close

Enter

Log in using OpenID

2014-2015 Öğretim Yılı Bahar Yarıyılı Bütünleme Sınav Programı

embedDownload
Ordu Üniv. Bil. Tek. Derg., Cilt:4, Sayı:1, 2014,27-35/Ordu Univ. J. Sci. Tech., Vol:4, No:1, 2014,27-35
İÇTEN YANMALI MOTORLARDA ÇEVRİMSEL FARKLARIN ÖNEMİ
İ. Volkan ÖNER1*, M. Akif CEVİZ2
Erdoğan GÜNER3, Hüseyin KÖKSAL4
1
Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 25240, ERZURUM,
[email protected]
2
Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 25240, ERZURUM,
[email protected]
3
Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 25240, ERZURUM,
[email protected]
4Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 25240, ERZURUM,
[email protected]
ÖZET
Buji ateşlemeli motorlarda bir çevrimden diğerine silindir basıncı değişimi
incelendiğinde önemli seviyede farklılık olduğu görülür. Çevrimsel farklar olarak
adlandırılan bu değişiklikler, motor kararlı halde çalışırken bile vardır. Çevrimsel
farklar, buji ateşlemeli motorların dizayn ve kontrol çalışmalarında dikkate
alınmalıdır.
Anahtar Kelimeler: Çevrimsel Farklar, Buji Ateşlemeli Motorlar.
CYCLIC VARIABILITYS IN SPARK IGNITION ENGINES
ABSTRACT
There are significantly variations in cylinder pressure traces from cycle to cycle in
spark ignition engines. The variations, named cyclic variability, exist even when
engine is stable. Cyclic variability must be considered in the design and control of
spark ignition engines.
Keywords: Cyclic Variability, Spark Ignition Engines.
1. GİRİŞ
Günümüzde içten yanmalı motorlar üzerine yapılan çalışmalar, motordan
maksimum gücü, en ekonomik ve çevreyi kirletmeden alabilmek üzerine
yoğunlaşmıştır. Motorun tüm çalışma şartlarında efektif veriminin artırılması, güç
kayıplarının en aza indirilmesi ve zararlı egzoz emisyonlarının azaltılması
araştırmaların temelini oluşturmaktadır.
*
Sorumlu Yazar: [email protected]
27
İ. V.Öner, M. A.Ceviz, E.Güner, H. Köksal
Otomotiv teknolojileri üzerine çalışanlar, ilgili diğer disiplinlerle koordineli olarak
performans, güvenlik ve konforu iyileştirirken, yakıt tüketimi, egzoz emisyonları
ve gürültü düzeyini azaltmayı, ayrıca, tüm bunları olabildiğince taşıt maliyetine
yansıtmadan yapmayı hedeflerler.
Performansın ve egzoz emisyonlarının iyileştirilmesi yanma olayının çok kısa bir
zaman içinde verimli şekilde gerçekleşmesine bağlıdır. Yanma veriminin, motorun
bütün çalışma şartlarında maksimum seviyede tutulması için mümkün olan çok
sayıda parametrenin motorun çalışma şartlarına göre ayarlanması, yakıtın en
verimli şekilde enerjiye dönüşümünü sağlayacaktır. Bu amaçla motorlarda
ateşleme avansı, supap açılıp kapanma zamanları, sıkıştırma oranı ve hava/yakıt
oranı gibi bazı işletme parametreleri motor hızına ve yüküne bağlı olarak
değiştirilmektedir [1]
Bilindiği üzere, buji ateşlemeli dört zamanlı bir motorda bir çevrim emme,
sıkıştırma, yanma-genişleme ve egzoz zamanlarından oluşmaktadır. Motor çalıştığı
sürece bu zamanlar birbirini takip eder, fakat motor çalışma şartlarına bağlı olarak
her bir çevrim özellikle yanma zamanında bir sonraki çevrimle aynı olmayıp
farklılıklar gösterir. Her bir çevrim için krank mili açısına karşılık basınç grafikleri
incelendiğinde, ardışık çevrimlerin aynı yolu izlemediği kolaylıkla görülecektir.
