Lpg İle Çalışan Benzinli Bir Motora Kademeli Dolgu Yapılmasının Performans Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Transkript

1 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Lpg İle Çalışan Benzinli Bir Motora Kademeli Dolgu Yapılmasının Performans Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi İ. Can 1, C.Öner 2 İ.Sugözü 3 1 Cumhuriyet Üniversitesi, Türkiye, ican@cumhuriyet.edu.tr 2 Fırat Üniversitesi, Elazig/ Türkiye, coner@firat.edu.tr 3 Mersin Üniversitesi, Mersin/ Türkiy, Experimental Investigation of The Effect of Stratified Charging System Adopted To Gasoline Engine Running With Lpg on The Engıne Performance Abstract The energy conversation and values of limited emission level are very important issue for manufacturers and engine designers. Therefore the investigations about homogenous charge engine and stratified charge engine have commonly considered by literatures. The main purpose of this study, in order to run with poor mixture of gasoline engine as like diesel engine, the shape of charge was converted to stratified charge and was used LPG fuel. In this point of view, LPG-air mixture are prepared in two different environments and the rates, and mixture were taken into engine as stratified by two steps. The effects of engine performance, fuel consumption and emission characteristics are investigated for stratified charge application. The experiments were made under full load and full throttle position. According to the experiments of results, both the engine of power and torque not changed and the fuel consumption was achieved in reduction 15%. In addition, improvements have been obtained in value of emission. Keywords Stratified-charge, Engine performance, Fuel consuption, Emission chracteristics, Liquefied petroleum gas (LPG) I.GİRİŞ Otomotiv sanayinde, motor üreticilerinin, SULEV (Süper Ultra Düşük Emisyonlu Taşıtlar), CAFE (Kurumsal Ortalama Yakıt Ekonomisi) ve Kyoto protokolü gibi emisyon ve yakıt tüketimini sınırlayan standartlara uygun üretim yapma zorunluluğu vardır [1]. Bu standartları yakalayabilmek için hem yakıt tüketimi hem de emisyon düzenleyici sistemler üzerinde durulmaktadır. Bu doğrultuda, LPG dönüşümü yapılmış kademeli dolgu uygulaması ile benzinli motorlar için yeni bir konsept geliştirilmiştir. Çalışmada homojen dolgulu bir motorun emme sistemi üzerinde değişikliler yapılmıştır ve bunlara ek olarak yeni tasarlanan ortak yakıt manifoldu adapte edilerek motorun dolgu sistemi kademeli dolgulu hale getirilmiştir. Homojen dolgulu motorlar ile kademeli dolgulu motorlar arasındaki en temel fark kademeli dolgulu motorlarda silindir içerisine alınan karışımının içeriği silindirin her noktasında aynı olmayıp buji etrafında stokiyometrik veya zengin karışım, silindirin geri kalan kısmında ise aşırı fakir karışım alınmasıdır. Kademeli dolgulu motorlarda yanma, buji etrafında başlayıp oluşan 103 alev ile silindirin geri kalan bölümündeki aşırı fakir karışımın yakılmasıyla iki aşamada tamamlanmaktadır. Yanma odasındaki karışımın toplam hava fazlalık katsayısı ise fakir bölgededir. Böylece dizel motorlarda olduğu gibi, kademeli dolgulu benzinli motorlarda yük ayarı kısmen gaz kelebeği olmaksızın karışımın kalitesi değiştirilerek