OTEKON 2014 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 – 27 Mayıs 2014, BURSA ÖN YANMA ODALI BENZİNLİ BİR MOTORDA KARIŞIMIN FAKİRLEŞME DERECESİNİN ÖZGÜL YAKIT TÜKETİMİ, MOTOR PERFORMANSI VE EGZOZ GAZI EMİSYONLARINA ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ Hanlar Bagirov1, İbrahim Can1, Cengiz Öner2, İlker Sugözü3, Abdullah Kapicioglu1 1 Cumhuriyet Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl. Sivas, Türkiye 2 Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl. Elazığ, Türkiye 3 Mersin Üniversitesi, Tarsus Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Müh. Böl. Mersin, Türkiye Özet Bu çalışmada, ön yanma odalı benzinli bir motorda enjektör üzerindeki delik sayılarının değiştirilmesinin, iş çevrim parametrelerine ve egzoz gazlarının emisyonları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çalışmada 1, 2 ve 3 delikli enjektörler kullanılmış ve sonuçları klasik enjeksiyon sistemli motor ile mukayese edilmiştir. Silindir içerisinde farklı oranlarda karışımın oluşumu, egzoz emisyon değerleri ve iş çevrim parametreleri üzerine farklı etkiler yapmaktadır. Bu değerlerin değişimi deneysel olarak incelenerek ortaya koyulmuştur. Deneylerde taze havanın ön yanma odasına üflenme şiddeti, yardımcı karışım içeriği ve yanma odasına etki eden diğer faktörler pratik olarak sabit tutulmaya çalışılmıştır. Ayrıca yapılan tüm değişiklerin motor performansı üzerindeki etkileri irdelenmiştir. Deneylerde standart enjeksiyonlu bir motor ile geliştirilen ön yanma odalı motor kullanılmıştır ve elde edilen veriler karşılaştırılmıştır. Emisyon değerlerinde ve motor performans değerlerinde olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Abstract In this study were investigation of the effect on exhaust gas emissions and the power cycle parameters change of changing the number of injector holes in pre-chamber a gasoline engine. In study 1, 2 and 3-hole injector used and the results were compared with conventional injection system engine. The formation of the different rates mixture in the cylinder, exhaust emissions and operate different effects on the parameters of the power cycle. This has been revealed by examining the change of the values experimentally. It has been try to constant of blowing severity fresh air into the pre combustion chamber, mix contents and other factors affecting combustion chamber. In addition, all changes made were to investigate the effects on the performance of the engine. In experiments standard injection engine with developed the pre-chamber engine were used and compared with each other. Positive results were obtained in emissions and engine performance values. 1. Giriş Otomotiv sektöründe araç ve motor üreten firmalar tarafından öncelikli konular olarak ele alınan emisyon değerlerinin düşürülmesi ve yakıt ekonomisinin önemi her geçen gün artmaktadır. Fosil yakıt fiyatlarının artması ve fosil yakıt rezervlerinin hızla azalması da yakıt ekonomisinin gerekliliğini ortaya koymaktadır. Motor gelişiminin en güncel yolu, yakıtın hava içinde tabakalı dağılımlını sağlayan yöntemlerin uygulanmasıdır. Bu durumda, yakıt tüketimlerine göre dizel motorlar ve birim strok hacmi başına elde edilen güce göre ise benzinli motorlarla karşılaştırılabilecek bir motor ortaya çıkarmak mümkün olabilir. Üstelik kullanılan yakıt çeşitlerini önemli bir ölçüde genişletmek, yine gürültü seviyesini azaltmak, motor boyutlarını küçültmek ve egzoz gazındaki zehirli bileşenleri önemli bir biçimde azaltmak mümkün olabilecektir. Dünya ülkeleri emisyon değerleri ve yakıt sarfiyatının azaltılması ile ilgili protokoller imzalamaktadır. Kyoto, CAFE, SULEV gibi belirli standartlar taşıyan protokoller, bu standartların dışında araç üretimine