buji ile ateşlemeli bir motorda miller çevrimi uygulaması, performans

advertisement
BUJİ İLE ATEŞLEMELİ BİR MOTORDA MİLLER ÇEVRİMİ
UYGULAMASI, PERFORMANS VE EMİSYON
KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ
Oğuz Kürşat DEMİRCİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MAKİNE EĞİTİMİ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MART 2013
ANKARA
ii
Oğuz Kürşat DEMİRCİ tarafından hazırlanan “BUJİ İLE ATEŞLEMELİ BİR
MOTORDA MİLLER ÇEVRİMİ UYGULAMASI, PERFORMANS VE EMİSYON
KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ” adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi
olarak uygun olduğunu onaylarım.
Doç. Dr. Can ÇINAR
…….…………………….
Tez Danışmanı, Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı
Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makina Eğitimi Anabilim Dalı’nda
Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
Prof. Dr. Atilla KOCA
…….…………………….
Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Doç. Dr. Can ÇINAR
…….…………………….
Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Doç. Dr. Yakup SEKMEN
…….…………………….
Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Karabük Üniversitesi
Tez Savunma Tarihi: 22/03/2013
Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini
onamıştır.
Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
…….…………………….
iii
TEZ BİLDİRİMİ
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde
edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu
çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf
yapıldığını bildiririm.
Oğuz Kürşat Demirci
iv
BUJİ İLE ATEŞLEMELİ BİR MOTORDA MİLLER ÇEVRİMİ
UYGULAMASI, PERFORMANS VE EMİSYON
KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ
(Yüksek Lisans Tezi)
Oğuz Kürşat DEMİRCİ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Mart 2013
ÖZET
Bu çalışmada, tek silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir motorda emme
supabının geç kapatılması (LIVC) yöntemiyle Miller çevrimi oluşturmak için 5.
dereceden klasik spline metodu kullanılarak emme ve egzoz kamları yeniden
tasarlanmıştır. Supap açılma-kapanma zamanlamasının değişimini sağlayacak
şekilde imalatı yapılan kam mili motora adapte edilmiştir. İki farklı emme
supabı kapanma zamanlaması (Miller A ve Miller B) için, kurşunsuz benzin
(KB) ve MTBE10 (hacimsel olarak %10 metil tersiyer bütil eter (MTBE) + %90
KB karışımı) yakıtları ile deneyler yapılmış ve Otto çevrimi ile mukayese
edilmiştir. Tam gaz kelebek açıklığında, 1700-3200 1/min motor devir
aralığında yapılan deneylerde, motor devrine bağlı olarak, moment, güç, özgül
yakıt tüketimi, termik verim, HC, CO ve NOx emisyonları ile egzoz gaz
sıcaklığının değişimi incelenmiştir. Her iki yakıtla yapılan deneylerde, düşük
motor devirlerinde, Miller çevrimi çalışma şartlarında emme supabının geç
kapanmasına bağlı olarak motorun moment, güç, özgül yakıt tüketimi, termik
verim, HC ve CO emisyonları kötüleşmiştir. Miller çevrimi çalışma şartlarında
kurşunsuz benzin ile özellikle NOx emisyonlarında egzoz gaz sıcaklığındaki
azalmaya bağlı olarak Otto çevrimine göre % 50’ye kadar azalma sağlanmıştır.
Yüksek motor devirlerinde (3200 1/min) Miller çalışma şartlarında motor
performansı ve egzoz emisyonları iyileşmiştir. Kurşunsuz benzin ile yapılan
v
deneylerde, Otto çevrimine göre Miller çevriminde 3200 1/min motor devrinde
moment ve motor gücü % 4,67, termik verim % 10,56 artmış, özgül yakıt
tüketimi % 9,55, HC % 9,83, CO % 7,84, NOx ise% 14,16, azalmıştır. MTBE10
yakıtı ile yapılan çalışmada Otto ve Miller çalışma şartlarında moment, güç ve
termik verim azalırken, MTBE içerisindeki oksijen içeriğine bağlı olarak egzoz
emisyonlarında iyileşme sağlanmıştır.
Bilim Kodu
Anahtar Kelimeler
Sayfa Adedi
Tez Yöneticisi
: 708.3.026
: Miller çevrimi, motor performansı, egzoz emisyonları
: 70
: Doç. Dr. Can ÇINAR
vi
APPLICATION OF MILLER CYCLE IN A SPARK IGNITION ENGINE
AND THE INVESTIGATION OF PERFORMANCE AND EMISSION
CHARACTERISTICS
(M.Sc. Thesis)
Oğuz Kürşat DEMİRCİ
GAZİ UNIVERSITY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
March 2013
ABSTRACT
In this study, intake and exhaust cams of a single-cylinder, four-stroke, sparkignition engine were re-designed by using 5th degree classic spline method to
realize Miller cycle with the method of late intake valve closing (LIVC). The
produced camshaft which provides variable valve opening and closing timing
was adapted to the engine. The experiments were conducted with unleaded
gasoline and MTBE10 (vol. 10% MTBE and 90% unleaded gasoline blends)
fuels for two different intake valve closing timing (Miller A and Miller B) and
the results were compared with Otto cycle. The experiments were conducted at
1700 - 3200 rpm engine speed range at wide open throttle. In the tests, the
variation of engine torque, power, specific fuel consumption, thermal efficiency,
HC, CO and NOx emissions and exhaust gas temperature with engine speed
were investigated. Engine torque, specific fuel consumption, thermal efficiency,
HC and CO emissions deteriorated at Miller cycle conditions due to the late
closing of the intake valve at low engine speeds with unleaded gasoline and
MTBE10 fuels. Compared to Otto cycle, up to 50 % decrease was observed in
NOx emissions due to the lower exhaust gas temperature at Miller cycle
conditions with unleaded gasoline. At high engine speeds (3200 rpm), engine
performance and exhaust emissions were improved at Miller cycle conditions.
The torque and engine power were increased by 4.67 %, thermal efficiency was
vii
increased by 10.56 %, while the specific fuel consumption was decreased by 9.55
%, HC emissions were decreased by 9.83 %, CO emissions were decreased by
7.84 % and NOx emissions were decreased by 14,16 % with respect to Otto cycle
with unleaded gasoline. Engine torque, power and thermal efficiency were
decreased with MTBE10 fuel, both Otto and Miller cycle conditions. However,
exhaust emissions were decreased because of the oxygen content of the MTBE
fuel.
Science Code
Key Words
Page Number
Adviser
: 708.3.026
: Miller cycle, engine performance, exhaust emissions
: 70
: Assoc. Prof. Dr. Can ÇINAR
viii
TEŞEKKÜR
Çalışmalarım boyunca, ilgi ve desteğini hiçbir zaman esirgemeyip, değerli yardım ve
katkılarıyla beni yönlendiren danışman hocam Doç. Dr. Can ÇINAR’a, kıymetli
tecrübelerinden faydalandığım Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv
Mühendisliği Bölümü değerli öğretim üyesi hocalarıma, maddi manevi desteklerini
esirgemeyen değerli hocalarım Prof. Dr. Halit KARABULUT’a, Prof. Dr. M. Sahir
SALMAN’a, Yrd. Doç. Dr. Tolga TOPGÜL’e ve Yrd. Doç. Dr. Melih OKUR’a,
deneysel çalışmalarım için destek veren Arş. Gör. Emre YILMAZ’a, Arş. Gör.
Hamit SOLMAZ’a, Uzm. Murat ALTIN’a ve Öğr. Gör. Ahmet UYUMAZ’a, manevi
destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan Öğr. Gör. Adnan DEMİRCİ’ye,
Doç. Dr. Murat ÇETİN’e, çok değerli arkadaşlarım Enes ÖNDER, Mehmet ALTUN
ve M. Selçuk ONGANLAR’a ve her zaman maddi manevi desteklerini esirgemeyip
yanımda olan aileme teşekkürü bir borç bilirim.
ix
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET .......................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................ vi
TEŞEKKÜR .............................................................................................................. viii
İÇİNDEKİLER ........................................................................................................... ix
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ........................................................................................ xii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ............................................................................................ xiii
RESİMLERİN LİSTESİ ............................................................................................ xv
SİMGELER VE KISALTMALAR........................................................................... xvi
1. GİRİŞ ....................................................................................................................... 1
2. MİLLER ÇEVRİMİ ................................................................................................. 4
2.1. Hava Standart Miller Çevrimi .......................................................................... 6
2.2. Miller Çevrimi Uygulama Yöntemleri ............................................................. 8
2.3. Otto Çevrimine Göre Çalışan Bir Motorun Miller Dönüşümü ...................... 12
2.4. Miller ve Otto Çevrimlerinin Karşılaştırılması .............................................. 14
2.5. Emme ve Egzoz Supaplarının Zamanlaması .................................................. 16
2.5.1. Değişken supap zamanlaması sistemleri.............................................. 18
3. LİTERATÜR ÖZETLERİ ..................................................................................... 22
4. MATERYAL VE METOT .................................................................................... 31
4.1. Deney Motoru ................................................................................................. 31
4.1.1. Değişken kam mekanizmasının tasarımı ve imalatı............................. 33
x
Sayfa
4.2. Deneyde Kullanılan Ölçü Aletleri .................................................................. 39
4.2.1. Dinamometre........................................................................................ 39
4.2.2. Egzoz gaz analizörü ............................................................................. 40
4.2.3. Hassas terazi......................................................................................... 41
4.2.4. Kronometre .......................................................................................... 42
4.3. Deneyde Yapılan Ölçüm ve Hesaplamalar ..................................................... 42
4.3.1. Motor momenti .................................................................................... 43
4.3.2. Efektif motor gücü ............................................................................... 44
4.3.3. Fren özgül yakıt tüketimi ..................................................................... 44
4.3.4. Termik verim ....................................................................................... 45
5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ ........................................ 47
5.1. Motor Momenti............................................................................................... 47
5.2. Motor Gücü..................................................................................................... 49
5.3. Özgül Yakıt Tüketimi ..................................................................................... 50
5.4. Termik Verim ................................................................................................. 52
5.5. Egzoz Gaz Sıcaklığı........................................................................................ 54
5.6. Azot oksit Emisyonları ................................................................................... 55
5.7. Hidrokarbon Emisyonları ............................................................................... 57
5.8. Karbonmonoksit Emisyonları ......................................................................... 59
xi
Sayfa
6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ............................................................................... 61
KAYNAKLAR .......................................................................................................... 64
ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................... 70
xii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge
Sayfa
Çizelge 4.1. Deney motorunun teknik özellikleri .................................................. 32
Çizelge 4.2. Sun MGA 1500 egzoz gaz analiz cihazının teknik özellikleri .......... 40
Çizelge 4.3. Kurşunsuz benzin ve MTBE10’un çeşitli özellikleri ........................ 43
xiii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil
Sayfa
Şekil 2.1. LIVC Miller çevriminin p-V ve T-S diyagramları ...................................... 5
Şekil 2.2. Miller çevrimi ile hava standart Otto çevriminin p-V diyagramlarının
Şekil 2.9. karşılaştırılması ............................................................................................ 7
Şekil 2.3. Miller çevrimi ile hava standart Otto çevriminde zamanların şematik
Şekil 2.9. gösterimi ...................................................................................................... 7
Şekil 2.4. Miller çevriminde emme supabının erken (1-2-3-2) veya geç (1-2-4-2)
Şekil 2.9. kapanması .................................................................................................... 8
Şekil 2.5. LIVC Miller çevrimi ..................................................................................10
Şekil 2.6. Aşırı doldurmalı Miller çevriminde emme supabının erken kapatılması
Şekil 2.9. yöntemi (1-2-3-2-4-5-6-7-1) ......................................................................11
Şekil 2.7. Aşırı doldurmalı Miller çevriminde emme supabının geç kapatılması
Şekil 2.9. yöntemi (1-2-3-2-4-5-6-7-1) ......................................................................12
Şekil 2.8. Standart Otto çevrimi ve Miller çevriminin şematik gösterimi .................13
Şekil 2.9. LIVC Miller çevrimiyle çalışan bir motorda zamanların şematik
Şekil 2.9. gösterimi ....................................................................................................15
Şekil 2.10. Dört zamanlı motorlarda supapların açılma ve kapanma zamanları ........16
Şekil 2.11. Değişken supap zamanlaması sistemlerinin sınıflandırılması .................20
Şekil 4.1. Deney düzeneğinin şematik görünümü ......................................................31
Şekil 4.2. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kam profili .....................................35
Şekil 4.3. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kamın yer değiştirme grafiği ..........36
Şekil 4.4. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kamın hız grafiği.............................36
Şekil 4.5. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kamın ivme grafiği .........................37
Şekil 4.6. Emme supabı kapanma zamanı değişimi ...................................................39
Şekil 5.1. Motor devrine bağlı olarak moment değişimi ............................................48
xiv
Şekil
Sayfa
Şekil 5.2. Motor devrine bağlı olarak motor gücü değişimi ......................................50
Şekil 5.3. Motor devrine bağlı olarak özgül yakıt tüketimi değişimi.........................52
Şekil 5.4. Motor devrine bağlı olarak termik verim değişimi ....................................53
Şekil 5.5. Motor devrine bağlı olarak egzoz gaz sıcaklığı değişimi ..........................55
Şekil 5.6. Motor devrine bağlı olarak NOx emisyonlarının değişimi .........................57
Şekil 5.7. Motor devrine bağlı olarak HC emisyonlarının değişimi ..........................58
Şekil 5.8. Motor devrine bağlı olarak CO emisyonlarının değişimi ..........................60
xv
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim
Sayfa
Resim 4.1. Deney motoru...........................................................................................32
Resim 4.2. Deney motorunun orijinal kam mili .........................................................33
Resim 4.3. a) CNC tel erezyonda üretilen kamlar
Resim 4.3. b) Ayarlanabilen kam mili mekanizması .................................................38
Resim 4.4. Dinamometre............................................................................................40
Resim 4.5. Egzoz gaz analizörü .................................................................................41
Resim 4.6. Hassas terazi ve yakıt ölçme kabı ............................................................41
Resim 4.7. Kronometre ..............................................................................................42
xvi
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte
aşağıda sunulmuştur.
Simgeler
Açıklama
B
Yakıt tüketimi, g/h
be
Özgül yakıt tüketimi, g/kWh
εs
Sıkıştırma oranı
εg
Genişleme oranı
F
Kuvvet, N
l
Kuvvet kolu uzunluğu, m
M
Moment, Nm
N
Motor devri, 1/min
η
Verim
p
Basınç, kPa
Pe
Efektif motor gücü, W
p0
Atmosferik basınç, kPa
Q
Kam açısı, derece
T
Sıcaklık, °C
V
Hacim, cm3
Vc
Silindir süpürme hacmi, cm3
V0
Yanma odası hacmi, cm3
x
Spline fonksiyonunun Q cinsinden başlangıcı
Kısaltmalar
Açıklama
AÖN
Alt Ölü Nokta
CO
Karbonmonoksit
xvii
Kısaltmalar
Açıklama
CO2
Karbondioksit
DC
Doğru Akım
DME
Di-metil Eter
EgA
Egzoz Supabı Açılması
EgK
Egzoz Supabı Kapanması
EGR
Egzoz Gazı Resirkülasyonu
EIVC
Emme Supabının Erken Kapanması
EmA
Emme Supabı Açılması
EmK
Emme Supabı Kapanması
ERVC
Döner Supapla Erken Kapama
HC
Hidrokarbon
HCCI
Homojen Dolgulu Sıkıştırma ile Ateşleme
HRc
Rockwell Sertliği
IMEP
İndike Ortalama Efektif Basınç
KB
Kurşunsuz Benzin
KMA
Krank Mili Açısı
LIVC
Emme Supabının Geç Kapanması
LPG
Sıvılaştırılmış Petrol Gazı
MTBE
Metil Tersiyer Bütil Eter
NOx
Azot oksit
OECD
Ekonomik Kalkınma ve İşbirliği Örgütü
OHC
Üstten Eksantrikli
ppm
Milyonda Partikül Miktarı
SI
Buji ile Ateşlemeli
TPAO
Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı
ÜÖN
Üst Ölü Nokta
VVT
Değişken Supap Zamanlaması
1
1. GİRİŞ
1900’lü yılların başlarından itibaren sanayileşme hareketlerinin hız kazanmasıyla
birlikte hayati bir enerji kaynağı haline gelen ve tüm dünyada birincil enerji kaynakları
arasında ilk sırada yer alan ham petrolün stratejik önemini daha uzun yıllar boyunca
sürdüreceği tahmin edilmektedir [1]. TPAO verilerine göre 2011 yılında dünyada
petrol tüketimi bir önceki yıla göre günde 0,6 milyon varil artış göstermiş ve 88
milyon varil/gün olarak gerçekleşmiştir. Dünyada petrol talebi 2011 yılında bir
önceki yıla oranla Avrupa, Afrika ve Kuzey Amerika dışında kalan diğer bölgelerde
artış göstermiştir ve petrol tüketiminin ilerleyen yıllarda da artarak devam etmesi
beklenmektedir. [2]. Japonya depremi ve Libya’da 2011 yılında yaşanan problemler
sebebiyle artış gösteren petrol fiyatları, Yunanistan başta olmak üzere Avrupa’nın
birçok ülkesinde yaşanan ekonomik problemler ile birlikte, 2010 yılında ortalama
79,48 dolar/varil iken, 2011 yılında yaklaşık % 40 oranında artış göstererek ortalama
111,26 dolar/varil olarak gerçekleşmiştir [2-3]. Dünya petrol rezervi 2011 yılında bir
önceki yıla oranla % 1,9’luk bir artış gerçekleştirmiş ve 1.653 milyar varil olarak
ölçülmüştür. Dünya petrol rezervi ömrü 2011 yılında bir önceki yıla oranla % 0,5
artarak 54,2 yıl olarak ölçülmüş ve dünyadaki petrol rezerv miktarında önemli bir
artış gerçekleştirilememiştir. Türkiye’de ise yurtiçi üretilebilir petrol rezervinin 2011
yılı itibariyle 310,4 milyon varil olduğu ölçülmüş ve yeni petrol keşifleri yapılmadığı
takdirde, yurtiçi toplam ham petrol rezervinin bugünkü üretim seviyesi ile 19,2 yıl
sonra tükeneceği tespit edilmiştir [2].