ayarlanmaktadır (yük azaldıkça karışım fakirleştirilmektedir) [2]. Bu ise dolgu değişimi sırasındaki gaz kelebeğinin kısılmasından kaynaklanan kayıpları ortadan kaldırmakta ve kısmi yüklerdeki verimi arttırmaktadır. Kademeli dolgulu motorlarda karşılaşılan problemlerden en önemlisi buji etrafında tüm yük ve hız rejimlerinde kolaylıkla tutuşabilen stokiyometrik karışım sağlanamaması ve dolayısı ile fakir karışımın güvenilir bir şekilde yakılamamasıdır. Bu sorunların çözülmesi için kademeli dolgulu benzin motorları yakıt-hava karışımı oluşumu ve yakılması yöntemlerine göre; a- Diesel motorlarda olduğu gibi, yakıtın doğrudan yanma odasına püskürtülerek yakıt-hava karışımı silindir içerisinde oluşan benzin motorları ( Direct Injection SI Engine-GDI) [3,4,5]. b- Klasik benzinli motorlarda olduğu gibi, yakıt-hava karışımı silindirin dışında (Emme manifoldunda) oluşan ve tutuşması ön yanma oda yardımıyla gerçekleşen kademeli dolgulu benzin motorları (Pre-chamber Torch Ignition Stratified Charge Engine), diye ikiye ayrılmaktadır [6]. Literatürde benzinli motorlar için farklı yakıt püskürtme ve dolgu stratejileri konularında pek çok çalışma bulunmasına rağmen LPG kullanılan benzinli motorlar için yapılan çalışmalar yok denecek kadar azdır. Ayrıca günümüzde kullanılan direk püskürtmeli benzinli motorlar için LPG dönüşümünün çok sıkıntılı olması bizi bu konuda çalışmaya yönlendirmiştir. Bu doğrultuda LPG dönüşümü yapılmış benzinli motorun kademeli olarak doldurulması için, benzinli bir motorun silindir kapağı ve emme manifoldunda bir takım değişiklikler yapılmıştır. Böylelikle mevcut motorun dolgu akış karakteristiği değiştirilmiş, LPG/Hava karışımının motorun yanma odasına kademeli olarak doldurulması sağlanmıştır. Motor üzerinde yapılan düzenlemelerin motor performansı, yakıt tüketimi ve egzoz gazları emisyon değerleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Geliştirilen sistemin, farklı benzinli motor tiplerine uygulanabilirliği araştırılmıştır.

2 II.KADEMELİ DOLGULU BENZİNLİ MOTORLAR İ. Can, C.Öner, İ. Sugözü Homojen dolgulu motorlarda optimum ayarlamalar yapılsa da benzinli motorların yakıt tüketimleri belirli seviyelerin altına düşürülememektedir. Bunun başlıca sebebi buji ile ateşlemeli motorlarda sıkıştırma oranının yakıt ile havanın birlikte sıkıştırılmasından dolayı sınırlandırılmış olması ve benzinli motorların dizel motorlarda olduğu gibi aşırı fakir karışımlar ile çalıştırılamamasından kaynaklanmaktadır. Bu problemin en önemli çözüm yollarından biri benzinli motorların fakir karışımlarla çalışmasını sağlayan kademeli dolgu (Stratified Charge) prensibidir[7]. Kademeli dolgu prensibi ilk kez 1918 yılında Ricardo tarafından uygulanmıştır. Bu prensip ile çalışan motorlara, kademeli dolgulu motorlar denir [8]. Verimdeki artışın nedeni kademeli dolgu uygulamasında mevcut motorlardan farklı olarak ateşleme bujisi etrafında zengin, yanma odasının diğer bölgelerinde ise fakir havayakıt karışımı elde edilerek motorun aşırı fakir karışımlarla çalıştırılmasıdır. Oysaki homojen dolgulu benzin motorlarında karışımdaki fakirleşme belirli değerlerin üzerine çıkartılması sonucu motorun efektif gücünde belirgin azalmalar görülür. Birici gurupta belirtilen kademeli dolgulu benzin motorunun ilk öncülerinden biri 1920 li yılların başında yapılan Ricardo motorudur [9]. Bunun devamı olarak da ikinci uygulama 1960 ların başında Rusya da geliştirilen GAZ-52 motorudur. 