rotorlu bir Wankel motorda iki adet hareket eden parça vardır: rotor ve ekantrik mil. Emme ve egzoz pencerelerinin gövdenin yan yüzünde yer almaı ebebiyle kam miline veya upaba gerek yoktur. Piton ve biyel gibi karşılıklı hareket eden kütleler olmadığından dolayı çok az titreşim oluşur. Bu motorun iki zamanlı çalışmaı konuunda çeşitli patentler alınmıştır. Bu tezde, Wankel motorunun iki zamanlı çalışmaya uygun hale getirilmei ve termodinamik analiz ıraında heapların geliştirilmei incelenmiştir. 1.1 Tezin Amacı Wankel motoru dört zamanlı döner pitonlu bir motordur. Motorun iki zamanlı çevrime uygun olarak çalışabilmei için motorun emme ve egzoz üreçleri değiştirilmeli, buna bağlı olarak dolgu değişimi işlemleri tanımlanmalıdır. Dört zamanlı prenipte rotorun 360 dönüşü ile bir çevrim tamamlanmaktadır. İki zamanlı prenipte ie rotorun 180 lik dönüşünde bir çevrimin tamamlanmaı amaçlanmaktadır. Bu 180 boyunca yanma odaına giren ve çıkan dolgu, ıı miktarları incelenecektir. Sıcaklık ve baınç değerleri dolgu ve ıı değişimleri göz önüne alınarak, yanma odaı hacmine ve rotorun konumuna bağlı olarak heap edilecektir. Bu değerler onucunda teorik olarak motorun ortalama efektif baıncı ve gücü heap edilebilir. Bu tezde, heaplamalar ıraında motora ve çevreye ilişkin bazı parametrelerin değişiminin ortalama efektif baınca olan etkiinin incelenmei amaçlanmaktadır. Ayrıca farklı üpürme ve egzoz pencere geometrilerinin dolgu değişimine olan etkii incelenecektir. 1

28 2

29 2. WANKEL MOTORU ÇALIŞMA PRENSİBİ Wankel motorunda rotor döndükçe gövdeyle ürekli tema halinde olan uç noktaları ayeinde gövdenin içinde her biri farklı hacimlere ahip üç ayrı oda oluşturur. Rotorun bir devri üreince klaik pitonlu motordaki gibi emme, ıkıştırma, yanma ve egzoz zamanlarından oluşan tam bir dört zamanlı çevrim ağlanır. Emme ve egzoz pencerelerinin açılıp kapanma zamanları rotorun dönmeiyle belirlenir. Gövde içinde ve abit pinyon etrafında dönen rotor, dönüşü ıraında değişik hacimlere ahip hilal biçimli odalar oluşturur. Bu düzen her bir odada dört zamanlı çevrimin ardı ardına gerçekleştiği anlamına gelir. Bu ayede ekantrik milin bir tur dönmeiyle motor üç tam dört zamanlı çevrimi tamamlamış olur. Şekil 2.1: Wankel Motorunun Çevrim Şemaı [1]. 3

30 2.1 Dört Zamanlı Wankel Motoru Çalışma Prenibi Birinci zaman Rotor, Şekil 2.1 de görüldüğü gibi, A köşeiyle emme pencereini açarak yakıt hava karışımının 1 numaralı odaya girmeine izin verir ve rotorun dönüşü ıraında oda hacmi genişler. Aynı enada C köşeiyle AC kenarının oluşturduğu 4 numaralı yanma odaında on kalan yanmış gazları dışarı atarak egzoz deliğini kapatır. AB kenarıyla oluşturduğu 5 numaralı yanma odaında yakıt hava karışımını ıkıştırırken, BC kenarının oluşturduğu 9 numaralı yanma odaında ie yanma onucu oluşan gazların genişlemei ile döner pitona hareket verilir İkinci zaman Rotorun AB kenarının oluşturduğu 6 numaralı yanma odaında da ıkıştırma olurken, CA kenarının oluşturduğu yanma odaında 2 numaralı yanma odaında emme olur. Aynı anda BC kenarının oluşturduğu 10 numaralı yanma odaında gazlar ıı enerjiini mekanik enerjiye dönüştürmüş ve rotorun C köşei egzoz pencereini açmıştır Üçüncü zaman Rotorun CA kenarının oluşturduğu 3 numaralı yanma odaında emme devam ederken AB kenarının oluşturduğu 7 numaralı yanma odaında ie ıkıştırma olayı tamamlanmıştır. Buji yardımıyla ıkıştırılmış hava yakıt karışımı ateşlenir. Rotorun BC kenarının oluşturduğu 11 numaralı yanma odaında ie yanma onucu ortaya çıkan egzoz gazları dışarı atılır Dördüncü zaman Rotorun CA kenarının oluşturduğu 4 numaralı yanma odaı yakıt hava karışımı ile tamamen dolmuş ve C köşei emme pencereini hemen hemen kapamıştır. Oya AB kenarının oluşturduğu hacimde yanma olayı meydana gelmiş ve rotora etki ederek onu döndürmeye başlamıştır. Rotor vaıtaıyla da ekantrik miline etki ederek motordan iş alınır. Rotorun BC kenarının oluşturduğu 12 numaralı yanma odaında ie egzoz gazları dışarı atılmaya devam eder [2]. 4