Mevcut verilerden de anlaşılacağı üzere dünyada ve Türkiye’de petrol kökenli
yakıtların ömrü sınırlıdır. Ayrıca dünya genelinde artan enerji ihtiyacının önemli bir
bölümünün fosil kökenli yakıtlar ile karşılanıyor olması, yanma sonucu açığa çıkan
zehirli gazların büyük bir bölümünün atmosfere salınmasına ve buna bağlı olarak
hava kirliliğine yol açmaktadır [2]. İnsanların sağlıklı bir şekilde yaşayabilmesi için
teneffüs ettikleri havanın zararlı gazlar barındırmaması ve temiz olması gerekir [4].
İçten yanmalı motorlarda yanma sonucu açığa çıkan zararlı gazlar havanın doğal
yapısını bozmakla birlikte bozulan bu havanın solunması akciğer dokularını tahrip
edebilmekte ve öldürücü olabilmektedir [5]. Bu sebeplerle, içten yanmalı motorlarda
2
daha yüksek verim, daha düşük yakıt tüketimi ve bununla birlikte atmosfere salınan
egzoz emisyonlarının da en düşük ve zararsız seviyelerde olması için birçok çalışma
yapılmaktadır [6-9].
Bu çalışmaların başında, alternatif yakıt kullanımı, yanma ve yakıt püskürtme
sisteminde yapılan değişiklikler, malzeme çalışmaları ve motorun supap sistemi
üzerinde yapılan çalışmalar gelmektedir [7-9]. Bu amaçla, buji ile ateşlemeli
motorlarda yapılan uygulamalardan birisi de Miller çevrimidir. Geleneksel buji ile
ateşlemeli motorlarda supapların açılıp kapanma zamanları sabittir ve sıkıştırma
oranı ile genişleme oranı birbirine eşittir. Buji ile ateşlemeli motorlarının sıkıştırma
oranı 8-11 arasında değişmektedir ve sıkıştırma oranının daha da arttırılması
vuruntulu çalışma sebebiyle mümkün olamamaktadır [10]. Motorun termik veriminin
arttırılması amacıyla Miller çevrimi olarak adlandırılan ve ilk defa 1940’lı yıllarda
Ralph Miller tarafından ortaya konulan bu çevrim, buji ile ateşlemeli motorların
modifikasyonu ile genişleme oranının sıkıştırma oranından daha büyük olduğu bir
çevrimdir [11].
Bu çevrim ilk kez gemilerde ve güç üretim istasyonlarında kullanılmış olmakla
birlikte sonraları Mazda, Nissan ve Subaru firmaları tarafından otomobillere
uygulanmıştır. Günümüzde özellikle hibrid taşıtlarda kullanılan içten yanmalı
motorlarda yaygın olarak uygulanmaktadır [12-15]. Miller çevriminde, emme
supabının açık kalma süresi Otto çevrimine göre geciktirilmekte veya erkene
alınmaktadır [16]. Bu şekilde motorun geometrik sıkıştırma oranı değiştirilmeden
gerçek sıkıştırma oranı azalmakta ve genişleme oranı sıkıştırma oranından daha
büyük olmaktadır. Böylelikle motorun vuruntu sınırı arttırılarak daha büyük
genişleme oranı sağlanmakta ve termik verim iyileştirilmektedir [10, 17].
Buji ile ateşlemeli motorlarda Miller çevrimi uygulaması Otto çevrimi esas alınarak
üç şekilde gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemler;
1) Döner supapla erken kapama (ERVC)
2) Emme supabının erken kapatılması (EIVC)
3
3) Emme supabının geç kapatılması (LIVC)’dır [17].
Bu çalışmada, tek silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir motorda emme
supabının geç kapatılması (LIVC) yöntemiyle Miller çevrimi oluşturmak için 5.
dereceden klasik spline metodu kullanılarak emme ve egzoz kamları yeniden
tasarlanmıştır. Supap açılma-kapanma zamanlamasının değişimini sağlayacak şekilde
imalatı yapılan yeni bir kam mili motora adapte edilmiştir. Otto çevrimine göre, iki
farklı emme supabı kapanma zamanlaması (Miller A ve Miller B) için, kurşunsuz
benzin ve MTBE10 yakıtları ile deneyler yapılmıştır. Tam gaz kelebek açıklığında
yapılan deneylerde, 1700-3200 1/min motor devir aralığında moment, güç, yakıt
tüketimi, termik verim, HC, CO ve NOx emisyonları ile egzoz gaz sıcaklığının
değişimi incelenmiştir.
4
2. MİLLER ÇEVRİMİ
Miller çevrimi, dört zamanlı, içten yanmalı buji ile ateşlemeli motorlarda uygulanan
bir yanma sürecidir [11]. İlk olarak 1947 yılında Ralph Miller tarafından ileri sürülen
Miller çevrimi, Otto çevrimine göre emme supabını erken kapatarak sıkıştırma sonu
silindir içi sıcaklığının ve sıkıştırma işinin azaltılmasını hedeflemektedir. Miller,
vuruntu sınırını artırmakla birlikte motor performansının da artacağını ileri
sürmüştür. Azalan emme zamanını telafi etmek için de silindire alınan hava miktarını
aşırı doldurma yoluyla artırmayı önermiştir. Günümüzde hala geliştirme aşamasında
olan Miller çevrimi, yanma sıcaklıklarını düşürerek özellikle NOx emisyonlarının
azalmasını sağlamaktadır [17, 18].
Miller çevrimi ile çalışan motorlar ilk olarak güç üretim istasyonlarında ve gemi
motorlarında kullanılmıştır. Daha sonra Mazda firması tarafından otomobillere
uyarlanmıştır. Subaru firması tarafından hibrid taşıtlarda kullanılan içten yanmalı
motorlar Miller çevrimine göre düzenlenmiştir [11]. Miller çevrimi günümüzde
Mazda tarafından Millenia, Mazda 2 ve Mazda 3 araçlarında ve Nissan Micra
modellerinde kullanılmaktadır. Ayrıca Subaru firmasının konsept olarak ürettiği
Subaru B5-TPH modelinde de Miller çevrimi ile çalışan motor kullanılmıştır [19-23].
Miller çevrimi, Otto çevriminin modernize edilmiş bir versiyonudur [24]. Miller
çevriminde, sıkıştırma işlemi göreceli olarak emme supabını erken (EIVC) ya da geç
kapatarak (LIVC) genişletme işlemine göre kısaltılmaktadır. Miller çevrimi, Otto
çevrimine göre verim artışı sağlamak için daha yüksek bir genişleme oranı ile
çalışmaktadır [17]. Miller çevrimi, azalan sıkıştırma oranı ile birlikte motorun
vuruntu sınırının artmasını sağlamakta, özellikle doğal gazla çalışan motorlar için
cazip hale gelmektedir. Çevrimin diğer bir avantajı ise, düşük silindir içi
sıcaklıklarına bağlı olarak motorun termal yükü azalmaktadır. Düşük silindir içi
sıcaklıklarının getirdiği başka bir avantaj ise NOx oluşumunun azalmasıdır [25].
Ancak Miller çevrimi uygulaması, ortalama efektif basıncın azalmasına sebep
olmaktadır. Bu dezavantaj, aşırı doldurma ile takviye basınç uygulanarak telafi
edilebilmektedir [26].
5
Otto çevrimi ile çalışan buji ile ateşlemeli motorlarda güç kaybının önemli bir kısmı,
sıkıştırma için ihtiyaç duyulan enerji sebebiyle meydana gelmektedir. Bu sebeple
motorda verimliliği artırmak için sıkıştırma zamanında harcanan enerji miktarını en
düşük seviyeye indirmek gereklidir. Şekil 2.1’de görüldüğü gibi, Otto çevrimi ile
mukayese edildiğinde LIVC Miller çevriminde, emme zamanında emme supabı daha
uzun bir süre açık kalmaktadır. LIVC Miller çevriminde sıkıştırma zamanı başında
piston kompresörden ilave hava ile beslenmiş silindirde sıkıştırma yapar. Emme
supabı Otto çevrimine göre daha uzun süre açık kaldığından, sıkıştırma zamanının
başlangıcındaki belirli bir kısımda, sıkıştırma işi kompresör basıncına karşı yapılır.
Bu sebeple azalan sıkıştırma işine bağlı olarak motorda verim artışı sağlanmaktadır
[11].
1-2 İzoentropik sıkıştırma işlemi
4-5 Sabit hacimde ısı kaybı
2-3 Sabit hacimde ısı girişi
5-1 Sabit basınçta ısı kaybı
3-4 İzoentropik genişleme
1-6 Sabit basınçta egzoz
Şekil 2.1. LIVC Miller çevriminin p-V ve T-S diyagramları [10]
EIVC Miller çevriminde ise emme zamanında piston alt ölü noktaya ulaşmadan
emme supabı kapanır ve Otto çevrimine kıyasla emme supabı daha kısa bir süre açık
kalır [17]. Ralph Miller, emme supabının erken kapatılması (EIVC) önerisiyle daha
düşük sıkıştırma sonu sıcaklığı sağlayarak sıkıştırma için harcanan işi azaltmayı
amaçlamıştır [18]. Emme supabının erken kapanması silindir içerisine yeterli
miktarda dolgu alınmasına izin vermeyecektir [27]. Miller, EIVC yöntemiyle
6
silindire alınan dolgu miktarı azalmasını telafi etmek için de aşırı doldurma
yapılmasını önermiştir [28].
2.1. Hava Standart Miller Çevrimi
Miller çevriminde genişleme oranı sıkıştırma oranından büyüktür, yani motorun
efektif genişleme zamanı sıkıştırma zamanından daha uzundur. Miller ve Otto
çevrimlerinin mukayesesi Şekil 2.2 ve Şekil 2.3’te gösterilmiştir. Şekil 2.2’de
görüldüğü gibi çevrim “0” noktasında başlamaktadır. Bu noktadaki basınç p0, hacim
ise V0 olsun. Silindirin süpürme hacmi Otto ve Miller çevrimleri için Vc olsun. Şekil
2.2.a’da görüldüğü gibi Otto çevrimi için emme zamanı 0-1, sıkıştırma zamanı 1-2,
yanma ve genişleme zamanı 2-3-4 ve egzoz zamanı 4-1-0’dır. Çevrimde sıkıştırma
ve genişleme oranları aynıdır [10, 17].
Şekil 2.2.b’de görüldüğü gibi Miller çevrimi birbirinden bağımsız genişleme ve
sıkıştırma oranı sağlar. Çevrimde, emme işlemi 0-1a-1 arasında; buna ek olarak
sıkıştırma öncesi emme işlemi 1-1a arasında gerçekleşir. Sıkıştırma öncesi emme
işlemi Miller çevrimi ile Otto çevrimi arasındaki en temel farktır. Sıkıştırma işlemi
1a-2; yanma ve genişleme işlemi 2-3-4-4a; egzoz işlemi ise 4a-1-1a-0 arasında
gerçekleşir. Miller çevriminin p-V diyagramından görüldüğü üzere genişleme
oranının artmasıyla yüksek motor verimliliği sağlanır [17].
7
a) Otto Çevrimi
b) Miller Çevrimi
Şekil 2.2. Miller çevrimi ile hava standart Otto çevriminin p-V diyagramlarının
karşılaştırılması [17]
(a)Otto Çevrimi
(b) Miller Çevrimi
Şekil 2.3. Miller çevrimi ile hava standart Otto çevriminde zamanların şematik
gösterimi [17]
8
2.2. Miller Çevrimi Uygulama Yöntemleri
Miller çevrimi ilk olarak gemilerde ve güç üretim istasyonlarında kullanılan dizel
motorlarında uygulanmıştır. Günümüzde ise özellikle Mazda ve Nissan firmaları
tarafından buji ile ateşlemeli motorlarda kullanılmaktadır [11, 29].
Pratikte, Miller çevrimini gerçekleştirmek için, üç temel yöntem vardır [30]. Bunlar:
(a) Silindire alınan dolgu miktarını kontrol etmek için emme manifoldu ve emme
supabı arasına döner bir supap bağlanmaktadır. Buna döner supapla erken
kapama adı verilmektedir (ERVC).
(b) Otto çevrimine göre emme supabının daha erken kapatılmasıyla (EIVC)
gerçekleştirilir (Şekil 2.4).
(c) Sıkıştırma zamanının başlangıcında Otto çevrimine göre emme supabı bir süre
daha açık tutulur (LIVC). Bu sebeple, silindir içerisine alınan dolgunun bir kısmı
manifolda geri gönderilir ve motorun gerçek sıkıştırma oranı azalır (Şekil 2.4)
[30].
Şekil 2.4. Miller çevriminde emme supabının erken (1-2-3-2) veya geç (1-2-4-2)
kapanması [31]
9
Miller çevrimi ile çalışan motorlu taşıtlar ilk olarak 1990’lı yılların ikinci yarısında
piyasaya sürülmüştür. Miller çevrimiyle çalışan motorlar başlangıçta emme
supabının erken veya geç kapanması şeklinde uygulanmıştır. Değişken supap
zamanlama sistemlerinin gelişmesiyle birlikte bu sistemlerin birçok çeşidi Miller
çevrimiyle çalışan motorlarda uygulanmıştır [31].
Miller çevriminde emme supabı Otto çevrimine göre erken ya da geç kapatılarak
sıkıştırma periyodu kısaltılır. Emme supabının erken kapatılması sisteminde (EIVC),
emme zamanında silindir içine alınan dolgu piston AÖN’ya varmadan önce, belirli
bir açı değerinde emme supabının kapanmasıyla kontrol edilir (Şekil 2.4’te 2 no’lu
nokta). Bu noktadan sonra emme zamanı devam eder ve piston AÖN’ya doğru
hareketini sürdürürken, silindir basıncı p-V diyagramında 2-3 eğrisinde gösterildiği
gibi p0 basıncının altına düşmektedir. Piston AÖN’ya vardıktan sonra tekrar ÜÖN’ya
doğru harekete başlar ve azalan silindir basıncı 3-2 eğrisinde görüldüğü gibi tekrar
yükselişe geçer. Böylelikle emme supabının erken kapanması ile çevrim 1-2-3-2-5-67-4-1 şeklinde meydana gelir. Sonuç olarak net indike işin 2-5-6-7-4-2 arasında
olduğu görülmektedir [30, 31].
Şekil 2.4’de görüldüğü gibi, sıkıştırma oranı,
εs =
V2
V5
(2.1)
olur. Genişleme oranı, sıkıştırma oranından daha büyüktür ve
εg =
V4 V7
=
V5 V6
(2.2)
şeklinde ifade edilir [31].
Miller çevriminde diğer bir uygulama ise, emme zamanı sonrasında, sıkıştırma
zamanı başlangıcında emme supabının Otto çevrimine göre AÖN’dan belirli bir süre
10
geç kapatılmasıyla elde edilir (LIVC) (Şekil 2.5). Bu durum Şekil 2.4’de sırasıyla 12-4-2-5-6-7-4-1 şeklinde gösterilmektedir. Çevrimde net indike iş, emme supabının
erken kapanması durumu için de geçerli olan 2-5-6-7-4-2 arasındadır. Emme
supabının geç kapanması durumunda dolgu sınırlanmadan emme zamanı boyunca
silindire alınır, ancak bu dolgunun bir kısmı emme supabı kapanmadan manifolda
geri gönderilir. Emme supabının geç kapatılmasının olumsuz etkisi, sıkıştırma
zamanının başlangıcında da supap açık kalacağı için giren havanın artan piston
basıncı neticesinde geri akışa uğraması ve geri akış neticesinde sıcaklığın artmasıdır.
Manifolda bazı anlarda geri giren hava piston gücüne de etki etmektedir [30, 31].
Emme supabının geç kapanması durumundaki sıkıştırma ve genişleme oranları,
εs =
V2
V5
(2.3)
ve
εg =
V4 V7
=
V5 V6
şeklindedir [31].
Şekil 2.5. LIVC Miller çevrimi [17]
(2.4)
11
Her iki Miller çevriminde de emme supabının erken veya geç kapatılması durumunda
maksimum volümetrik verim için emme supabının tam olarak olması gereken
noktada (Şekil 2.4’te 2 no’lu nokta) kapatılması oldukça önemlidir. Ancak farklı
motor hızlarında ve yüklerinde bu nokta farklılık gösterebilmektedir. Bu noktanın
kontrolü ise ancak değişken supap zamanlama sistemleri ile mümkün olabilmektedir
[31].
Miller çevriminde emme supabının AÖN’dan önce yani erken kapanması
durumunda, silindir içerisine kurs hacminin tamamı kadar dolgu alınamamaktadır.
Supabın AÖN’dan sonra yani geç kapanması durumunda ise, silindir içerisine kurs
hacmi kadar dolgu alınabilmekte, ancak bu dolgunun belirli bir kısmı supap
kapanmadan önce emme manifolduna geri gönderilmektedir (Şekil 2.4’de 4-2
süreci). Her iki durumda da sıkıştırma zamanı başlangıcında silindir içerisinde, dolgu
miktarının azalmasına bağlı olarak Otto çevrimine göre güç ve ortalama indike
basınç azalmaktadır. Bu sebeple Miller çevrimiyle çalışan motorlarda genellikle aşırı
doldurma
uygulanmaktadır.