1960'lı yılların sonunda ve 70'li yıllarda kademeli dolgulu motorlar yeniden gündeme gelmiştir. Aynı dönemde yeni bir buluş olan, Wankel motoru kademeli dolgu prensibi için yeni bir uygulama alanı yaratmıştır. Wankel motorunun yanma odası geometrisi homojen karışıma çok elverişli olmamakla birlikte yapısında gelen yanma odası içindeki hava hareketleri kademeli dolgu için uygun bir zemin oluşturmaktadır. Wankel motorunda kademeli dolgu konusunda yapılan ilk çalışmalar Curtis Wright ve Mercedes tarafından yürütülmüştür ve bu çalışmalar ikinci tip kademeli motorlar sınıfına girmektedir[10,11]. Günümüzde kademeli dolgulu benzin motorlarının geliştirilmesi için çalışmalar aralıksız devam etmektedir. Yukarıda belirtilen ve son on yılda direkt püskürtmeli Otto motorları üzerine yapılan çalışmaların hemen hepsi direkt püskürtmeli Dizel motorlarından türetilmiştir. Ancak bu konudaki en büyük gelişme Wolkswagen tarafından tasarlanan FSI ve Mitsubishi tarafından tasarlanan GDI motorlarının seri üretimle piyasaya sunulmasıdır [5,12]. Bu motorların çalışması tamamen farklı bir felsefeye dayanmaktadır şekil 2.1 de görüldüğü gibi iki bölgeli yanma odası oluşturan piston geometrisi ile iki aşamalı püskürtme stratejisi uygulanmıştır [13,14]. Dört supaplı, sıkıştırma oranı 12 olan ve 50 bar basınç ile püskürtme yapılan bu motor ile 40 km/saat sabit hızda eşdeğer stokiyometrik bir Otto motoruna göre % 35 daha az yakıt tüketilmektedir. Öte yandan bu motor eş hacimli stokiyometrik Otto motorunu performans yönünden de yakalamaktadır. Hava fazlalık katsayısı olarak 4 değerine kadar düzgün çalışma sağlandığı belirtilmektedir. Bu motor, 1997 yılından itibaren seri üretimi yapılan direkt püskürtmeli Otto motoru örneğidir [13]. 104 Şekil 2.1 Mitsubishi firması tarafından geliştirilen direk püskürtmeli fakir karışımlı otto motoru[13]. İkinci tip kademeli dolgulu motorlar, son zamanlarda üretilen motorlarda supap sayısının artışına bağlı yeni bir yöntemle tasarlanmıştırlar. Buna göre, motor kısmi yükte, fakir karışım ile çalıştırılacağı zaman, yakıt hava karışımı iki emme kanalından sadece birinden silindir içine girmektedir veya emme kanalları fakir karışımı kademelendirme sağlayan dolgu hareketi yaratacak şekilde boyutlandırılmaktadırlar. Bunu sağlamak için öncelikle çok supaplı motorlarda emme supaplarına gelen kanallar birbirinden ayrık olarak tasarlanmaktadırlar [10, 11]. Literatürde bu tip fakir karışımlı motorların Mercedes, Honda, Toyota, Mitsubishi, Nissan, Kia, Volvo, Ricardo gibi bazı motor üreticileri tarafından tercih edildiği ve bunlardan bazılarının seri üretime geçtiği (Toyota, Mitsubishi) görülmektedir. Toyota firmasının 1990 yılında piyasaya sürdüğü fakir karışımlı motor, dört supaplı olup yakıt emme kanalına enjektör ile püskürtülmekte ve enjektör önünde bir türbülans yaratıcı kelebek bulunmaktadır. Bu motor kısmi yükte λ=1,5, ivmelenme ve tam yükte ise λ=1 ile çalışmaktadır. Şekil 2.2 de görüldüğü gibi, 4000 dak -1 nın altındaki hızlarda, iki emme supabının bağlı olduğu kanallardan dönme hareketi yaratan