lpg enjeksiyon sistemlerinde lpg sıcaklığı ile motor

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
LPG ENJEKSİYON SİSTEMLERİNDE LPG SICAKLIĞI İLE
MOTOR PERFORMANSI ARASINDAKİ İLİŞKİNİN
ARAŞTIRILMASI
M. Akif Ceviz*, İ. Volkan Öner*, Alirıza Kaleli**, Köksal Erentürk**
*
**
Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Erzurum
Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik - Elektronik Müh. Böl., Erzurum
ÖZET
LPG, tüm dünyada buji ateşlemeli motorlarda benzinden sonra en yaygın olarak kullanılan yakıttır. Benzine göre
daha geniş çalışma aralıklarına sahiptir ve daha az zararlı egzoz emisyonu üretmektedir. Ancak, LPG yakıtlı motorların
çıkış güçleri benzin motorlarından yaklaşık %5-10 aralığında daha düşüktür. Çünkü LPG emme manifoldu içerisinde
(benzine göre) %15-20 oranında daha fazla hacim kaplamaktadır. Bu durum, yakıt-hava karışımının enerji yoğunluğunu
düşürmektedir ve silindire her bir çevrimde alınan enerji miktarı azaldığı için motor çıkış gücü de azalmaktadır. İçten
yanmalı motorlarda motor performansı ve egzoz emisyonları üzerinde etkili olan parametrelerin en önemlilerinden birisi
ise volumetrik verimdir. Volumetrik verimi azaltan herhangi bir etki motor performansını da azaltacaktır. Kullanılan
yakıtın emme manifoldunda gaz halinde olması volumetrik verimi azaltmaktadır. Volumetrik verimi düşüren bir diğer
parametre ise yakıt-hava karışımının sıcaklığıdır. Karışımın sıcaklığının artması, emme manifoldunda karışımın enerji
yoğunluğunun azalmasına ve dolayısıyla motor performansının azalmasına sebep olmaktadır. Bu çalışmada, LPG yakıt
sıcaklığının motor performans karakteristiklerine olan etkilerini araştırmak için bir deney düzeneği kurulmuştur.
Yapılan deneylerde, LPG sıcaklığının 20°C’den 44°C’ye çıkmasıyla yakıt tüketiminde yaklaşık olarak % 15’lik bir
artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, bir diğer deneyde, LPG sıcaklığının 32°C’den 40°C’ye kadar artmasıyla NO
emisyonlarının yaklaşık olarak % 5,5 arttığı, CO emisyonlarının %6 azaldığı, CO 2 emisyonlarının % 0,4 arttığı, HC
emisyonlarında ise önemli bir değişiklik olmadığı gözlemlenmiştir.
.
Anahtar kelimeler: LPG (Likit Petrol Gazı), Yakıt sıcaklığı, Motor performans karakteristikleri.
RESEARCH ON THE RELATIONSHIP BETWEEN FUEL TEMPERATURE AND ENGINE
PERFORMANCE IN LPG FUELLED SI ENGINES
ABSTRACT
LPG is the most widely used fuel in spark ignition (SI) engines after gasoline. It can run in larger operating
conditions, and produce less harmful exhaust emissions compared to the gasoline. However, the power output of the
LPG fuelled engines is less (about 5-10%) than gasoline fuelled engines because LPG displaces 15-20% greater volume
in engine intake manifold. It causes a decrease in the energy density of fuel-air charge, and the power output of engine
decreases due to the decrease in the total amount of energy in the cylinder for consecutive cycles. One of the important
parameters affecting the engine performance and exhaust emissions of internal combustion engines is volumetric
efficiency. Any influence decreasing the volumetric efficiency causes a decrease in the engine performance. Being the
fuel in the engine intake manifold in gas phase causes also a decrease in volumetric efficiency. Another parameter
decreasing the volumetric efficiency is the temperature of fuel-air charge. Increase in the fuel air charge decreases the
energy density of charge in engine intake manifold and the power output of engine. In this study, an experimental study
will be carried out to investigate the effects of LPG fuel temperature on engine performance characteristics. In the
experiments, with increasing from 20 ° to 44 ° C of LPG fuel temperature. in fuel consumption about 15% increase was
observed. In addition, in the another experiment, with increasing from 32 ° C to 40 ° C of LPG fuel temperature NO
emissions about 5.5% increased, CO emissions about 6% decreased, CO 2 emissions about 0.4% increased, in HC
emissions while no significant change be not observed.
