Yapım Matbaacılık Ltd., İstanbul, 1999 Editörler A. İ. ALDOĞAN Y. ÜNSAN E BAYRAKTARKATAL GEMİ İNŞAATI VE DENİZ TEKNOLOJİSİ TEKNİK KONGRESİ 99 BİLDİRİ KİTABI GEMİ DİZEL MOTORLARINDA ÇOKLU SUBAP UYGULAMASININ PERFORMANSA ETKİSİ Osman Azmi ÖZSOYSAL 1 ÖZET Alışılagelmiş bir emme ve bir egsoz uygulaması günümüzde yerini birden fazla subap uygulamasına terk etmiş gibi gözükmektedir. Dolgu miktarını değiştirerek motor performansını artırmaya yönelik bu tür bir yaklaşımda, karar verilmesi gereken temel problem, subap kesit alanlarının artan subap sayısıyla ne kadar artırılabileceğidir. Bu araştırma için 16 silindirli, silindir blokları V düzenindeki yüksek devirli, türboşarjlı gemi dizel motoru incelenmek üzere seçilmiş, emme ve egsoz subapları ayrı ayrı ve ele alınarak, açıklık alanları düzenli aralıklarla arttırılmış; böylece efektif güç, ısıl verim, ortalama efektif basınç, maksimum yanma basıncı, silindirdeki kütle değişimleri gibi performansı etkileyen faktörlerin değişimi bilgisayar ortamında gözlenmiş ve yorumlanmıştır. GİRİŞ Bu araştırmada, bir gemi dizel motorunun silindir kafasındaki çoklu subap uygulamasının kavşak sınır koşulu kullanılarak dar kesitli boruların birleştirilmesiyle modellenebileceği öngörülmekte, artan subap sayısının motor performansı üzerindeki etkileri incelenmektedir. Silindir kafasında çoklu subap uygulamasının dolgu değişimi ve gaz akım kapasitesi üzerinde oynadığı önemli rol literatürde değişik defalar yaygınca tartışılmıştır. Çoklu subap uygulamasının tercih edilmesindeki başkaca önemli nedenler ise; motorun belirli bir devrinde subap ve dişli mekanizmalarındaki gerilmelerde azalmalara, yanma odası bileşenleri ve subap yüzeylerinde ise daha düşük yüzey sıcaklıklarına ve ısıl gerilmelere izin vermesidir. 1 Doç.Dr. İ.T.Ü. Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Gemi İnşaatı Bölümü, Ayazağa-80626, İstanbul, Türkiye. 226
Genel anlamda bir içten yanmalı motorun tasarımı sadece motorun yapısına veya ekonomik olarak üretimine bağlı olmayıp; aynı zamanda yanma odasındaki yakıt-hava karışımına ve gaz akımı karakteristiklerine de bağlıdır. Motora ait hacimsel verim emme Mach sayısı ile ters orantılı olarak değişmektedir. Mach sayısı ise ortalama piston hızının ses hızına olan oranının, silindir çapının subap çapına oranının karesi ile çarpılmasıyla hesaplanmakta olup, değerinin 0.2 ile 0.5 arasında olması arzu edilir. Subap sayısı artırılırken; silindirdeki yanmış gazların emme manifolduna kaçmasını engelleyecek düzeyde bir emme basıncı değerinin sağlanması ve artan hareketli parçalar sayısı ve temas eden yüzey alanlarındaki artış gözönüne alınarak sürtünme değerlerinin en az düzeyde gerçekleşmesi aranır. Subap dişli mekanizmalarındaki atalet gerilmeleri ise subap çapının karesi ile ters orantılı olarak değişmekte olup, aynı zamanda subap geometrik ölçülerindeki azalma ısıl gerilmelerde ve yüzey sıcaklıklarında düşmelere de yol açmaktadır [1]. Subap geometrisinin motor performansına ve dolgu değişimine etkileri detaylı olarak literatürde yer almaktadır [2]. Bu çalışmanın orijinalliğini, silindir kafası içerisinde yer alan ve subaplara açılan kanalların birer boru modelliyle temsil edilmesi, her bir borunun uygun kavşak sınır koşullarıyla birleştirilmesi, böylece yüksek devirli gemi dizel motorlarında silindir kesit alanının izin verdiği ölçüde subap sayısında artışa gitmenin motor verimi üzerindeki etkilerini incelenmesi oluşturmaktadır. Bu çalışma ile açığa çıkarılmak istenilen husus, subap sayısındaki artışın hangi ölçüde gerçekleştirilebileceği, bir doygunluk