31 Olay yukarıda açıklandığı gibi ve Şekil 2.1 de göterildiği gibi emme, ıkıştırma, yanma ve genişleme ve egzoz zamanları periyodik olarak gerçekleşmektedir. Bütün bu zamanların oluşmaı iki hareketli parça tarafından ağlanır. Çeşitli ızdırmazlık elemanları ayılmaza olayların gerçekleşmeini ağlayan parçalar, ekantrik mili ve dişlii ile bu dişli üzerinde hareket eden üçgen profilli rotor ve bu rotorun ınırlarını oluşturan epitrokoid yüzeyli gövdeden oluşmaktadır. Üçgen profilli rotorun köşeleri, epitrokoid yüzey üzerinde birbirini takip eden 1/3 dönmelerde yani 120 lik dönme açılarında, dört zamanlı motorlardaki olaylar gerçekleşmektedir. Dört zamanlı motorlarda oluşan bu olaylar bu motorun rotorunun 360 lik dönmeinin 1/3 ünde olur, yani her 120 de bir tekrarlanır. Wankel motorunda ekantrik milinin her dönüşü bir iş zamanıdır. Şekil 2.2: Wankel ve klaik pitonlu motor çevrimlerinin karşılaştırmaı [3]. Şekil 2.2 de Wankel motorunda ve klaik pitonlu motorda çalışma ıraında çalışma odaının hacim değişiklikleri karşılaştırılmıştır. Görüldüğü gibi klaik pitonlu motor iki turda (720 KMA) bir çevrim tamamlarken, Wankel motorunda ekantrik milin üç turunda (1080 EMA) 3 adet çevrim tamamlanır. Bunun nedeni rotorun 360 lik dönüşü ıraında 3 adet rotor yüzeyinin birer yanma odaı olarak kabul edilmei ve böylece birbirini takip eden yüzeylerin aynı anda farklı iş zamanlarını 5

32 gerçekleştirmeleridir. Böylece aynı üre göz önüne alınıra ve tek bir odada yanma olduğu kabul edilire iki kat daha fazla güç elde edilir. 2.2 İki Zamanlı Wankel Motorunun Çalışma Prenibi Bu tezin temel konuu iki zamanlı çevrimin Wankel motoruna uyarlanmaıdır. İki zamanlı Wankel motorları, dört zamanlı Wankel motorlarına göre pencere ve buji konumları ve ayıları konuunda değişiklik götermelidir. Bunların onucunda Wankel motorunu dört zamanlı çevrimden iki zamanlı çevrime dönüştürmenin pek çok avantajı olacağı tahmin edilmektedir. Dört zamanlı motorda buji yakınındaki alanla diğer bölgeler araındaki ıcaklık farkı yükek olur ve bundan dolayı ııl dengeizlik oluşur. İki zamanlı motor için taarlanan çift bujili yapı ııl dağılımın daha düzgün olmaını ağlar. Ayrıca iki zamanlı Wankel motoru için gerekli olan emilen hava hem gövdenin oğutulmaında hem de artık gazların üpürülmeinde kullanılır. İki zamanlı Wankel motoru konuundaki çalışmalar [4] ve alınan patentlerden [5] yola çıkarak yapılan taarımın çalışma prenipleri şunlardır: İki zamanlı olma durumunda Wankel motorunda karşılıklı yüzeylerde iki alt ölü nokta ve iki üt ölü nokta oluşur. Motor içinde akış epitrokoid gövdenin bir kenarındaki üpürme pencereinden yakıt hava karışımı alınırken, karşı kenardaki egzoz pencereinden yanmış gazlar dışarı atılır. Sıkıştırılmış olarak motora giren hava yakıt karışımı, ilk önce artık gazları egzoz pencereinden üpürür. Sonra bu karışım ıkıştırılır ve minimum hacmin oluştuğu bölgede, her iki tarafta bulunan bujilerden ıkıştırmanın yapıldığı taraftaki ile ateşlenir. Buraya kadar olan kıım çevrimin ilk zamanını oluşturur. Bunun ardından yanma ile genişleme ve ardından rotorun dönme yönündeki pencereden egzoz olayı gerçekleşir. Bu işlemler de çevrimin ikinci zamanını oluşturur. Tüm bu işlemler onucunda, iki zamanlı Wankel motorunda dört zamanlı Wankel motoruna göre çok daha yükek bir güç elde edilmei mümkündür [5]. Şekil 2.3 te görüldüğü üzere, iki zamanlı klaik pitonlu motorda ıkıştırmaegzoz ve emme üreçleri pitonun 180 KMA lık hareketiyle, yanma-genişlemeemme-egzoz üreçleri ie pitonun bir 180 KMA lık daha hareketiyle tamamlanır. Böylece 360 KMA da bir çevrim tamamlanmış olur. (2.1) ifadeinde indike gücün heabı göterilmiştir. Burada önemli olan parametre çevrim zaman ayııdır (τ). Dört zamanlı klaik pitonlu motorlarda bu ayı dörttür. 6

