Dört zamanlı otto (rochas) çevrimli motorlarda kısmi yükte yakıt tüketimini azaltmak için yeni bir yöntem (periyot atlatmalı motor)

Abstract

Günümüzde başta binek taşıtlar olmak üzere çok çeşitli alanlarda güç kaynağı olarak yaygın bir kullanım alanı bulan benzin motorlarının çevreye yaydığı kirlilik konusunda gerek yasal sınırlamalar gerekse üretici firmaların araştırmaları sonucu, son 20 yıl içerisinde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir (burada benzin motorunda kirlilik ile anılmak istenen emisyonlar HC, CO ve NOx 'dir). Önümüzdeki beş yıl içinde benzin motorundaki anılan kirletici emisyonlarında, katilazatör teknolojisindeki gelişmeler sayesinde, önemli ölçüde azalmanın sağlanacağı beklenmektedir. İnsan sağlığına doğrudan zararlı olan kirleticilerin yanısıra dünya üzerindeki taşıt sayısındaki artışla beraber tam yanma ürünü olarak egzozdan atılan CO2 de önemli bir sorun oluşturmaktadır. Atmosferdeki CO2 konsantrasyonunun artışı insan sağlığını doğrudan etkilememesine rağmen, uzun vadede sera etkisi yaratarak iklim koşullarında değişimlere neden olacağı için, sınırlanması gereken bir atık gözüyle bakılmaktadır. Taşıtlarda CO2 emisyonlarını azaltmanın başlıca üç yolu vardır. Birincisi taşıtların elektrik ile tahrikidir. İkinci yol ise içten yanmalı motorlarda karbon içermeyen (hidrojen gibi) veya bitkisel kaynaklı olarak elde edilen yakıtların kullanılmasıdır. Üçüncü çözüm yolu ise motorların daha verimli çalışmasına yönelik tasarımların geliştirilmesidir. Önümüzdeki otuz yıl içinde fosil enerji kaynaklarının ekonomik açıdan rakibi olmayacağı öngörülmektedir. Bu durum karşısında, enerjinin verimli kullanımı en önemli hedef olarak ortaya çıkmaktadır. İdeal Otto yakıt - hava çevrimi hesabı ile gerçek motor çevrimi karşılaştırıldığında (dolgu değişim çevrimi dahil ve tam yükte), verimin arttırılması olanağının termodinamik açıdan sınırlı olduğu gözükmektedir. Ancak burada sorun Otto motorunun tam yükteki verimi olmayıp, kısmi yükteki çok düşük verim değerleridir. Hafif taşıtlarda kullanılan günümüz benzin motorlarının maksimum verimi yaklaşık % 35 kadardır. Ancak motorun yükü azaldıkça (moment) bu verim çok büyük bir hızla düşmektedir. Örneğin şehir içinde 50 km/saat gibi bir hızla hareket eden bir taşıtı tahrik eden benzin motorunun verimi, bu koşullarda % 10-15 gibi çok düşük değerlerde kalmaktadır. Bunun en büyük nedeni karışım oranı sabit olarak çalışan benzin motorlarında, düşük yüklerde toplam dolgu girişini azaltmak için gaz kelebeğinin kapanması sonucu meydana gelen kısılma kayıplanndaki artış ve yanma hızı ile maksimum basıncın düşüşüdür. xvi Benzin motorunda düşük yüklerde meydana gelen bu verim kaybını azaltmak için gaz kelebeğinin düşük yüklerde olabildiğince açık kalması, hatta kelebeğin tamamen ortadan kaldırılması gerekmektedir. Günümüzde otomotiv firmaları bu yönde oldukça yoğun çalışmalar yürüterek çeşitli çözümler üretmektedir. Kısmi yüklerde verim arttırmaya yönelik bazı yöntemler şöyle sıralanabilir. - Değişken supap zamanlaması ve açılma miktarı. - Değişken sıkıştırma oram. - Değişken supap zamanlaması ve sıkıştırma oranı. - Fakir karışımlı kademeli dolgulu motor. - Aşın