OTEKON 14 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 27 Mayıs 2014, BURSA DİZEL MOTOR İLK HAREKET DESTEKLEYİCİSİ OLARAK FAZ DEĞİŞTİREN MALZEMELER Galip Kaltakkıran*, M. Akif Ceviz*, Ferhat Kaya*, Erdoğan Güner*, Şükran Efe**, Halil İbrahim Akolaş*** *Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Erzurum **Bayburt Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bayburt ***Bitlis Eren Üniversitesi, Ahlat Meslek Yüksekokulu, Otomotiv Teknolojileri Programı, Bitlis ÖZET Soğukta ilk hareket, dizel motorlarının en önemli olumsuz özelliklerinden bir tanesidir. Düşük çevre ve motor blok sıcaklıklarında motorun harekete geçişi zorlaşır ve egzoz emisyonları ile ilgili sorunlar ortaya çıkar. Bu çalışmada, dizel motorlarında soğukta ilk hareketi kolaylaştırmak ve egzoz emisyon karakteristiklerini iyileştirmek amacıyla faz değiştiren malzemelerin (FDM) kullanımı önerilmiştir. Isı kaynağı olarak motor soğutma suyu kullanılmıştır. Motorun çalışma sıcaklığına ulaşmasının ardından soğutma suyunda bulunan atık ısı FDM ye aktarılmıştır. FDM de depolanan ısı, bir eşanjör yardımıyla motor emme havasına transfer edilmiştir. Deneyler 6 C çevre sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan dizel motorun emme manifoldundan önce PCM malzemenin kullanımı, emme havasının sıcaklığının artmasına neden olmuştur, bu durum motorun egzoz emisyon karakteristiklerini iyileştirmiş ve soğukta ilk hareket sürelerini kısaltmıştır. Anahtar kelimeler: Dizel motorlar, Faz değiştiren malzemeler. PHASE CHANGE MATERIALS AS AN AID FOR COLD STARTING DIESEL ENGINES ABSTRACT Cold starting problems are one of the most important negative behavior of diesel engines. Engine starting gets difficult and exhaust emissions problems arise at low ambient air and engine block temperature. In this study, the use of phase change materials (PCM) has been proposed in order to ease the cold starting and to improve the exhaust emission characteristics in diesel engines. Engine cooling fluid was used as heat source. After attaining the engine to the operating temperature, the waste heat from the cooling fluid was transferred to the PCM. The heat stored in the PCM was transferred to the engine intake air by using a heat exchanger. The experiments were carried out at 6 C ambient air temperature. The use of PCM before intake manifold of the experimental diesel engine caused to increase the temperature of intake air, and thus improved the engine exhaust emission characteristics and cold starting durations. Keywords: Diesel engines, Phase change materials. 1. GİRİŞ İçten yanmalı motorların çevre üzerinde oluşturdukları olumsuz etki büyük oranda ilk hareket esnasında ürettikleri emisyonlardan kaynaklanmaktadır. Ayrıca soğuk havalarda çalıştırılan, özellikle soğuk iklimin uzun süre yaşandığı yerlerde içten yanmalı motorlarda soğuk çalıştırma problemiyle karşılaşılır. Bu etki özellikle dizel yakıt kullanan sıkıştırma ateşlemeli motorda ortaya çıkmaktadır. Gelişmiş teknolojileri, yüksek tork ve motor performans karakteristikleri nedeniyle son yirmi yılda dizel motorların üretimi ve kullanımı önemli ölçüde artmıştır [1]. Dizel motorlar, buji ateşlemeli motorlar ile karşılaştırıldıklarında düşük yakıt tüketimleri sayesinde daha az karbon dioksit (CO 2 ) emisyonu ürettikleri için daha çevreci bir motor olarak nitelendirilirler [2]. Ancak dizel motorların soğuk çalışma durumunda artış gösteren 1