Kullanılan
aşırı
doldurma
sistemleriyle
emme
manifoldunda oluşan maksimum basınç 150-200 kPa seviyelerine çıkabilmektedir.
Şekil 2.6 ve Şekil 2.7’de Miller çevriminde aşırı doldurma uygulamaları
görülmektedir [31].
Şekil 2.6. Aşırı doldurmalı Miller çevriminde emme supabının erken kapatılması
yöntemi (1-2-3-2-4-5-6-7-1) [31].
12
Şekil 2.7. Aşırı doldurmalı Miller çevriminde emme supabının geç kapatılması
yöntemi (1-2-3-2-4-5-6-7-1) [31].
Sıkıştırma oranının azalması iş kaybına neden olur, ancak iş üreten uzun bir
genişleme oranı ise çevrim başına oluşan net indike işin artmasını sağlar. Bununla
birlikte, emme zamanında dolgunun kısıtlanmadan silindire alınmasıyla özellikle
kısmi yük şartlarında oluşan pompalama kayıpları ortadan kaldırılmış olmaktadır.
Çünkü kısmi yük durumunda Otto çevrimiyle çalışan motorların emme manifoldu
basıncı düşüktür ve buna bağlı olarak negatif emme işi yüksektir. Miller çevrimiyle
çalışan bir motorda emme işi azalmaktadır. Mekanik verimleri göz önüne aldığımız
zaman ise Miller çevrimli motorunun mekanik verimi, benzer mekanik iletim
sistemine sahip Otto çevrimli bir motorun mekanik verimiyle yaklaşık olarak aynıdır
[31].
2.3. Otto Çevrimine Göre Çalışan Bir Motorun Miller Dönüşümü
Teorik Otto çevrimine göre çalışan buji ile ateşlemeli bir motorun teorik termik verimi
aşağıdaki eşitlik ile ifade edilmektedir [32].
otto  1 
1
 k 1
(2.5)
13
Burada;
 : Sıkıştırma oranı
k : Adyabatik üstür [32].
Eşitlik 2.5’te görüldüğü gibi teorik çevrim verimini artırmak için sıkıştırma oranını
artırmak gerekir. Fakat bu amaçla artırılan sıkıştırma oranı beraberinde silindir içi
gaz sıcaklığını da artırır. Artan silindir içi sıcaklığıyla birlikte silindire alınan dolgu
buji kıvılcımından önce kendiliğinden tutuşur ve erken ateşleme veya vuruntuya
neden olur. Bu durum motorlarda ciddi hasarlar meydana getirebilir. Bunu önlemek
için ateşleme zamanını geciktirmek gerekir [32]. Ateşleme zamanının geciktirilmesi
ise motor gücünün düşmesine neden olur [33]. Ralph Miller’in bu sorunları çözmek
için ortaya koyduğu Miller çevrimi ile emme supabı kapanma zamanı ileri (LIVC) ya
da geriye doğru (EIVC) kaydırılarak efektif sıkıştırma oranını azaltılmaktadır.
Böylelikle genişleme oranının sıkıştırma oranından büyük olması sağlanır [32]. Şekil
2.8.a’da klasik Otto çevrimi, Şekil 2.8.b’de ise emme supabının geç kapatılmasıyla
oluşturulan Miller çevriminde sıkıştırma oranındaki azalma şematik olarak
gösterilmiştir [34].
(a) Otto Çevrimi
(b) Miller Çevrimi
Şekil 2.8. Standart Otto çevrimi ve Miller çevriminin şematik gösterimi [34]
14
Bir Otto motoru Miller çevrim esasına göre düzenleneceğinde farklı değişkenler
analiz edilmelidir. İlk yaklaşım emme supabının erken ya da geç kapanması
uygulamasının belirlenmesidir. Supap zamanlamasının değişmesi ile azalan dolgu
miktarını arttırmak amacıyla sisteme turbo şarj ünitesi eklenmelidir. Supap
zamanlamasına uygun olarak turbo şarj eşleştirilmelidir. Bu durumda kam milinin ve
kam profillerinin değiştirilmesi gerekir. [30].
Buji ile ateşlemeli motorlarda Miller çevrimine göre düzenleme yapılırken en büyük
engel aşırı doldurmadan kaynaklanan ek maliyetlerdir. Miller çevrimi ile çalışan
motorların yaygın kullanımı için bu sorunun çözülmesi gerekmektedir [30].
Miller çevriminin performans karakteristikleri bize birçok avantaj ve dezavantajları
olduğunu göstermektedir. Miller çevrimi ile termik verim artmakta, başta NOx olmak
üzere egzoz emisyonları azalmakta, ancak erken ya da geç supap kapanmasının
neden olduğu hacimsel verim kaybı olmaktadır. Çevrimde turbo şarj eşleşmesindeki
hatalar ve çok yüksek turbo basıncı neticesinde ve ateşleme öncesinde yüksek
sıcaklıklara ulaşılmakta ve vuruntu hassasiyeti kötüleşmektedir [30].
2.4. Miller ve Otto Çevrimlerinin Karşılaştırılması
Miller çevrimi, Otto ve Atkinson çevrimlerinin bir modifikasyonudur [35]. Teorik ve
deneysel çalışmalardan elde edilen veriler karşılaştırıldığında Miller çevriminin Otto
çevrimine göre bazı üstünlükleri olduğu görülmektedir. İki çevrimde de yanma
zamanı başlangıcında oluşan sıcaklık değerlerinin, kendiliğinden tutuşma ve vuruntu
gibi problemlere neden olmayacak kadar düşük olması önemli bir etkendir. Miller
çevriminde Otto çevrimine göre gerçek sıkıştırma oranının daha düşük olması
nedeniyle ortaya çıkan soğumanın sonucu olarak düşük egzoz sıcaklığı görülür.
Düşük egzoz sıcaklığı genişleme zamanında Otto çevrimine göre daha az enerjinin
kayıp olduğunu göstermektedir. Miller çevriminde termik verim ve net iş gibi
parametrelerin yüksek olması, bu çevrimin Otto çevrimine göre daha üstün olduğunu
açıkça göstermektedir. Miller çevriminin bu üstünlüklerine rağmen supap siteminin
karmaşık oluşu ve sisteme aşırı doldurma ünitesi eklenmesine bağlı olarak yükselen
15
maliyetler önemli dezavantajlarını oluşturmaktadır [31]. Şekil 2.9’da Miller çevrimi
piston - silindir düzeneği üzerinde şematik olarak gösterilmiştir [36].
Şekil 2.9. LIVC Miller çevrimiyle çalışan bir motorda zamanların şematik gösterimi
[36]
16
2.5. Emme ve Egzoz Supaplarının Zamanlaması
Şekil 2.10’da basınç-hacim diyagramı üzerinde dört zamanlı bir motorda dolgu
değişimi ve supapların açılma ve kapanma zamanları gösterilmektedir. Diyagramda
emme supabı ÜÖN’dan 10°-15° KMA kadar önce, 5 noktasında açılmaktadır.
Açılma esnasında emme supabı önündeki basınç silindir içi basıncından (pr) büyük
olduğu için emme esnasında silindir içinde vakum oluşur ve dolgu silindire girmeye
başlar [37, 38].
Şekil 2.10. Dört zamanlı motorlarda supapların açılma ve kapanma zamanları [37]
Piston emme zamanında ÜÖN’dan AÖN’ya giderken silindir içi basınçta azalma
gerçekleşir ve bu basınç emme zamanı boyunca büyük bir kısımda referans
basıncının (p0) altında kalır. Böylelikle Δpe basınç farkı oluşur ve bu basınç farkı
17
sayesinde karışımın silindire akışı sağlanır. Pistonun AÖN’dan ÜÖN’ya hareketiyle
sıkıştırma zamanı başlar ve sıkıştırma oranı arttıkça silindir basıncı da yükselir.
Ancak içeriye giren karışımın kinetik enerjisi silindir içerisinde oluşan basıncı
artırmaya devam ettiği sürece emme supabının açık tutulması gerekir. Bu nedenle
emme supabının kapanması AÖN’dan belli bir zaman sonra gerçekleşir (LIVC).
Silindir içine alınan karışımın akış hızındaki ve dolayısıyla motor devrindeki artışa
bağlı olarak emme supabının kapanma açısı da devir arttıkça arttırılmalıdır. Bu açı
motor devrine göre AÖN’dan sonra 50° - 70° KMA arasında değişmektedir [37, 38].
Supapların optimum açılma ve kapanma zamanlaması motor devrine ve yüküne
bağlıdır. Bu nedenle, supapların motorun farklı devirlerinde farklı zamanlarda açılıpkapanması gerekir. Bu da supapların açılma ve kapanma zamanlarını kumanda eden
kam milinin, krank miline göre göreceli olarak ileriye veya geriye doğru belirli bir
açı ile döndürülmesiyle sağlanır. Böylelikle tüm motor devirlerinde en iyi supap
zamanlaması elde edilebilir. Örneğin, motor devrine göre değişen emme supabı
zamanlaması motorda oluşan moment karakteristiğine etki eden en önemli
parametrelerden biridir. [37, 39].
Emme zamanında silindire giren taze dolgunun AÖN’daki basıncına emme basıncı
(pe) denir. Bu basınç değeri, motorun devrine bağlı olarak piston hızına ve emme
sistemindeki akış kayıplarına bağlıdır. Motorun devrindeki artışlar basınç kayıplarını
da artırmaktadır. Silindire içine giren dolgu miktarının olabildiğince çok olması için
supaplarda basınç kayıplarının minimum seviyede olması gereklidir. Supap
üzerindeki basınç kayıplarını en aza indirmek amacıyla motordaki devir sayısının
küçük ve supap çapının ise büyük tutulması gerekmektedir [37].
Emme ve egzoz supapların açık kalma alanlarının büyütülmesi amacıyla
uygulanacak yöntemlerden birisi de motora silindir başına bir emme ve bir egzoz
supabı daha eklemektir. Böylelikle her silindirde 2 emme ve 2 egzoz supabı mevcut
olur. Özellikle yüksek hızlı motorlarda (5500-6500 1/min ve üzeri) bu yöntemin
uygulanması daha yaygındır. Çift supap kullanıldığında elde edilen kesit açık kalma
alanı tek supapla elde edilene göre daha az kalkma yüksekliği ile elde edilir [37].
18
Dört zamanlı motorlarda gazların akışına göre egzoz olayı da üç safhada incelenebilir
[37, 38].
(a) Genişleme safhası: Egzoz supabının açılmasıyla başlayıp pistonun AÖN’ya
inmesiyle biten zaman dilimidir. Egzoz supabı genellikle AÖN’dan 40°- 60°
KMA önce açılır. Silindir ve egzoz sistemindeki basınç farkından dolayı piston
AÖN’ya inmeden egzoz supabı açılır ve silindir içindeki yanmış gazlar
boşalmaya başlar. Egzoz supabı açıldığında silindir içindeki gazların basıncı
300–500 kPa arasında değişir. Silindir içindeki gazların yaklaşık olarak % 60 70'i bu safhada silindir dışarı çıkar.
(b) Süpürme safhası: Pistonun egzoz zamanında AÖN’dan ÜÖN’ya doğru hareketi
ile silindir içindeki yanmış gazları süpürme safhasıdır. Bu safhada silindir dışına
atılan gazların ortalama hızı 200 - 250 m/s'dir.
(c) Bindirme safhası: Piston ÜÖN’da iken emme ve egzoz supaplarının her ikisinin
de belirli bir süre birlikte açık oldukları safhadır. Bu safhanın bir diğer adı da
supap bindirmesidir. Yanma sonucu oluşan gazlar, silindir içine alınan taze hava
veya yakıt/hava karışımının etkisiyle silindirden dışarı atılır. Egzoz supabı
kapanma açısı ÜÖN’dan 15° - 20° KMA sonra gerçekleşir [37, 38].
Supap bindirmesinin uzaması halinde emme manifoldu basıncı düşük olduğundan,
egzoz gazları emme manifolduna geri kaçma eğilimi gösterir. Ayrıca egzoz supabı
kapandığında silindir içinde kalan egzoz gazları emme ile alınan karışıma seyreltici
etki yaparak yanma veriminde düşüşe neden olur [39].
2.5.1. Değişken supap zamanlaması sistemleri
İçten yanmalı motorlarda performansın artırılması ve zararlı egzoz gazlarının
azaltılması için yapılan çalışmalardan birisi de değişken supap zamanlaması
sistemleridir. İçten yanmalı motorlarda supap zamanlamasında yapılan bu
19
değişkenlik neticesinde motordan hem daha yüksek çıkış gücü alınmakta hem de
daha geniş bir devir aralığında daha yüksek moment elde edilmektedir [40].
Değişken supap zamanlaması sistemleri ile sürekli farklılık gösteren yük ve devir
koşullarına göre emme supabının veya hem emme hem de egzoz supabının açılma ve
kapanma zamanlarına ve/veya kalkma miktarına müdahale edilebilmektedir.
Motorun farklı yük ve devirlerde en iyi performans ve çalışma koşulunu sağlayacak
şekilde gerekli duyduğu dolgu miktarı supap zamanlaması kontrol edilerek
ayarlanabilmektedir. Değişken supap zamanlama sistemleri yanmadaki iyileşmeye
bağlı olarak, motor gücü ve momentte iyileşme, özgül yakıt tüketimi ve egzoz
emisyonlarında azalma sağlamaktadır [41, 42].
İçten yanmalı motorlardaki standart supap zamanlaması, belirli bir motor devrinde ve
belirli bir yükte en iyi verim alınacak şekilde tasarlanır. Fakat sabit bir değer için
ayarlanan standart supap zamanlamasında düşük devir ve piston hızlarında geniş gaz
geçiş kesitinden dolayı silindir içerisinde yeterli türbülans oluşmaz. Ayrıca düşük
devirlerde supap açık kalma süresinin uzun olması nedeniyle emme zamanında
silindirlere alınan dolgunun bir kısmı sıkıştırma zamanı başlangıcında emme supabı
açık kaldığından silindirin dışına pompalanır ve böylelikle silindirlere yeterli dolgu
miktarı alınamaz. Düşük devirlerde supap zamanlaması daha yüksek moment ve
daha iyi rölanti kararlılığı sağlayacak şekilde ayarlanırsa, bu kez de yüksek devirde
oluşan yüksek piston hızı nedeniyle kinetik enerjisi artan dolgunun emme zamanının
sonuna doğru emme supabının erken kapatılmasından ötürü silindire girişi
engellenecekti. İçten yanmalı motorlarda bütün devir ve yük aralıkları için emme ve
egzoz supaplarının zamanlama ve kalkma miktarının kontrolü, silindire alınan
dolgunun giriş ve çıkışının kontrol edilmesi ve bununla birlikte sızdırmazlığı da
sağlayacak şekilde optimize edilmesi değişken supap mekanizması sistemleriyle
mümkün olmaktadır. Değişken supap mekanizması başta volumetrik verimde artış
sağlamakla birlikte, motor momentini, çıkış gücünü, egzoz emisyonlarını ve yakıt
ekonomisini de iyileştirmektedir. Bu sistemler motorun kullanılabilir devir aralığını
da arttırmaktadır [37, 43, 44].
20
Değişken supap zamanlaması sistemleri aşağıdaki gibi sınıflandırılmıştır [45].
1. Düşük ve yüksek motor hızları için iki kademeli emme supabı açılma-kapanma
zamanlamasına sahip sistemler (kalkma miktarı ve açılma profili sabit) (Şekil
2.11.a).
2. Motorun bütün devir ve yük aralıkları için sürekli değişken emme açılmakapanma zamanlamasına sahip sistemler (kalkma miktarı ve açılma profili sabit)
(Şekil 2.11.b).
3. Motorun bütün devir ve yük aralıkları için açılma profili ve açılma-kapanma
zamanları sürekli değişken sistemler (kalkma miktarı sabit) (Şekil 2.11.c).
4. Motorun bütün devir ve yük aralıkları için kalkma miktarı, açılma profili ve
açılma-kapanma zamanları sürekli değişken sistemler (Şekil 2.11.d) [45].
Şekil 2.11. Değişken supap zamanlaması sistemlerinin sınıflandırılması [45]
Bu sistemlere ek olarak, düşük motor devirlerinde yardımcı sistemler kullanılarak
emme supabının açılması geciktirilip, kapanması erkene alabilir. Böylelikle supap
bindirmesindeki zaman dilimini kısaltarak motor momenti ve volumetrik verimini
arttırılır. Ayrıca bu sistemler rölanti kararlılığını da iyileştirir. Yardımcı sistemlere
örnek olarak yardımcı emme supapları vb. kullanımı gösterilebilir [45, 46].
21
İçten yanmalı motorlarda motor yükünü gaz kelebeğinden bağımsız olarak kontrol
edebilen ve böylelikle gaz kelebeği etrafında oluşan kısılma kayıplarını ortadan
kaldıran değişken supap zamanlaması mekanizmaları da mevcuttur [46].
22
3. LİTERATÜR ÖZETLERİ
Mikalsen ve arkadaşları [47] tarafından yapılan çalışmada, ev içi kombine ısı ve güç
sistemleri için Miller çevrimiyle çalışan küçük ölçekli bir doğal gaz motorunun
kullanılabilirliği ve avantajları araştırılmıştır. Termodinamik çevrim analizleri ve
hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile silindir içi akış ve ısı transferi analizleri
yapılarak, Otto çevrimi ile mukayese edilmiştir. Miller çevrimine göre çalışan
motorda, azalan çıkış gücüne rağmen yakıt tüketiminde % 5-10 arasında azalma
sağlanabileceği görülmüştür. Motorun sürtünme kayıpları, gürültü, titreşim ve sistem
ömrü üzerinde detaylı araştırma yapılması gerektiği vurgulanmıştır.