doldurma. - Isıl izolasyon. - Egzoz gazı resirkülasyonu (EGR). - Çap X Strok oranı. - Değişken strok hacimli motor (silindirlerin devredışı bırakılması). - Alternatif değişken strok hacimli motor stratejileri. İTÜ. Makina Fakültesi, Otomotiv Ana Bilim Dalı bünyesinde yürütülen bu tez çalışmasında da alternatif bir yük kontrol sistemi olan ve "periyot atlatmak motor" olarak isimlendirilen deneysel bir sistem kurulmuştur. Tanımlanan strateji tek silindirli bir motora da uygulanabilmektedir. Amaç motorun yükü azaldığında birbirini izleyen çevrimlerin bazılarına yakıt ve hava girişini durdurmak ve aynı gücü elde edebilmek için dolgu girişini (gaz kelebeği açıldığı) arttırarak toplam efektif verimi yükseltmektir. Bu çalışmada silindir içine yakıt hava karışımı girişinin durdurulduğu çevrimlerin sıklığı ile ilgili olarak değişik varyasyonlar denenmiştir. n: Normal dört zamanlı çevrim - Krank milinin iki dönüşünde bir iş çevrimi. s: Periyot atlatılan dört zamanlı çevrim - Krank milinin iki dönüşünde iş çevrimi yok. Periyot atlatma için yakıt püskürtme işlemi durdurulmaktadır. Ayrıca pompalama kayıplarını azaltmak için emme işleminin durdurulması gerekmektedir. Bu ise emme supabına yalan yerleştirilen solenoid kontrollü bir döner kelebek ile sağlanmaktadır. Deney düzeneği, deney motoru, motor freni, sıcaklık, yakıt tüketim ve emisyon ölçüm elemanları ile PC tabanlı kontrol ünitelerinden oluşmaktadır. Deney motoru, direkt püskürtmeli, su soğutmalı bir tek silindirli dört zamanlı Diesel motorundan türetilmiş olup, yakıt emme manifolduna püskürtülmektedir. xvu Emme kanalında yukarıda da değinildiği gibi bir adet solenoid kontrollü kelebek yerleştirilmiştir. Deneysel çalışma prototip karakteri içerdiğinden birçok tasanmsal değişiklik yapılması gerekmiştir. Deneysel sistemin amaca yönelik adaptasyon çalışmaları tamamlandıktan sonra (motor + manyetik fren), ilk önce normal dört zamanlı çalışma koşullarındaki motor işletme karakteristikleri ölçülmüştür. İkinci aşamada periyot atlatma stratejisinin motor karakteristikleri üzerindeki etkileri ölçülmüştür (periyot atlatma stratejisi ile ilgili bilgiler tabloda verilmiştir). Deneyler normal ve periyot atlatmalı strateji karşılaştırması yapabilmek için eşdeğer performans ve çevre şartlarında yürütülmüştür. Elde edilen sonuçlar, solenoid kontrollü kelebeğin kapalı durumunda tam sızdırmazkk sağlanmamakla birlikte, beklentimiz doğrultusunda pompalama kayıplarım azaldığını göstermektedir. Ayrıca sistemin en hassas noktası olarak, püskürtülen yakıtın bir bölümü emme supabı önünde kanal cidarlarına yapışarak buharlaşmamakta ve periyot atlatılan çevrime kaçarak yanmadan dışarı atılmaktadır. Diğer bir önemli nokta ise periyot atlatmalı strateji uygulamasında motor su sıcaklığı işletme karakteristiğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bunun nedeni periyot atlatılan rejimde, silindir içine kaçan havanın motoru soğutmasıdır. Böylece bir sonraki iş çevrimi olumsuz yönde etkilenmektedir (HC emisyonları artmakta ve verim düşmekte). Buna rağmen özellikle çok düşük yük ve hız bölgesinde ve rölantide, normal çalışmaya göre yakıt tüketiminde önemli ölçüde azalma sağlanabilmektedir.