emisyon ve yakıt tüketimi özelliklerinin iyileştirilmesi için yeni çözüm yöntemlerinin kullanımını gereklidir. Soğukta ilk hareket, yakıt tüketiminin artmasına, egzoz gazlarındaki CO ve HC konsantrasyonunun artmasına, motorun geç cevap vermesine ve akü üzerinde aşırı yükleme problemleri oluşmasına neden olduğu bilinmektedir [3]. Wentwort [4], Boam [5] ve Gümüş [6] sıcaklığın azalmasının yağlayıcı madde viskozitesini artırdığına ve bu durumun harekete karşı direnci artırarak titreşimlerle birlikte motorda daha fazla gürültü oluşturduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca Uğurlu [7] yaptığı çalışmada motorun ilk hareketini izleyen ilk iki dakika içerisinde, oluşan toplam HC emisyonlarının %80 den fazlasının ve CO oranlarının ise %50 den fazlasının salındığı belirtmiştir [8,9]. Motorun günlük olarak çalıştırıldığı düşünüldüğünde, ayrıca her gün artan araç sayısı da dikkate alındığında, soğuk çalıştırma probleminin önemini anlamak daha kolay olmaktadır [10]. Dizel motorların ilk harekete geçiş ve egzoz emisyon karakteristiklerinin iyileştirilmesi için yapılmış literatürde çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu araştırmalarda kızdırma bujileri ve emme havasının ısıtılması gibi yöntemler kullanılmaktadır. Kızdırma bujileri yanma odasındaki havanın sıcaklığını artırırken, emme havasının ısıtılması elektrik direnci veya ilave yakıcı sistemlerle sağlanmaktadır. Böylece motorun ilk hareketi kolaylaşmakta ve egzoz emisyon karakteristikleri iyileşmektedir. Ancak elektrik ısıtıcıları enerji deposu olarak aküyü kullanmaktadırlar. Özellikle düşük sıcaklıklarda akü performansının düşmesi ve ilk çalıştırma esnasında motor krank milinin tahriki için marş motorunun aküyü oldukça yüksek seviyede yüklemesi bu yöntemin en önemli dezavantajıdır. Emme manifoldunda yanma sistemleri ile giriş havasının ısıtılması yönteminde ise ilave yakıt tüketimi gerçekleştirilmekte ve bu durum hem enerji tasarrufu hem de atmosfer kirliliği açısından ciddi sorunlar oluşturmaktadır. Diğer taraftan ilk harekete geçişi kolaylaştırmasına rağmen yanma odası içerisinde kızdırma bujileri istenmeyen elemanlardır ve normal çalışma şartlarında yanma prosesini olumsuz yönde etkilemektedirler. Bu çalışmada ise motor bloğunda dolaşan soğutma suyu ısısından faydalanarak, bir eşanjöre yerleştirilmiş olan FDM lere ısı depolanmıştır. Ardından soğumaya bırakılan sistemin, FDM ler sayesinde daha uzun süreler emme havası sıcaklığının çevre havası sıcaklığından daha yüksek değerlerde olduğu tespit edilmiştir. Bu sayede, artırılan emme havası sıcaklığının egzoz emisyon karakteristiklerine olan etkisi ilk hareketin ardından gözlenmiştir. 2.DENEYSEL ÇALIŞMA Deneylerimizde, hidrolik fren (dinamometre) tezgâhına yerleştirilen, 4-stroklu, su soğutmalı, sıkıştırma ateşlemeli, Superstar marka motor kullanılmıştır. Kullanılan motorun teknik özellikleri Çizelge 1 de ve deney düzeneğinin genel görünümü ve ilgili ekipmanlar Şekil 1. de verilmiştir. Sıcaklık ölçümleri K tipi termo çiftlerle gerçekleştirilmiş ve veri kaydı için VisualBasic programından faydalanılmıştır. Sıcaklık ölçümü yapılan noktalar Şekil 1 de termo çiftlerle gösterilerek Çizelge 2 de ilgili noktaların yerlerinin isimleri verilmiştir. Çizelge 1. Motor özellikleri Motor tipi Super Star 7728 Silindir tipi-sayısı Sıra-2 Zaman sayısı 4-zamanlı Soğutma sistemi Su soğutmalı Supap mekanizması tipi ve OHC-4 Model yılı 1998 Strok, mm 100 Çap, mm 98 Toplam silindir hacmi, cm 3 1540 Soğutma suyu kapasitesi, lt. 6 Sıkıştırma oranı 17 : 1 Enjeksiyon türü Direkt enjeksiyonlu Maksimum moment 2500 d/dak da 8 kgm Maksimum güç 2750 d/dak da 28 HP