Çevrimsel farklar olarak adlandırılan bu durum, buji ateşlemeli motorların dizayn
aşamasında göz önünde bulundurulması gereken parametrelerden birisidir.
Çevrimsel farkların minimum miktarda tutulması istenir. Yapılan çalışmalar
çevrimsel farkların ortadan kaldırılması durumunda aynı yakıt tüketimi değeri için
motor çıkış gücünde %10’a kadar artış olacağını göstermektedir [2]
Çevrimsel farkların oluşmasında birçok kimyasal ve fiziksel faktör vardır. Silindir
içerisinde bir önceki çevrimden kalan atık gaz oranı, hava-yakıt oranı, yakıtın
bileşimi ve yanma odası içerisinde yanmamış gazların hareketi bu faktörler
arasında sayılabilir [3,4].
Bunun yanında çevrimsel farkların oluşumuna yol açan sebepler iki ana başlık
altında incelenebilir: 1- Atık gaz miktarındaki değişiklikler gibi bir önceki çevrim
etkileri 2- Silindir içi akış karakteristiklerindeki değişiklikler gibi rastgele çevrim
etkileridir. Her iki etki şekli de motorlarda sürekli cereyan etmekte ancak
hangisinin daha baskın olduğu bilinmemektedir [5].
Çevrimsel farklar, özellikle fakir çalışma şartlarında önemli bir faktör haline
gelmektedir. Fakir çalışma durumu nitrojen oksit ve hidrokarbon emisyonlarını
azaltmak ve yakıt ekonomisi sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Ancak, fakir
yanma sınırına yaklaştıkça çevrimsel farklar artmakta ve çevrim esnasında eksik
yanmalar oluşmakta ve hidrokarbon emisyonları artmaktadır. Bundan dolayı
28
İçten Yanmalı Motorlarda Çevrimsel Farkların Önemi
çevrimsel farkların minimizasyonu fakir yanmalı motorlarda özellikle verim
açısından önemlidir [6].
Genel olarak, buji ateşlemeli motorlarda emisyonlar, ekivelans oranına bağlıdır.
Şekil 1.1’de buji ateşlemeli bir motorun emisyonlarının ekivelans oranı ile değişimi
görülmektedir.
Egzoz Gazındaki Emisyon Miktarı
HC
NOx
Fakir
0.8
0.9
Zengin
1.0
1.1
CO
1.2
Eküvelans Oranı
Şekil 1.1. Buji ateşlemeli bir motorun emisyonlarının ekivelans oranı ile değişimi
[7]
100 çevrim için Silindir İçi Basınç (kPa)
Çevrimsel farklar sebebiyle, ortalama hava/yakıt oranı ve ateşleme zamanlaması
her zaman uyumlu olmalıdır. Silindir basıncındaki değişimlerin, araç sürüşüyle
yakından ilgili olan fren torkundaki değişimlerle ilişkili olduğu söylenebilir.
Silindir basıncındaki çevrimsel farkların bir örneği Şekil 1.2’de gösterilmiştir. Orta
yükleme veya orta hız noktasındaki birbirini takip eden çevrim için basınç krank
açısının bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir.
1200
1000
800
600
400
200
0
-150
-100
-50
0
50
100
150
Krank Mili Açısı (KMA)
29
İ. V.Öner, M. A.Ceviz, E.Güner, H. Köksal
Şekil 1.2. Krank mili açısı ile silindir içi basıncın değişimi.