kanal açık olup diğer düz kanal kelebek ile kapatılmaktadır. Böylece fakir karışım için gereken hava hareketinin sağlanmasının yanı sıra gaz kelebeği daha açık bir konuma getirildiğinden pompalama kayıpları da azaltılmaktadır [15]. Şekil 2.2 Toyota dört supaplı kademeli dolgulu fakir karışımlı otto motoru [15]. III.TEST MATERYALLERİ VE METODLAR 1. Deney Düzeneği Deneylerde kullanılan motorun şematik görünümü şekil 3.1 de, gerçek görünümü Şekil 3.2 de ve teknik özellikleri tablo 3.1 de verilmiştir. Çalışmamızın esaslarını teşkil eden

3 Experimental Investigation of The Effect Of Stratified Charging System Adopted kademeli dolgunun yapılabilmesi için motorun supap çapları değiştirilmiştir. Hava akışı ve karışım teşkilinin amaca uygun düzenlenebilmesi için motorun silindir kapağındaki emme kanallarının şekli değiştirilmiştir. Motorun kademeli dolgu ile çalıştırılmasında yakıt olarak LPG kullanılmıştır. Bunun için emme kanallarından hava geçişi sırasında hava içerisine gönderilen LPG nin yanma odası içerisinde kademeli olarak alınabilmesi için sıralı tip LPG dönüşüm sisteminde de bir takım düzenlemeler yapılmıştır. Çalışmada, motora alınacak olan karışımın iki aşamada ve farklı oranda olması amaçlanmıştır. Bu amaçla şekil 3.3 de görülen farklı çaplardan oluşan iki kanallı karışım hazırlama rampası tasarlanmıştır ve CNC tezgahında üretimi yapılmıştır. Şekil 3.3 Karışım hazırlama rampası 1-Kuvvet Göstergesi 6- Yakıt Ölçme Tüpü 2- Devir Göstergesi 7- Eğik Manometre 3- Kontak Anahtarı 8- Yağ Basınç Göstergesi 4- Acil Stop Düğmesi 9- Manifold Vakum Göstergesi 5- Yükleme Düğmesi 10-Sıcaklık göstergesi Şekil 3.1 Deney düzeneğinin şematik görünümü Karışım hazırlama rampası ile buji civarına stokiyometrik veya zengin karışım, yanma odasının diğer kısımlarına ise fakir karışım gönderilmesi amaçlanmıştır. Emilen taze dolgunun amaca uygun bir şekilde silindirlere alınabilmesi ve dolgunun silindirlere alınması sırasında bir türbülans kazanarak kinetik enerjisini arttırmak için dolgu yönlendiriciler Şekil 3.4 de görüldüğü gibi emme supaplarının arkasına yerleştirilmiştir. Şekil 3.4 Karışım yönlendiricilerin silindir kapağına yerleştirilmiş görüntüleri Şekil 3.2 Deney düzeneğinin genel görünümü Tablo 3.1. Deney motorunun teknik özellikleri Motor tipi 4 zamanlı, Kademeli Dolgulu Benzin Motoru Silindir sayısı 4 Silindir çapı x strok 89 x 95 (mm) Silindir hacmi (cm 3 ) 1600 Sıkıştırma oranı 11:1 Maksimum güç 6000 dak -1 de kw Maksimum moment 3300 dak -1 de Nm Yakıt Sistemi Çok Noktadan Enjeksiyon LPG Sistemi Sıralı Çok Nokta Enjeksiyon Kullanılan Yakıt Benzin/LPG Enjektör püs. basıncı 5 (bar) Ateşleme sistemi Elektronik Ateşleme 105 Bujiden uzak olan bölgelere karışım girişi sağlayan supap, supap yuvası ve silindir kapağındaki hava giriş kanalları Şekil 3.5 de görüldüğü gibi büyütülerek bu bölgelere alınacak fakir karışımın miktarının arttırılması amaçlanmıştır. Bu işlem ile yuva çapı 22 mm den 26 mm ye çıkartılarak yaklaşık %20 oranında büyütülmüştür. Buji Fakir arışım Şekil 3.5 Büyük çaplı supaptan karışımın silindir içerisine girişinin görünümü