Rölanti hızı 800±50 d/dak Yakıt Dizel Yapılan tarama sonucunda dizel motorlarının soğukta ilk hareket ve egzoz emisyon karakteristikleri üzerinde çeşitli çalışmalara rastlanmasına rağmen FDM ler kullanılarak içten yanmalı motorlar üzerinde yapılmış sınırlı sayıda çalışma ulaşılabilmiştir. Gümüş [6] yaptığı çalışmada katalitik konvertörün çalışma sıcaklığına ulaşma süresini kısaltmak amacıyla FDM den yararlanmıştır. Vasiliev [11] tarafından yapılan çalışmada ise bir otobüs motorunun ön ısıtması amacıyla FDM kullanılmış ve üretilen matematiksel model ile bu işlem için gerekli süreler hesaplanmıştır. 2
Deneylerin tamamında çevre havası sıcaklığı 6 ±1 C seviyesindedir. Aynı koşullarda deney yaparak ilk hareket performansı üzerinde yalnızca üretilen düzenek sayesinde artırılan emme havası sıcaklığının etkisini gözlemlemek amacıyla, FDM ye ısı depolanması prosesi harici bir sistem ile gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde FDM eşanjöründe bulunan su hattından, blokta ısınan su değil harici olarak ısıtılan su geçirilmektedir. Bu sayede farklı sıcaklıklarda emme havası şartları elde edilmiş ve her defasında motor bloğu sıcaklığı sabitlenerek anlamlı deneyler yapma imkânı elde edilmiştir. Deneyler ısıtılmamış FDM durumu ve FDM sıcaklığının 20, 40, 50 ve 60 C seviyeleri olmak üzere 5 farklı şartta gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görünüşü 1- Motor 5- Silindir hava girişi 2- Radyatör 6- Veri iletişim kartı 3- Eşanjör 7- Kişisel bilgisayar 4- Egzoz emisyon cihazı 3. ARAŞTIRMA BULGULARI Çizelge 2. Kullanılan termo çiftlerin yerleri ve isimleri T 1 T 2 T 3 T 4 Eşanjöre giren hava sıcaklığı Eşanjörden çıkan hava sıcaklığı FDM'li plaka yüzey sıcaklığı Soğutma suyu çıkış sıcaklığı Motor emme havası sıcaklığını artırmak amacıyla kullanılan eşanjörün katı model görünümleri ise Şekil 2. de verilmiştir. Eşanjör içerisine yerleştirilmiş ve içerisine sıvı fazda FDM doldurulan bakır plakaların üst ve alt tarafından geçen soğutma suyu sayesinde atık ısının bir bölümü çekilmekte ve FDM nin tekrar sıvı faza geçmesi sağlamaktadır. Bu sayede gizli ısı FDM ye depolanmış olmaktadır. Dış ortam havası motorun ilk hareketi ile emme manifolduna doğru akmaya başladığında, doğrudan bu yapı üzerinden geçerek sıcaklığının artması sağlanmakta ve motora daha yüksek sıcaklıklarda hava transfer edilmiş olmaktadır. Şekil 3. FDM nin ısıtılmadığı durumda sıcaklık değişimleri Şekil 4. FDM nin 20 C olması durumda sıcaklık değişimleri Şekil 5. FDM nin 40 C olması durumda sıcaklık değişimleri Şekil 2. Kullanılan eşanjörün katı model görünümü 3
azaldığı görülmektedir. FDM sıcaklığı artarken artan emme havası sıcaklığı silindir içi başlangıç yanma karakteristiklerini olumlu yönde etkileyerek eksik yanma ürünü olan CO emisyonunda azalmaya neden olmuştur. 3. SONUÇLAR Şekil 6. FDM nin 50 C olması durumda sıcaklık değişimleri Şekil 7. FDM nin 60 C olması durumda sıcaklık değişimleri Şekil 3 incelendiğinde deneylerin başlangıcında eşanjöre giren hava sıcaklığı, eşanjörden çıkan hava sıcaklığı, FDM'li plaka yüzey sıcaklığı ve soğutma suyu çıkış sıcaklığı yaklaşık 6 ºC civarındadır. Motor çalıştırıldıktan sonra ise soğutma suyu sıcaklığı artarken diğer üç sıcaklık sabit kalmıştır. Oysa Şekil 4-7 arasında gösterildiği üzere FDM li yüzey sıcaklığı 20, 40, 50, 60 C sıcaklığa çıkarılırken emme havası sıcaklığını gösteren eşanjörden çıkan hava sıcaklığı önemli seviyelerde artış göstermiştir. Bu durum hem FDM lere yüklenen gizli ısının hem de soğutma suyu ve eşanjör katı elemanlarına yüklenen duyulur ısının motor çalıştırıldıktan sonra geri kazanıldığını göstermektedir. Deneyler yaklaşık 800 sn sürdürülmüştür ve FDM li yüzey sıcaklığı artarken eşanjörden çıkan havanın sıcaklığının da arttığı görülmüştür. Yapılan çalışmadan elde edilen sonuçlar ilgili konuda yapılan başlangıç deneylerine aittir ve aşağıdaki şekilde elde edilen sonuçlar özetlenebilir. 