Dört silindirli buji ateşlemeli turbo beslemeli motorun ateşleme zamanlamasının eniyilemesi ve etkilerinin teorik incelenmesi

Abstract

İçten yanmalı motorlarda performansın artırılmasına yönelik olarak güç ve tork geliştirme odaklı birçok farklı konseptte çalışma yer almaktadır. Bu çalışmalar arasında, silindir içerisine alınan hava miktarını artırarak motor performansını doğrudan etkileyen turboşarj besleme sistemleri öne çıkmaktadır. Ancak bu sistemlerin etkin ve verimli bir şekilde kullanılabilmesi için uygun parametrelerle eniyilenmesi gerekliliği önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışma, atmosferik bir buji ateşlemeli motorun turbo beslemeli hale dönüştürülmesinin ardından kütlesel yanma kesrinin %50 olduğu konumdaki krank mili açısı ve hava fazlalık katsayısının motor performans parametreleri üzerindeki etkilerini incelemeyi amaçlamaktadır. Simülasyon sonuçlarına dayanarak, motor performansı ve yakıt tüketimleri üzerindeki olumlu ve olumsuz etkiler birlikte değerlendirilerek en uygun çalışma noktasının belirlenmesi hedeflenmiştir. Atmosferik dört silindirli kıvılcım ateşlemeli bir motorun modellemesi tek boyutlu motor simülasyonuna olanak tanıyan bir yazılım ortamında gerçekleştirilmiştir. Model, motor teknik verileri doğrultusunda hedef maksimum tork 153 Nm ve maksimum güç 77 kW noktaları olan 4000 ve 5500 RPM'de korele edilmiş, ardından sisteme bir turboşarj ünitesi (GBC17-250 modeli) entegre edilmiştir. Bu entegrasyon sağlanırken, MFB50 konumunun minimum düzeyde tutularak, silindir içi basıncın maksimum basıncının artırılması amaçlanırken, aynı zamanda vuruntu oluşmaması isteri de gözeltilmiştir. Turbo beslemeli yapı eniyilendikten sonra MFB50 ve hava fazlalık katsayısının motor performansına etkileri incelenmiş ve en uygun çalışma noktasına yönelik eniyileme sonuçları sunulmuştur. Hem korelasyon hem de eniyileme süreçlerinde Wiebe yanma modeli ve Woschni ısı transfer modeli kullanılmıştır. Gaz kelebeği konumu ise 90º (tam açık) olarak sabit tutulmuştur. Çalışma sınır koşulları ISA standart atmosfer modeline ait referans değerler (ortam sıcaklığı ve basınç); 15℃ ve 1 bar esas alınarak belirlenmiştir. Turboşarj ünitesi eklemeden önce MFB50 ve hava fazlalık katsayısı (λ) kontrol parametrelerinde geliştirmeler yapılarak korelasyon aşamasındayken motor gücünde farklı motor dönme hızlarında; örneğin 5500 RPM'de %6,4'e varan iyileştirmelerin yapılabileceği görülmüştür. Turboşarj ünitesi eklendikten sonra ise hem motor performansında hem de yakıt tüketimlerinde geliştirmelerin olabileceği kanısına varılmıştır. Bu kapsamda, MFB50 ve hava fazlalık katsayısı (λ) parametrelerinin farklı çalışma noktalarında incelenerek en uygun çalışma noktası belirlenmesi sağlanmıştır. Söz konusu değerlendirmeler, motorun çalışma sınırları ve limitleri dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu çalışma sonucunda turboşarj uygulamasının motor performansını artırdığı görülmüş olup, bu artışın en uygun λ ve MFB50 değerlerinin seçilmesiyle elde edildiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, turboşarj entegrasyonu ile yakıt tüketiminde azalma yaşanırken eş zamanlı olarak motor performansında artış elde edilebilirliği ve en iyi parametre kombinasyonları ortaya konulmuştur. En iyi kombinasyonlar detayda incelenerek en yüksek güç ve en yüksek moment sağlaması amacıyla, vuruntu durumundan kaçınarak ve aynı zamanda emisyonların azaltılması gözetilerek en iyi nokta seçilmiştir. Turbo beslemeli motorun en iyi çıktıları verdiği CR10, λ 1,16 ve MFB50 7,5 ° konumunda %18,7'e varan oranda güç iyileştirmelerinin olabileceği tespit edilmiştir.