Keywords: LPG, Fuel temperature, engine performance characteristics.
1
görünümü ve ilgili ekipmanlar Şekil 1.’de, LPG akış
devresi ve motor soğutma suyunun detaylı şematik yapısı
ise Şekil 2’de verilmiştir. Tüketilen LPG yakıt miktarı
elektronik tartı ile ölçülebilmektedir. LPG’nin gaz
fazındaki ve LPG’nin enjektörlerden emme manifolduna
püskürtüldüğü noktalardaki sıcaklıklarını K tipi
termokupullarla ölçülebilmektedir. Deneylerde motor
tarafından tüketilen hava miktarını ölçmek amacıyla hava
tankı ve TESTO 400 cihazı kullanılmıştır. Hava hızı
ölçüm probu sıcak tel esasına göre çalışmakta ve 0-20
m/sn aralığında ölçüm yapmaktadır.
1. GİRİŞ
LPG buji ateşlemeli motorlar için çevre dostu bir
yakıttır, benzine göre potansiyel emisyon avantajlarına
sahiptir. LPG basınç altında sıvılaştırılır ve 1,03'den 1,24
MPa'a kadar değişen basınçlar altında çelik tanklarda
depolanır. Isınmada, yemek pişirmede ve motor yakıtı
olarak kullanılabilir. LPG, doğal gazın hafif
bileşenlerinden ve ham petrolün rafinesi sırasında hafif
hidrokarbon bileşenlerinin ayrıştırılmasından ve ayrıca,
doğal gaz veya benzinin üretiminden de elde edilir. (Lutz
et al., 1998; Baljit, 2000).
Şekil 1'de deney düzeneğinin şematik görünüşü
verilmiştir. Şekil 2'de ise LPG yakıt enjeksiyon sistemi,
regülatör ve motor soğutma suyu akış devresi
görülmektedir.
Çalışmalar, LPG'nin benzine göre bazı avantajları
olduğunu göstermiştir. Bunlar; (1) LPG benzinden daha
az egzoz emisyonları üretir, (2) Motor bakım
maliyetlerini azaltır, (3) Soğuk çalışma şartlarına daha
hızlı uyum sağlar, (4) Tüm işletme maliyetlerini düşürür.
Bu avantajlarının yanı sıra, benzine göre % 15-20 daha
fazla hacim kapladığından dolayı motor çıkış gücünde %
5-10 azalma meydana gelir. (Baljit, 2000; Homoyer,
2002).
Çizelge 1. Motor özellikleri
LPG enjeksiyon sistemlerinde yakıt, emme
manifolduna gaz fazında püskürtülmektedir. Bu
sistemlerde, yakıt tanktan çıktıktan sonra basınç
regülatörüne gelmektedir. Regülatör, LPG’nin sıvı
fazından gaz fazına geçmesini sağlar. Bu sırada, aşırı
düşük sıcaklıklara inilmemesi için ihtiyaç duyulan
buharlaşma gizli ısısı ise regülatörde motor soğutma
suyundan karşılanır. İlk çalıştırmanın ardından, soğutma
suyunun sıcaklığı artar ve regülatörde ısı enerjisi soğutma
suyundan LPG’ye transfer edilir. Ancak, soğutma suyu
sıcaklığı belirli seviyeyi aştıktan sonra LPG sıcaklığı aşırı
artmaktadır. Bu durum, motora giren karışımın
sıcaklığının artmasını sağlar ve motorun volumetrik
verimi düşer. LPG kullanan buji ateşlemeli motorlarda,
motor çıkış gücünün düşük olmasının sebeplerinden birisi
de budur.
Motor tipi
Ford MVH418, 4-Stroklu, Su Soğutmalı,
Yakıt Püskürtmeli, Buji Ateşlemeli
Silindir sayısı
Sıkıştırma oranı
Çap (mm)
Strok (mm)
Kapasite (mm3)
Maksimum güç
Maksimum tork
Soğutma sistemi
4
10:1
80.6
88
1796 x 103
6250 d/dak.’da 93 kW
4500 d/dak.’da 157 Nm
Su soğutmalı
12
5
24
11
13
7
10
9
23
8
3
21
4
1
2
19
20
22
16
17 18
14
Bu olumsuz etki,
LPG sıcaklığının aşırı
yükselmesini engelleyerek azaltılabilir. Bu makalede,
motor performans karakteristiklerine LPG gaz
sıcaklığının etkilerini araştırmak için deneysel bir çalışma
gerçekleştirildi. Çalışmada, 1.796 dm3 silindir hacmine
sahip 4 zamanlı buji ateşlemeli FORD marka bir motor
kullanıldı. Hidrolik dinamometre ile yüklenen motor tüm
çalışma şartlarında ölçüm yapacak şekilde ekipmanla
donatıldı.
