Experimental analysis of direct injection in wankel engine

Bugüne kadar birçok firma ve araştırmacı tarafından döner pistonlu Wankel motor ile ilgili sızdırmazlık, emisyon, performans, modelleme, ateşleme ve püskürtme, konstrüksiyon, malzeme gibi çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Wankel motorun klasik pistonlu motorlara göre üstün yanları düşük titreşim, hafiflik, daha az parça sayısı ve güç/ağırlık oranının yüksek olması şeklinde sıralanabilir. Bu motorlar, sahip oldukları avantajları sayesinde birçok uygulama alanına sahiptir. İnsansız hava araçlarında, tekne motorları olarak ve hibrit araç uygulamasında kullanılabilmektedir. Ancak yüksek yakıt tüketimi ve yüksek hidrokarbon emisyonları bu motorun dezavantajlarıdırç Deneylerde 13B-MSP Wankel motoru kullanılmıştır. Bu motorun kullanılmasındaki amaç; parça teminindeki kolaylıklar ve motor boyutlarının deney için gerekli ölçüm aletlerinin montajına elverişli olmasıdır. Çalışma kapsamında, manifolda püskürtmeli olan 13B-MSP Wankel motoru direkt püskürtmeye dönüştürülmüştür. Bu dönüşümden amaç bu motorun yanma odası geometrisinden kaynaklanan odanın arka tarftaki alev sönme problemini çözmek ve bu şekilde yakıt tüketimi ve hidrokarbon emisyonları azaltmaktır. Wakel motorunda, yanma odasının arka köşesi her zaman öndeki köşeden daha küçüktür. Yanma odasının arka bölgesindeki hacmin küçük olmasından dolayı alev cephesi bu bölgeye ilerlemeden sönüyor. Bu nedenle bu bölgede kalan yakıt yanmaya katkı sağlayamayıp yakıt tüketimini artdırır ve yüksek sıcaklıklarda hidrokarbon emisyonlarına dönüşür. Bu problemi engellemek için tek yol içerideki karışımı kademeli yapak ve yanma odasının arka bölgesini ön tarafa göre fakirleştirmek. Manifolda püskürtmeli yöntemde içerideki karışımı kontrol etmek mümkün olamaz. Bu nedenle mevcut tek yok motoru direkt püskürtmeye dönüştürmek. Direkt püskürtme ile içerideki karışımı kademeli yapıp, yakıtı ola bildikçe yanma odasının ön tarafında toplamak mümkün olabilir. Direk püskürtmeye dönüşümü gerçeklendirmek için ilk başta literatür taraması yapılmıştır. Bu taramada daha önce kullanılan enjektörün motor üzerindeki konumları incelenmiştir. Bu konumlar üç bölüme ayrılıp her bölümün avantaj ve dezavantaları incelenmiştir. İlk bölüm motorun emme tarafında olan bölgedir. Bu bölgenin avantajı enjeksiyona karşı düşük basınçtır. Motor çalışmasında bu bölgede motor sürekli emme halinde olduğu için burdakı hava basıncı herzaman atmosferden düşük bir basınçtır. Bu yüzden burada yüksek basınçlı direkt püskürtme yerine, manifolda püskürtmeli enjektörde kullanılabilir. Fakat burda dikkat edilmesi gereken şey ise enjektör açısının dar olmasıdır; aksi takdirde yakıt tekrardan arka köşeye kaçabilir. İkinci bölüm sıkıştırma tarafında olan bölgedir. Bu bölge istenilen kademeyi sağlamak açısından iyi olabilir fakat enjektör için gövdede açılan delik bu bölgede odalar arasında kaçaklara sebep olabilir çünkü rotorun ucu bu konumdan geçerken odalar arasındaki basınç farkı yüksek olmaktadır. Ayrıca, bu konumda yüksek karşı basınçtan dolayı yüksek enjeksiyon basıncıda gerekmektedir. Üçüncü bölge ise sıkıştırma sonunun olduğu ve arka bujinin bulunduğu yerdir. Bu bölge kullanmak için ikinci bujiyi elimine etmek ve ya bir ön yanma