Ebrahimi [48] tarafından yapılan çalışmada, sonlu zaman termodinamiği kullanılarak
Miller çevrimi ile çalışan bir motorun performans parametreleri incelenmiştir.
Sıkıştırma oranı, genişleme-sıkıştırma oranı ve özgül ısı oranına bağlı olarak net iş ve
termik verim değişimleri incelenmiştir. Çalışmadan elde edilen neticeler sonucunda
çevrimin çalışma aralığı boyunca artan sıkıştırma ve genişleme oranına bağlı olarak,
özgül sıcaklık, çevrim sıcaklığı ve termik verim artmıştır. Bu çalışmada elde edilen
sonuçlar pratik Miller çevrimli motorların tasarımı ve geliştirilmesi için rehber teşkil
edebilir.
Wang ve arkadaşları [49] tarafından yapılan çalışmada, buji ile ateşlemeli bir
motorda NOx emisyonlarının azaltılması amacıyla, emme supabının geç kapatılması
(LIVC) yöntemi kullanılarak Miller çevrimi uygulaması deneysel ve teorik olarak
incelenmiştir. Termodinamik analizde, Miller çevrimi ile sıkıştırma basıncı ve
sıkıştırma sonunda silindir içi sıcaklıktaki azalmaya bağlı olarak yanma sıcaklığının
ve NOx emisyonlarının azaldığı görülmüştür.
Wang ve arkadaşları [17] tarafından yapılan diğer bir çalışmada, Rover K serisi 16
supaplı çift kam miline sahip buji ile ateşlemeli bir motorda NOx emisyonlarının
azaltılması amacıyla Miller çevrimi uygulaması yapılmıştır. Deneyler, Miller 1 ve
Miller 2 olmak üzere, emme supabının Otto çevrimine göre 15º ve 30º KMA geç
kapatılması şeklinde yapılmıştır. Motorun tam gaz kelebek açıklığında yapılan
23
deneylerde güç, özgül yakıt tüketimi, egzoz gaz sıcaklığı ve NOx emisyonlarının
değişimi incelenmiştir. Otto çevrimi ile mukayese edildiğinde, Miller 1 çalışma
şartlarında motor gücünde % 1 azalmaya karşılık, NOx emisyonları % 8 azalmıştır.
Miller 2 çalışma şartlarında ise motor gücü % 13 azalırken NOx emisyonları % 46
oranında iyileşmiştir.
Kamo ve arkadaşları [50] sıkıştırma ile ateşlemeli aşırı doldurmalı ve seramik
kaplamalı bir motorda Miller çevrimi uygulayarak motor gücü, özgül yakıt tüketimi
ve egzoz emisyonlarındaki değişimi incelemişlerdir. 6,6 litrelik dizel motorda ısı
kayıplarının azaltılması amacıyla yanma odasına seramik kaplama yapılmıştır. Miller
çalışma
şartlarında
azalan
dolgu
miktarını
karşılamak
için
iki
aşamalı
süperşarj/turboşarj ünitesi kullanılmıştır. Seramik kaplamalı motorda Miller çalışma
şartlarında özgül yakıt tüketimi ve NOx emisyonları azalırken, is emisyonları
artmıştır. Aşırı doldurmalı seramik kaplı motorda Miller çalışma şartlarında HC
emisyonları azalmıştır. Sonuç olarak, ticari ve askeri motor uygulamalarında Miller
çevrimi uygulamasıyla artan termik verim, güç çıkışı ve iyileşen yakıt verimliliği,
motorları daha da iyileştirmek amacıyla kullanılabilir
Okamoto ve arkadaşları [51] bir kojenerasyon sisteminde turboşarjlı doğal gaz
motorlarda emme supabının geç kapanması yöntemiyle Miller çevrimi uygulaması
yapmışlardır.
Motor,
324
kW
güçle,
stokiyometrik
hava/yakıt
oranında
çalıştırılmıştır. Motora üç yollu bir katalitik konvertör bağlanmıştır. Motorda LIVC
Miller çevrimi uygulamasıyla, genişleme oranı arttırılarak daha düşük egzoz gaz
sıcaklığı ve termik verimde iyileşme hedeflenmiştir. Ayrıca efektif sıkıştırma
oranındaki azalma ile motorun vuruntu temayülü azalmıştır. LIVC Miller çevrimli
motorda harici EGR uygulaması ile vuruntu sınırı arttırılmış ve egzoz sıcaklığındaki
azalmaya bağlı olarak egzoz hattındaki termal yükler düşürülmüştür. EGR’li motorda
LIVC Miller çevrimi uygulaması ile stokiyometrik hava/yakıt oranında %38 termik
verim elde edilmiştir. Ayrıca, üç yollu katalitik konvertör uygulaması ile de NOx
emisyonları 40 ppm’e (0,2 g/kWh) kadar düşmüştür.
24
Fukuzava ve arkadaşları [32] Miller çevrimli motorların kojenerasyon sistemlerinde
kullanılmasını ticari olarak avantajlı hale getirilmesi için motor termik veriminin %
40’ın üzerinde olması gerektiğini belirtmişlerdir. Bu amaçla bir geliştirme programı
çerçevesinde termik verimi % 37 olan buji ile ateşlemeli ön yanma odasına sahip
fakir karışımla yanan turboşarjlı 6 silindirli Miller çevrimiyle çalışan bir motorun
termik verimini % 42,2’ye yükseltmeyi amaçlamışlardır. Geliştirme programı
çerçevesinde
aradaki
termik
verim
artışının
%3’lük
kısmını
genişleme
oranı/sıkıştırma oranında yapılan iyileştirmelerle teorik çevrim verimini artırarak, %
2’lik kısmını ise sabit hacimli yanmayı iyileştirip, ısı ve pompalama kayıplarını
azaltarak gerçekleştirmeyi amaçlamışlardır. Isı ve pompalama kayıplarını azaltmak
için yeni bir turboşarj sistemi tasarlamışlardır ve bu turboşarj sistemini motora
uygulandığında, motorun termik verimi % 42,2 olarak gerçekleşmiştir. Elde edilen
bu termik verim oranından sonra 2000 yılının Nisan ayında 280 kW gücünde bu
motoru piyasaya ticari olarak sürmüşlerdir.
Tsukida ve arkadaşları [52] tarafından, Yanmar 6NHLM-ST marka 4 zamanlı, 6
silindirli, 300 kW gücündeki bir motorun kojenerasyon sistemlerinde kullanılmak
üzere doğalgazla çalışabilecek şekilde Miller dönüşümü yapılmıştır. Kullanılan bu
gaz motoru hava/yakıt oranının 1 olduğu ve egzoz gazlarının üç yollu katalizörle
arıtılacak şekilde oluşturulduğu şartlar altında çalıştırılmıştır. Miller çevrimi
uygulaması sayesinde düşük NOx çıkışının yanı sıra yüksek verim elde edilmiştir.
Geleneksel kojenerasyon sistemlerinin veriminin % 80’in altında olduğu belirtilmiş
ve yapılan deneysel çalışmalar neticesinde Miller çevrimli motor kojenerasyon
sistemine adapta edildiğinde, sistemin elektriksel verimliliğinin % 34,2, ısı geri
kazanım verimliliğinin % 49,3 ve genel verimliliğinin ise % 83,5 olarak gerçekleştiği
görülmüştür.
Gea ve arkadaşları [53] bir hava-standart Miller çevriminde ısı transferi ve sürtünme
sonucu oluşan ısı kayıplarını sonlu zaman termodinamiği kullanarak analiz
etmişlerdir. Çalışmada güç çıkışı ile sıkıştırma oranı, termik verim ile sıkıştırma
oranı ve güç çıkışı ve çevrim verimliliği arasındaki ilişki nümerik işlemler
kullanılarak elde edilmiştir. Bununla birlikte ısı transferi ve sürtünme kayıplarının
25
çevrim verimi üzerindeki etkileri de detaylı olarak nümerik işlemlerle analiz
edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, pratik Miller çevrimli motorların
performans analizi ve geliştirilmesi açısından bir rehber teşkil etmektedir.
Al-Sarkhi ve arkadaşları [10] sonlu zaman termodinamiği kullanılarak hava-standart
Miller çevriminde termik verim, sıkıştırma oranı ve genişleme oranı arasındaki
ilişkiyi koymuşlardır. Çalışma maddesinin özgül ısısının tersinmez çevrim verimi
üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu ve bazı parametrelerde meydana gelen küçük
bir artışın çevrimin termik verimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu
belirtilmiştir. Bu araştırmanın sonuçları pratik Miller çevrimli motorların tasarımı ve
geliştirilmesi için önem arz etmektedir.
Al-Sarkhi ve arkadaşları [54] tarafından yapılan çalışmada, bir ideal hava-standart Miller
çevriminin termodinamik analizleri yapılmıştır. Çalışmada maksimum güç yoğunluğu
noktasında çevrim performansı ve net işe etki eden parametreler incelenmiştir. Miller
çevriminde maksimum güç ve maksimum güç yoğunluğu aynı noktada iken, Atkinson ve
Joule-Brayton çevrimlerinde maksimum güç ve maksimum güç yoğunluğu noktalarının
farklı olduğu belirtilmiştir. Maksimum güç yoğunluğu noktasında, Atkinson ve JouleBrayton çevrimlerinin termik verim, toplam çevrim hacmi ve basınç oranlarının Miller
çevriminden daha büyük olduğu ortaya konulmuştur.
Hamarashid [30] tarafından yapılan çalışmada, 6 silindirli, buji ile ateşlemeli ve aşırı
doldurmalı bir doğalgaz motorunda GT-Power kullanarak tek boyutlu bilgisayar
simülasyonu ve verim artışı sağlamak için Miller çevrimi uygulaması yapılmıştır.
Lund Üniversitesi’nde gerçekleştirilen çalışmada, 9,4 litrelik, 6 silindirli, aşırı
doldurmalı ve buji ile ateşlemeli bir doğal gaz motoru kullanılmıştır. Motor üzerinde
tek nokta yakıt enjeksiyon sistemi yerine çok nokta yakıt enjeksiyon sistemi adapte
edilmiştir. Deneyler stokiyometrik hava/yakıt oranında yapılmıştır. Standart, 2 farklı
EIVC ve 3 farklı LIVC supap zamanlamasında yapılan deneylerde özgül yakıt
tüketimi, ortalama efektif basınç, moment, volümetrik verim, termik verim, indike
verim ve mekanik verim değişimleri incelenmiştir. Miller çevrimi ile yapılan
26
deneyler neticesinde LIVC +40 supap zamanlamasının maksimum tork ve en düşük
özgül yakıt tüketimi değerine ulaştığı görülmüştür.
Matsushita ve arkadaşları [55] tarafından yapılan bu çalışmada, 6 silindirli turboşarjlı
bir motor kojenerasyon sistemine adapte edilmek üzere, kendi sınıfında yüksek
çevrim verimliliği sağlayan ve fakir yanmayla çalışan Miller çevrimli bir motora
dönüştürülmüştür. Bu dönüşümün sonucu olarak motor termik verimi % 42’nin
üzerine
ulaşmıştır.
Bu
durum
klasik
fakir
yanmayla
çalışan
motorlarla
karşılaştırıldığında % 5’lik bir artış demektir. Miller çevrimine dönüştürülen motorla
birleşen kojenerasyon sistemi yüksek enerji üretim verimliği özelliğine sahip
olmuştur.
Wu ve arkadaşları [16] bu çalışmada, Otto çevrimli motorların önemli
alternatiflerinden biri olan Miller çevrimi ile ilişkili olarak, emme supabının erken ya
da geç kapanması yöntemiyle artan verim oranını ve net iş çıkışını belirlemek için
inceleme yapmışlardır. Miller çevrimiyle çalışması için dönüşümü yapılmış bir Otto
motorunun CyclePad bilgisayar programı kullanılarak süperşarjlı ve süperşarjsız
olarak analizleri yapılmıştır. Yapılan çalışmanın neticesinde motorun vuruntu
sınırında ve net iş çıkışında artış sağlanmış, ayrıca egzoz emisyonlarında iyileşmeler
görülmüştür.
Yapılan
çalışmada
Miller
çevrimli
motorların
en
büyük
dezavantajlarından birinin süperşarjdan doğan ek maliyetler olduğu tespit edilmiştir.
Lin ve Hou [56] bu çalışmada, hava-standart Miller çevrimiyle çalışan bir motorda
ısı kayıpları, sürtünme ve çalışma maddesinin farklı özgül ısılarının maksimum
çevrim sıcaklığı kısıtlaması altında motor performansına etkileri incelenmiştir. Miller
çevriminde sıkıştırma oranına bağlı olarak güç çıkışı ve termik verim arasındaki
ilişki gösterilmiştir. Maksimum güç çıkışının artan çevrim sıcaklığıyla artacağı ve
dolgunun özgül ısısının motor performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu
belirtilmiştir. Dolgunun artan özgül ısısıyla verimlilik azalırken çevrimin çalışma
aralığı ve güç çıkışı artar. Sürtünme kaybı performans üzerinde olumsuz bir etkiye
sahiptir. Bu nedenle, çıkış gücü ve çevrimin verimliliği artan sürtünme kayıplarıyla
azalmaktadır. Çalışmada, Miller çevrimi ile yapılan analizlerin yanı sıra hava
27
standart Miller ve Otto çevrimlerinin performanslarının karşılaştırılması da
yapılmıştır. Yapılan karşılaştırma neticesinde Miller çevriminin Otto çevriminden
daha yüksek verimliliğe ve güç çıkışına sahip olduğu görülmüştür. Miller çevrimli
motorun performansı hesaplanırken silindire alınan çeşitli özgül ısılara sahip
dolgudaki sürtünme sonucu oluşan ısı kayıpları önemli bir etkiye sahiptir.
Ebrahimi [57] tarafından yapılan çalışmada, hava standart Miller çevriminin
performansı sonlu zaman termodinamiği kullanılarak analiz edilmiştir. Yapılan
çalışmada sıkıştırma ve hava/yakıt oranının belli bir değeri aşması halinde güç
çıkışının başlangıçta arttığı ve bir maksimumdan sonra azalmaya başladığı
görülmüştür. Yapılan çalışma neticesinde pistonun kurs uzunluğunun arttırılmasına
karşılık, sıkıştırma oranının belirli bir değerden az olması halinde, güç çıkışında
azalma görülmektedir. Eğer sıkıştırma oranı belirli bir sınırdaysa, kurs uzunluğunun
artışıyla güç çıkışı başlangıçta artmakta ve bir maksimumdan sonra azalmaktadır.
Al-Sarkhi ve arkadaşları [24] bu çalışmada, Miller çevriminin performansını farklı
özgül ısı modelleri (sabit, lineer ve dördüncü dereceden polinomial) çerçevesinde
değerlendirmişlerdir. Sonlu zaman termodinamiği kullanılarak hava-standart Miller
çevriminde farklı sıkıştırma ve genişleme oranları kullanılarak güç çıkışı ve termik
verim arasındaki ilişki incelenmiştir. Silindir içerisine alınan dolguda sıcaklığa bağlı
olarak değişen özgül ısının tersinmez çevrim performansı üzerindeki etkileri
önemlidir. Özgül ısı modelinin doğru seçilmesinin, çevrim performansının doğru bir
şekilde tahmini için gerekli olduğu tespit edilmiştir.
Ebrahimi [58] tarafından yapılan çalışmada, silindir içerisine alınan dolgunun
değişken özgül ısısının ve motor devrinin hava standart Miller çevrim performansı
üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonlu zaman termodinamiği kullanılarak sıkıştırma
oranıyla güç çıkışı ve termik verim ile güç çıkışı eğrileri elde edilmiştir. Çevrim
modelinde akışkanın özgül ısısı ve sıcaklığı arasındaki lineer olmayan ilişki ve ısı
kayıplarının motor devrine göre değişimi hesaplanmıştır. Bu çalışma, sıkıştırma
oranı, güç çıkışı ve motor hızı değişimleri ile değişen performans değerlendirmeleri
28
göz önüne alındığında pratik Miller motorların geliştirilmesi için iyi bir rehberlik
sağlamak açısından önemlidir [58].
Yeom ve arkadaşları [59] tarafından yapılan çalışmada, üstten çift kam miline sahip
4 silindirli, buji ile ateşlemeli bir motor modifiye edilerek homojen dolgulu
sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) bir motora dönüştürülmüştür. Ayrıca motorun
silindir kapağına direkt olarak di-metil eter (DME) enjeksiyonu yapabilen bir sistem
ilave edilmiştir. Yakıt olarak sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) ve benzin kullanılarak
yapılan deneylerde yanma karakteristikleri ve egzoz emisyonları, değişken supap
zamanlaması (VVT) kullanılarak incelenmiştir. LPG düşük karbonlu ve yüksek
oktanlı bir yakıttır. Bu iki özellik düşük karbondioksit (CO2) emisyonuna neden
olmakla birlikte, HCCI bir motorda LPG’nin benzine göre daha geç tutuşmasına
neden olmaktadır. Farklı emme supabı zamanlamalarında, yakıt enjeksiyon
miktarının, egzoz emisyonları ve yanma özellikleri üzerine etkilerini belirlemek için
testler yapılmıştır. LPG’li HCCI motorun avantaj ve dezavantajlarını incelemek için
bir LPG’li HCCI motor ile benzinli HCCI motorun deneysel sonuçları
karşılaştırılmıştır. LPG ana yakıt olarak sıvı fazda emme manifolduna enjekte
edilmiş, aynı zamanda küçük miktarda DME emme zamanında bir ateşleme
destekleyicisi olarak direkt silindir içerisine enjekte edilmiştir. Yanma basıncı, ısı
yayılma hızı ve indike ortalama efektif basınç (IMEP) yanma performansını
karakterize etmek üzere araştırılmıştır. Maksimum IMEP’i sağlamak için emme
supabı açılma zamanı geciktirildiğinde, silindire alınan karışım zenginleşmiştir.