15
Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görünüşü
1- Motor
2- Hidrolik dinamometre
3- Benzin deposu
4- Benzin yakıt hattı
5- LPG deposu
6- Dijital terazi
7- LPG yakıt hattı
8- LPG regülatörü
9- LPG filtresi
10- LPG enjektörleri ve
11- Hava tankı
12-Hava hızı ölçüm cihazı probu
2.DENEYSEL ÇALIŞMA
Deneylerimizde, hidrolik fren (dinamometre)
tezgâhına yerleştirilen, 4-stroklu, su soğutmalı, yakıt
püskürtmeli, buji ateşlemeli Ford MVH418 tipi motor
kullanılmıştır. Bu motora ATİKER marka sıralı LPG
sistemi monte edilmiştir. Kullanılan motorun teknik
özellikleri Çizelge 1’de, deney düzeneğinin genel
2
13- Hava hızı ölçüm cihazı
14- Egzoz emisyon ölçüm cihazı
15- Susturucu
16- Şaft vericisi
17- Bujiye monte edilmiş Piezoelectric
18- Ateşleme zaman vericisi
19- Büjiler
20- Distirbütör
21- MAP sensörü
22- Charge Amplifier ve Osiloskop
23- Analog - Digital dönüştürücü kart
24- Kişisel bilgisayar
dinamometre ile yüklendi ve gaz kelebeği açılarak motor
devri arttırıldı. Bütün deneyler 2000 (±5) d/dak motor
hızında yapıldı. Deneylerde, kütlece %50-50 bütanpropan karşım oranına sahip LPG kullanıldı. Deneyler
motor kararlı hale gelene kadar çalıştırıldıktan sonra
gerçekleştirildi. İlk olarak, LPG sıcaklığını yaklaşık 20
°C'de tutmak için LPG regülatörü sirkülasyon hattında
soğutma suyunun kütlesel debisi azaltıldı ve ölçümlere
başlandı. Daha sonra soğutma suyu sirkülasyon kontrol
vanası açılarak LPG sıcaklığının 44 °C’ye kadar artması
sağlandı. Ölçümlere bu periyot esnasında devam edildi.
4
9
6
5
3
10
11
7
14
13
1
2
12
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
8
Şekil 2. LPG akış devresi ve motor soğutma suyunun detaylı
şematik yapısı
8. Soğutma suyu kontrol valfi
9. Kollektör girişindeki LPG sıcaklığı
(T LPG )
3. LPG deposu
10. Emme manifoldu girişteki hava
sıcaklığı (T hava )
4. Dijital terazi
11. Manifold çıkışındaki yakıt-hava şarj
sıcaklığı (T şarj )
5. Regülatör
12. Motor yağ sıcaklığı (T yağ )
6. Filtre
13. Analog dijital dönüştürücü
7. LPG enjek. ve kollektör 14. Kişisel bilgisayar
1. Motor
2. Radyatör
Şekil 3. Ölçülen sıcaklıkların zamanla değişimi
Şekil 3 ölçülen sıcaklıkların değişimini göstermektedir.
Bu şekilden emme havası sıcaklı (T hava ) ve motor yağ
sıcaklığının (T yağ ) neredeyse sabit olduğu görülmektedir.
Bu ise bize tüm deneylerin motor kararlı halde iken
yapıldığını göstermektedir. Motor yağ sıcaklığındaki
değişimler motor soğutma sisteminin kontrol vanasının
açılmasından dolayıdır.
Motorun çalışması hakkında bilgi edinme yollarından biri
de egzoz gazlarının analizidir. Bu amaçla egzoz emisyon
değerlerinin belirlenmesi için Bosch marka BEA 270 tip
egzoz emisyon cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz CO, CO 2
ve O 2 ’nin değerlerini yüzde olarak HC ve NO’nun
değerlerini ise ppm olarak vermektedir
Şekil 3’den LPG sıcaklığı (T LPG ) arttıkça yakıt-hava
karışım şarj sıcaklığının (T şarj ) da arttığı görülmektedir.