izin vermemektedir[1]. Bu çalışmada standartları yakalayabilmek adına ön yanma odalı benzinli bir motorun silindirleri içine farklı bölgelere farklı yoğunlukta hava-yakıt karışımı oluşturularak yanmanın, motor karakteristiklerine uygun bir yanma oluşturulmaya çalışılmıştır. Motorun fakir karışımla çalıştırılmasının en uygun yolu kademeli dolgu yöntemidir. [2] Emme manifoldunda yapılan değişiklik sayesinde direk yakıt püskürtme sistemi ile motorun ani hızlanmalarda ve rölanti durumunda olmadığı zamanlarda 50/1 oranında motora fakir karışımla çalışan motor üretilmiştir [3]. Bu oranlarda motorun çalıştırılması homojen dolgulu motorlarda mümkün değildir. Bu değerler bize yakıt tüketiminin azaltılabilmesine olanak sağlamaktadır. %5-13 arası yakıt ekonomisi sağlayan çok supaplı kademeli dolgulu motor ve %35’e varan yakıt tüketimini azaltan Mitsubishi firması tarafından ikinci tip fakir karışımlı kademeli motorlar buna örnek gösterilebilir. [4] Kontrollü bir yanma gerçekleştirmek, ekonomiklik ve motor performansını artırmasının yanında getireceği önemli faydalardan birisi de egzoz gazları emisyonunun daha düşük seviyeye çekilebilmesidir. Motorlu taşıtların egzozlarından kaynaklanan kirleticilerinin en önemlileri NOx (azot oksitler), CO (karbon monoksit) ve HC (hidrokarbonlar) ile partiküllerdir. Çevre ve insan sağlığına zararlı olan bu kirleticiler motorun çalışma şartlarına bağlı olarak değişik davranışlar göstermektedirler [5]. Yapılan çalışmalardan yola çıkarak gerçekleştirilen deneylerde, motor üzerinde yapılan değişikliklerin yakıt tüketimi, egzoz emisyonu ve motor performansına etkileri araştırılmıştır. 2.Materyal Metot Benzinli motorda fakir karışımların geniş bir aralıkta kullanılmasını mümkün kılmak için ön yanma odalı bir benzin motoru hazırlanmıştır. Motorun yanma odası şekil 1de şematik olarak gösterildiği gibidir. Şeki1 1 Ön Yanma Odalı Benzinli Motorun Yanma Odası Şematik Görünümü Tasarlanan motorda farklı karışımların tabakalı bir şekilde silindir içerisinde oluşturulması için yakıt direk ön yanma odasına püskürtülerek yanma burada başlatılmakta ve silindirin geri kalan bölümlerinde teşkil edilmiş fakir karışımlar oluşan alevle cephesi ile tutuşturulmaktadır. Şekil 1’de bu motorun prensip şeması görüldüğü gibi; Enjektörden (6) çıkan yakıt huzmesi ön yanma odası (7) ve meme kanallarından (8) geçerek ana yanma odasına (3) ulaşır. Ayrıca bu yakıt huzmesi ön yanma odasında bulunan artık gazları arkasından çeker, üstelik silindir boşluğundaki (1) havayı üfleme kanalından (9) emer. Ön yanma odasının supap olmaksızın emme havası ile üflenmesi ve artık gazlardan temizlenmesi bu şekilde gerçekleştirilir. Püskürtme sonunda kinetik enerjinin düşük olmasından dolayı yakıtın bir kısmı ön yanma odasında kalır. Bu yakıt, ön yanma odasına emilen hava ve sıkıştırma zamanı ana yanma odasından ön yanma odasına basılan yakıt-hava karışımı ile karışarak zengin bir karışım oluşturur. Bu yardımcı karışımın yanması sonucu oluşan alev huzmesi meme kanallarından geçerek, önceden püskürtülmüş yakıt demeti boyunca tabaka halinde bulunan ana yakıt-hava karışımını ateşler. Karışımın istenilen şekilde tabakalanması, gerek yakıt püskürtme avansı açısını (karışım oluşturma süresini değiştirmekle) gerekse meme deliği sayısını değişmekle (püskürtülen yakıtın birkaç huzmeye ayrılması ile) elde edilebilir. Deneysel araştırmaların temel amacı çeşitli motor yükü ve dönme hızlarında iş karışımı tabakalık derecesine bağlı olarak • Aktif ısı ayrılma katsayısı, • Yanma karakteri göstergesi ve yanma süresi, • Isı alışverişi ve gaz disosiyasyonu nedeniyle ısı kaybı, • Egzoz gazındaki zehirli bileşenlerin değişim kanuna uygunluklarını ortaya çıkarmaktır. 