İçten yanmalı motorlarda farklı yanma odası geometrilerinin performans ve emisyonlara etkisi

İçten yanmalı pistonlu motorlar yakıtın içinde barındırdığı kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren sistemlerdir. Bu enerji, yakıtın motor içerisinde yakılması ile ortaya çıkar. İçten yanmalı pistonlu motorlar temel olarak iki sınıfa ayrılır. Buji ile ateşlemeli motorlar (bu motorlar Otto motorları, benzinli motorlar veya kıvılcım ateşlemeli motorlar olarak ta isimlendirilebilmektedir) ve sıkıştırma ateşlemeli motorlar (bu motorlar da dizel motorlar olarak isimlendirilebilmektedir) olarak sınıflandırılabilmektedir. İçten yanmalı pistonlu motorlar kara, deniz ve hava taşımacılığında ve diğer güç üretim sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde içten yanmalı motorlarla ilgili yapılan çalışmalar genellikle motorların yakıt tüketiminin iyileştirilmesi ve çevreye salınan zararlı egzoz emisyonlarının azaltılmasına yöneliktir. Kıvılcım ateşlemeli motorlarda performansın iyileştirilmesi ve zararlı egzoz emisyonlarının azaltılmasında yanma sürecinin önemi büyüktür. Yanma sürecinde ise kimyasal ve fiziksel etkenler çok önemlidir. Motorlarda kimyasal etkilerden daha çok türbülans gibi fiziksel değişkenler yanma olayını etkilemektedir. Buji ile ateşlemeli motorlarda hızlı yanma (daha kısa yanma süresi) motorun kararlı çalışma şartlarını genişleterek farklı hava yakıt oranları kullanılmasına fırsat tanır. Aynı zamanda yanma hızının artırılması ile motorun vuruntu meyli azaltılarak daha yüksek sıkıştırma oranlarının kullanılması mümkün hale gelir. Yanma hızına etki eden en önemli değişken silindir içerisindeki hava hareketleridir. Silindir içerisindeki hava hareketleri emme manifoldu ve yanma odası tasarımına bağlı olarak oluşur. Buji ile ateşlemeli motorlarda tam yük bölgesinde verim %35 değerlerine kadar ulaşırken kısmi yük bölgesinde %10'lara kadar düşebilmektedir. Kısmi yük bölgesindeki kayıpların en büyük nedeni kelebek dolayısı ile ortaya çıkan kısılma kayıplarıdır. Bu kayıpların azaltılması için farklı alternatif yöntemler geliştirilmeye çalışılmaktadır. Motorun fakir karışımlarda kararlı çalıştırılması ile kısılma kayıpları kısmen azaltılabilmektedir. Bu çalışmada içten yanmalı motorların performans ve emisyonlarını etkileyen önemli parametrelerden birisi olan yanma odası geometrisinin etkisi farklı yanma odası geometrileri kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir. Üç farklı tip yanma odası geometrisi farklı sıkıştırma oranlarında tasarlanmıştır. Seçilen yanma odası tiplerinden ikisi kıvılcım ateşlemeli motorlarda kullanılan düz ve SO (silindirik oyuklu) geometrilerdir. Bu tiplere ek olarak Prof. Dr. Rafig Mehdiyev tarafından önerilen MR tipi yanma odası geometrisi denenmiştir. MR tipi yanma odası geometrisinden beklenen türbülansı artırarak motorun fakir karışımlarda daha kararlı çalışmasını sağlamasıdır. Türbülans yanma hızını artırdığından motor daha yüksek sıkıştırma oranlarında vuruntu olmadan çalışacaktır. Bu yanma odası geometrisi üç farklı sıkıştırma oranında (10,5; 12 ve 14) üretilmiştir. Düz yanma odası geometrisinde yanma hızları düşük beklenildiğinden yalnızca en düşük sıkıştırma oranı olan 10,5 değerinde üretilmiştir. SO tipi yanma odası geometrisi tipinde pistonun ortasında bir oyuk bulunmaktadır. Bu nedenle bu yanma odası geometrisinde oyuk dışı hacimsel hızlar oluşacaktır. Bu hava