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