Karışımın aşırı hava ile fakirleşmesi veya egzoz gazı resirkülasyonu ile
seyreltilmesi ile, çevrimsel farkların büyüklüğü artar. Bazı çevrimler yeterli bir
şekilde yavaş yanan çevrimlerdir, bunun sonucunda egzoz açıldığında yanma
tamamlanmamıştır, bu sebeple çevrimlerin bir kısmında kısmi yanmanın oluştuğu
bir rejim görülür. Fakir veya seyreltik karışımlarda yanmama sınırına yaklaşılır. Bu
noktada, çevrimlerin bir kısmında karışım tutuşamaz. Buji ateşlemeli motorlar,
kısmi yanma veya yanmama rejimleri ile çalışmaya devam etseler de, böylesine bir
çalışma durumu, efektif verim, zararlı egzoz emisyonları, tork-devir değişimleri ve
motor efektif gücü açısından istenmez.
1.1. Çevrimsel Farkların Göstergeleri
Motor performans karakteristiği açısından en önemli olan yanma işlemindeki
çevrimden çevrime farkların sonuçlarından biri indike ortalama efektif basınçtaki
(IMEP) çevrimsel farklardır. İndike ortalama efektif basınç (IMEP), sırasıyla
piston hareketinden dolayı silindir hacim değişimi ve silindir duvarlarındaki ısı
kaybı, yanma işleminden serbest kalan ısı oranı gibi çeşitli faktörleri belirleyen
silindir basıncı ile ilgili bir parametredir.
[7] ve [8]'e ’a göre çevrimsel farklar, 4 parametreye göre gruplandırılır;
Basınç ile ilgili parametreler:
- Maksimum silindir basıcı, Pmax
- Maksimum silindir basıncının oluştuğu krank açısı,  P max
- Maksimum basınç artış hızı, dP d max
- Maksimum basınç artış hızının görüldüğü krank mili açısı dP d max
- Çevrimin indike ortalama efektif basıncı (IMEP)
Yanma ile ilişkili parametreler:
- Maksimum ısı transferi, dQ d max
- Maksimum kütlesel yanma oranı, dX b d max
- Tutuşma gecikmesi,  d
- Yanma süresi, b
- Belirli bir kütlenin tutuşma ile yanması arasında geçen zaman (krank açısında),
 xb
30
İçten Yanmalı Motorlarda Çevrimsel Farkların Önemi
Alev cephesi ile ilgili parametreler:
- Alev cephesi pozisyonu,
- Silindirde iki belirli farklı noktaya alev cephesinin ulaşması sırasında krank
açısının sapması,
- Farklı krank açısında kıvılcım boşluğundan alev çekirdeğinin merkezinin yer
değiştirmesi.
Egzoz gazları ile ilgili parametreler:
- Egzoz içerisindeki farklı bileşenlerin konsantrasyonu,
Çevrimsel farkların meydana gelmesinde yukarıda söz edilen bütün parametreler
aynı anda etkin olduğu bilinmekte olup, hangi parametrenin daha baskın olduğu
hesaplanamamaktadır. Bu parametrelerden basınçla ilgili olanlar üzerine [8]
tarafından bir analiz yapılmış ve sonrasında [7] tarafından geliştirilmiştir [9]
2. ÇEVRİMSEL FARKLARIN GÖZLEMLENMESİ
Çevrimsel farkların gözlemlenmesinde ortalama indike efektif basınç değeri
kullanılmaktadır. Silindir içerisinden ölçülen basınç verilerinden yola çıkılarak
çevrimsel farklılıkların ifade edilmesi için varyans katsayısı COV Pmi
kullanılmaktadır. Her çevrim için hesaplanan indike ortalama efektif basınç
değerlerinin standart sapmasının (σ Pmi), tüm çevrimler için hesaplanan indike
ortalama efektif basınç değerinin ortalamasına (P mi) oranı olarak tarif edilir ve
aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir [7]:
COV Pmi 
 Pmi
 100
Pmi
(1)
COVPmi değeri yaklaşık %10’nu aştığı zaman genellikle sürüş konforunda
problemler meydana gelir [7].