33 Şekil 2.3: İki zamanlı Wankel Motoru ve iki zamanlı klaik pitonlu motor çevrimlerinin karşılaştırmaı. N i pmivh n 30 (2.1) İki zamanlı klaik pitonlu motorlarda ie ayı ikiye düşer. Dört zamanlı Wankel motorunda çevrim zaman ayıı iki zamanlı klaik pitonlu motor ile aynıdır. Ancak Wankel motoru iki zamanlı çevrime dayalı çalışır hale getirildiğinde çevrim zaman ayıı bire düşer (bkz. Bölüm 4.3.2) Birinci zaman Gövdenin önündeki kapakta egzoz pencerei, arkadaki kapakta üpürme pencerei bulunmaktadır. Şekil 2.4 te görülen rotorun ab yüzeyi ile ınırlanan hacimde yanma ve genişleme işlemleri gerçekleşmektedir. Rotorun aat yönüne olan hareketi ile ab yüzeyi öncelikle egzoz pencereini, onra da emme pencereini açacaktır. Bu enada bc yüzeyi ile ınırlandırılan alan ÜÖN ya yaklaşmakta ve ateşleme işlemi gerçekleştirilmektedir. ac yüzeyinde ie emme ve egzoz pencereleri kapanmaktadır. Rotorun hareketi ile ıkıştırma işlemi egzoz pencerei kapandıktan onra başlayacaktır. 7

34 Şekil 2.4: AB yüzeyi egzoz açılma anı İkinci zaman ab yüzeyi rotorun hareketi ile egzoz pencerei kapandıktan onra ıkıştırma işlemini yapmış, ÜÖN civarında ateşleme olmuş ve hareketin devamı ile beraber ab yüzeyinin ınırlandırdığı alanda yanma ve genişleme gerçekleşmiştir. Şekil 2.5 te ab yüzeyinin başlangıç poziyonundan 180 RA onraki hali görülebilir. Bu enada tekrar egzoz pencerei açılmaktadır. Bu zaman diliminde bc yüzeyi yanma-genişleme-egzozemme işlemlerini gerçekleştirmiş ve tekrar ÜÖN poziyonuna gelerek ateşleme zamanına yetişmiştir. ac yüzeyi ie bc yüzeyini takip eden işlemleri uygulamaktadır. Şekil 2.5: AB yüzeyi 180 RA onraı egzoz açılma anı. 8

35 Rotorun bahedilen hareketine göre, 180 RA lık zaman diliminde üç yüzeyde de çevrim gerçekleşmiştir. Bu ekantrik milin 540 lik dönüşüne karşılık gelmektedir. Buna göre 180 EMA da bir adet çevrim gerçekleşmiştir. Taarlanan iki zamanlı Wankel motoru, klaik pitonlu iki zamanlı motora göre aynı üre zarfında iki kat fazla iş yapmaktadır. 9