odası yapmaktır. Ancak bu rotor ve enjektör arasındaki mesafe oldukca kısadır. Bu bölgeyi kullanmak için yüksek basınçlı ve nufuz derinliği kısa olan bir enjektör kullanılmalıdır. Anlatılan üç farklı bölüm değerlendirilip, bahsedilen birinci bölüm yani emme tarafı enjektörün oturtulması için seçilmiştir. Çünkü bu bölge en pratık ve labratuvardaki şartlara en uygun bölgedir. Ayrıca karşı basıncın düşük olmasından dolayı normal manifolda püskürtmeli enjektörlerde kullanılabilir. Sonrakı adım motor için uygun enjektör seçmekti. Piysada mevcut olan ve günümüzdeki arabalarda kullanılan Bosch EV-14 serisi bu motor için uygun bulunmuştur. Bu seçimde dikkat edilmesi gereken konular enjektör debisi, gövde boyutu ve sprey açısıydı. Bu kriterleri göz önüne alarak iki enjektör, birisi düşük yükler için düşük debili ve diğeri yüksek yükler için yüksek debili olan enjektörler seçildi. Sonra motorda motor gövdesi üzerinde bu enjektörlere uygun yer açılmıştır. Deneyler yapılmadan önce, bu enjektörler üzerinde farkli testler yapılmıştır. İlk olarak enjektörlerin delik çapları ölçülmüştür. Sonra farklı basınçlar ve püskürtme sürelerindeki debi ölçülmüştür. Sonra farklı voltajların debi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bir sonraki adımda spery geometrisini görmek için yüksek hızlı kamera vasıtasıyla püskürtülen yakıtın fotoğrafları çekilmiştir. Bu foğraflarla enjektörün sprey açısı ve farklı zamanlarda nüfuz derinliği ölçülmüştür. Sonra enjeksiyon gecikmesi hesaplanıp, farklı voltajların bu gecikme üzerindeki etkisi incelenmıştır. Sonraki adımda, enjektör testlerinden elde edilen değerlere göre motor içindeki enjeksiyon görünümü (hava harekatını göz önüne almadan) tahmin edilip ve bir kaç hiz ve yük için animasyon yapılmıştır. Bu animasyonlarda enjeksiyon başlangıcı yakıt spreyinin rotora çarpmama şartıyla seçilmiştir. Son olarakta motor, direkt püskürtme sistemiyle çalıştırılıp ve deney sonuçları toplanmıştır. Bu deneyler, farklı yük ve hızlarda, farklı püskürtme zamanlarında ve farklı hava fazlalık katsayılarında yapılmıştır. Motor bu deneylerde, beklenilen püskürtme başlangıcın aksine, farklı püskürtme zamanlarında en iyi sonucu vermiştir. Spreyin rotora çarpmama durumunda motor kararlı bir şekilde çalışmayıp, ne zaman rotora çarpma maksimum seviyeye geliyorsa orda en verimli halde çalıştığı tespit edildi. Yakıt tüketimi yüzde 15 ile 20 arasınd artış gösterip, hidrokarbon emisyonlarıda genelde artış göstermiştir. Buradaki durum, yakıtın sıcak olan rotora çarpmama durumunda buharlaşmamasını göstermektedir. Sonuç olarak, bu motorda manifolda püskürtmeli enjektörü direk püskürtme yerine kullanıp yakıtı parçalayıp buharlaştırma mümkün olamaz. Manifolda püskürtmeli enjektörde buharlaşma, emme manifoldunun içerisindeki yüksek hızda olan hava akışında mümkün olabiliyor ve Wankel motorunun emme tarafındaki düşük hava harekatı buharlaşma için yetersiz kalıyor. Bu durumdaki tek çözüm yakıtın sıcak rotara çarpıp buharlaşması oluyor ki bu manifolda püskürtmeyle kıyasla motorun performansı düşürüp ve yakıt tüketimini artmaktadır. Bu nedenle Wankel motorunu direkt püskürtme haline getirilmesi için, atomizasyonu daha iyi olan direkt püskürtmeli enjektörler ve buna uygun yüksek yakıt basıncı kullanmak gerekmektedir.