Başlangıçta, LPG sıcaklığı (T LPG ) ve emme manifolduna
girişteki hava sıcaklıkları (T hava ) sırasıyla yaklaşık olarak
20 °C ve 24 °C idi. LPG regülatörüne bağlı olan motor
soğutma suyu sirkülasyon vanası açılarak LPG sıcaklığı
arttırıldı. Kontrol vanası açılarak LPG sıcaklığı 44 °C’ye
kadar yavaş yavaş arttırıldı. LPG sıcaklığı neredeyse
lineer olarak arttı. LPG sıcaklığındaki artış motor girişten
önceki şarj sıcaklığını (T şarj ) arttırdı. Şarj sıcaklığı
yaklaşık olarak 35 °C’den 42 °C’ye kadar arttı. Özgül
yakıt tüketimi LPG sıcaklığının 20 °C ve 44 °C değerleri
için sırasıyla 245.20 g/kW.h ve 289.40 g/kW.h olarak
ölçüldü. Bunun anlamı LPG sıcaklığının 20 °C’den 44
°C’ye çıkmasıyla yakıt tüketimi yaklaşık olarak % 15
arttı. Bunlara ek olarak LPG sıcaklığının 20 °C, 28 °C ve
44 °C değerleri için motor torku 72 Nm, 71 Nm ve 70
Nm olarak ölçüldü. Düşük LPG sıcaklıklarında şarj
sıcaklığı azalmış ve şarj yoğunluğu artmıştır. Aynı
seviyede motor gücü çıkışını elde etmek için motor daha
az yakıt tüketmiştir.
Ayrıca bu cihazdan hava fazlalık katsayısını da
görülebilmektedir. Motorun basınç-hacim değişiminin ve
ateşleme zamanının gözlenmesi için çeşitli çeviriceler ile
birlikte indikatör cihazı sisteme adapte edilmiştir.
İndikatör cihazından alınan veriler veri toplama kartı
vasıtasıyla bilgisayara kaydedilmiştir. Motor bloğu
soğutma suyu ve hidrolik fren için 25 ton kapasiteli bir su
tankı kullanılmıştır.
Yakıt tüketimi 30-kg ölçekli 0.005-kg hassasiyetli dijital
bir terazi ile yapıldı. Motor torku load cell ile motor hızı
ise 60 bölmeli dişli çark ve magnetik pick-up ile yapıldı.
K tipi termokupllar kullanılarak 4 noktadan sıcaklık
ölçüldü. Sıcaklık ölçülen noktalar; 1- Motor yağ sıcaklığı
(T yağ ), 2- Emme manifolduna girişteki hava sıcaklığı
(T hava ), 3- Manifoldan çıkışta veya motora girişteki yakıthava karışım sıcaklığı (T şarj ) ve 4- Kollektöre girişteki
LPG sıcaklığı (T LPG )
Deneylerin başlangıcında, taşıt üzerindeki motorun
gerçek çalışma şartlarını simule etmek için motor hidrolik
3
sıcaklığının artmasıyla NO emisyonları yaklaşık olarak %
5.5 artmıştır.
Şekil 4. Ölçülen sıcaklıkların zamanla değişimi
Yapılan bir diğer deneyde ise, LPG sıcaklığını yaklaşık
32 °C'de tutmak için LPG regülatörü sirkülasyon hattında
soğutma suyunun kütlesel debisi azaltıldı ve ölçümlere
başlandı. Sonrasında kontrol vanası açılarak regülatör
soğutma suyu sirkülasyon hattının kütlesel debisi arttırıldı
ve böylelikle LPG sıcaklığının 40 °C'ye kadar çıkması
sağlandı. Ölçümler tüm periyot boyunca devam etti. Şekil
4 ölçülen sıcaklıkların değişimini göstermektedir. Bu
şekilde yağ sıcaklığı ve motor soğutma suyu sıcaklığının
sabit olduğu, dolayısıyla deneylerimizin kararlı halde
yapıldığı açıkça görülmektedir. Motor soğutma sistemi
kontrol vanasının açılmasından dolayı, motor soğutma
suyu sıcaklığındaki değişimler gözlemlenmektedir. Şekil
4’den LPG sıcaklığı arttıkça şarj sıcaklığı da artmaktadır.