36 10

37 3. MOTORUN GEOMETRİSİ Gövdenin temel geometrik yapıı birbirini üzerinde kaymadan yuvarlanan trokoid eğrilere dayanır. Döner pitonlu motor taarımda kullanılan trokoid eğrileri bir doğru üzerinde kaymadan yuvarlanan çember yerine abit bir çemberin iç veya dış tarafında kaymadan yuvarlanan başka bir çember ile tanımlanır [6]. 2 zamanlı Wankel motoru taarımda Mazda 13-B Renei motorunun geometrii temel alınmıştır. 3.1 Gövdenin Geometrii Tanım olarak bir epitrokoid, bir çember üzerinde kaymadan yuvarlanan bir çemberin çevrei üzerindeki abit bir noktanın geometrik yerlerinin oluşturduğu eğridir. Wankel motorunun iki loblu epitrokoid çapını elde etmek için, merkez çember yarıçapının, yuvarlanan çember yarıçapının iki katı büyüklükte olmaı gerekmektedir. Bu ayede yuvarlanan çember, merkez çemberin etrafındaki yörüngeini tamamladığında tam olarak iki devir yapmış olur. Şekil 3.1 de gövdenin geometrik boyutlarının bir şemaı göterilmiştir. L k = Gövdenin kıa ekeni L u = Gövdenin uzun ekeni Şekil 3.1: Wankel motoru gövde geometrii. 11

38 e = Ekantriklik R = Büyük çembere bağlı olan ve dış trokoid eğriyi çizen noktanın büyük çemberin merkezine olan uzaklığı = Kaymadan yuvarlanan çemberin yarıçapı = Sabit duran çemberin yarıçapı Mazda 13-B motoru R= 101 mm ve e= 15 mm olacak şekilde taarlanmıştır. Gövde geometrii, aşağıda verilen Kartezyen koordinatlardaki denklemler 0 dan 360 dereceye kadar çizdirilerek elde edilir. X R.co e.co3 (3.1) Y R.in e.in 3 (3.2) 3.2 Genişletilmiş Gövde Geometrii Gövde geometrii çizdirilirken, içine oturacak olan rotorun köşeleri ivri birer uç olarak düşünülmüştür. Ancak gerçekte, çalışma enaında, rotorun hareketi onucu yanmış gazlarla taze dolgunun karışmamaı için ızdırmazlığın ağlanmaı gerekmektedir. Bu yüzden rotorun gövdeye tema ettiği köşelere egmanlar yerleştirmiştir. Bu egmanların görevi adece gaz ızdırmazlığını ağlamak değil, aynı zamanda rotordan gövdeye olan ıı geçişini de ağlamaktır. Rotor köşeine çizilen gövdenin dikey teğeti her zaman normal ile dik açı oluşturmamakta ve aradaki açı rotorun konumuna göre değişmektedir. Bu açının değişmeinden dolayı rotorun köşeinin gövdeye olan uzaklığı değişmekte, bundan dolayı da egmanın, yuvaı içinde ileri geri hareket etmei gerekmektedir. Segmanların aşınmamaı ve üretim toleranlarını karşılamaı için gövdeye eş uzaklıkta, gövdeyle aynı şekilde bir eğri çizilmei gerekmektedir. Bu eş uzaklık a ile göterilir ve Mazda 13-B Renei motorunda bu değer a = 4 mm dir. Segmanın yuvarlatılmış ucunun tepe noktaından egmanın kenarlarına paralel olan doğru ile egmanın gövdeye tema noktaı ve ilk doğrunun epitrokoidle keiştiği noktadan geçen doğru araındaki açıya denir. dönme açıı, Şekil 3.2 de göterilmiştir. 12

39 Şekil 3.2: dönme açıı ve a uzaklığının göterimi [1]. Dönme açıı aşağıdaki gibi heaplanır: R 3. e.co 2a arcco e R 6. e. R.co 2a (3.3) Genişletilmiş gövdenin şekli, aşağıdaki formüller yardımıyla Kartezyen koordinatlarda elde edilir. Şekil 3.3 te genişletilmiş gövdenin geometrii göterilmiştir. X R.co e.co3 a.co( ) genişletilmiş (3.4) Y R.in e.in 3 a.in( ) (3.5) genişletilmiş Genişletilmiş gövdenin yarıçapı, (3.6) formülü yardımıyla heaplanır. R R a (3.6) Genişletilmiş gövdenin kıa ekeni L k ile göterilir ve aşağıdaki biçimde heaplanır. L 2.( R e) (3.7) k Genişletilmiş gövdenin uzun ekeni L u ile göterilir ve aşağıdaki biçimde heaplanır: 13