Hidrokarbon (HC) ve karbonmonoksit (CO) emisyonları emme supabı açılma zamanı
geciktirilince artış göstermiş, fakat karbondioksit (CO2) emisyonu azalmıştır. LPG’li
HCCI motorunun CO2 emisyonu, benzinli HCCI motoruna göre daha düşüktür. Fakat
HC ve CO emisyonları LPG’li HCCI motorda, benzinli HCCI motoruna göre daha
yüksektir.
Verhelst ve arkadaşları [60] tarafından yapılan çalışmada hidrojen yakıtlı içten
yanmalı motorların ulaşımı daha ekolojik hale getirmek için muhtemel bir çözüm
olduğu vurgulanmıştır. Hidrojen üretim ve depolamada karşılaşılan güçlükler dışında
hidrojenli motorların çalışmasında üç kritik nokta vardır. Bu noktalar, yüksek güç
29
çıkışına ulaşmak, yüksek devirlerde NOx emisyonlarının azaltılması ve egzozdaki
geri tepmeyi önlemektir. Bu çalışmada sürekli değişen emme supap zamanlamasının
performans ve emisyon üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Ölçümler
hem benzin, hem de hidrojen yakıtıyla çalışan dört silindirli bir motor üzerinde
yapılmıştır. Hidrojen yakıtı kullanılarak yapılan ölçümler ile benzin yakıtı ile yapılan
ölçümler karşılaştırılmıştır. Hidrojen yakıtı için tam gaz kelebek açıklığında kam
fazının etkileri incelenmiştir. Yapılan bu çalışma neticesinde motordan daha yüksek
verim ve daha düşük emisyon değerleri alabilmek için değişken supap zamanlaması
tarafından uygulanan kontrol mekanizmasının optimize edilebileceği gösterilmiştir.
Atashkari ve arkadaşları [61], buji ateşlemeli, dört zamanlı motorlarda kısmi yük
çalışma şartlarında verim düşüşünün ana nedeni olarak, emme sisteminde oluşan
akışın istenilen miktarda silindir içine alınamayışı yani akış kısıtlaması olduğunu
ortaya koymuşlardır. Geleneksel motorlarda supap zamanlaması, yüksek motor
devirleri ve tam gaz çalışma şartları için optimize edilerek tasarlanmaktadır. Supap
zamanlamasının değişken hale getirilmesi ile kısmi yük çalışma şartlarında da motor
performansının
iyileştirilebileceği
öne
sürülmüştür.
Bu
sebeple
supap
zamanlamasının değişken hale getirilmesi fikri öne çıkmıştır. Bu amaçla polinomal
sinir ağları ve evrimsel logaritmalar kullanılarak bir grup data işleme metodu
oluşturulmuştur. Bu metotla motor hızı ve emme supabı açılma zamanlamasına bağlı
olarak, moment ve özgül yakıt tüketiminin iyileştirilmesi için deneysel çalışmalar
yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmada Briggs and Stratton-Vanguard marka tek
silindirli motor kullanılmıştır. Çalışmaların neticesinde ise supap zamanlamasının
kontrol edilmesinin moment ve güç eğrilerini iyileştirip, aynı zamanda yakıt
tüketiminin de azalmasını sağladığı görülmüştür.
Demirtaş ve Bayrakçeken [38] tarafından yapılan çalışmada değişken supap
zamanlamalı (VVT) motorlar, eşdeğer özelliklere sahip klasik supap zamanlamalı
motorlarla kıyaslanmıştır. VVT sistemiyle egzoz emisyonlarında azalma ve özgül
yakıt tüketiminde ise iyileşmeler olduğu görülmüştür. Ayrıca değişken supap
zamanlaması sistemleri, yanmayı iyileştirerek motor performansında da artış
sağlamaktadır. Çalışmada VVT sistemlerinin motor performansına nasıl yarar
30
sağladığının üzerinde durulmuş ve çeşitli VVT mekanizmaları incelenmiştir. Yapılan
araştırmaların sonucu olarak, motor düşük devirlerde iken emme supabının avansa,
yüksek devirlerde iken rötara alınmasının motor performansında artış sağladığı
görülmüştür. Motor orta devirlerde olduğu zaman ise sistem klasik supap
zamanlamasında olduğu gibi işlevini sürdürmektedir.
Taşlıyol ve arkadaşları [7] tarafından yapılan çalışmada içten yanmalı motorlarda
kam
milinden
kullanılabilirliği
bağımsız
bir
araştırılmıştır.
şekilde
elektro-mekanik
Elektro-mekanik
supap
supap
sistemlerinin
sistemleri
sonsuz
değişkenlikte ve açıda supap zamanlaması değişimine olanak sağlamaktadır. 4
zamanlı, üstten kam miline sahip KATANA 107F marka motor kullanılarak yapılan
deneysel çalışmada; emme supabı zamanlaması kam mili dönüş açısına bağlı olarak
elektromanyetik bir şekilde değiştirilmiştir. Emme supabı için açılma ve kapanma
avans değerleri 1200 1/min motor devrinde ve 24 V besleme gerilimi için, ayrı ayrı
değiştirilmiştir. Krank
açısına bağlı
olarak bobindeki akımlar
ve supap
yüksekliğindeki değişimler incelenmiştir. Yapılan çalışmalar neticesinde elektromekanik supap sistemlerinin motor performansında artış sağlayıp, özgül yakıt
tüketimini ve egzoz emisyonlarında ise azalma meydana getirdiği belirtilmiştir.
31
4. MATERYAL VE METOT
Deneyler Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü,
İçten Yanmalı Motorlar Laboratuarı’nda yapılmıştır. Deney düzeneğinin genel
görünümü Şekil 4.1’de verilmiştir.
1) Kontak anahtarı, 2) Kuvvet göstergesi, 3) Devir göstergesi, 4) Sıcaklık göstergesi, 5) Güç lambası,
6) Hız ayar düğmesi, 7) Acil stop şalteri, 8) Kaplin, 9) Egzoz borusu, 10) Yakıt ölçme kabı, 11)
Hassas terazi, 12) Egzoz gazı sıcaklığı ölçüm termokuplu, 13) Motor yağı sıcaklık ölçüm termokuplu,
14) Egzoz gaz analiz hortumu, 15) Yakıt hortumu, 16) Data kablosu, 17) Egzoz gaz analizörü, 18)
Bilgisayar
Şekil 4.1. Deney düzeneğinin şematik görünümü
4.1. Deney Motoru
Deneylerde, buji ile ateşlemeli, üstten eksantrikli (OHC), dört zamanlı ve tek
silindirli Lombardini LGA 340 marka motor kullanılmıştır. Deney motoru Resim
4.1’de, motorun teknik özellikleri Çizelge 4.1’de verilmiştir [62]. Kam milinin üstte
32
olması Miller çevriminin gerçekleştirilmesi için gerekli olan değişken supap
mekanizmasının uygulamasını kolaylaştırmaktadır.
Çizelge 4.1. Deney motorunun teknik özellikleri
Markası
Motor tipi
Silindir sayısı
Silindir çapı [mm]
Kurs boyu [mm]
Silindir hacmi [cm3]
Sıkıştırma oranı
Ateşleme
Soğutma sistemi
Maksimum motor gücü [kW]
Maksimum moment [Nm]
Supap kalkma miktarı [mm]
Emme supabı açılması
Emme supabı kapanması
Supap
Zamanlaması* Egzoz supabı açılması
Egzoz supabı kapanması
* Ölçüm ile elde edilen değerlerdir.
Resim 4.1. Deney motoru
Lombardini LGA 340 OHC
Buji ile ateşlemeli, 4 zamanlı
1
82
64
338
8,5:1
Elektronik
Hava soğutmalı
8,1 (3800 1/min motor devrinde)
23,7 (2600 1/min motor devrinde)
7
14º önce ÜÖN
52º sonra AÖN
50º önce AÖN
14º sonra ÜÖN
33
4.1.1. Değişken kam mekanizmasının tasarımı ve imalatı
Çizelge 4.1’de teknik özellikleri verilen tek silindirli, buji ile ateşlemeli motorda
emme supabının geç kapatılması (LIVC) yöntemiyle Miller çevrimi oluşturmak
amacıyla emme ve egzoz supaplarının açılma ve kapanma zamanlarının değişimine
olanak sağlayacak yeni bir kam mili mekanizması tasarlanmış ve motora adapte
edilmiştir. Resim 4.2’de görülen motorun orijinal kam mili üzerinden temel daire
çapı (30 mm), supap kalkma miktarı (7 mm) ve kam açısı (136°) ölçülmüş, bu
değerler kullanılarak 5. dereceden klasik spline metodu ile değişken supap açılmakapanma zamanlaması sağlayacak şekilde emme ve egzoz kamları yeniden
tasarlanmış ve imal edilmiştir.
Resim 4.2. Deney motorunun orijinal kam mili [65]
Günümüzde içten yanmalı motorlarda kam profilinin, istenilen supap açılmakapanma hareketinin karakteristiğine uygun olarak tasarlanması için Fourier serileri,
trapezoidal, sinüs kam eğrileri, spline ve trigonometrik fonksiyonlar kullanılmaktadır
[63, 64]. Bu çalışmada 5. dereceden klasik spline yöntemi ile supabın açık kalma
süresi periyotlara bölünerek düğüm noktaları belirlenmiştir. Supabın açılmaya
başladıktan kapanmasına kadar geçen sürede her bir aralık için aşağıda verilen
eşitlikler kullanılarak kamın yer değiştirme grafiği elde edilmiştir [63]. Elde edilen
eşitliğin türevleri alınarak 2000 1/min dönme devri için sırasıyla hız ve ivme
grafikleri elde edilmiştir. Spline fonksiyonunun genel ifadesi;
34
( )
(
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
)
(4.1)
şeklinde yazılmaktadır.
Burada Q kam açısını, x ve t spline fonksiyonunun Q cinsinden başlangıcını ve
sonunu göstermektedir. Her bir periyodun genel ifadesi;
( )
(
)
(
(
(
)
( )
(
)
(
)
(
)
)
(
)
)
)
(
)
(
)
)
(
)
(
(
)
)
(4.2)
(
(
( )
(
(
)
( )
(
)
(4.3)
(
)
(
)
)
(
(
şeklinde ifade edilmektedir [64].
)
(4.4)
(
)
)
(
)
(4.5)
35
Eşitliklerde bulunan katsayıların belirlenmesiyle kam profilini oluşturacak ifadeler
bulunmuş ve kamın profil elde edilmiştir (Şekil 4.2).
Kam temel daire çapı (mm)
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-30
-20
-10
0
Kam yüksekliği(mm)
10
20
Şekil 4.2. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kam profili
Şekil 4.3’de görülen yer değiştirme grafiğinin kam açısına göre birinci mertebe
türevinin alınmasıyla hız grafiği elde edilmiştir (Şekil 4.4). Maksimum hız değeri
2114 mm/s olarak elde edilmiştir. Şekil 4.5’de görülen ivme grafiği ise yer
değiştirme grafiğinin kam açısına bağlı olarak ikinci mertebe türevinin alınmasıyla
elde edilmiştir. Maksimum ivme değeri 1,293x106 mm/s2 olarak elde edilmiştir.
36
Şekil 4.3. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kamın yer değiştirme grafiği
3000
Hiz (mm/sn)
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
0
20
40
60
80
Kam Açisi (Derece)
100
Şekil 4.4. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kamın hız grafiği
120
140
37
1.5
x 10
6
Ivme (mm/sn2)
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
20
40
60
80
Kam Açisi (Derece)
100
120
140
Şekil 4.5. Klasik spline yöntemiyle elde edilen kamın ivme grafiği
Şekil 4.2’de görülen kam profili AUTOCAD ortamına aktarılmış ve CNC tel erezyon
tezgahında Ç4140 malzemeden imal edilerek 60 HRc değere kadar sertleştirilmiştir
(Resim 4.3.a). İmalatı yapılan kamların yüzey pürüzlülüğü TIME TR-200 marka
portatif pürüzlülük ölçüm cihazı kullanılarak Ra cinsinden ölçülmüş ve kamların
ortalama yüzey pürüzlülük değeri Ra=0,4 m olarak bulunmuştur. Kamların mile
montajı için, mile geçen orta kısmına M20x1 diş açılmıştır. Kamlar istenilen açılmakapanma zamanlamasına ayarlandığında her iki tarafına yerleştirilen kontra
somunlarla sabitlenebilmektedir. Değişken kam mili mekanizması ile kamlar farklı
supap açılma-kapanma zamanlaması değerlerine ayarlanarak kam miline monte
edilebilmektedir (Resim 4.3.b).
38
(a)
(b)
Resim 4.3. a) CNC tel erezyonda üretilen kamlar b) Ayarlanabilen kam mili
Resim 4.3. mekanizması
Şekil 4.6’da görüldüğü gibi, deneylerde ayarlanabilen kam mili mekanizması ile
Miller çevrimi oluşturmak amacıyla emme supabı kapanma zamanlaması 7,5° KMA
aralıklarla Miller A ve Miller B olmak üzere iki kademe rötara alınmıştır.
39
Şekil 4.6. Emme supabı kapanma zamanı değişimi
4.2. Deneyde Kullanılan Ölçü Aletleri
4.2.1. Dinamometre
Deneyler, Cussons P8160 marka tek silindirli motor test düzeneğinde yapılmıştır
(Resim 4.4). Test düzeneğinde bulunan DC elektrikli dinamometre, 4000 1/min’de
maksimum 10 kW güç absorbe edebilmektedir. Motor hızı dişli teker ve manyetik
pick-up sensörü ile ölçülmekte ve kontrol sistemi için geri besleme sağlamaktadır.
Mikroişlemci
kontrollü
tristör
sürücü
devresi
ile
yük
ve
hız
kontrolü
yapılabilmektedir. Hız ayarı dinamometre ön panelinde bulunan bir potansiyometre
ile yapılmaktadır. Motor yükü ise dinamometre üzerinde straingauge yük hücresi ile
ölçülmüştür. Egzoz ve motor yağ sıcaklıkları K tipi termokupllar ile ölçülmüş ve
dinamometre ön panelinde bulunan sıcaklık göstergesinden okunmuştur [65].
40
Resim 4.4. Dinamometre
4.2.2. Egzoz gaz analizörü
Egzoz emisyonlarının ölçümünde Resim 4.5’te görülen ve teknik özellikleri Çizelge
4.2’de verilen Sun MGA 1500 marka egzoz gaz analiz cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz
CO, HC, NOx, O2, CO2 gazlarını ve λ (lambda) değerini ölçmektedir.
Çizelge 4.2. Sun MGA 1500 egzoz gaz analiz cihazının teknik özellikleri
Parametre
CO [%]
HC [ppm]
NOx [ppm]
CO2 [%]
O2 [%]
Lambda
Ölçme aralığı
0 – 15
0 – 9999
0 – 5000
0 – 20
0 – 25
0,6 – 1,2
Hassasiyet
0,001
1
1
0,1
0,01
0,001
41
Resim 4.5. Egzoz gaz analizörü
4.2.3. Hassas terazi
Deneylerde, tüketilen yakıt miktarını ölçmek için 4500 g’a kadar ölçüm yapabilen
0,01 gram hassasiyetine sahip RADWAG PS 4500/C2 marka hassas terazi
kullanılmıştır (Resim 4.6).
Resim 4.6. Hassas terazi ve yakıt ölçme kabı
42
4.2.4. Kronometre
Yakıt tüketiminin belirlenmesinde Robic Sports SC 700 model dijital göstergeli ve
0,01 saniye hassasiyetli kronometre kullanılmıştır (Resim 4.7).
Resim 4.7. Kronometre
4.3. Deneyde Yapılan Ölçüm ve Hesaplamalar
Deneyler, motorun tam gaz kelebek açıklığında, 1700-3200 1/min motor devir
aralığında 300 1/min aralıklarla yapılmıştır. Deneyler süresince motor yağ sıcaklığı
80 ºC civarında tutularak sabit motor çalışma şartları oluşturulmuştur. Yağ
sıcaklığını sabit tutmak için motor harici bir fan vasıtası ile soğutulmuştur.
Deneylerde kurşunsuz benzin (KB) ve metil tersiyer bütil eterin hacimsel olarak %10
oranında kurşunsuz benzine karıştırılmasıyla hazırlanan MTBE10 yakıtları
kullanılmıştır. Kurşunsuz benzin ve MTBE10’un bazı özellikleri Çizelge 4.3’te
verilmiştir [66]. Deneyler, motorun standart supap zamanlaması (Otto) ve iki farklı
emme supabı kapanma zamanlaması (Miller A ve Miller B) için yapılmıştır.
Deneylerde motor devrine bağlı olarak, moment, motor gücü, yakıt tüketimi, termik
verim, HC, CO ve NOx emisyonları ile egzoz gaz sıcaklığının değişimi ölçülmüştür.
43
Çizelge 4.3. Kurşunsuz benzin ve MTBE10’un çeşitli özellikleri [66]
KB
MTBE10
Yoğunluk [15,56 ºC’de g/cm ]
0,7697
0,7638
Buharlaşma basıncı [kPa]
35
41
Araştırma oktan sayısı (RON)
84,7
87,9
Oksijen [% ağırlık]
0
1,77
Buharlaşma ısısı, [kj/kg]
350
349
Alt ısıl değeri [MJ/kg]
44
43,144
Stokiyometrik hava/yakıt oranı
14,6
14,33
3
4.3.1. Motor momenti
Deneylerde her bir devir için motor yükü dinamometre üzerinde straingauge yük
hücresi ile ölçülmüştür. Göstergede okunan kuvvet değeri dinamometre moment kol
uzunluğu (0,25 m) ile çarpılarak o devirdeki motor momenti hesaplanmıştır (Eşitlik
4.6).