3.Deneysel Çalışma Deneylerde tek silindirli benzinli bir motor kullanılmıştır. Piston strokunun silindir çapına oranı S/D = 92/92, strok hacmi Vh = 0,615 cc ve sıkıştırma oranı ε = 8 ’dir. Silindir içi gaz basıncı değişimini tespit etmek için hem Alman RFT firması tarafından üretilen piezoelektrik vericili osilograf PM-4 (salınımölçer) hem de pnevmo-elektrik vericili indikatör cihazı MAİ-2A kullanılmıştır. Bu cihazlarla elde edilen indikatör diyagramları Şekil 2’de örnek olarak gösterilmektedir. Şekil 2 PM-4 ve MAİ-2A cihazlarından elde edilmiş basınç değişim eğrileri Egzoz gazındaki zehirli bileşenlerin analizi için Japon Horiba firmasının üretimi olan kızılötesi ışınlı gaz analizör cihazları “Mexa-400” (CO, CO2 ve HC) ve “Mexa-240” (NO) kullanılmıştır. İş karışımının farklı tabakalık derecesi iki yolla elde edilmiştir: 1. Ön yanma odasına püskürtme yapan enjektör memesinin çıkış delik sayısını değiştirmekle; 2. Yakıtın büyük bir kısmının emme manifolduna enjektörden püskürtülmesi ile ön yanma odasında elde edilen alev cephesi ile tutuşturularak. 4.Tartışma Şekil 3‘de motor bir, iki ve üç delikli meme ile çalıştırıldığında efektif özgül yakıt tüketimi (be), saatlik yakıt tüketimi (Gy), ateşleme avansı açısı (θ), egzoz gazı sıcaklığı (t) , efektif güç (Ne), egzoz gazındaki zehirli bileşenlerin (CO, NO ve HC) hava fazlalık katsayısı (λ) ‘ya bağlı değişim grafikleri gösterilmiştir. Yakıt püskürtme emme zamanında Ü.Ö.N ‘dan kısa bir süre sonra (φPA = 200 Krank Mili Açısı (KMA)) yapılır. Aynı şekil üzerinde yukarıda anılan parametrelerin enjeksiyonlu ve alevle tutuşmalı motorun çalışması sırasında elde edilmiş değişim eğrileri verilmiştir. Bu son halde alevle ateşleme, enjektörün püskürttüğü az bir miktar yakıtla beslenen aynı ön yanma odası ile sağlanır. Geri kalan yakıt ise manifoldda hazırlanan karışımdan karşılanır. Şekil 3’de görüldüğü gibi hava λ’nın değişim aralığının büyük olması durumunda efektif be’nin en düşük değerinde karışımın belirli bir tabakalaşma derecesine ulaşmaktadır. Bu tabakalık derecesi, iki delikli meme kullanıldığında elde edilir. Bunun yanında, egzoz gazındaki tüm zararlı bileşenlerin oluşumu da düşük kalmıştır. Fakat homojen karışımlarda (yakıtın yanma odasının daha geniş kısmına yayılmasını sağlayan üç delikli meme, ayrıca enjektörle püskürtmeli ve alevle tutuşma (EPAT) kullanıldığında), yine daha derin tabakalı karışımlarda (tek delikli meme kullanıldığında) yanma kötüleştiği için gerek motorun yakıt tüketimi gerekse CO ve HC’nun oluşumu artmıştır. Yapılan deneyler tabakalı karışımın daha önemli bir yanma özelliğini, yani vuruntuya karşı yüksek dirençli olduğunu ortaya çıkarmıştır. Şekil 3a’da görüldüğü gibi EPAT halinde, yani daha homojen karışımda θ’nın kabul edilebilir değeri biraz düşüktür. θ’nın bir sonraki artışı vuruntu darbelerinin meydana çıkmasına neden olmuştur. Bu durumda be’nin artışı doğal olarak yine ateşleme avansı açısının kabul edilebilir değerinin düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Oysa NO yoğunluğu çok da düşük değildir ve pratik olarak üç delikli memedeki seviye ile aynı olmaktadır. İki delikli ön yanma odası memesiyle elde edilen en iyi göstergeler motorun diğer yük ve dönme hızlarında da görülmektedir. Demek ki ön yanma odasının yapısal parametreleri değişmeksizin iş karışımının en uygun ve güdümlü tabakalaşmasını elde etmek mümkündür. İndikatör diyagramlarının bilgisayar yardımı ile işlenmesi karışım tabakalık derecesinin indike parametrelerine olan etkilerini tespit etmeyi mümkün kılmıştır. Şekil 3b’de iş karışımının çeşitli tabakalık derecelerinde aşağıdaki önemli parametrelerin λ’ya bağlı değişim grafikleri örnek olarak verilmiştir;  Sıkıştırma ve genişleme olaylarının politropik üsleri n1 ve n2  Isı kullanım