İndike ortalama efektif basınç, çevrim başına üretilen işin strok hacmine oranı ile
hesaplanır ve şu bağıntı ile ifade edilebilir:
Pmi 
Wc
Vd
(2)
Burada Wc çevrim başına üretilen iş ve Vd strok hacmini göstermektedir. Çevrim
başına üretilen iş ise:
Wc   PdV
(3)
31
İ. V.Öner, M. A.Ceviz, E.Güner, H. Köksal
ifadesi ile hesaplanabilir.
3. ÇEVRİMSEL FARKLARIN SEBEPLERİ
Çevrimsel farklar olarak adlandırılan bu durum, buji ateşlemeli motorların dizayn
aşamasında göz önünde bulundurulması gereken parametrelerden birisidir.
Çevrimsel farkların minimum miktarda tutulması istenir. Yapılan çalışmalar
çevrimsel farkların ortadan kaldırılması durumunda aynı yakıt tüketimi değeri için
motor çıkış gücünde %10’a kadar artış olacağını göstermektedir [2].
Genellikle, fakir karışımlarda elde edilen yüksek yanma hızı ve laminer yanma hızı
sebebiyle oluşan motordaki çevrimsel farklar, karışımının ekivalans oranını
etkileyen bir durumdur [2] Bu yüzden stokiyometrik orandan herhangi bir sapma,
tutuşma gecikme zamanı ve çevrimsel farkların miktarındaki artışa bağlı olarak
laminer yanma hızında azalmaya yol açar.
Buji ateşlemeli bir motorda çevrimsel farkları asgari düzeye indirgemek önemli bir
dizayn hedefidir. Çevrimsel farkların çok küçük bir miktarı dahi motorda hiç
istenmeyen titreşimlere sebebiyet verebilir. Çevrimsel farkların büyük miktarı ise
hidrokarbon emisyonlarının artmasına sebebiyet vermektedir. Motor üretim testi
sonuçları çevrimsel farkların eksik yanmadan kaynaklandığını ileri sürmektedir
[10]
Buji ateşlemeli motorlarda çevrimsel farklara etki eden faktörlerin bir özeti Çizelge
3.1’de verilmiştir [9]
32
İçten Yanmalı Motorlarda Çevrimsel Farkların Önemi
Çizelge 3.1. Çevrimsel farklara sebep olan faktörlerin özeti [9]
Çevrimsel farka
sebep olan faktör
Türbülans şiddeti ve
aralığı
Toplam Hava/Yakıt
Oranındaki çevrimsel
fark
Yanma esnasındaki etki;
1. Alev başlaması ve
kıvılcım
2. İlk alev çekirdeğinin
gelişmesi
3. Türbülanslı
alevin
yayılması
2
2
3
2
Seyrelticilerin tüm
ölçeklerindeki
çevrimsel farklar
Primer farkların
sebebinin çeşidi
Alev sıkıştırma, lokal
baskılama, alev
çekirdeği iletimi
Alev çekirdeği büyüme
oranının etkilediği
laminer alev hızı
Alev yayılma hızının
etkilediği laminer alev
hızı
Alev çekirdeği büyüme
oranının etkilediği
laminer alev hızı
3
Alev yayılma hızının
etkilediği laminer alev
hızı
Homojen olmayan
uzaysal karışım
2
İlk girdaplı yanmada
karışım bileşenleri
Silindir dolumundaki
çevrimsel farklar
3
Her çevrimdeki yanmış
yakıtın miktarı
Ortalama akış
vektöründeki
çevrimsel farklar
1
2
Kıvılcım boşaltım
karakteristiklerindeki
çevrimsel farklar
1
2
1
Kıvılcım stresi
3
Kıvılcım boşaltım
karakteristiklerinin
etkilediği kıvılcım
boyunun uzunluğu
Çekirdek ilerleme hız
vektörü
Sıcak plazma
çekirdeğinin
başlangıçtaki boyutu
Alev çekirdeği içinde
depolanan enerji miktarı
ve oranı
Kıvılcım bozunma
enerjisinin etkilediği
termodinamik şartlar
Çevrimdeki yanma
evresi
Bağıl katkı (aşağıdaki
çizelgede açıklama
için yıldızlar
kullanılmıştır)
Önemli
*
Çalışılmamış
*
**
Üniform olmayan
skalaya dayalı
Anlamlı (Tek bir
çalışmanın
sonucudur)
Küçük
Küçük, ***
Çalışılmamış, ****
Çalışılmamış, ****
Özellikle elektronik
ateşleme
sistemlerinde önemsiz
33
İ. V.Öner, M. A.Ceviz, E.Güner, H. Köksal
Yorumlar;
* Homojen olmayan karışımların etkisiyle beraber hem hava/yakıt oranındaki hem
de seyreltiklerin bir kısmındaki çevrimsel farklar, lokal karışım örneklerini içeren
çalışmalardan çıkarılabilir. Bu birleştirilmiş etki, önemli ölçüde tahmin edilebilir.