M = F .l
(4.6)
Burada;
M : Moment (Nm),
F : Kuvvet (N),
l : Moment kol uzunluğu (0,25 m)’dur.
Örnek olarak;, 1700 1/min’de standart supap zamanlaması için kurşunsuz benzin ile
yapılan deneylerde dinamometre kontrol panelinden okunan kuvvet değeri 77 N’dur.
Bu değeri Eşitlik 4.6’ta yerine yazarak kuvvet kolu ile çarparsak,
M = 77.0,25 =19,25 Nm
olarak hesaplanır.
44
4.3.2. Efektif motor gücü
Motor krank milinden alınan efektif motor gücü,
Pe =
2πnM
60
(4.7)
olarak hesaplanır. Burada;
Pe : Efektif motor gücü (W)
n: Motor devri (1/min)’dir.
Örnek olarak; 1700 1/min’de standart supap zamanlaması için kurşunsuz benzin ile
yapılan deneylerde motor momenti 19,25 Nm olarak hesaplanıştı. Elde edilen değer
Eşitlik 4.7’de yerine yazılırsa,
Pe =
2π.1700.19, 25
= 3426,95 W
60
olarak elde edilir.
4.3.3. Fren özgül yakıt tüketimi
Motorun birim çıkış gücü için tükettiği yakıt miktarına özgül yakıt tüketimi denir.
Motorun özgül yakıt tüketimi için öncelikle bir saatte tükettiği yakıt miktarı
hesaplanır ve bulunan değer motor gücüne oranlanır (Eşitlik 4.8).
be =
B
1000
Pe
Burada;
(4.8)
45
be : Özgül yakıt tüketimi (g/kWh)
B: Yakıt tüketimi (g/h)’dir.
Örnek olarak; 1700 1/min’de standart supap zamanlaması için kurşunsuz benzin ile
yapılan deneylerde 2 dakika süreyle yapılan ölçümde yakıt tüketimi 35,17 g olarak
bulunmuştur. Buradan 1 saatte tüketilen yakıt miktarı 1055,1 g olarak hesaplanmıştır.
Aynı devirde motor gücü de 3426,95 W olarak hesaplanmıştı. Elde edilen değerler
Eşitlik 4.8’de yerine yazılırsa,
be =
1055,1
1000 =307,883 g/kWh
3426,95
olarak hesaplanır.
4.3.4. Termik verim
Motor krank milinden alınan işin motora verilen ısı enerjisine oranına termik verim
denilir. Termik verim,
e 
Pe
Qin
(4.9)
olarak hesaplanır. Burada,
 e : Termik verim (%)


 y .H u dir.
Qin :Motora verilen ısı enerjisi m
Örnek olarak; 1700 1/min’de standart supap zamanlaması için kurşunsuz benzin ile
yapılan deneylerde motorun saatlik yakıt tüketimi 1,0551 kg/h ve motor gücü
3,42695 kW olarak hesaplanmıştı. Yakıtın alt ısıl değeri Hu =44 000 kJ/kg ile birlikte
eşitlik 4.9’da yerine yazılırsa,
46
e 
3,42695
3600  % 26,574
1,0551.44000
olarak elde edilir.
47
5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ
Tam gaz kelebek açıklığında, 1700-3200 1/min motor devir aralığında yapılan
deneylerde, Otto ve iki farklı LIVC Miller çevrimi için, motor devrine bağlı olarak,
moment, güç, özgül yakıt tüketimi, termik verim, HC, CO ve NOx emisyonları ile
egzoz gaz sıcaklığının değişimi incelenmiştir. Deneylerde kurşunsuz benzin ve
MTBE10 olmak üzere iki farklı yakıt kullanılmıştır. Şekillerde noktalar ölçüm
sonucu elde edilen değerleri gösterirken, çizgiler ise quadratik least-square
extrapolasyonu ile elde edilmiştir.
5.1. Motor Momenti
Şekil 5.1’de Otto ve Miller (iki farklı LIVC değeri) çevrimleri için, 1700-3200 1/min
motor devri aralığında moment değişimleri görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi
Otto çevrimi çalışma şartlarında kurşunsuz benzin ile yapılan deneylerde maksimum
motor momenti 2600 1/min’de 21,5 Nm olarak elde edilmiştir. Bu devrin altında ve
üzerindeki devirlerde silindir içerisine alınan dolgu miktarındaki azalmaya bağlı
olarak moment azalmaktadır. Emme supabı kapanma zamanı rötara alınarak (LIVC)
uygulanan Miller çevrimi için yapılan deneylerde elde edilen moment değeri
özellikle düşük motor devirlerinde Otto çevrimi ile elde edilen moment eğrisinin
altında kalmaktadır. 1700 1/min motor devrinde yapılan deneylerde Otto çevrimi için
elde edilen moment 19,25 Nm iken, Miller A çevriminde % 6,75 azalarak 17,95 Nm
olmakta, Miller B çevriminde ise % 18,96 azalarak 15,6 Nm olmaktadır. Artan motor
devrine bağlı olarak Miller A ve Miller B çevrimi ile elde edilen moment değeri
artmakta 3200 1/min motor devrinde Otto çevrimi ile elde edilen moment eğrisinin
üzerine çıkmaktadır. 3200 1/min motor devrinde yapılan deneylerde Otto çevrimi
için elde edilen moment 18,75 Nm iken, Miller A çevriminde % 2,66 artarak 19,25
Nm olmakta, Miller B çevriminde ise % 4,67 artarak 19,625 Nm olmaktadır. Emme
supabı kapanma zamanı silindir içerisine alınan dolgu miktarı ve dolayısıyla motor
performansına etki eden en önemli motor parametrelerinden birisidir. Miller A ve
Miller B çevriminde emme supabı kapanma zamanının rötara alınmasıyla yüksek
motor devirlerinde silindir içerisine alınan karışım miktarı artmaktadır. Bunun sebebi
48
artan motor devrine bağlı olarak silindir içine giren karışımın kinetik hızı artmakta ve
emme supabının standart kapanma değerinden daha uzun süre açık tutulmasıyla bir
miktar daha karışımın silindir içerisine alınmasıdır. Düşük motor devirlerinde ise
silindir içerisine giren karışımın kinetik hızı düşük olacağı için Miller A ve Miller B
çevrimlerinde emme supabının standart değerden daha uzun süre açık bırakılmasıyla
içeriye alınan karışımın bir kısmı açık olan emme supabından piston tarafından geri
atılmaktadır [30, 67].
24
Moment (Nm)
22
20
18
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
16
14
12
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
3200
3500
Şekil 5.1. Motor devrine bağlı olarak moment değişimi
MTBE10 yakıtı kullanılarak yapılan deneylerde Şekil 5.1’de görüldüğü gibi 2600
1/min motor hızında Otto çevrimi için moment 21,25 Nm iken, Miller A ve Miller B
çevrimlerinde sırasıyla % 5,88 azalarak 20 Nm ve % 14,11 azalarak 18,25 Nm
olmuştur.
Şekilde 5.1’de görüldüğü gibi MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerde moment, Otto
ve Miller çevrimleri için KB ile elde edilen moment değerinin altında kalmıştır.
MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerde KB yakıtına göre motor momentindeki bu
azalma MTBE10 yakıtının alt ısıl değerinin KB yakıtına göre daha düşük olmasından
49
kaynaklanmaktadır. Şekilde görüldüğü gibi 2600 1/min motor hızında moment,
MTBE ile yapılan deneylerde kurşunsuz benzine göre Otto çevriminde % 1,16,
Miller A ve Miller B çevrimlerinde sırasıyla % 1,35 ve % 2,01 oranında azalmıştır.
5.2. Motor Gücü
Şekil 5.2’de Otto, Miller A ve Miller B çevrimleri için, 1700-3200 1/min motor
devri aralığında kurşunsuz benzin ve MTBE 10 yakıtları ile yapılan deneylerde
motor gücü değişimleri görülmektedir. Motor devri arttıkça motorun efektif gücü
artmaktadır. 1700 1/min motor devrinde Otto çevrimi için elde edilen efektif motor
gücü 3,42 kW olarak ölçülmüştür. Aynı devirde Miller A çevrimi için güç % 6,75
azalarak 3,19 kW, Miller B çevriminde ise % 18,96 azalarak 2,77 kW olarak
ölçülmüştür. Motorun orijinal supap kapanma değeri için (Otto çevrimi) yapılan
deneylerde maksimum güç 3200 1/min’de 6,28 kW olarak elde edilmiştir. LIVC
uygulaması ile Miller A ve Miller B çevrimleri için yapılan deneylerde elde edilen
efektif güç değeri Miller A çevrimi için 3200 1/min’de % 2,66 artarak 6,45 kW
olarak elde edilmiştir. Miller B çevrimi için ise 3200 1/min’de % 4,67 artarak 6,58
kW olarak ölçülmüştür. 3200 1/min motor devrinde Miller A ve Miller B
çevrimlerinde elde edilen efektif güç Otto çevrimiyle elde edilen efektif güçten
fazladır. Wang ve arkadaşları [17] tarafından Rover K serisi 16 supaplı motor
üzerinde iki farklı Miller çevrimi ve Otto çevrimiyle yapılan deneylerde de benzer
sonuçlar elde edilmiştir.
MTBE10 yakıtı kullanılarak 2600 1/min motor devrinde yapılan deneylerde ise Şekil
5.2’de görüldüğü gibi Otto çevrimi için motor gücü 5,785 kW iken, Miller A
çevriminde % 5,88 azalarak 5,445 kW, Miller B çevriminde ise % 14,11 azalarak
4,969 kW olmuştur.
Şekil 5.2’de görüldüğü gibi, Otto ve Miller çevrimleri için MTBE10 yakıtı ile elde
edilen motor gücü kurşunsuz benzin ile elde edilen motor gücü değerinin altında
kalmıştır. Motor gücündeki bu azalma MTBE10 yakıtının alt ısıl değerinin kurşunsuz
benzine göre daha düşük olmasından kaynaklanmaktadır. 2600 1/min motor hızında
50
MTBE10 ile yapılan deneylerde kurşunsuz benzine göre motor gücü Otto çevriminde
% 1,16, Miller A çevriminde % 1,35, Miller B çevriminde ise % 2,01 oranında
azalmıştır.
7
Motor Gücü (kW)
6
5
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
4
3
2
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
3200
3500
Şekil 5.2. Motor devrine bağlı olarak motor gücü değişimi
5.3. Özgül Yakıt Tüketimi
1700-3200 1/min devir aralığında, tam gaz kelebek açıklığında Otto, Miller A ve
Miller B çevrimleri için kurşunsuz benzin ve MTBE 10 yakıtları ile yapılan
deneylerde özgül yakıt tüketimi değişimleri Şekil 5.3’te gösterilmiştir. Otto çevrimi
için 1700 1/min motor devrinde özgül yakıt tüketimi 307,87 g/kWh olarak
hesaplanmıştır. Aynı devirde Miller A çevrimi için elde edilen özgül yakıt tüketimi
Otto çevrimine göre % 5,19 artarak 323,88 g/kWh, Miller B çevriminde ise Otto
çevrimine oranla % 14,38 artarak 352,15 g/kWh olarak hesaplanmıştır. Motor devri
arttıkça özgül yakıt tüketimi önce azalmakta bir minimumdan sonra tekrar artış
göstermektedir. 2300-2600 1/min devir aralıklarında her üç çevrim içinde en düşük
özgül yakıt tüketimi değerleri elde edilmiştir. 3200 1/min motor devrinde Otto
51
çevrimi için elde edilen özgül yakıt tüketimi 326,81 g/kWh iken, Miller A
çevriminde Otto çevrimine göre % 3,38 azalarak 315,77 g/kWh, Miller B çevriminde
ise % 9,55 azalarak 295,59 g/kWh olarak elde edilmiştir. Düşük motor devirlerinde
Miller A ve Miller B çevrimleri için LIVC uygulaması ile silindire alınan dolgu
miktarının bir kısmı silindirden geri atılmakta ve buna bağlı olarak Otto çevrimi için
uygulanan standart supap zamanlamasına göre motor gücünde düşüş meydana
gelmektedir. Özgül yakıt tüketimi ise motor gücündeki bu düşüşe bağlı olarak Miller
çevrimleri için harcanan yakıt tüketiminde artışa sebep olmaktadır. Bu nedenle düşük
devirlerde Miller çevrimleri için elde edilen özgül yakıt tüketimi eğrileri Otto
çevrimi için elde edilen özgül yakıt tüketimi eğrisinin üzerine çıkmaktadır. Yüksek
motor devirlerinde ise Miller A ve Miller B çevrimi için LIVC uygulamalarıyla
silindir içerisine alınan karışım miktarı artmaktadır. Bu artış neticesinde Miller A ve
Miller B çevrimlerinde motor gücü Otto çevriminde elde edilen motor gücüne oranla
daha çok artış göstermiş ve buna bağlı olarak yüksek devirlerde özgül yakıt tüketimi
Miller A ve Miller B çevrimlerine daha düşük olmuştur [30, 40, 67].
2600 1/min motor devrinde MTBE10 yakıtı kullanılarak yapılan deneylerde ise Şekil
5.3’te görüldüğü gibi özgül yakıt tüketimi değeri Otto çevrimi için 291,914 g/kWh
iken, Miller A çevriminde % 2,72 oranında artış göstererek 299,875 g/kWh, Miller B
çevriminde ise % 7,75 artarak 314,543 g/kWh olmuştur.
Şekil 5.3’te görüldüğü gibi MTBE10 yakıtı ile Otto ve Miller çevrimleri için elde
edilen özgül yakıt tüketimi değeri kurşunsuz benzin ile elde edilen özgül yakıt
tüketimi değerinin üzerindedir. Özgül yakıt tüketimindeki artış yakıtın alt ısıl değeri
ve motor gücündeki azalmadan kaynaklanmaktadır. 2600 1/min motor devrinde
özgül yakıt tüketimi, MTBE ile yapılan deneylerde kurşunsuz benzine göre Otto
çevriminde % 6,09, Miller A çevriminde % 2,18 ve Miller B çevriminde ise % 3,24
oranında artış göstermiştir.
52
Özgül Yakıt Tüketimi (g/kWh)
420
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
400
380
360
340
320
300
280
260
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
3200
3500
Şekil 5.3. Motor devrine bağlı olarak özgül yakıt tüketimi değişimi
5.4. Termik Verim
Şekil 5.4’te Otto,
Miller A ve Miller B çevrimleri için, kurşunsuz benzin ve
MTBE10 yakıtlarıyla 1700-3200 1/min motor devri aralığında fren termik verim
değişimleri görülmektedir. LIVC uygulamasıyla çalışan Miller A ve Miller B
çevrimleri için yapılan deneylerde elde edilen termik verim özellikle düşük motor
devirlerinde Otto çevrimi ile elde edilen termik verim eğrisinin altında kalmaktadır.
1700 1/min motor devrinde yapılan deneylerde Otto çevrimi için elde edilen termik
verim % 25,74 iken, Miller A çevriminde % 4,9 azalıp % 24,47 olarak
hesaplanmıştır. Aynı motor devrinde Miller B çevriminde ise % 12,54 oranında bir
azalma gerçekleşmiş ve termik verim % 22,51 olarak hesaplanmıştır. Artan motor
devrine bağlı olarak Otto ve Miller A çevrimlerinde elde edilen termik verim
artmakta ve 2600 1/min motor devrinde en yüksek seviyesine çıkmaktadır. Bu motor
devrinde termik verim Otto çevriminde %28,81, Miller A çevriminde ise % 27,01
olarak hesaplanmıştır. 2600-3200 1/min motor devri aralıklarında Otto ve Miller A
çevrimleri için hesaplanan termik verim değerleri azalmakta olduğu görülmüştür.
53
Miller B çevriminde ise Miller A ve Otto çevriminden farklı olarak motor devri
arttıkça termik veriminde artış gösterdiği görülmektedir. 3200 1/min motor devrinde
yapılan deneylerde Otto çevrimi için hesaplanan termik verim % 24,25 iken, Miller
A çevriminde % 3,5 artarak % 25,10 olarak hesaplanmış, Miller B çevriminde ise %
10,56 artarak % 26,82 olarak hesaplanmıştır.
Şekil 5.4’te görüldüğü gibi MTBE10 yakıtı kullanılarak 2600 1/min motor devrinde
yapılan deneylerde ise Otto çevrimi için termik verim %28,03 iken, Miller A
çevriminde % 2,65 azalarak % 27,28, Miller B çevriminde ise % 7,19 azalarak %
26,01 olarak gerçekleşmiştir.
Otto ve Miller çevrimleri için yapılan deneylerde Şekilde 5.4’te görüldüğü gibi KB
yakıtına göre MTBE10’un alt ısıl değerindeki azalmaya bağlı olarak termik verim
azalmaktadır. 2600 1/min motor devrinde MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerde
kurşunsuz benzine göre özgül yakıt tüketimi, Otto çevriminde % 5,72, Miller A
çevriminde % 2,14 ve Miller B çevriminde ise % 3,14 oranında azalmıştır.
30
29
Termik Verim ( %)
28
27
26
25
24
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
23
22
21
20
1400
1700
2000
2300
2600
Motor Devri (1/min)
2900
Şekil 5.4. Motor devrine bağlı olarak termik verim değişimi
3200
3500
54
5.5. Egzoz Gaz Sıcaklığı
Şekil 5.5’te, 1700-3200 1/min motor devir aralıklarında kurşunsuz benzin ve
MTBE10 yakıtları kullanılarak, Otto ve LIVC Miller çevrimleri için egzoz gaz
sıcaklığı değişimleri görülmektedir. 1700 1/min motor devrinde Otto çevrimi için
ölçülen egzoz gaz sıcaklığı 656 °C’dir. Miller A çevrimi için aynı motor devrinde
ölçülen egzoz gaz sıcaklığı ise Otto çevrimine göre % 3,96 azalarak 630 °C’ye,
Miller B çevriminde ise Otto çevrimine oranla % 8,84 azalarak 598 °C’ye düşmüştür.
