www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (3) 55-60 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Abdurrazzak AKTAŞ ZKÜ Karabük Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Otomotiv Anabilim Dalı, Karabük Özet Benzinli motorlarda yakıt hava karışımının oluşumu genellikle emme zamanı ile birlikte başlamasına rağmen dizel motorlarda sıkıştırma zamanı sonlarına doğru yakıtın püskürtülmesi ile başlamaktadır. Dolayısı ile dizel motorlarda yakıtın hava ile karışması ve yanması için benzinli motorlara göre çok daha kısa bir zaman aralığı bulunmaktadır. Bu da dizel motorların vuruntulu çalışmasının ve benzinli motorlar kadar yüksek devirli tasarlanamamasının en önemli sebeplerinden birini teşkil etmektedir. Bu olumsuz etkileri azaltmak için yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi, yakıtın silindir içine kademeli olarak püskürtülmesi (Multijet) vb. bir çok çalışmanın yanında alternatif dizel motor tasarımları çabaları da sürmektedir. Bu çalışmanın amacı; dizel motorlarda karışım oluşumuna geniş zaman sağladığı ve dizel motorların daha yüksek devirli yapılabilmesine imkan verdiği belirtilen Amerikan, Alman ve Japon patentli Diro- Konstrüksiyon a ait beş fazlı supapsız alternatif bir dizel motor tasarımını tanıtmak ve tartışmaktır. Anahtar Kelimeler: Alternatif motorlar, beş faz, dizel motor 1.Giriş Bilinen pistonlu içten yanmalı motorların verimlerinin düşük olması (1) ve mevcut enerji kaynaklarının sınırlı olması nedeni ile enerjiyi daha verimli kullanabilen alternatif motorların yapılması ve kullanılması gereği gittikçe daha fazla önem arz etmektedir. Günümüzde, bilinen içten yanmalı motorlardan farklı tasarıma sahip; küre pistonlu motor [2-9], altı stroklu motor [10-20], palet kanatlı dönel motor [21-24], Üçgen Rotorlu Motor, Türbin Tipi Motor, Dönel Gövdeli Tip Markel Motor, Dönel Pistonlu Motor, Salınım Kanatlı Motor, Karşılıklı Pistonlu Dönel Motor, Eliptik Motor [25] gibi alternatif bir çok içten yanmalı motor patenti alınmaktadır. Tasarımcıların bir kısmı bu buluşlarını uygulayıp tanıtımını yaparken bir kısmı da uygulama yapmadan lisans satışına başvurmaktadır. Alternatif içten yanmalı motor buluşlarının bir kısmı, günümüzde uygulama alanı bulamamış olsa da teknolojideki hızlı gelişme sürecinde gelişecek olan işlem ve materyaller sayesinde yaygınlaşabileceği tahmin edilmektedir. Bu yeni motorların bir çoğunun ortak özelliği, kam mili, supaplar ve bunlarla ilişkili olarak çalışan doğrusal hareketli diğer parçaların kullanılmamasıdır. Sistemlerin bazılarında krank mili, silindir ve piston yine kullanılıyorken bazılarında ise bu motor elemanlarının da kullanılmadığı görülmektedir. Standart dışına çıkan alternatif motorlar için olumsuz sonuçlar söz konusudur. Bunlar: Üretim maliyetinin daha fazla olması, üretim için özel yöntem, makine ve teçhizatın gerekliliği Motorun herhangi bir yerinde meydana gelen arızanın standart işlemler bilgisi olan kişiler tarafından giderilememesi ve daha uzun bir sürede yapılabilmesidir. İmal edilen motor, eğer çok önemli sayılabilecek avantajlara sahip değilse yukarıdaki dezavantajlar sebebiyle yaygınlaşması mümkün olamamaktadır.
Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 55-60 Bu çalışmada; dizel motorlarda karışım oluşumuna geniş zaman sağladığı ve dizel motorların çok yüksek devirli yapılabilmesine imkan verdiği belirtilen Amerikan, Alman ve Japon patentli Diro-Konstrüksiyon a ait beş fazlı supapsız alternatif bir dizel motor tasarımı sunulacak ve tartışılacaktır [26,27]. 2. Motorun Tanıtımı Ve Yapısı Alman DE 19843567, Japon JP 2000-571125 ve Amerkan 6,318,335 numaralı patentlerle kayıt altına alındığı belirtilen[28], supapsız 5 fazlı motor olarak adlandırılan bu motor şekil 1 ve şekil 2 de görüldüğü gibi alışılagelen motorlardan farklı özelliklere sahiptir. Bu özellikler; 1- Özel yapıda imal edilmiş silindir kapağı içerisine yerleştirilmiş, krank milinden hareket alan ve krank milinin dörtte biri oranında hızla dönebilen 1 4 n kaymalı kademeli bir mile sahip olması, 2- Silindir kapağından silindire geçiş için, iş ve sıkıştırma ile emme ve egzoz işlemleri için iki kanalın bulunması, 3- Dönen kademeli mil içinde iki adet yanma odası ve birer adet de emme ve egzoz kanalının bulunması, 4- Sıkıştırma oranının alışılagelen dizel motorlardan biraz düşük tutulması nedeniyle (12 den daha yüksek olduğu belirtilmiştir) ateşlemenin buji desteği ile yapılmasıdır. Şekil 1. Alternatif dizel motorun kesiti ve kısımları 56
Aktaş, A. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 55-60 3. Motor Çevrimi Şekil 2. Alternatif motorun toplu hali Şekil 2 de görüldüğü gibi alternatif motorun eşit büyüklükte iki adet yanma odası bulunmaktadır (K1 ve K2). Belirtilen yanma odaları, dönen kademeli bir mil içine yerleştirilmiştir. Söz konusu mil krank mili tarafından döndürülmekte ve krank mili devrinin ¼ i oranında bir hızla dönmektedir. Dört zamanlı motor prensibine göre çalışan bu motorun şekil 3 te dolu çizgi ile gösterilen K1 yanma odasının bir iş çevrimi takip edilecek olursa; emme zamanında silindire dolan hava(a), sıkıştırma zamanında silindire açık olan K1 yanma odası içine sıkıştırılmaktadır(b), K1 yanma odası için sıkıştırma zamanının sona ermesi ile kesik çizgilerle belirtildiği gibi K2 yanma odasında bulunan basınçlı gaz silindire geçmeye başlamakta ve silindir içinde iş-egzoz-emme ve sıkıştırma zamanları krank milinin iki turunda gerçekleşmektedir. Bu arada silindir kapağında bulunan dönen mil yarım tur yapmaktadır (c). Dolu çizgi ile belirtilen bu c periyodu sırasında K1 yanma odasında bulunan sıkıştırılmış hava içine yakıt püskürtülmekte ve püskürtülen yakıtın hava ile karışması için şekil 3 te görüldüğü gibi uzun bir süre bulunmaktadır (krank milinin iki dönü sayısı kadar). K1 yanma odasının yarım turunun sonlarına doğru karışım buji ile ateşlenerek yanma başlatılmakta ve ardından silindire geçiş kanalı açılarak basınçlı gaz iş zamanı gerçekleştirmektedir (d). Yanma ve güç kursunun tamamlanması üzerine bu çevrimin son işlemi olarak egzoz gerçekleşmektedir(e). Kısaca özetlemek gerekirse; Teorik olarak; bir yanma odasında krank milinin bir turunda emme ve sıkıştırma, iki turunda karışım oluşumu ve yanma ve bir turunda da yanma ve egzoz olmak üzere toplam olarak krank milinin dört devrinde bir çevrim gerçekleşmektedir. Bütün karışım hazırlama ve yanma daha önce bilinen dört zamanlı motorlardan kronolojik ve süre olarak bu yüzden ayrılmaktadır. 57
Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 55-60 Şekil 3. Beş fazlı motor çevrimi Şekil 4 te Normal dört zamanlı motor çevrimi ile beş fazlı motorun her iki yanma odasının çevrimleri boyunca meydana gelen basınç değişikliklerinin Krank Mili Açısına (KMA) göre değişimi görülmektedir. Şekil 5 te ise; farklı açılardan fazların oluşumu görülmektedir. A kesitleri 1. ve 2. emme ve egzoz kanallarını B kesitleri ise K1 ve K2 yanma odalarını göstermektedir[29]. Şekil 4. Beş fazlı motor ile normal dört zamanlı motorun Krank Mili Açısına(KMA) bağlı basınç diyagramı 58