noktası olup olmadığıdır. TEORİK YAKLAŞIM Teori [3-7], dizel motorlarının emme ve egsoz manifoldlarında meydana gelen zaman bağlı gaz akımının, tek boyutlu, zaman bağlı, gaz zerrecikleri arasında değişken antropiye sahip olarak dalgalar halinde ilerlediği düşüncesine dayanmakta olup, enerjinin korunumu, kütlenin korunumu ve momentumun korunumu aksiyomları ile modellenmektedir. Modelleme sonucunda elde edilen lineer olmayan hiperbolik kısmi diferansiyel denklemler, Karakteristikler Metodu [8] ile çözülmüştür. Çözüm için gereken sınır koşulları ise, boru uçlarında yer alan subap, silindir, nozul, kavşak gibi elemanlar için geliştirilmiş ve literatürde kabul görmüş termodinamik modeller [9-10] kullanılarak elde edilmiştir. Sözü edilen teoriye dayalı olarak geliştirilen bilgisayar programı [11] direkt püskürtmeli her çeşit dizel motorunu ister tek silindirli ister çok silindirli olsun, tekli veya çoklu subaplı motor türleri için emme ve egsoz manifoldları ile, türboşarjlı yada doğal havalandırmalı olarak bütünüyle modelleyebilmektedir. Tek boyutlu zamana bağlı gaz akımı teorisine uygun olarak geliştirilen bilgisayar programı MTU Motoren-und Turbinen-Union Friedrichshafen GmbH Research and Development Center da yapılan deneysel incelemelerde de kullanılmış ve yüksek devirli dizel motor modellemeleri için de uygun olduğu gözlenmiş olup, deneysel ve teorik inceleme sonuçları ve karşılaştırmalar yayınlanmıştır [12]. 227
ÇOKLU SUBAP MODELLEMESİNE AİT BİLGİLER Bu çalışmada yüksek devirli, türboşarjlı, iki subaplı bir gemi dizel motoru incelenmek üzere seçilmiş olup, motora ait bilgiler topluca Tablo.1 de gösterilmiştir. Tablo.1. Seçilen gemi dizel motoruna ait özetlenmiş teknik bilgiler Motor tipi... Silindir çapı Strok... Silindir sayısı. Motor devri Tek silindirin gücü (MCR) Ortalama efektif basınç.. Silindir blokları arası V düzen açısı... Subaplar. Yakıt püskürtülmesi... 4 zamanlı, direk püskürtmeli 165 mm 185 mm 16 1900 rpm 125 kw 20 bar 90 o 1 emme, 1 egsoz Bosch tipi pompa Seçilen motorun iki subaplı orijinal hali gözönüne alınarak, mevcut subap açıklık alanları hem egsoz ve hem de emme subapları için Sekil.1(a,b) de verildiği gibi düzenli olarak artırılmış, böylece çoklu subap etkisi gözlenmek istenmiştir. 7,0E-03 Egsoz açıklık alanı (m2) 6,0E-03 5,0E-03 4,0E-03 3,0E-03 2,0E-03 1,0E-03 0,0E+00 0 50 100 150 200 250 300 350 Krank mili açısı Orijinal %25 %50 %100 %200 Şekil 1(a). Egsoz açıklık alanlarında öngörülen artımlar. 228
Emme açıklık alanı (m2) 7,0E-03 6,0E-03 5,0E-03 4,0E-03 3,0E-03 2,0E-03 1,0E-03 0,0E+00 0 50 100 150 200 250 300 Krank mili açısı Orijinal %25 %50 %100 %200 Şekil 1(b). Emme nın açıklık alanlarında öngörülen artımlar. Çoklu subap uygulamasının motor performansına olan etkileri incelenirken, yalnızca subap açıklık alanlarının değiştirilmesiyle yetinilmemiş, emme ve egsoz manifoldunu oluşturan boruların çap değerleri ile manifold borularının silindir kafasıyla bağlantısını sağlayan ara boruların çap değerleri de değiştirilmiştir. Araştırma sırasında öncelikle, mevcut boru çapları sabit korunarak, subap açıklıkları ayrı ayrı ve artırılmış, daha sonra boru çap değerleri de subap açıklık alanlarındaki artışlara paralel olarak aynı yüzdeler oranında artırılmış, akım hatlarının sürekliliği düşünülerek yapılan bu uygulamayla araştırma daha da genişletilmiştir. Yukarıda açıklanan farklı tip düzenlemelere ait datalar, geliştirilen bilgisayar programında girdi olarak kullanılmıştır. Silindir blokları 90 derecelik açıya sahip V düzenindeki 16 silindirli motorun sadece bloku