** Bu etki silindir emme sırasında çevrimsel farkların etkisi ile birleştirilir.
(Çevrimdeki azalmış artık miktarı, çoğunlukla yanmış yakıtın miktarının artışına
eşlik eder, böylece toplam etki büyür.)
*** Alev çekirdeğindeki çevrimsel farklara, hem rastgele türbülans dalgalanması
hem de ortalama akış hızındaki çevrimsel farklar yol açar. Buradaki, ortalama akış
hızındaki çevrimsel farkların daha az önemli olduğu düşünülür.
**** Buji ateşlemesi sırasındaki çevrimsel farklar, çoğunlukla ortalama akış
hızındaki çevrimsel farkların ikincil bir etkisidir.
4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Çevrimsel farklar, özellikle fakir çalışma şartlarında önemli bir faktör haline
gelmektedir. Fakir çalışma durumu, azot oksit ve hidrokarbon emisyonlarını
azaltmak ve yakıt ekonomisi sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Ancak, fakir
yanma sınırına yaklaştıkça çevrimsel farklar artmakta ve çevrim esnasında eksik
yanmalar oluşmakta ve hidrokarbon emisyonları artmaktadır. Bundan dolayı
çevrimsel farkların azaltılması fakir karışımlı motorlarda özellikle verim açısından
önemlidir. Ayrıca, çevrimsel farklar araç sürüş konforuna etki eden titreşimlerin
başlıca nedenidir. Çevrimsel farkları azaltıcı bütün çalışmalar, motor performansını
arttırmaya ve zararlı egzoz emisyonlarını ise azaltmaya öncülük eder. Bu nedenle
buji ateşlemeli motorlarda çevrimsel farkları iyi anlamak ve böylelikle çevrimsel
farkların zararlı etkilerini azaltmaya yönelik dizayn çalışmaları yapmak önem arz
etmektedir.
KAYNAKLAR
[1] Çelik, M.B., (1999), Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Ankara.
[2] Young, M.B., (1981), SAE Paper No:810020.
[3] Ceviz, M.A. ve Yüksel F., (2004), 8. Uluslar arası yanma sempozyumu, Ankara.
[4] Ceviz, M.A. and Yüksel F., (2005), Applied Thermal Engineering 25, 917-925.
[5] Dai, W., Trigui N., and Lu Y., (2000), International Spring Fuels & Lubricants Meeting
& Exposition, Paris, France, SAE Paper No: 2000-01-2036.
[6] Öner İ.V., (2009), Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Erzurum.
34
İçten Yanmalı Motorlarda Çevrimsel Farkların Önemi
[7] Heywood, J.B., (1998), Internal Combustion Engine Fundamentals, 1988. McGraw-Hill
Book Co.
[8] Matekunas, F.A., (1983), SAE Paper No: 830337.
[9] Ozdor, N., Dulger M., and Sher E., (1994), SAE Paper No:940987.
[10] Scholl, D. and Russ S., (1999), SAE Paper No: 1999-01-3513.
35
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
3 060 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content