1- FDM ler kullanılarak motor soğutma suyu atık ısısından faydalanıp emme havası sıcaklığı artırılabilir. 2- Bu sayede artırılan hava sıcaklığı motor zararlı egzoz emisyonlarını azaltarak, özellikle ilk harekette ortaya çıkan çevre üzerindeki olumsuz etki azaltılmış olacaktır. 3- Motor çalışma sıcaklığına ulaştığında emme havası deneylerde kullanılan eşanjörden değil açılan ikinci bir kanaldan motora sevk edilmelidir. Çünkü çalışma sıcaklıklarında emme havasının sıcaklığının artması motor volumetrik veriminin azalmasına sebep olacaktır. TEŞEKKÜR Bu çalışma, 2012/109 numaralı proje ile Atatürk Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi tarafından desteklenmektedir. Bu çalışmada yer alan veriler ön deneylere ait veriler olup, proje çalışmaları devam etmektedir. KAYNAKLAR 1. Çelik, A., Ceviz, M.A., Yılmaz, M., Öner, İ.V., Karagoz, Ş., 2013, Effects of using vortex tubes on events during cold start of a direct injection diesel, Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2. Çelik, A., Ceviz, M. A., Yılmaz, M., Çomaklı, K., 2011. Dizel motorlarında ilk harekete geçiş süresince silindiriçi değişimler, ULIBTK 11 18. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Zonguldak, Eylül 07-10. 3. Vasiliev, L.L., Burak, V.S., Kulakov, A.G., Mishkinis, D.A., Bohan, P.V., 2000, Latent heat storage modules for preheating internal combustion engines: application to a bus petrol engine, Applied Thermal Engineering, Vol.20, pp. 913-923. Şekil 8. Farklı FDM sıcaklıkları için CO emisyonu değişimi Şekil 8 incelendiğinde ise FDM sıcaklıkları artarken egzoz emisyonları içerisindeki CO konsantrasyonunun 4. Wentworth, J.T., 1968, Piston ring variables affect exhaust hydrocarbon emissions, in: Proceedings of Conference of Society of Automotive Engineers (SAE), Warrendale, PA, pp. 680109. 4
5. Boam, D.J., 1986, Energy audit on a two litre saloon car driving an ECE 15 from a cold start, Proc. Inst. Mech Engrs, Part D, J. Automobile Engng, Vol.200, pp. 66-67. 6. Gumus M., 2009, Reducing cold-start emission from internal combustion engines by means of thermal energy storage system, Applied Thermal Engineering, Vol.29, pp. 652-660. 7. Uğurlu A., 2008, Taşıt lpg dönüşüm regülatörlerindeki soğuk çalıştırma probleminin çözümünde faz değiştiren malzemelerin (pcm) uygulanması Y.Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. 8. Liu, Z.; Li, L.; Deng, B., 2007, Cold Start Characteristics at Low Temperatures Based on the First Firing Cycle in an LPG Engine, Energy Conversion and Management, Vol. 48, pp. 395 404. 9. Kwak, H., Myung, C.L., Park, S., 2007, Experimental Investigation on the Time Resolved THC Emission Characteristics of Liquid Phase LPG Injection (LPLi) Engine During Cold Start, Fuel, Vol. 86, pp. 1475-1482. 10. Henein, N.A., Tagomori M.K., 1999, Cold-start hydrocarbon emissions in port-injected gasoline engines, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 25, pp. 563 593. 11. Vasiliev, L.L., Burak, V:S., Kulakov, A.G., Mishkinis, D.A., Bohan, P.V., 1999, Heat storage device for pre-heating internal combustion engines at start-up, Int. J. Therm. Sci., Vol.38, pp. 98-104. 5
6