gözönüne alınarak, her bir silindirin ayrı ayrı performansı grafikler yardımıyla karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. SONUÇLAR VE YORUMLAR Yapılan araştırmada motora ait izlenen çalışma değerleri, silindire emilen dolgu havası debisi, silindirden çıkan artık gazların debisi, silindirde kalan artık gaz kütlesi, piston üst ölü noktada iken silindir içi basınç değeri, gönderilen yakıtın yanması sonucunda silindir içi gaz basıncının eriştiği en yüksek değer (maksimum yanma basıncı), ortalama efektif basınç, özgül yakıt tüketimi, silindirden alınan efektif güç ve ısıl verim değerleridir. Subapların açıklık alanlarının ve manifold borularının kesit alanlarındaki artışa uygun olarak her bir silindir için ayrı ayrı hesaplanan yukarıda bahsedilen parametreler grafik olarak bu bölümde yer almaktadır. Subap açıklık alanları ile manifoldu oluşturan boruların kesit alanlarındaki artış sırasıyla %25, %50, %100 ve %200 olmuştur. Her bir parametrenin öngörülen değişiklerden nasıl etkilendiği ise aşağıda maddeler halinde sunulmuştur. 229
a) Silindire emilen hava debisindeki değişim Silindire emilen hava miktarı, manifold boru çapları ile egsoz açıklık alanı sabit iken, sadece emme açıklık alanı artırılırsa artım oranına paralel olarak artmaktadır. Emme manifoldunun giriş ucuna göre daha uzak silindirlerde bu artış daha fazla olmaktadır. Emme açıklık alanı ve manifold boru kesit alanları sabit iken egsoz açıklık alanı artırılırsa, emilen hava debisi sabit diyebileceğimiz, yavaşca azalan bir karakter göstermekte olup, bununla emme manifoldu giriş ucundan uzak silindirlere daha az hava emilmektedir. Eğer manifold boru kesit alanları sabit iken hem emme ve hemde egsoz açıklık alanı artırılırsa, silindirlere daha fazla kütle girdiği gözlenmesine rağmen; egsoz nın olumsuz etkisi nedeniyle, kütle debisindeki bu artma miktarı çok fazla olmamaktadır. Subap açıklık alanları ile boru çapları artılırsa, oldukça dikkat çekici bir durum ortaya çıkmaktadır. Emme ile emme manifoldu boru çaplarındaki artım silindire emilen hava debisini olumsuz etkilemekte olup, tüm silindirlere daha az hava girmektedir. Eğer egsoz açıklık alanı ile egsoz borusu kesit alanı artırılırsa emilen hava debisi artmakta olup, buna süpürme verimin artması neden olmaktadır. Gerek emme ve egsoz açıklık alanları ve gerekse emme ve egsoz manifoldunu oluşturan boru kesit alanları ve aynı oranda artırılırsa o zaman emilen hava debisinde en büyük artış yaşanmaktadır. b) Silindirden çıkan artık gazların debisi Özellikle egsoz manifoldunu oluşturan boru kesit alanlarında bir artış olmaksızın, ister emme ve ister egsoz nın ayrı ayrı ve hatta her iki n yalnızca açıklık alanlarında artışa gitmek silindirden çıkan artık gazların debisini fazla etkilememektedir. İncelenen bu durumlarda silindirdeki yanmış gazların çıkış debisi sabite yakın ve azalan bir karakter göstermektedir. Egsoz manifoldunu oluşturan boru kesit alanı ile egsoz açıklık oranı artırılırsa, silindirden daha fazla gaz çıkışı olmaktadır. Eğer hem emme ve egsoz açıklık alanları ve hem de emme ve egsoz manifoldunu oluşturan boru kesit alanları ve aynı oranda artırılırsa, silindirden dışarı atılan gazların debisinde büyük artış olmaktadır. c) Silindirde kalan artık gaz kütlesi Dış ortama atılamayarak silindirde kalan artık gazların miktarı, incelenen motorun orijinal haline göre sadece emme açıklık alanının emme manifoldu boru kesit 230