4 Ayrıca supabın arkasına yerleştirilen yönlendirici sayesinde karışım rampasında hazırlanan fakir karışım silindir içersinde bujiden uzak noktalara doldurulmaktadır. Buji civarında stokiyometrik karışım sağlamak amacıyla, bujiye yakın olan supap ve supap yuvası çapında herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Şekil 3.6 da görüldüğü gibi supap arkasına yerleştirilen yönlendirici ile stokiyometrik karışım silindir içerisinde bujiye yakın bölgelere doldurulmaktadır. İ. Can, C.Öner, İ. Sugözü Buji Stokiometrik Şekil 3.6 Küçük çaplı supaptan karışımın silindir içerisine girişinin görünümü IV. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA Bu bölümde; benzinli homojen dolgu (HDB), LPG li homojen dolgu (HDL) ve LPG li kademeli dolgu (KDL) ile deney motorları çalıştırılıp tam yükte ve değişik motor devirlerinde yapılan performans ve emisyon test sonuçları verilmiştir. Ölçülen ve hesaplanan değerler tablo ve grafikler halinde gösterilmiştir. Benzin ve LPG yakıtlarının motor performansı ve egzoz emisyonu değerleri karşılaştırılarak tartışılmıştır. Kademeli dolgu ve homojen dolgu ile çalışmada her iki yakıt türü için devir sayısının yükselmesi ile motor momentinin artması birim zamandaki çevrim sayısının artmasının sonucudur Şekil 4.1 de her iki yakıt türü için homojen ve kademeli karışımla çalışma durumunda ölçüm alınan her motor devri için motor momenti değerlerindeki değişimin birbirine yakın Şekil 4.2 Efektif güç değişimi Efektif güç-devir ilişkisi Şekil 4.2 de grafik olarak gösterilmiştir. Her üç çalışma için motor devir sayısı arttıkça motor gücünün de arttığı görülmektedir. Motor devir sayısı arttıkça birim zamandaki çevrim sayısı artacağından devir artışı ile gücün artması doğal ve beklenen bir sonuçtur. Kademeli dolgu ile çalışmanın motor efektif gücü üzerinde kayda değer olumlu bir etkisinin olmadığı görülmüştür. KDL ile çalışmanın en büyük olumlu etkisi 4000 dak -1 devirde gerçekleştiği görülmüştür. Bu devirde KDL ile HDL arasındaki efektif güç farkı %8 olarak belirlenmiştir. Şekil 4.1., şekil 4.2. ve şekil 4.3. de verilen grafiklere bakıldığında moment ve efektif güç değerleri neredeyse birbirine yakın çıkmıştır. Oysaki kademeli dolgulu motorun özgül yakıt tüketiminde bütün devir aralıklarında bir düşüş elde edilmiştir ancak en çok 4500 devirde % 25 lik bir düşüş elde edilmiştir. Toplam çalışma süresinde ve değişken devirlerdeki özgül yakıt tüketiminin ortalamasına bakıldığında ise %15 civarında bir azalma görülmüştür. Dolayısıyla çevrim başına elde edilen güç ve yakıt tüketimi dikkate alındığında ve şekil 4-4 de verilen grafiğe bakıldığında efektif verim değişimi en yüksek kademeli dolgulu motor için olduğu görülmektedir. Şekil 4.3 Özgül yakıt tüketimi değişimi Şekil 4.1 Moment değişim grafiği olduğu görülmektedir. Değişim trendi tipik bir içten yanmalı motor karakteristiğini yansıtmaktadır. Şekil 4.4 Efektif verim değişimi 106