40 L 2.( R e) u (3.8) Gövde geometrii Genişletilmiş gövde geometrii Şekil 3.3: Genişletilmiş gövde geometrii. 3.3 Rotorun Geometrii Rotorun dış yüzeyi hipotrokoid adı verilen eğriden oluşur. Hipotrokoid, bir çembere içten teğet duran başka bir çemberin, dıştaki çember üzerinde kaymadan yuvarlanmaı ıraında yuvarlanan çemberin üzerindeki abit bir noktanın geometrik yerlerinin oluşturduğu eğridir. Aşağıdaki denklemler yardımıyla hipotrokoid eğri Kartezyen koordinatlarda bulunur e 2 9. e 2 X R.co 2.in 6.in 2 2. e. 1.in 3.co3.co 2 2 R R 1/2 (3.9) e 2 9. e 2 Y R.in 2.in 6.co 2 2. e. 1.in 3.co3.in 2 2 R R 1/2 (3.10) 14

41 , rotor açıı olarak tanımlanır. Burada, 6 2 ; Şekil 3.4 te görüldüğü gibi çıkartılır. ; aralıklarında alınarak rotor eğrii Şekil 3.4: Rotorun geometrii. 3.4 Çemberin Geometrii Çemberin geometrii abit duran çember ile dışında kaymadan yuvarlanan çemberin birbirlerine oranına yani çevrim oranına bağlıdır. Şekil 3.1 e göre: abit duran çemberin çapı OI k yuvarlanan çemberin çapı OI k değeri 13-B Renei motoru için 2/3 olacak biçimde verilmiştir. Küçük çemberin çapı bulunduktan onra çevrim oranı kullanılarak dıştaki büyük çemberin çapı da bulunur. 15

42 Dküçük 4. e (3.11) Dbüyük 6. e (3.12) Çemberleri Kartezyen koordinatta çizmek için aşağıdaki yöntem uygulanır. X Dk Dküçük.co (3.13) 2 Y Dk D 2 küçük.in (3.14) X Db D 2 büyük.co (3.15) Y Db D 2 büyük.in (3.16) 3.5 Rotorun ve Büyük Çemberin Gövde Geometriine Oturtulmaı Yukarıda denklemleri çıkarılan gövdenin epitrokoid eğrii ve rotorun hipotrokoid eğrii birbirleriyle çalışacak şekilde çizilemez. Bu eş çalışmayı ağlamak için aşağıda verilen denklemler kullanılarak rotor ve büyük çember tekrar Kartezyen koordinatlarda çizdirilir ve böylece gövde geometriine uygun hale getirilmiş olur. Şekil 3.5 te rotorun ve büyük çemberin gövdeye oturmuş geometrii göterilmiştir. Gerekli formüller [7] numaralı kaynaktan alınmıştır. Rotoru gövde geometriine oturtmak için: X X.co Y.in e.co(3. 540) (3.17) 16

43 Y X.in Y.co e.in(3. 540) (3.18) Büyük çemberi gövde geometriine oturtmak için: X X.co Y.in e.co(3. 540) Db Db Db (3.19) Y X.in Y.co e.in(3. 540) (3.20) Db Db Db Şekil 3.5: Rotorun ve büyük çemberin konumu. 3.6 Limon Geometrii Rotorun dönme hareketi enaında, rotor yüzeyleri tarafından ınırlandırılarak çalışma odaına çevrimin hiçbir anında dâhil olmayan, gövde üzerinde oluşan geometriye limon geometrii adı verilmiştir [8]. İki zamanlı Wankel motoru taarımında, egzoz ve üpürme pencerelerinin konumunu taarlarken, pencerelerin iç taraflarındaki eğrilerinin limon geometrii ile 17

44 ınırlandırılmaı ağlanır. Böylelikle gerekiz yere pencere açıklığı oluşmaı engellenmiş olur. Bu geometri, genişletilmiş gövde geometriinin küçük çemberin çapı kadar merkeze kaydırılmaı ile elde edilir. Şekil 3.6 da çizilen limon geometrii göterilmiştir. Limon geometriinin ol tarafını Kartezyen koordinatlarda çizdirmek için şu denklemlerden yararlanılır: ol X R.co e.co3 D (3.21) Limon küçük Y R.in e.in 3 Limon (3.22) Limon geometriinin ağ tarafını Kartezyen koordinatlarda çizdirmek için şu denklemlerden yararlanılır: ağ X R.co e.co3 D (3.23) Limon küçük Şekil 3.6: Limon Geometrii. 18