The four-stroke spark ignition engine (sometimes called Otto engine, or gasoline or petrol engine, though other fuels can be used) is a widely applied power source in transportation (land, sea, air and especially in passenger vehicles) and for different power generation units. But with the increasing number of such applications, especially in US and Europe, air pollution due to the exhaust emissions has become of primary significance in environmental impact. During the past twenty years with the pressure of governmental policies and enormous research activities in this area, the emission levels have decreased considerably (The emissions to be mentioned here are NOx, CO and HC). In the next five years a second considerable decrease in emission levels due to the improvement in catalyst technology is expected. The second problem which has become important with the global growth of vehicle number is the CO2 in exhaust emissions. CO2 is not directly dangerous for human health but because of its contribution to the greenhouse effect, the total emission amount as exhaust into the atmosphere will be limited drastically too. There are three ways to reduce CO2 emissions from vehicles. The first alternative is the electric powered car. The second solution is to use alternative fuels that contain non-hydrocarbon molecules such as hydrogen or hydrocarbon containing fuels which are produced from vegetables. And the third one is to design more efficient combustion engines. For the next thirty years it is not expected any energy that woud be replace the fossil energy sources in economical manner. The comparison of ideal otto - fuel - air - cycle and real engine with the addition of low pressure cycle, shows us that the improvement of maximum efficiency of small engines is thermodynamically limited. But the main problem especially with the spark ignition engines is the dramatic decrease of efficiency in part load conditions. A spark ignition engine as a power source for vehicles has an efficiency at wide-open throttle (full load) about (max) 35 percent. The efficiency of the same engine at part load conditions for at 50 km/h vehicle speed will drastically decrease to about 10 percent. The main reason of this decrease in efficiency in part load, is restriction of the cross section area of intake due to the closed throttle valve and by that increasing pumping looses while decreasing the enclosed area of high pressure cycle. XIX Today many automotive manufacturers are condensing their research activities on this problem. The major aim is to eliminate the throttle valve or to get it as wide open as possible. Some practical solutions for part load increase are given below. - Variable valve timing and lift. - Variable compression ratio. - Variable valve timing and compression engine. - Stratified lean burn engine. - Supercharging. - Heat isolation. -EGR. - Bore X Stroke ratio. - Variable stroke (cylinder disablement). - Alternative variable stroke strategies. The examined strategy in this study is a new type of variable stroke engine that is also applicable to the single cylinder engine. The strategy is simple and a short description is given bellow. The aim is in part load condition, in other words low break mean effective conditions, to reduce the stroke volume with skip period of some four cycles. This will result in an average break mean effective pressure remaining constant while working cycle break mean effective pressure is increasing. By this strategy, it is expected to open the throttle wider as the classic four cycle engine and by that to decrease the pumping work while the combustion efficiency increase with the break mean effective pressure of working cycle part. For application of skip period cycle system, we have define some strategies as given below. n: Normal four cycle working - one power stroke in two crank revolution, s: Skip period of four cycle - no power stroke in two crank revolution. For skip period of four cycle, the fuel injection will be stopped. For reducing the pumping loss, in-cylinder flow through intake valve should be eliminated. This will be obtained with the help of a solenoid activated cut off rotary valve, close to the intake valve. The main part of the experimental facility is the research engine. For this purpose, we have developed a single cylinder four stroke Otto cycle research engine that is adjustable to our research applications. It is derived from a mass production multipurpose single cylinder water cooled direct injection Diesel engine. xx It should be pointed out that during the experimental work, many modifications on the research engine are set up. After combining all parts of this experimental system and coupling it to an eddy current engine brake facility, we have started in four stroke mode to analyze the basic performance characteristics of the research engine. The second stage of the research has been the analysis of the influence of skip period on the performance of the engine. The working conditions of the engine with skip period are the same as given for normal four stroke work (engine speed, load and air/fuel ratio). The skip period strategy is given in the table. The research result are given briefly below. In agreement with our expectation the rotary valve (same as the throttle valve) is not capable of eliminating the leakage of the air in the inlet manifold while being in the closing position. Nevertheless, in spite of the leakage of the rotary valve during skip period cycle work, the pumping work decreases in comparison to the open position of inlet manifold in skip period cycle work. The fuel injection system has primary role in skip period cycle work. The main problem is the deposition of the liquid fuel on the wall of inlet manifold. This causes to loose some of the injected fuel while skipping of inlet stroke. This fuel loss without work cycle results in an increase of HC emission and fuel consumption. Another important problem is the sensitivity of the engine on cooling water temperature while skip period cycle work. The reason of this phenomena is the leakage of rotary valve and therefore cooling of the combustion chamber before work cycle. This influences to HC emissions and working performance of the engine. In spite of this characteristic, in very low load - speed and idle conditions, the fuel consumption of the engine was less than normal four cycle strategy.