LPG sıcaklığı başlangıçta 32 °C iken, kontrol vanası
açılarak motor soğutma suyundan gelen kütle miktarı
arttırılmış ve LPG’nin sıcaklığının 40 °C’ye kadar
artması sağlanmıştır. Bu artışa paralel olarak şarj sıcaklığı
da 32°C’den 40°C’ye kadar artmıştır.
Şekil 6. HC emisyonlarının zamanla değişimi
Şekil 6, HC emisyonlarının zamanla değişimini
göstermektedir. Bu şekil LPG sıcaklığı ile HC
emisyonlarının herhangi bir ilişkisinin bulunmadığını
göstermektedir. HC emisyonlarındaki dalgalanmalar,
motor soğutma suyundaki sıcaklık değişimlerindendir.
Şekil 7. CO emisyonlarının zamanla değişimi
Şekil 7, CO emisyonlarının zamanla değişimini
göstermektedir. Bu şekilden LPG sıcaklığı arttıkça CO
emisyonlarının yaklaşık % 6 azaldığı görülmektedir. LPG
sıcaklığındaki azalma, yanma sıcaklığının azalmasına
sebep olmuş, bu durum da CO emisyonlarına olumsuz
olarak etkilemiştir.
Şekil 5. NO emisyonlarının zamanla değişimi
NO üretiminin iki parametre tarafından etkilendiği bilinir;
a) Yanma sıcaklığı b) Bağıl hava-yakıt oranı. Nitrojen
atomlarıyla reaksiyona giren oksijen atomlarının biraz
fazla bulunduğu hafif fakir karışımlarda maksimum NO
formasyonunun oluşması bu iki etkinin birbiriyle
etkileşimindendir. Deneyler sırasında NO emisyonlarına
yakıt sıcaklığının etkisini gözlemlemek için bağıl havayakıt oranı sabit bir değerde tutuldu. Şekil-4'ten şarj
sıcaklığı arttıkça NO emisyon üretimi miktarı da
artmıştır. Şarj sıcaklığının artışı ile NO emisyonları 1826
ppm’den 1927 ppm’e kadar artmıştır Bunun anlamı LPG
Şekil 8. CO 2 emisyonlarının zamanla değişimi
Şekil 8, CO 2 emisyonlarının zamanla değişimini
göstermektedir. Bu şekilden LPG sıcaklığındaki artışın
emisyonlarına
yaklaşık
%
0,4
arttığı
CO 2
4
görülebilmektedir. Buradan, LPG sıcaklığının CO 2
emisyonları üzerine çok küçük bir etkisi olduğu sonucuna
varılabilir.
TEŞEKKÜR
Bu çalışma, 112 M 720 numaralı proje ile TÜBİTAK
tarafından desteklenmektedir. Bu çalışmada yer alan
veriler ön deneylere ait veriler olup, proje çalışmaları
devam etmektedir. Bu kapsamda, TÜBİTAK’a
desteklerinden dolayı teşekkürü bir borç biliriz.
KAYNAKLAR
1. Lutz, B.R., Stanglmaier, R.H., Matthews, R.D.,
Cohen, J., Wicker. R., 1998, “The effects of fuel
composition, system design, and operating
conditions on in-system vaporization and hot start
of a liquid-phase LPG injection system”, SAE
paper no: 981388, Presentation at the Society of
Automotive Engineers, International spring fuels and
lubricants meeting and exposition Dearborn,
Michigan, May 4–6, 1998.
2. Baljit, D., David, C., 2000, “Tailpipe emissions
comparison between propane and natural gas
forklifts”,
SAE
Paper
No:
2000-01-1865,
Presentation at the Society of Automotive Engineers,
International spring fuels and lubricants meeting and
exposition, Paris, France, June 19–22, 2000.
3. Homeyer, C., Choi, G.H., and Kim, J.H., 2002,
“Effects of different LPG fuel systems on
performances of variable compression ratio single
cylinder engine”, ASME Internal Combustion Engine
Division, 39: 369–375.
4. Bayraktar H. ve Durgun O., 2005, “Investigating the
effects of LPG on spark ignition engine
combustion and performance”, Energy Conversion
and Management, 46, 2317–2333.
5. Gumus M., 2011, “Effects of volumetric efficiency
on the performance and emissions characteristics
of a dual fueled (gasoline and LPG spark ignition
engine)”, Fuel Processing Technology, Vol. 92,
1862-1867.
5

Download Report