45 3.7 Pencere Geometrii 2 zamanlı Wankel motoru taarımında, üpürme ve egzoz pencereleri yan yüzeylerde olacak şekilde konumlandırılmıştır. Pencerelerin iç yüzeyinin eğrilerini limon geometrii oluşturur. Süpürme açılma ve kapanma ve egzoz açılma kapanma zamanları AÖN ya göre imetrik olarak alınmıştır. Böylece pencere dış yüzeylerinin eğrilerini rotorun AÖN ya göre aldığı konumların eğrileri oluşturur. Bu ayede pencereler rotorun dönmei ayeinde açılır ve kapanır. Blair in iki zamanlı motorlarda pencere açılma ve kapanma avanları ile ilgili verdiği bilgiye dayanarak bu tezde 3 adet imetrik pencere geometrii çifti kullanılmıştır. Bu pencereler motorun kullanım alanına ve hacmine göre ortalama değerler olarak ınıflandırılmıştır. Pencere avanları, taarlanan iki zamanlı Wankel motorunda egzoz ve üpürme pencerelerinin ınırlarını belirtmektedir [9]. Çizelge 1: İki zamanlı motorlarda egzoz ve emme açılma avanları Motor Tipi Endütriyel, Moped,Küçük dıştan takma motorlar Enduro, Orta boyutta dıştan takma motorlar Motokro, büyük boyutta dıştan takma motorlar Egzoz Açılma Avanı (ÜONS) Süpürme Açılma Avanı (ÜONS) Çizelge 1 e göre, motor boyutu arttıkça egzoz ve üpürme açılma avanları ÜON ya yaklaşmaktadır. Avanın düşük olmaı, egzoz ve üpürme ürelerinin daha uzun olmaına, böylece dolgu değişiminin daha rahat ağlanmaına olanak vermektedir. Klaik pitonlu 2 zamanlı motorlarda bir çevrim 360 KMA da tamamlanır. Ancak taarlanan 2 zamanlı Wankel motorunda, bir çevrim 180 KMA da tamamlanır gibi düşünülebilir. Bu durumda pencere açık kalma üreleri, klaik pitonlu motorların pencere açık kalma ürelerinin ikiye bölünmeiyle elde edilebilir. Bu heaba göre Çizelge 2 de taarlanan Wankel motoru için pencere avanları ve pencere açık kalma üreleri görülebilir. 19

46 Çizelge 2: İki Zamanlı Wankel motoru pencere avanları. Pencere Motokro, büyük boyutta dıştan takma motorlar- Blair 1 Endütriyel, Moped,Küçük dıştan takma motorlar- Blair 2 Enduro, Orta boyutta dıştan takma motorlar- Blair 3 Egzoz A.A (ÜONS RA) Süpürme A.A (ÜONS RA) Egzoz Açık Kalma Sürei ( RA) Süpürme Açık Kalma Sürei ( RA) Bu çalışmada Blair in önerdiği farklı pencere avanları kıaca Blair 1, Blair 2 ve Blair 3 olarak anılacaktır. Örnek olarak Şekil 3.7 de Blair 1 poziyonlarına uygun olarak taarlanmış üpürme ve egzoz pencereleri görülmektedir. Keikli çizgi ve limon geometrii ile ınırlandırılmış alan üpürme pencereini, düz çizgi ve limon geometrii ile ınırlandırılmış alan egzoz pencereini götermektedir. Şekil 3.7: Blair 1 e göre pencere geometrileri. 20

47 3.8 Yanma Odaı Hacim Değişimi Heabı Yanma odaının hacminin değişimini bulmak için rotor ile gövde araında kalan alanın bulunmaı gerekir. Daha onra bu alan, itenen motor genişliği ile çarpılarak o bölgenin hacmi bulunur. Şekil 3.8: Rotor ile gövde araında kalan alanlar. Şekil 3.8 de görüldüğü gibi A b alanı, hipotrokoid eğrinin iki köşeinden çizilen doğrunun epitrokoid gövde ile araında kalan alanı ifade eder. A r alanı ie hipotrokoid eğrinin dış konturunun yine hipotrokoid eğrinin iki köşeinden çekilen doğru ile ınırlandırılmış olan alanını ifade eder. Rotor ile gövde araında kalan yüzey alanı, A b ve A r alanlarının farkının heaplanmaıyla bulunur. A b ve A r alanlarının α rotor açııyla değişimini göteren denklemler aşağıdaki gibidir [6]. 2. R 3 Ar ( R 2. e ). 2. e. R.co( ) ( 4. e ).. R max max (3.24) R 2. Ab (3. e R ). (.in( )) 3. e. R.in( ).co(2.( )) (3.25) Yanma odaının hacmi: 21