alanları ile ve aynı oranda artırılırsa önemli bir azalma göstermekte olup, diğer artım durumlarında ise artma göstermektedir. Bununla silindirde kalan kütle miktarındaki istenmeyen bu artmanın değeri motorun orijinal çalışma durumuna göre ağırlık olarak 1~2 gram kadar veya yüzde 25 daha fazladır. d) Piston üst ölü noktada iken silindir basıncı Emme manifoldunu oluşturan boru kesit alanları ile emme nın açıklık alanının artırılması durumu hariç diğer tüm incelemelerde yanma peryodu sırasında pistonun üst ölü noktaya erişmesi anında silindir içerisindeki gazların basıncı artmaktadır. Basınçtaki bu artış yaklaşık 8~10 bar yada en fazla yüzde 8 kadardır. Silindir basıncında düşmeye neden olan durum sadece emme manifoldu borusu kesit alanları ile emme açıklık alanının artırılması halinde meyana gelmiş olup, bunun nedeni ise (a) şıkkında açıklandığı gibi silindire daha az hava girmesidir. e) Maksimum yanma basıncı Silindirde yanmış gazların sahip olduğu maksimum basınç değerlerindeki etkilenmeler ile piston üst ölü noktadayken yanmış gazların basınç değerlerindeki etkilenmeler, tüm durumlar için birbiriyle uyum ve paralellik göstermiştir. f) Ortalama efektif basınç Yukarıda (e) ve (f) şıklarına ait gözlemler ve yorumlar ortalama efektif basınç içinde geçerlidir. g) Özgül yakıt tüketimi Eğer sadece egsoz açıklık alanı yada emme açıklık alanı ile emme manifoldu boru kesit alanları artırılırsa, özgül yakıt tüketimi artmakta, diğer tüm değişikliklerde ise azalma göstermektedir. Özgül yakıt tüketiminde belirgin biçimde düşmeye hem egsoz açıklık alanı ve hem de egsoz manifoldu boru kesit alanlarında benzer artışlar yapmak neden olmaktadır. Tüm değişiklerin gerçekleştiridiği durumda, yani hem emme ve egsoz açıklık alanlarının ve hem de emme ve egsoz manifold boruları kesit alanlarının ve aynı oranda artırıldığı durumda motorun özgül yakıt tüketimi %10 a ulaşan en fazla düşüşü göstermektedir. h) Silindirden alınan efektif güç Emme manifoldu boru kesit alanları ile emme açıklık alanları artırılırsa silindirden alınan güç düşmekte olup, egsoz açıklık alanı artırılırsa silindir gücündeki azalma daha fazla olmaktadır. Silindirlerden alınan efektif güç en fazla artış tüm değişikliklerin yapılması durumunda gözlenmiştir. Yani hem subap alanları ve hem de boru kesit alanları artırılırsa, artım oranına paralel olarak silindirlerden alınan güç de artmaktadır. Silindir başına alınan efektif güçteki bu artma miktarı 15 kw veya %10 düzeyindedir. 231
i) Isıl verim Çoklu subap uygulamasının etkilerini gözlemek üzere yapılan değişikliklerin ısıl verim üzerindeki etkisi ile (h) şıkkında açıklanan silindir başına alınan efektif güç üzerindeki etkiler birbiri ile uyumlu ve benzer karakterdedir. SONUÇ Çoklu subap uygulamasının motor performansını olumlu yönde etkilediği bir gerçektir. Burada dikkat edilmesi gereken husus; hem emme ve egsoz subapları açıklık alanlarının ve hem de manifoldları oluşturan boru kesit alanlarının artırılması gereğidir. Bununla subap açıklık alanlarındaki ve manifold borusu kesit alanlarındaki artımlar tekil olarak ele alındıklarında motor performansını olumsuz yönde etkilemektedirler. Seri üretimi süren bir gemi dizel motoruna çoklu subap uygulaması yapılarak bir üretim değişikliği öngörüldüğünde, en yüksek motor performansının ancak ve ancak silindir kafasında subapların yerleştirilme imkanı ile kam mili tasarımın uygunluğu dikkate alınmalı, emme ve egsoz açıklık alanları ile manifoldları oluşturan boruların kesit alanları fakat farklı oranlarda artırılmalıdır. Farklı artım oranı yerine aynı artım oranının tercih edilmesi, motor performansının çekilebileceği en yüksek noktadan daha aşağıdaki bir noktaya gelmesine neden olacaktır. KAYNAKLAR [1] Taylor, C.F., The internal combustion engine in theory and practice, Volume 1-2, MIT Press, USA, 1985 [2] Heywood, J.B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, USA, 1988 [3] Jenny, E., Unidimensional transient flow with consideration of friction, heat transfer and change of section, Brown Boveri Review, Vol.37,No.11, pp.447, 1950 [4] Woods, W.A., Pressure wave phenomena in the exhaust system of a supercharged two-stroke cycle engine model, PhD Thesis, University of Liverpool, 1957 [5] Benson, R.S., The discharging process in a two-stroke cycle engine cylinder and exhaust system, PhD Thesis, University of Liverpool, 1958 [6] Sağ, O.K., Unsteady flow through single and branched inlet systems of internal combustion engines, PhD Thesis, University of Liverpool, 1977 [7] Sağ, O.K., Simulation model of a supercharged marine diesel engine power and gas exchange cycles, IFMM-80-02, Üniversitatet Trondheim, 1980 [8] Abbott, M.B., An introduction to the method of characteristics, Thames Hudson Pub., 1956 [9] Benson, R.S., Whitehouse, N.D., Internal combustion engines, Volume 1-2, Pergamon Press, 1979 [10] Horlock, J.H., Winterbone, D.E., The thermodynamics and gas dynamics of internal combustion engines, Volume 1-2, Oxford University Press, New York, USA, 1986 232
[11] Özsoysal, O.A., Yüksek devirli gemi diesel motorlarının analitik ve deneysel incelenmesi, Doktora Tezi, İTÜ, 1991 [12] Özsoysal, O.A., Investigation of the engine pressure data by comparing the experimental test with the results of analytical model, SAE Technical Paper Series, 930611, 1993 EK A Emme manifoldu giriş ucuna göre 2 nolu silindirin performans grafikleri Silindire emilen hava debisindeki değişim (kg/s) 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 Emme etkisi Egsoz etkisi Silindirden çıkan artık gazların debisi (kg/s) 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 Emme etkisi Egsoz etkisi Egsoz ve egsoz borusu 233
Silindirde kalan artık gaz kütlesi (kg) 0,015 Emme etkisi Egsoz etkisi 0,010 0,005 Piston üst ölü noktada iken silindir basıncı (bar) 150 140 130 120 110 Emme etkisi Egsoz etkisi Maksimum yanma basıncı (bar) 180 170 160 150 140 Emme etkisi Egsoz etkisi Emme ve egsoz subapları Tüm değişiklikler bir arada 234
Ortalama efektif basınç (bar) 22 21 20 19 18 17 Emme etkisi Egsoz etkisi Özgül yakıt tüketimi (g/kwh) 240 230 220 210 200 190 Emme etkisi Egsoz etkisi Silindirden alınan efektif güç (kw) 140 130 120 110 Emme etkisi Egsoz etkisi Tüm değişikler bir arada 235
Isıl verim 50 48 46 44 42 40 38 Emme borusu etkisi Egsoz borusu etkisi EK B Emme manifoldu giriş ucuna göre 8 nolu silindirin performans grafikleri Silindire emilen hava debisindeki değişim (kg/s) 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 Emme etkisi Egsoz etkisi Silindirden çıkan artık gazların debisi (kg/s) 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 Emme etkisi Egsoz etkisi 236
Silindirde kalan artık gaz kütlesi (kg) 0,015 Emme etkisi Egsoz etkisi 0,010 0,005 tüm değişiklikler bir arada Piston üst ölü noktada iken silindir basıncı (bar) 150 140 130 120 110 Emme etkisi Egsoz etkisi Maksimum yanma basıncı (bar) 180 170 160 150 140 Emme etkisi Egsoz etkisi Emme ve egsoz subapları Tüm değişiklikler bir arada 237
Ortalama efektif basınç (bar) 22 21 20 19 18 17 Emme etkisi Egsoz etkisi Özgül yakıt tüketimi (g/kwh) 240 230 220 210 200 190 Emme etkisi Egsoz etkisi Silindirden alınan efektif güç (kw) 140 130 120 110 Emme etkisi Egsoz etkisi 238
Isıl verim 50 48 46 44 42 40 38 Emme etkisi Egsoz etkisi 239