hareketlerinin yanma hızlarını artırması beklendiğinden 10,5 ve 12 sıkıştırma oranlarında üretilmiştir. Deneyler sıkıştırma ateşlemeli motordan buji ile ateşlemeli motora dönüştürülmüş su soğutmalı tek silindirli bir motorda yapılmıştır. Motorda püskürtme enjektör tarafından emme manifolduna yapılmaktadır. Püskürtme ve ateşleme sistemi daha önceden bir yüksek lisans tezi kapsamında tasarlanan elektronik kontrol ünitesi ile kumanda edilmektedir. Deneyler üç farklı motor dönme sayısında (1500, 2000 ve 2500 d/d), farklı yük (1, 3, 5 ve 7 bar 1500 ve 2000 d/d için ve tam açık gaz kelebeği 2500 d/d için) ve farklı hava fazlalık katsayılarında (1,00; 1,20; 1,40 ve 1,60; 1500 ve 2000 d/d için 1,00; 1,10; 1,20; 1,30; 1,45; 1,60 ve 1,70 2500 d/d için) yapılmıştır. Her bir deney noktasında basınç toplama sistemi ile silindir içi basınç, emme ve egzoz manifoldu basınçları toplanmıştır. Deney odası veri toplama sitemi ile yakıt tüketimi, motor gücü, egzoz emisyon değerleri, ortalama sıcaklık ve basınçlar her bir deney noktası için 90 saniye boyunca kaydedilmiştir. Tüm pistonlar için yaklaşık olarak 200 deney yapılmıştır. Deney sonuçları üç farklı bölümde incelenmiştir. Bunlar; yakıt tüketimi, tork ve emisyon değerleri gibi motora ait temel büyüklükler; silindir içi basınç, açığa çıkan ısı miktarı ve yanma süresi gibi indike değerler; son olarak da yanma hızı ve türbülans katsayısını araştırmaya yönelik yapılan teorik çalışmanın sonuçlarıdır. Deney sonuçları incelendiğinde beklendiği gibi stokiyometrik karışımdan fakir karışımlara doğru gidildikçe belli bir değerden sonra NO emisyonları önemli oranda azalmıştır. HFK'nın 1,00'de 1,60'a artması durumunda NO değeri % 80 civarında azaldığı görülmüştür. Aynı sıkıştırma oranı için yanma odası geometrileri birbiri ile karşılaştırıldığında MR tipi yanma odası geometrisinin ideal ateşleme avansının daha düşük olmasından dolayı NO emisyonları daha azdır. Ateşleme avansının daha az olmasının nedeni teorik model yardımıyla açıklanmıştır. HC emisyonları incelediğinde HFK ile değişimi genel literatür bilgilerine uygundur. Beklendiği gibi yanmanın kötüleşmesine bağlı olarak çok fakir karışımlarda HC emisyonları artmaktadır. HC emisyonları HFK'nın 1,60 olduğu çalışma koşullarında stokiyometrik karışıma göre %60 civarında artmıştır. HC emisyonları ile ilgili dikkat çeken bir nokta da düz pistonun özellikle tam yük bölgesinde en düşük değerleri vermesidir. Bunun sebebi istenen sıkıştırma oranının elde edilebilmesi için yapılan tasarımda düz pistonun üst segman boşluk hacminin çok daha az olmasıdır. Aşırı fakir karışımlarda bu özelliğini kaybettiği görülmüştür. Bunun nedeni bu yanma odası geometrisinde yanma hızlarının düşük olmasından dolayı fakir karışımlarda çalışamamasıdır. CO emisyonu hava fazlalık katsayısına çok bağlı olduğundan yanma odası geometrileri arasında önemli bir fark oluşmamıştır. En uygun geometrinin seçilmesinde emisyon değerlerinin yanı sıra yakıt tüketimi değerlerinin de incelenmesi gerekir. Sabit ortalama efektif basınçta hava fazlalık katsayısının artması ile özgül yakıt tüketim değerleri düşmüştür. Buradaki en büyük etki karışımı fakirleştirmek için gaz kelebeğinin bir miktar açılması ile hacimsel verimin artmasıdır. Tezin temel konusuna uygun olarak türbülans hareketlerinin az olduğu düz yanma odası geometrisi HFK'nın 1,40'tan büyük değerlerinde kararlı çalışmamış ve buna bağlı olarak özgül