48 Hacim (m 3 ) V ( A A ). b b r (3.26) A b alanı, R, e değerleri yerine konularak; α, 0 dan 360 dereceye her rotor açıı için çizdirilerek rotorun konumuna göre heaplanır. Şekil 3.9 da yanma odaının hacminin değişimi, rotorun dönme açıına göre çizdirilmiştir. 0,0008 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0, ÜON AÖN Rotor Açıı Şekil 3.9: Yanma odaının hacim değişimi. Makimum hacim rotor AÖN konumunda iken, minimum hacim ie rotor ÜÖN konumunda iken heaplanır. Teorik olarak ıkıştırma oranı, makimum hacmin minimum hacme oranını ifade eder. ε = V mak teorik V min (3.27) Mazda 13-B Renei motorunda ıkıştırma oranı 10 olarak belirlenmiştir. Bu değere ulaşmak için yanma odaının hacminin değiştirilmei gerekir. Bunu ağlamak için de rotorun ütünde oyuk hacimleri açılmaı gerekir. Şekil 3.10 da rotorun ütünde açılacak oyuk tipi göterilmiştir. İtenen ıkıştırma oranına bağlı olan oyuk hacmi aşağıdaki şekilde heaplanır: 22

49 Şekil 3.10: Oyuk hacmi [1]. V - εitenen.v V = mak min oyuk εitenen-1 (3.28) Oyuk hacmi de heaplandıktan onra hacim heaplarında makimum hacme ve minimum hacme eklenir. Böylece rotorun herhangi bir konumunda yanma odaının hacmi heaplanabilir. Strok hacmi ifadei ie oyuğun varlığı ile değişmemektedir. Makimum hacimden minimum hacim çıkartılarak trok hacmi heaplanır. V =(V -V ) H mak min (3.29) Iı değişimi heaplarında, ıı çıkışının gerçekleştiği alanların heaplanmaı gereklidir. Iı çıkışı, rotor alanından, gövde alanından ve yan kapak alanlarından olur. Bu yüzden toplam alan değişiminin de heaplanmaı gerekmektedir. A 2A A A toplam kapak rotor gövde (3.30) Bu alanların heabı daha önceki bir çalışmada işlenmiştir [4]. 3.9 Pencere Alanları Heabı Emme ve egzoz işlemleri, motorda bulunan kapaklar üzerindeki pencereler üzerinden ağlanır. Rotorun hareketiyle pencereler açılır ve kapanır. Dolgu değişimi ıraında emme ve egzoz kütleel debileri, bir keit alanından geçen akış heabıyla elde edilir. Bu nedenle pencere alanlarının rotor açıına göre olan değişimi elde edilmelidir. 23

50 Alan (mm 2 ) Pencerelerin alan heabı [4] numaralı kaynakta belirtilen şekilde yapılır. Şekil 3.11 de pencere keit alanlarının rotor açıına göre değişimi görülebilir Emme Pencerei Alanı Egzoz Pencerei Alanı Rotor Açıı Şekil 3.11: Pencere keit alanları. 24