Aktaş, A. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 55-60 Şekil 5. farklı açılardan fazların oluşumu 4. Beş Fazlı Motorun Olumlu Ve Olumsuz Özellikleri 4.1. Olumlu Özellikleri Yakıt /Hava karışımının hazırlanması ve yanma olayının krank milinin iki turunda geniş bir zamanda gerçekleşmesi, Yanma kinematiğinde, egzoz gaz emisyonunda ve çıkış gücünde iyileşme sağlandığının belirtilmiş olması, Supap ve kam milinin olmaması sebebi ile daha basit bir yapıya sahip olması, Beş fazın yanma sınırlıklarını azaltması ve dönme hızının arttırılmasına imkan sağlaması, Yakıtın çok sayıda ön püskürtme ile püskürtülmesine imkan vermesi ve motorun dönme hızı ile ilişkili tutuşma gecikmesinin kontrol edilebilmesidir. 4.2. Olumsuz Özellikleri İçerisinde yanma odaları, emme ve egzoz geçiş kanalları bulunan bir milin bulunması ve dolayısı ile iyi şekilde sızdırmazlığın sağlanamaması, Sıkıştırma oranının normal dizel motorlara göre daha düşük tutulmuş olması (ε 12) ve ek olarak elektrikli bir ateşleme sistemine ihtiyaç duyulması, Optimum yanma odası büyüklüğünün, nozul kanal kesitlerinin ve en iyi püskürtme memesinin henüz belirlenmemiş olmasıdır. 5. Sonuç Ve Öneriler Görüldüğü gibi beş fazlı alternatif bu dizel motorun, optimum yanma odası hacmi, geçiş kanalları kesitlerinin belirlenmesi ve sızdırmazlık gibi sorunların giderilmesi gerekmektedir. Ancak karışım teşkili ve yanmaya bilinen motorlardan çok daha uzun bir zaman sağlaması, vuruntulu yanmayı azaltması, parça sayısının azlığı ve en önemlisi dizel motorların daha yüksek devirli yapılmalarına imkan sağladığı için yakın bir gelecekte araştırmacıların ve üreticisi firmaların bu motorlara daha fazla ilgi gösterecekleri tahmin edilmektedir. 59
Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 55-60 Kaynaklar 1. Hywood J.B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, P; 673-676 Singapore 2. Compressor Performance Predictions, http://www.ballpistonengine.com/rep4.html 3. Proof Of Principle Testing, http://www.ballpistonengine.com/rep5.html 4. Basic Ball Piston Pump, http://www.ballpistonengine.com/simplified/index.html 5. Animation & Tutorial Software, http://www.ballpistonengine.com/animation.html 6. Conclusions, http://www.ballpistonengine.com/rep6.html 7. A New Concept In High Efficiency Power Machines, http://www.ballpistonengine.com/index.html 8. Rory, R. D., The Ball Piston Engine: A New Concept In High Efficiency Power Machines, http://www.ballpistonengine.com/report.html 9. Patrick E. M., Rory R. D., The Ball Piston Engine: Material Selection Testing Results, http://www.ballpistonengine.com/testing.html 10. Beare Technology, http://www.sixstroke.com/pageone.htm (2003) 11. Beare Technology, Sitemap And Downloads, http://www.sixstroke.com/sitemap.htm (2003) 12. Beare Technology, http://www.sixstroke.com/gallery2.htm (2003) 13. Beare Technology, United States Patent, http://www.sixstroke.com/patent.htm (2003) 14. Beare Technology, Specifications, http://www.sixstroke.com/specs.htm (2003) 15. Cathcart, A., Six Of The Best, http://www.sixstroke.com/articles.htm (2003) 16. Beare Technology, http://www.sixstroke.com/gallery.htm (2003) 17. Beare Technology, Beare Six Stroke Forum: Further Development: Advantages:, http://www.sixstroke.com/discus/messages/4/13.html?saturday October142000316pm (2000) 18. Beare Technology, SR500 Burnout, http://www.sixstroke.com/sr500_burnout.htm (2003) 19. Beare Technology, Thermodynamic Advantages Of The Six Stroke, http://www.sixstroke.com/construction.htm (2003) 20. Beare Technology, http://www.sixstroke.com/theory.htm (2003) 21. Trochilic Engines Inc., Animations, http://www.trochilicengines.com/animations/ 22. Trochilic Engines Inc., Internal Combustion Engines, http://www.trochilicengines.com/internal_combustion/ 23. Trochilic Engines Inc., Trochilic Quad Cycle Engine, http://www.trochilicengines.com/trochilic/ 24. Trochilic Engines Inc., Stirling Engines, http://www.trochilicengines.com/stirling/ 25. Aksoy N., İçingürY., Alternatif İçten Yanmalı Motorlar, 3. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, 18-20 Ağustos 2003, Ankara 26. http://www.diro-konstruktion.de/prosp_e.pdf 27. http://www.diro-konstruktion.de/diesel_engine.html#ohneventile 28. http://www.diro-konstruktion.de/us_5td.pdf 29. http://www.diro-konstruktion.de/an5tov_e.gif 60