5 Experimental Investigation of The Effect Of Stratified Charging System Adopted İçten yanmalı motorlarda, hava harekelerinin karışım hazırlama ve yanma üzerine olumlu etlileri olduğu bilinmektedir. Motor devrinin arması dolgu hızını ve silindir içerisindeki gaz hareketlerini arttırır. Şekil 4.5 incelendiğinde de devir sayısının artmasıyla HC nin her üç motor tipi için azaldığı görülmektedir. KDL motorun giriş kanallarında bulunan yönlendiricilerin karışıma ekstra türbülans kazandırması bu motorda HC değerinin düşük kalmasına sebep olmuştur. HFK sının artması, yani karışımın fakirleşmesi sonucu silindirin içerisinde yanmanın tamamlanması için yeterli O 2 nin bulunması CO değerlerinin azalmasına neden olmaktadır [16]. şekil 4.6 da verilen grafikte KDL için CO değerinin düşüş tirendin de olması HFK yısının artması ile açıklanabilir. Şekil 4.5 Deneyler sonucu ölçülen HC sonuçları Şekil 4.6 Deney sonucu ölçülen CO sonuçları Sonuç olarak bütün motor tipleri için moment ve efektif güç değerleri neredeyse birbirine yakın çıkmıştır, oysaki özgül yakıt tüketimine bakıldığında kademeli dolgulu motorda özgül yakıt tüketimi %15 lik bir azalma olduğu ve emisyon değerlerinde ise %10 luk bir azalma olduğu görülmektedir. [3] Kerimov, N. A. and Mektiyev, R. I.., Engines with Stratified Charge, SAE Technical Paper No , Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania 15096, p.15. [4] Kume, T., Iwamoto, Y., Iida, K., Murakami, M., Akishino, K. and Ando, H., 1996, Combustion Control Tecnologies for Direct Injection SI Engines, SAE Paper , Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa.. [5] Iwamoto, Y., Noma, K., Nakayama, O., Yamauchi, T. and Ando, H., 1997, Development of Gasoline Direct Injection Engine, SAE Paper , Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa.. [6] M.Kaneko et al., Study on homogeneous charge compression ignition gasoline engine, Comodıa (2001) [7] R.Mehdiyev, D. Bayka, H.Arslan, T.Güdü, Düşük Emisyonlu Ve Yüksek Verimli Yeni Bir Kademeli Dolgulu Benzin Motoru, Mühendis ve Makina - Cilt: 46 Say : 549 [8] Ricardo, H.R., 1922, Recent Work on Internal Combustion Engine, SAE Jurnal, 10, May, [9] Fisher, C. H., 1966, Spark - Ignition Engines: Fuel Injection Development, Carburation, Volume II, Fourth edition, Chapman & Hall LTD. [10] Kühn, M., Abthoff, j., Kemmler, R., Kaiser, T., 1996, Influence of Onlet Port and Combustion Chamber Configuration on the Lean Burn Behaviour of a Spark Ignition Gasoline Engine, SAE Paper [11] Takagi, Y., 1996, The Role of Mixture Formation in Improving Fuel Economy and Reducing Emission of Automotive S.I. Engines, XXVI th Congres FISTA, Prague [12] Spigel, L., Spicher, U., 1992, Mixture Formation and Combustion in a Spark Ignition Engine With Direct Fuel Injection, SAE Paper [13] Automotive Engineering,!994 Mitsubish s 1.8 L MVV Lean Burn Engine, Paper 10-11, March. [14] Iwamoto, Y., 1997, Lean and Clean Engine Technology Tokyo Motor Show, October. [15] Bahr, A., 1990, Toyota Carina 90 mit neuem Magremix Motor und geregeltem Dreiwegw- Katalysator, MTZ Motortechnische Zeitschrift 51-7/8. [16] Mehdiyev, R., Baykara, D., Arslan, H., Güdü, T., İki aşamada yanma mekanizması ile çalışan kademeli dolgulu benzin motorunun geliştirilmesi, OTOTEKON 04, Haziran 2004, Bursa. KAYNAKLAR [1] C.H.Lee, K.H.Lee, An experimental study of the combustion characteristics in SCCI and CAI based on direct-ijection gasoline engine, Experimental Thermal and Fluid Science 31 (2007) [2] Kato, S., Onishi, S. and Kobayashi, S., Direct Injection Stratified Charge Engine by Impingement of Fuel Jet (OSKA) - Performance and Combustion Characteristics, SAE Paper , Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa. 107