Motor devrindeki artışa paralel olarak egzoz gaz sıcaklığı da artış göstermiştir [68].
Motor devri 1700 1/min’den 3200 1/min’e doğru arttıkça egzoz gaz sıcaklığının her
üç çevrim için arttığı görülmektedir. 3200 1/min’de Otto çevrimi için egzoz gaz
sıcaklığı 765 °C olarak ölçülmüştür. Aynı motor devrinde Miller A çevriminde egzoz
gaz sıcaklığı Otto çevrimine göre % 0,9 azalarak 758 °C olarak ölçülmüş, Miller B
çevriminde ise Otto çevrimine göre % 3,92 azalan egzoz gaz sıcaklığı 735 °C olarak
ölçülmüştür. Wang ve arkadaşları [17] tarafından yapılan çalışmada Rover K serisi
16 supaplı motor üzerinde standart supap zamanlamalı Otto çevrimi ve iki farklı
supap zamanlamasında Miller çevrimi uygulaması için yapılan deneylerde de benzer
sonuçlar elde edilmiştir [17].
MTBE10 yakıtı kullanılarak yapılan deneylerde Şekil 5.5’te görüldüğü gibi 2600
1/min motor devrinde Otto çevrimi için egzoz gaz sıcaklığı 724 °C olarak
ölçülmüştür. Ölçülen bu sıcaklık değeri Miller A çevriminde % 3 azalarak 702°C’ye,
Miller B çevriminde ise % 9,39 azalarak 656 °C’ye düşmüştür.
Otto ve Miller çevrimleri için MTBE10 yakıtı ile elde edilen egzoz gaz sıcaklığı
kurşunsuz benzin ile elde edilen egzoz gaz sıcaklığı eğrisinin altında kalmaktadır
(Şekil 5.5). Egzoz gaz sıcaklığındaki bu azalmanın nedeni MTBE10 yakıtının alt ısıl
değerinin kurşunsuz benzine göre daha düşük olmasından kaynaklanmaktadır.
MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerde kurşunsuz benzine göre 2600 1/min motor
devrinde egzoz gaz sıcaklığı, Otto çevriminde % 3,33, Miller A çevriminde % 1,96
ve Miller B çevriminde ise % 1,35 oranında azalmıştır.
55
800
Egzoz Gazı Sıcaklığı (°C)
750
700
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
650
600
550
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
3200
3500
Şekil 5.5. Motor devrine bağlı olarak egzoz gaz sıcaklığı değişimi
5.6. Azot oksit Emisyonları
Otto çevrimi ve iki farklı LIVC Miller çevrimi için yakıt olarak kurşunsuz benzin ve
MTBE10 kullanılarak yapılan deneylerde 1700-3200 1/min motor devir aralığında
azot oksit (NOx) emisyonlarının motor devrine bağlı olarak değişimi Şekil 5.6’da
görülmektedir. Şekilde görüldüğü üzere 1700-3200 1/min motor devri aralıklarında
NOx emisyonları motor devrine bağlı olarak artış göstermiştir. 1700 1/min motor
devrinde Otto çevriminde ölçülen NOx emisyonu 310 ppm iken, aynı motor devrinde
Miller A çevrimi için ölçülen NOx emisyonu Otto çevrimine göre % 20,96 azalış
göstermiş ve 245 ppm olarak ölçülmüştür. Aynı devirde Miller B çevrimi için
ölçülen NOx emisyonu ise 155 ppm olarak ölçülmüş ve Otto çevrimine göre % 50
oranında bir azalma göstermiştir. 3200 1/min motor devrinde Otto çevrimi için NOx
emisyonu 1087 ppm olarak ölçülmüştür. Miller A çevriminde ise aynı motor
devrinde (3200 1/min) Otto çevrimine göre NOx emisyonu % 10,48 azalarak 973
ppm olarak ölçülmüş ve Miller B çevriminde ise % 14,16 azalarak 933 ppm olarak
ölçülmüştür. NOx oluşumunun en temel sebebi silindir içerisinde yanma sonu oluşan
56
egzoz gaz sıcaklıklarının çok yüksek değerlere ulaşmasıdır. Artan devire bağlı olarak
egzoz gaz sıcaklıkları artmakta ve bu artış NOx emisyonlarında da artış meydana
getirmektedir. Miller çevrimi uygulamasıyla Otto çevrimine göre silindirde
sıkıştırma zamanı sonundaki sıkıştırma basıncı ve sıcaklığı azaltılabilir. Bu sebeple
silindir içindeki yanma sıcaklığı düşer ve buna bağlı olarak NOx oluşumu Otto
çevrimine göre azalır [49]. Wang ve arkadaşlarının [17] dört silindirli benzinli bir
motorla yaptıkları deneylerde de benzer sonuçlar elde edilmiştir. Wang ve
arkadaşları [17] iki farklı LIVC Miller çevrimi için yaptıkları deneylerde Miller 1
supap zamanlaması için NOx emisyonlarında % 8, Miller 2 supap zamanlaması için
ise % 46 oranında bir azalma tespit etmişlerdir. Wang ve arkadaşlarının elde ettiği bu
değerler, yaptığımız deneylerde elde edilen değerlerle ve değerler neticesinde ortaya
çıkan grafikle benzeştiği görülmüştür. Azalan egzoz gaz sıcaklığına bağlı olarak NOx
emisyonlarının azalması Miller çevrimi uygulamalarında üzerinde en fazla durulan
konulardan biridir [17, 30, 49, 51]. Bu konuda Okamoto ve arkadaşları [51]
tarafından turboşarjlı LIVC Miller çevrimiyle çalışan doğal gaz motorları için
uygulamış, Hamarashid’in yaptığı çalışmada [30] Miller çevrimi doğalgazla çalışan
Volvo otobüslerinde uygulanmış, Wang ve arkadaşları [49] tarafından benzinli bir
motor üzerinde çalışmalar yapılmış ve yapılan tüm çalışmalarda NOx emisyonlarında
ciddi oranlarda düşüşler meydana geldiği görülmüştür. Bu çalışmalarda elde edilen
sonuçlarda yaptığımız deneylerde elde edilen sonuçlara paralellik göstermektedir.
MTBE10 yakıtı kullanılarak 2600 1/min motor devrinde yapılan deneylerde ise Şekil
5.6’da görüldüğü gibi Otto çevrimi için NOx emisyonu 683 ppm iken, Miller A
çevriminde % 20,2 azalarak 545 ppm, Miller B çevriminde ise % 38,2 azalarak 419
ppm olmuştur.
Şekil 5.6’da görüldüğü gibi Otto ve Miller çevrimleri için MTBE 10 ile elde edilen
NOx emisyonları kurşunsuz benzin ile karşılaştırıldığında MTBE’nin oksijen
içeriğine bağlı olarak azalmaktadır. 2600 1/min motor hızında MTBE10 yakıtı ile
yapılan deneylerde kurşunsuz benzine göre NOx emisyonu Otto çevriminde %13,43,
Miller A çevriminde % 15,5, Miller B çevriminde ise % 11,22 oranında iyileşmiştir.
57
1200
1000
NOx (ppm)
800
600
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
400
200
0
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
3200
3500
Şekil 5.6. Motor devrine bağlı olarak NOx emisyonlarının değişimi
5.7. Hidrokarbon Emisyonları
Hidrokarbon (HC) emisyonlarının motor devrine bağlı olarak değişimi Şekil 5.7’de
görülmektedir. Otto çevrimi ve Miller çevrimleri için 1700-3200 1/min motor devri
aralıklarında motor devri arttıkça HC emisyonlarının azaldığı görülmektedir. 1700
1/min motor devrinde Otto çevrimi çalışma koşullarında HC emisyonu 148 ppm
olarak ölçülmüştür. Aynı motor devrinde Miller A çevrimi için ölçülen HC emisyonu
Otto çevrimine göre % 12,83 artarak 167 ppm, Miller B çevrimi için ölçülen HC
emisyonu ise % 36,48 artış göstermiş ve 202 ppm olarak ölçülmüştür. 3200 1/min
motor devrinde Otto çevrimi için HC emisyonu 61 ppm olarak ölçülmüştür. Aynı
devirde Otto çevrimine göre HC emisyonu Miller A çevriminde ise % 9,83 azalarak
55 ppm olarak ölçülmüş, Miller B çevriminde ise % 9,83 artarak 67 ppm olarak
ölçülmüştür. HC emisyonları artan motor devrine bağlı olarak azalmaktadır. Motor
devrindeki artışla birlikte yanma için gerekli süre azalsa da, devirdeki bu artış silindir
içerisindeki
sıcaklığın
da
artmasını
sağladığı
için
yanma
reaksiyonlarını
hızlandıracak, böylelikle yanma iyileşecek ve HC emisyonları azalacaktır [40, 68].
58
Şekil 5.7’de MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerdeki HC emisyonlarının motor
devrine bağlı olarak değişimi gösterilmiştir. MTBE10 yakıtı kullanılarak yapılan
deneylerde ise 2600 1/min motor devrinde Otto çevrimi için HC emisyonu 76 ppm
iken, Miller A çevriminde % 28,94 artarak 98 ppm, Miller B çevriminde ise % 43,42
artarak 109 ppm olmuştur.
MTBE10 yakıtı ile Otto ve Miller çevrimleri için elde edilen HC emisyonu eğrisi,
Şekil 5.7’de görüldüğü gibi kurşunsuz benzin ile elde edilen HC emisyonu eğrisinin
altında kalmıştır. MTBE10 yakıtında KB yakıtına göre oluşan bu azalmanın nedeni
MTBE10 yakıtının içerisinde bulunan oksijen miktarıdır. 2600 1/min motor hızında
yapılan deneylerde kurşunsuz benzine göre HC emisyonu Otto çevriminde %11,62,
Miller A çevriminde % 9,25, Miller B çevriminde ise % 5,22 oranında iyileşmiştir.
250
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
HC (ppm)
200
150
100
50
0
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
Şekil 5.7. Motor devrine bağlı olarak HC emisyonlarının değişimi
3200
3500
59
5.8. Karbonmonoksit Emisyonları
Şekil 5.8’de motor devrine bağlı olarak Otto çevrimi ve her iki Miller çevrimi için
yakıt olarak kurşunsuz benzinin kullanıldığı deneylerde CO emisyonlarının değişimi
görülmektedir. Her üç çevrim için 1700-3200 1/min devir aralıklarında ölçülen CO
emisyonu bize devir arttıkça CO emisyonunun da devirle birlikte artacağını
göstermektedir. 1700 1/min’de Otto çevrimi için ölçülen CO emisyonu % 0,39 olarak
ölçülmüştür. Bu motor devri için Miller A çevriminde ölçülen CO emisyonu Otto
çevrimine göre % 35,89 artarak % 0,53 seviyesinde ölçülmüştür. Aynı motor
devrinde Miller B çevrimi için ölçülen CO emisyonu ise Otto çevrimine göre %
58,97 artış göstermiş ve % 0,62 seviyesinde ölçülmüştür. 3200 1/min motor devrinde
CO emisyonu Otto çevrimi için % 1,02 olarak tespit edilmiştir. Aynı motor devrinde
Otto çevrimine kıyasla Miller A çevriminde CO emisyonu % 7,84 azalarak % 0,94
olarak ölçülmüştür. Yine aynı motor devrinde Miller B çevrimi için ise CO emisyonu
% 0,96 artarak %1,05 olarak ölçülmüştür. CO emisyonlarının temel oluşum nedeni
silindir içerisinde yanma reaksiyonları sonucunda yeterli miktarda oksijen
bulunmamasıdır. CO emisyonları yanma verimindeki artışa bağlı olarak devir attıkça
başlangıçta bir miktar azalmakta (2000 1/min) sonra motor devri arttıkça yanmanın
kötüleşmesine bağlı olarak artış göstermektedir (2000-3200 1/min). Ayrıca, havayakıt karışımının silindir içerisinde homojen olarak dağılmadığı durumlarda, zengin
hava-yakıt karışımının bulunduğu kısmi bölgelerde yanma tam olarak gerçekleşmez
ve yine yanmanın kötüleşmiş olmasına bağlı olarak CO emisyonu oluşur [40, 68].
MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerde CO emisyonlarının motor devrine bağlı olarak
değişimi Şekil 5.8’de gösterilmiştir. MTBE10 yakıtı kullanılarak 2600 1/min motor
devrinde yapılan deneylerde Otto çevriminde CO emisyonu % 0,43 iken, Miller A
çevriminde % 16 artarak %0,5, Miller B çevriminde ise % 67 artarak % 0,72
seviyesinde ölçülmüştür.
Şekil 5.8’de görüldüğü gibi Otto ve Miller çevrimleri için MTBE10 yakıtı ile elde
edilen CO emisyonu eğrisi, kurşunsuz benzin ile elde edilen CO emisyonu eğrisinin
altında kalmıştır. Bu durumun temel nedeni MTBE10 yakıtının kimyasal bileşiminin
60
içerisinde oksijen bulunması, KB yakıtının kimyasal bileşimi içerisinde ise O2
bulunmamasıdır. 2600 1/min motor devrinde MTBE10 yakıtı kullanılarak yapılan
deneylerde KB yakıtına göre CO emisyonu Otto çevriminde % 10,41, Miller A
çevriminde ise % 13,79 oranında iyileşmiş, Miller B çevriminde ise % 7,46 oranında
kötüleşmiştir.
1,2
1
CO (%)
0,8
0,6
Otto (KB)
Otto (MTBE10)
Miller A (KB)
Miller A (MTBE10)
Miller B (KB)
Miller B (MTBE10)
0,4
0,2
0
1400
1700
2000
2300
2600
2900
Motor Devri (1/min)
Şekil 5.8. Motor devrine bağlı olarak CO emisyonlarının değişimi
3200
3500
61
6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Bu çalışmada, tek silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir motorda LIVC
yöntemiyle Miller çevrimi oluşturmak amacıyla 5. dereceden klasik spline metodu
kullanılarak emme ve egzoz kamları yeniden tasarlanmış ve değişken supap açılmakapanma zamanlaması sağlayacak şekilde imalatı yapılan yeni kam mili motora
adapte edilmiştir. Standart motor çevrimi ve iki farklı Miller çevrimi için tam gaz
kelebek açıklığında, 1700-3200 1/min motor devir aralığında kurşunsuz benzin ve
MTBE10 yakıtları ile yapılan deneylerde, motor devrine bağlı olarak, moment, güç,
özgül yakıt tüketimi, termik verim, HC, CO ve NOx emisyonları ile egzoz gaz
sıcaklığının değişimi incelenmiştir.
Deneylerde elde edilen veriler değerlendirildiğinde, düşük motor devirleri için Miller
çevrimi çalışma şartlarında emme supabının geç kapanmasına bağlı olarak, motorun
moment, özgül yakıt tüketimi, termik verim, HC ve CO emisyonlarının Otto
çevrimine göre kötüleştiği görülmüştür. 1700 1/min motor devrinde KB ile yapılan
deneylerde Otto çevrimi için elde edilen moment ve güç değerleri, Miller A
çevriminde % 6,7 oranında, Miller B çevriminde ise % 19 oranında azalmıştır. 1700
1/min’de Otto çevrimi için 307,87 g/kWh olarak ölçülen özgül yakıt tüketimi ise,
Otto çevrimine göre Miller A çevrimi için % 5,19, Miller B çevrimi için ise % 14,38
oranında artış göstermiştir. Aynı motor devri için hesaplanan termik verim Otto
çevriminde % 25,74 iken, Miller A çevriminde % 4,9, Miller B çevriminde ise %
12,54 oranında azalmıştır. Düşük motor devirlerinde (1700 1/min) HC ve CO
emisyonları incelendiğinde ise Otto çevrimi için HC emisyonu 148 ppm, CO
emisyonu % 0,39 olarak ölçülmüştür. Miller A çevrimi için ölçülen HC emisyonu
Otto çevrimine göre % 12,83, CO emisyonu ise % 35,89 artmıştır. Aynı motor
devrinde Miller B çevrimi için ölçülen HC emisyonu ise Otto çevrimine göre %
36,48, CO emisyonu ise % 58,97 oranında artış göstermiştir.
Miller çevrimi ile NOx emisyonları motorun bütün devir aralıklarında egzoz gaz
sıcaklığındaki azalmaya bağlı olarak Otto çevrimine göre iyileşme göstermiştir. Otto
çevrimine oranla NOx emisyonu 1700 1/min’de KB ile yapılan deneylerde % 50,
62
3200 1/min’de ise % 14,16 oranında azalmıştır. Miller çevriminde egzoz gaz
sıcaklıkları Otto çevrimine göre düşük motor devirlerinde % 8,84, yüksek motor
devirlerinde ise % 3,92 oranında azalmıştır.