51 4. TERMODİNAMİK ÇEVRİM HESAPLARI Motorda yanma odaı hacim değişimi ve pencere alan büyüklükleri heaplanarak dolgu değişimi ve termodinamik çevrim ıraında heaplarda kullanılacak değerler elde edilir. Bundan onra ıı tranferi, dolgu değişimi gibi fizikel olaylar da heaba katılarak rotor açıına bağlı olarak indike ve efektif parametrelerin heabına geçilir [10]. Termodinamik analize başlamak için yanma odaındaki karışımın ıkıştırma onu ıcaklığı ve gerekli yakıt miktarı Kolchin in önerdiği heap yöntemiyle elde edilir [11]. Bu değerler ile dolgu değişimi başlamadan egzoz pencereinin açıldığı andaki ıcaklık ve baınç değerlerine ulaşılır. Bu noktadan onra, Ergeneman ın belirttiği yöntem kullanılarak rotorun dönüşüyle beraber adım adım yanma odaındaki baınç ve ıcaklık elde edilir [12]. Bir çevrim 180 RA da tamamlanır. Egzoz pencereinin açılmaından 180 RA onra elde edilen ıcaklık ve baınç değerleri, tekrar başlangıç şartı olarak ele alınır. Başlangıç-bitiş şartları araındaki fark %0,1 den küçük oluncaya değin iterayona devam edilir. Yanma odaı içinde kalan taze dolgu miktarına göre yakıt miktarı elde edilir. Her iterayonda yakıt miktarı da değiştirilir. Çevrim onucunda indike parametreler heaplanır (ortalama indike baınç, özgül yakıt tüketimi, indike güç). Ortalama indike baınç değerine deneyel olarak elde edilmiş bir ürtünme baıncı ifadei eklenerek efektif parametreler de heaplanabilir [13]. 4.1 Kolchin Heabı Çevrim başlangıç şartlarını elde etmek için Kolchin in önerdiği heap yöntemi kullanılır. Yanma homojen olarak kabul edilir. Kolchin heap yönteminde emme onu, ıkıştırma onu, yanma onu ve egzoz onu ıcaklık ve baınç değerleri elde edilir. Bu tezden önceki çalışmada Kolchin heap yönteminin Wankel motoruna uyarlanmaı detaylı olarak anlatılmıştır [4]. 25

52 4.2 Çevrimin Analizi Termodinamik çevrim analizinde, egzoz pencereinin açıldığı andaki baınç ve ıcaklık değerlerini elde etmek için Kolchin heap yönteminden başlangıç değeri heap edilir. Çevrim boyunca, yanma odaından motor duvarlarına ıı çıkışı Wilmer in belirttiği ıı taşınım katayıı kullanılarak heap edilir [14]. Yanma odaına ıı girişi Vibe yanma modeli kullanılarak heaplanır [15]. Pencereler açıldıktan onra dolgu değişimi de heaba katılır. Dolgu değişiminde kullanılan akışkan hava olarak kabul edilmiştir. Tek boyutlu gaz dinamiği heaplarında akışkan havanın özelliklerini taşımaktadır Yanma odaındaki özgül ıılar oranının heabı Havanın abit hacimdeki özgül ııı 0 C ile 1500 C araında (4.1) de göterilen şekilde heaplanır. C v 20,600 0,002638( T 273) ,97 [J/kgK] (4.1) 1501 C ile 2800 C araında ie (4.2) de göterilen heap kullanılır. C v 22,387 0,001449( T 273) ,97 [J/kgK] (4.1) Havanın abit baınçtaki özgül ııı (4.3) teki gibidir : C p C R (4.3) v İdeal gaz abiti (R) 287 J/kgK olarak kabul edilmiştir. İzantropik ü havanın abit baınçtaki özgül ııının abit hacimdeki özgül ııına oranıdır. C k C p v (4.4) 26

53 4.2.2 Iı girişi Yanma odaına ıı girişi Vibe nin yanma modeli kullanılarak modellenir. Vibe fonkiyonundaki değişkenler ile yanma ürei ve yanma hızı ayarlanır [15]. Vibe fonkiyonu ile yanan yakıt miktarı yüzdeel olarak elde edilir. Bu oran ayeinde çevrimde yanma odaına gönderilen yakıt miktarına ve yakıtın alt ııl değerine göre yanma odaına giren ıı heaplanır. x 1 e 6,908 1 t m t z (4.5) x= yanmış yakıt miktarı (%) t/t z = yanma zaman konumu m= şekil parametrei Heaplamalarda heap adım aralığına bağlı olarak iki nokta araındaki ıı girişi aşağıdaki kurala göre elde edilir. x i 1 e m1 6,908t i t z (4.6) x i e 1 1 6,908 x x i 1 x i m1 t i 1 t z (4.7) (4.8) Q m x H yakıt. u (kj) (4.9) Iı girişi heabında şekil parametrei bilinmelidir. Şekil parametrei bu tezden bir önceki çalışmada elde edilmiş ve m=2 olarak eçilmiştir [4] Iı çıkışı Wankel motorunda yanma odaından duvarlara olan ıı çıkışı, Wilmer in tanımladığı ıı geçişi katayıı kullanılarak elde edilir [14]. 0,786 0,786 n h 0,685 p 5 T , [J/m 2 K] (4.10) h= ıı taşınım katayıı p = yanma odaı baıncı (Pa) 27