katsayısı ξ ,  İndike verim ηi  Gazlardan çeperlere olan ısı kaybını karakterize eden  w katsayısı  Maksimum ortalama sıcaklık tmax,  Maksimum basınç arış hızı (dp/dφ)max  Yanma karakteri göstergesi m,  yanma süresi z ,  Ateşleme avansı açısı θ  Gaz disosiyasyonu yüzünden oluşan ısı kaybını göz önüne alan d katsayısı. be (b) Şekil 3 Motor parametrelerinin hava fazlalık katsayısına göre değişimi Şekil 3b’de görüldüğü gibi n1, karışım tabakalık derecesine pratik olarak bağlı değildir, n2 ise λ<1,5 olduğunda, tabakalaşma derinleşmesinden kaynaklanan yanma uzaması nedeniyle biraz küçülmektedir. Karışım tabakalık derecesi yanma süresi z ’ye daha fazla etkimektedir. Yanma süresi z , tabakalık derecesinin derinleşmesine bağlı olarak   1,2 halinde artar,   1,2 halinde ise azalır (yani yanma olayı hızlanır). Yanma karakteri göstergesi m, karışımın çeşitli tabakalık derecelerinde pratik olarak sabit kalır. Buna rağmen, bu koşullarda daha derin tabakalaşmada (tek delikli meme kullanıl-dığında) indike verimi i ’de bir azalma görülür. Bu azalma,   0,9  1,2 aralığında CO ve HC’nin değerlerinin yükselmesi ile birlikte yanmanın aşırı kötüleşmesinden,   1,2 iken üstelik yanmanın yavaşlamasından ( z ‘in artmasından) kaynaklanmaktadır. Bu arada, karışım en uygun tabakalı olduğunda (iki delikli meme kullanıldığında) z ‘in artması ile i yukarıda açıklandığı gibi keskin azalmıyor, aksine   1,55 ’e kadar biraz yükselir. Bu durum, gaz disosiyasyonu nedeniyle ortaya çıkan ısı kaybının azalması ( d katsayısının büyümesi), gereken θ’nın büyümesiyle, yine çevrimden çevrime olan farklılığın azalması ile açıklanabilir. 5. Sonuçlar ve Öneriler 1. Özel olarak hazırlanmış tek silindirli deney tesisatında yapılmış olan karşılaştırmalı deneysel araştırmalar, Enjeksiyonlu karışım oluşturmalı ve alevle tutuşmalı motora kıyasla yakıt püskürmeli ve alevle tutuşmalı motorda yakıt ekonomisinin yaklaşık %5 %7 kadar daha iyi olduğunu ortaya çıkarmıştır. 2. Aynı zamanda otomobil motorları çalışmasının temel işletme rejimlerinde NO yoğunluğunun önemli ölçüde azaldığı görülmüştür. 3. CO yoğunluğu %0,2 - %0,4 sınırını aşmamaktadır, yanmamış HC yoğunluğu ise enjeksiyonlu motordaki oluşum seviyesiyle aynı olmaktadır. 4. Yapılmış deneyler, iş karışımı tabakalık derecesinin indike ve efektif parametrelere, egzoz gazı zehirliğine olan etkilerini, yine İ.İ. Vibe denklemi sabitleri olan m ve z ’in değişim kanuna uygunluklarını çeşitli motor yükü ve dönme hızlarında ortaya çıkarmayı mümkün hale getirmiştir. 5. Yapılmış çalışma sonuçları aşağıdaki önermeye izin vermektedir; Araştırılmış olan karışım oluşturma ve ateşleme yönteminin sıkıştırma oranı  =10-12 olan yüksek yakıt ekonomili ve az zehirli bir benzin motoru tasarımında uygulanması. 6. Çok sayıda deneysel verilerin matematiksel çözümlenmesi esasında, en uygun tabakalı karışımlı ve alevle tutuşmalı bir motorun çeşitli yük ve dönme hızlarında m, z ve  w parametrelerini hesaplamak için ampirik denklemler önerilmektedir. 6. Kaynaklar 1. C.H.Lee, K.H.Lee, An experimental study of the combustion characteristics in SCCI and CAI based on direct-ijection gasoline engine, Experimental Thermal and Fluid Science 31 (2007) 1121–1132. 2. İ.,Çelikten, 1993, Benzinli Motorlarda Fakir Karışımın Yakıt Tüketimi, Egzoz Emisyonları ve Performans Yönünden incelenmesi,Gazitef Dergisi, 4,1-2,115. 3. İ.Can Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fenbilimleri Enstitüsü. 4. Kutlar, O., A., Arslan, H., Çalık, A., T., Benzin (Otto) Motorunda Kısmi Yükte Yakıt Tüketimini Azaltmaya Yönelik Bir Yöntem: Fakir Karışımlı Kademeli Dolgulu Motor, Mühendis Makine, sayı 483, Syf.46-51, Nisan 2000 5.Thring, R. H., Alternative Fuels for Spark-Ignition Engines, SAE , Paper 831685.