Miller çevrimi için yüksek motor devirlerinde ise Otto çevrimine oranla NOx ve
egzoz gaz sıcaklığının yanı sıra moment, motor gücü, özgül yakıt tüketimi, termik
verim, HC ve CO emisyonu değerlerinde de iyileşmeler tespit edilmiştir. 3200 1/min
motor devrinde KB ile yapılan deneylerde Otto çevrimi için elde edilen moment
18,75 Nm iken, Miller A çevriminde elde edilen moment değeri Otto çevrimine göre
% 2,66, Miller B çevriminde ise % 4,67 oranında artmıştır. Aynı motor devrinde Otto
çevrimi için elde edilen özgül yakıt tüketimi 326,81 g/kWh iken, Miller A
çevriminde Otto çevrimine göre % 3,38, Miller B çevriminde ise % 9,55 oranında
azalmıştır. 3200 1/min motor devrinde yapılan deneylerde Otto çevrimi için
hesaplanan termik verim % 24,25 iken, Otto çevrimine göre Miller A ve Miller B
çevrimlerinde sırasıyla % 3,5 ve % 10,56 oranında artış göstermiştir. Otto çevrimi
için aynı motor devrinde HC emisyonu 61 ppm olarak ölçülmüştür. Miller A
çevriminde ölçülen HC emisyonu ise Otto çevrimine göre % 9,83 azalmış, Miller B
çevriminde ise % 9,83 oranında bir artış gerçekleşmiştir. 3200 1/min motor devrinde
Otto çevrimi için CO emisyonu % 1,02 olarak ölçülmüş, Miller A çevriminde ise
Otto çevrimine göre % 7,84 azalmış, Miller B çevriminde ise % 0,96 oranında
artmıştır.
MTBE10 yakıtı ile yapılan deneylerde de düşük ve orta motor hızlarında Miller
çalışma şartlarında moment, güç, özgül yakıt tüketimi, termik verim, HC ve CO
emisyonları Otto çevrimine göre kötüleşmiştir. Kurşunsuz benzin ile elde edilen
deneylerle karşılaştırıldığında MTBE10 yakıtının alt ısıl değerindeki azalmaya bağlı
olarak moment, güç, özgül yakıt tüketimi ve termik verim kötüleşirken, yakıt
içerisindeki oksijen miktarına bağlı olarak egzoz emisyonları iyileşmiştir.
Miller çevrimi çalışma şartlarında emme supabı kapanma zamanına bağlı olarak
azalan dolgu miktarı sisteme aşırı doldurma ünitesinin eklenmesi ile arttırılabilir.
Böylece, özellikle düşük ve orta motor hızlarında moment, güç ve termik verimdeki
63
azalma bertaraf edilebilir. Ayrıca, Miller çevriminde silindir içerisine alınan dolgu
miktarını kontrol etmek için, emme supabı kapanma zamanı tam değişken bir supap
mekanizması kullanılabilir. Bu şekilde motorun yük kontrolü gaz kelebeği olmadan
yapılabileceği gibi özellikle kısmi yüklerde pompalama kayıpları da azaltılabilir.
64
KAYNAKLAR
1. Türkiye Petrolleri A.O. Genel Müdürlüğü, “2010 Yılı Ham Petrol ve Doğal Gaz
Sektör Raporu”, TPAO, Ankara, 2 (2011).
2. Türkiye Petrolleri A.O. Genel Müdürlüğü, “2011 Yılı Ham Petrol ve Doğal Gaz
Sektör Raporu”, TPAO, Ankara, 8-14,26,28 (2012).
3. The British Petroleum Company, “Statistical Review of World Energy”, BP,
Londra, 3, (2012).
4. İlhan, M., “Çift yakıtlı (dizel ve metanol) bir dizel motorda püskürtme avansının
performans ve emisyonlara etkisi”, Yüksek lisans tezi, Marmara Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1 (2007).
5. İnternet: Boğaziçi Üniversitesi “Hava Kirliliği”
http://web.boun.edu.tr/meteoroloji/havakirliligi.php (2013).
6. Çelik, M. B., Balcı, M., “Sabit yük ve hız şartlarında sıkıştırma oranının motor
karakteristiklerine etkisi”, Teknoloji Dergisi, 5 (3-4): 39 (2002).
7. Taşlıyol, M., Doğan, O., Özdalyan, B., Büyükgüçlü, M. A.,“Değişken supap
zamanlamasının elektro-mekanik olarak denetimi”, Taşıt Teknolojileri
Elektronik Dergisi, 3 (2): 8 (2011).
8. Uslu, K., “Dizel motorlarında farklı püskürtme avanslarında dizel yakıtı + etanol
kullanımının performans ve emisyonlara etkisi”, Yüksek lisans tezi, Marmara
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 53-71 (2006).
9. Salman, S., Çınar, C., Sekmen, Y., “Buji ile ateşlemeli motorlarda tek nokta yakıt
enjeksiyon ve karbüratör sistemlerinin performansa etkileri üzerine deneysel bir
araştırma”, Politeknik dergisi, 6 (1): 391 (2003).
10. Al-Sarkhi, A., Jaber, J.O., Probert, S.D., “Efficiency of a Miller engine”, Applied
Energy, 83: 343–351 (2006).
11. İnternet: Vikipedi “Miller Çevrimi”
http://www.tr.wikipedia.org/wiki/Miller_çevrimi (2013).
12. İnternet: Mazda International “Miller-Cycle Engine”
http://www.mazda.com/mazdaspirit/env/engine/miller.html (2013).
13. İnternet: Nissan Global “HR12DDR Engine”
http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/hr12ddr.html
(2013).
65
14. İnternet: Green Car Congress “Subaru Introduces 40MPG Turbo Parallel
Hybrid Concept”
http://www.greencarcongress.com/2006/01/subaru_introduc.html (2013).
15. İnternet: Princeton University “Miller cycle”
http://www.princeton.edu/~achaney/tmve/wiki100k/docs/Miller_cycle.html
(2013).
16. Wu, C., Puzinauskas, P.V., Tsai J.S., “Performance analysis and optimization of
a supercharged Miller cycle Otto engine”, Applied Thermal Engineering, 23:
511-521 (2003).
17. Wang, Y., Lin, L., Zeng, S., Huang, J., Anthony, P. R., He, Y., Huang, X., Li, S.,
“Application of the Miller cycle to reduce NOx emissions from petrol engines”,
Applied Energy, 85: 463–474 (2008).
18. Miller R.H., “Supercharging and internal cooling cycle for high output.”,
Transaction of the American Society of Mechanical Engineers, 69: 453–457
(1947).
19. İnternet: Mazda International “News From Mazda”
http://www.mazda.com/publicity/release/2007/200707/070705.html (2013).
20. İnternet: Gizmo Highway “All about Miller Cycle engines”
http://www.gizmohighway.com/autos/miller_engine.htm (2013).
21. İnternet: Road and Track “2012 Mazda 3”
http://www.roadandtrack.com/car-reviews/first-drives/2012-mazda3 (2013).
22. İnternet: Green Car Congress “Details on Nissan’s I3 1.2L supercharged directinjection gasoline engine”
http://www.greencarcongress.com/2012/05/hr12ddr-20120530.html (2013).
23. İnternet: Automobile Mag “Subaru B5-TPH Concept”
http://www.automobilemag.com/auto_shows/2006_detroit/0602_subaru_b5_tph_
concept/ (2013).
24. Al-Sarkhi, A., Al-Hinti, I., Abu-Nada, E., Akash, B., “Performance evaluation of
irreversible Miller engine under various specific heat models”, International
Communications in Heat and Mass Transfer, 34: 897-906 (2007).
25. Kesgin, U., “Efficiency improvement and NOx emission reduction potentials of
two-stage turbocharged Miller cycle for stationary natural gas engine”,
International Journal of Energy Research, 29: 189–216 (2005).
66
26. Wik, C., Salminen, H., Hoyer, K., Mathey, C., Vögeli, S., Kyrtatos, P., “2-Stage
Turbocharging on Medium Speed Engines – Future Supercharging on the new
LERF-test Facility”, 14th Supercharging Conference, Dresden, 1 (2009).
27. Çınar, C., Akgün, F., “Effect of Intake valve closing time on engine performance
and exhaust emissions in a spark ıgnition engine”, Politeknik Dergisi, 10(4): 373
(2007).
28. Miller, R. H., Lieberherr, H.U., “The Miller supercharging system for diesel and
gas engines operating characteristics”, CIMAC Proceedings of the 4th
international congress on combustion engines, Zurich, 787,803 (1957).
29. Akdeniz, B., “Motorlarda ve Motorlu Taşıtlarda Yakıt Ekonomisi ve İşletme
Şartlarının Performansa Etkilerinin İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Marmara
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 71-72 (2006).
30. Hamarashid, L., “GT-Power Modeling of a 6-Cylinder Natural Gas Engine and
Investigation of the Possible Performance Improvements by Studying the Miller
Cycle”, Yüksek Lisans Tezi, LTH Lund University Division of Combustion
Engines Department of Energy Sciences Faculty of Engineering, Lund, 4(6):
26-30 (2008).
31. Deniz, O., “Miller Çevrimi”, İçten Yanmalı Motorlar Ders Notları, İstanbul, 6164, (2008).
32. Fukuzawa, Y., “Development of high efficiency Miller cycle gas engine”,
Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, 38(3): 146 (2001).
33. Koruvatan, T., Sezer, İ., Koç, E., “Benzin Motorlarında Vuruntu Olayının
İncelenmesi”, C.B.Ü. Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi, 2
(14): 35 (2010).
34. Matsushita, Y., Tsuji, N., Tanaka, K., Noguchi, T., “Development of high
efficient Miller cycle gas engine”, IGRC, 3 (2004).
35. Lin, J.C., Hou, S.S., “Performance analysis of an air-standard Miller cycle with
considerations of heat loss as a percentage of fuel’s energy, friction and variable
specific heats of working fluid”, International Journal of Thermal Sciences, 47:
182-191 (2008).
36. İnternet: Motive Mag “The Miller Cycle Explained”
http://www.motivemag.com/pub/feature/tech/Motive_Tech_Miller_Time_-_The_
Miller_Cycle_Engine_Explained.shtml (2013).
37. Safgönül, B., Soruşbay, C., Arslan, H.E., Ergeneman, M., “İçten Yanmalı
Motorlar”, İTÜ Makina Fakültesi Otomotiv Anabilim Dalı, Birsen Yayınevi,
İstanbul, (1999).
67
38. Heywood, J. B., “Internal Combustion Engine Fundementals”, McGraw-HilI
Publishing Company, New York, (1988).
39. Bensinger, W. D., “Motor Konstrüksiyonu (Gaz Kumanda Elemanları)”, Güven
Kitapevi, Ankara, (1974).
40. Akgün, F., “Buji ile Ateşlemeli Bir Motorda Supap Zamanlaması Değişiminin
Performansa ve Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin İncelenmesi”, Yüksek Lisans
Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2, 53-65 (2006).
41. Demirtaş, V., Bayrakçeken, H., “Değişken supap zamanlamalı sistemlerin
incelenmesi ”, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi, (2): 40-56 (2010).
42. Nagaya, K., Kobayashi, H., Koike, K., “Valve timing and valve lift control
mechanism for engines”, Mechatronics, 16: 121–129 (2006).
43. Maekawa, K., Ohsawa, O. N., , “Development of a valve timing control system”,
SAE Paper, No: 890680, doi:10.4271/890680, (1989).
44. Dresner, T., Barkan, P., “A Review and classification of variable valve timing
mechanisms”, SAE Paper, No: 890674, doi:10.4271/890674, (1989).
45. Ahmad, T. ve Theobald, M.A., “A Survey of variable valve actuation
technology”, SAE Paper, No: 891674, doi:10.4271/891674, 1-27 (1989).
46. Gray, C., “A Review of variable engine valve timing”, SAE Paper, No: 880386,
doi:10.4271/880386, 97(6): 631-641 (1988).
47. Mikalsen, R., Wang, Y.D., Roskilly, A.P., “A comparison of Miller and Otto
cycle natural gas engines for small scale CHP applications”, Applied Energy,
86:922-927 (2009).
48. Ebrahimi, R., “A criterion to maximize the net-work output in a Miller cycle”,
Appl. Math. Lett., doi:10.1016/j.aml.2011.12.029 (2012).
49. Wang, Y., Lin, L., Roskilly, A. P., Zeng, S., Huang, J., He, Y., Huang, X.,
Huang, H., Wei, H., Li, S., Yang, J., “An analytic study of applying Miller cycle
to reduce NOx emission from petrol engine”, Applied Thermal Engineering, 27:
1779–1789 (2007).
50. İnternet: Emission Characteristics Of A Turbocharged Multi-Cylinder Miller
Cycle Diesel Engine,
http://www.fischer-tropsch.org/DOE/_conf_proc/DEER/970799/conf_970799_
pg305.pdf (2012).
68
51. İnternet: Development of a Late Intake-Valve Closing (LIVC) Miller Cycle for
Stationary Natural Gas Engines - Effect of EGR Utilization,
http://gasunie.eldoc.ub.rug.nl/FILES/root/1997/2044314/2044314.pdf (1997).
52. İnternet: Development of Miller Cycle Gas Engine For Cogeneration,
http://www.kgu.or.kr/download.php?tb=bbs_017&fn=P-711.pdf&rn=P-711.pdf
(2012).
53. Ge, Y., Chen, L., Sun, F., Wu, C., “Effects of heat transfer and friction on the
performance of an irreversible air-standard Miller cycle”, International
Communications in Heat and Mass Transfer, 32: 1045-1056 (2005).
54. Al-Sarkhi, A., Akash, B.A., Jaber, J.O., Mohsen, M. S., Abu-Nada, E.,
“Efficiency of Miller engine at maximum power density”, Int. Comm. Heat
Mass Transfer, 29(8): 1159-1167 (2002).
55. İnternet: Lean Burn Miller Cycle Gas Engine Cogeneration System,
http://www.igu.org/html/wgc2003/WGC_pdffiles/10413_1046100761_31942_1.
pdf (2012).
56. Lin, J.C., Hou, S.S., “Performance analysis of an air-standard Miller cycle with
considerations of heat loss as a percentage of fuel’s energy, friction and variable
specific heats of working fluid”, International Journal of Thermal Sciences,
47:182-191 (2008).
57. Ebrahimi, R., “Performance analysis of an irreversible Miller cycle with
considerations of relative air–fuel ratio and stroke length”, Appl. Math. Modell.,
DOI:10.1016/j.apm.2011.11.031 (2011).
58. Ebrahimi, R., “Thermodynamic modeling of performance of a Miller cycle with
engine speed and variable specific heat ratio of working fluid”, Computers and
Mathematics with Applications, 62: 2169-2176 (2011).
59. Yeom, K., Jang, J., Bae, C., “Homogeneous charge compression ignition of LPG
and gasoline using variable valve timing in an engine” Fuel, 86: 494-503 (2007).
60. Verhelst, S., Demuynck, J., Sierens, R., Huyskens, P., “Impact of variable valve
timing on power, emissions and backfire of a bi-fuel hydrogen/gasoline engine”,
International Journal of Hydrogen Energy, 35: 4399 – 4408 (2010).
61. Atashkari, K., Nariman-Zadeh, N., Gölcü, M., Khalkhali, A., Jamali, A.,
“Modelling and multi-objective optimization of a variable valve-timing sparkignition engine using polynomial neural networks and evolutionary algorithms”,
Energy Conversion and Management, 48: 1029–1041 (2007).
69
62. İnternet: Lombardini LGA 280-340 OHC Series Engines Work Shop Manuel,
http://service.lombardinigroup.it/documents/Manuali%20Officina/English/Work
%20Shop%20Manual%20LGA%20280-340%20matr%201-5302-528.pdf (2013).
63. Sarıdemir, S., “İçten yanmalı dört zamanlı bir motor için supap mekanizması
tasarımı”, Doktora tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara,
(2009).
64. Karabulut, H., ve Sarıdemir, S., “Farklı supap açık kalma süreleri ve kursları için
klasik spline yöntemi ile elde edilen kam profillerinin karşılaştırılması”, Gazi
Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 24(3): 510-514 (2009).
65. İnternet: CUSSONS Motor Test Cihazı Kullanım Kılavuzu,
http://www.cussons.co.uk/education/products/automotive_technology/single_cyli
nder_engine_test_beds/p8160_single_cylinder_engine_test_bed.asp (2013).
66. Al-Faradyedhi, A.A., Al-Dawood, A.M., Gandhidasan, P., “Experimental
investigation of SI engine performance using oxygenated fuel”, Journal of
Engineering for Gas Turbines and Power Transactions of the ASME, 126(1):
179-191 (2004).
67. Liston, J., “Aircraft Engine Design”, First Edition, Second impression, McGrawHill book company inc. , New York, (1942).
68. Calam, A., “Fuzel Yağının Buji ile Ateşlemeli Bir Motorda Yakıt Karışımı
Olarak Kullanılmasının Motor Performansı Ve Emisyonlara Etkisinin
İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Ankara, 36-52 (2010).
70
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler
Soyadı, adı
: DEMİRCİ, Oğuz Kürşat
Uyruğu
: T.C.
Doğum tarihi ve yeri : 11.04.1989, Kemaliye
Medeni hali
: Bekar
Telefon
: 0 (537) 730 34 21
Faks
: 0 (446) 223 38 69
e-mail
: demirciok@gmail.com
Eğitim
Derece
Eğitim Birimi
Mezuniyet tarihi
Yüksek Lisans
Gazi Üniversitesi/ Fen Bilimleri
2013
Enstitüsü /Makine Eğitimi Bölümü
Lisans
Fırat Üniversitesi/ Teknik Eğitim
2011
Fakültesi/ Makine Eğitimi Bölümü/
Otomotiv Öğretmenliği
Lise
Erzincan İMKB Nevzat Ayaz
2006
Fen Lisesi
İş Deneyimi
Yıl
Yer
Görev
2009
Hiskar Otomotiv Fiat Yetkili
Servis Sorumlusu
Servisi Erzincan
2010
İşpar Otomotiv Bosch Car Yetkili
Servisi Erzincan
(Staj)
Servis Sorumlusu
(Staj)
Yabancı Dil
İngilizce
Hobiler
Klasik otomobiller, doğa sporları, doğa fotoğrafçılığı, mimari dekorasyon, şiir
Download