yakıt tüketimi değerleri diğer pistonların aksine kötüleşmiştir. Sıkıştırma oranına bağlı olarak özgül yakıt tüketimi değerleri incelenirse, 12 sıkıştırma oranı en uygun geometridir. İkinci aşama olarak indike değerler karşılaştırılmıştır. Aynı sıkıştırma oranına sahip yanma odası geometrileri arasında en yüksek basınç değeri MR tipi için elde edilmiştir. Aynı zamanda MR tipi yanma odası geometrisi en yüksek basınç artış hızlarına sahiptir. SO tipi yanma odası geometrisinin basınç artış hızının da düz yanma odasından büyük olduğu görülmüştür. Basınç artış hızı yanma hızı ile ilgilidir. Sıkıştırma oranının artması ile en yüksek basınç değerleri artmıştır. Basınç artış hızlarında önemli bir değişiklik oluşmamıştır. Hava fazlalık katsayısının artması ile maksimum basınç değeri ve basınç artış hızı düşmüştür. HFK'nın artması ile yanma hızları düşmüştür. Isı açığa çıkış hızları basınç artış hızları ile benzerlik göstermiştir. En yüksek ısı açığa çıkış hızı MR tipi yanma odası geometrisi için elde edilmiştir. SO tipi yanma odası geometrisinin değeri de düz yanma odası geometrisinden büyük çıkmıştır. Isı açığa çıkış hızı yanma hızına bağlı olduğundan düz yanma odası geometrisinin yanma hızının diğer geometrilere göre daha düşük olduğu görülmüştür. Sıkıştırma oranının artması ile ısı açığa çıkış hızlarında önemli bir değişiklik olmamıştır. Hava fazlalık katsayısının artması ile ısı açığa çıkış hızları düşmüştür. Karışım fakirleştikçe yanma hızları düşmüştür. Çevrimsel farklılıklar yanma odası geometrilerinin karşılaştırılması için önemli bir değişkendir. Motorun kararlı çalışma durumunun değerlendirilmesini kolaylaştırır. Çevrimsel farklıklar maksimum basınçların ve ortalama indike basınçların COV değerleri karşılaştırılarak incelenmiştir. 3 bar yük ve HFK'nın 1,00 değeri için 10,5 sıkıştırma oranından maksimum basınç COV değerleri düz, SO ve MR geometrileri için sırasıyla %24, %7 ve % 4 olarak elde edilmiştir. Yük arttıkça çevrimsel farklılıklar azalmıştır. Karışımın fakirleştirilmesi durumunda bütün geometrilerin COV değerleri artmıştır. HFK'nın 1,00'den 1,40'a değiştirilmesi ile düz, SO ve MR tipi yanma odalarında 7 bar yük durumu için sırasıyla maksimum basınç COV değerleri %6,9'dan 15,8'e; %4,3'ten 13,8'e ve %3,8'den 8,1'e yükselmiştir. Düz yanma odası geometrisinin fakir karışımlarda tüm yük durumları için COV değerleri en büyük elde edilmiştir. MR tipi yanma odası geometrisinde türbülans oluşturularak yanma hızı artırıldığından COV değerleri fakir karışımlarda büyük artış olmamıştır. Elde edilen sonuçlarda MR tipi yanma odası geometrisinin diğer geometrilere nazaran daha düşük COV değerleri oluşturduğu görülmüştür. 14 sıkıştırma oranına sahip MR yanma odası geometrisinin stokiyometrik karışım ve yüksek yük durumlarında COV değerleri artmıştır. Sonuçların incelenmesi için bir termodinamik model yapılmıştır. En büyük yanan hacim büyüme hızlarına MR tipi yanma odası geometrisi sahiptir. Hacim büyüklüklerinden hesaplanan alev hızları karşılaştırıldığında en yüksek alev hızına MR tipi yanma odası geometrisi sahiptir. MR tipi yanma odası geometrisi en yüksek türbülans katsayılarına sahiptir. MR tipi yanma odası geometrisinin türbülansı artırarak çevrimsel farklılıkları azalttığı ve motorun kararlı çalışmasını sağladığı görülmüştür. Bu sayede motorun fakir karışımlarda çalışmasını sağlayarak yakıt tüketimini ve NO emisyonlarını azaltmıştır.