OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
DİZEL MOTOR İLK HAREKET DESTEKLEYİCİSİ OLARAK FAZ
DEĞİŞTİREN MALZEMELER
Galip Kaltakkıran*, M. Akif Ceviz*, Ferhat Kaya*, Erdoğan Güner*, Şükran Efe**,
Halil İbrahim Akolaş***
*Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Erzurum
**Bayburt Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Bayburt
***Bitlis Eren Üniversitesi, Ahlat Meslek Yüksekokulu, Otomotiv Teknolojileri Programı, Bitlis
ÖZET
Soğukta ilk hareket, dizel motorlarının en önemli olumsuz özelliklerinden bir tanesidir. Düşük çevre ve motor blok
sıcaklıklarında motorun harekete geçişi zorlaşır ve egzoz emisyonları ile ilgili sorunlar ortaya çıkar. Bu çalışmada, dizel
motorlarında soğukta ilk hareketi kolaylaştırmak ve egzoz emisyon karakteristiklerini iyileştirmek amacıyla faz
değiştiren malzemelerin (FDM) kullanımı önerilmiştir. Isı kaynağı olarak motor soğutma suyu kullanılmıştır. Motorun
çalışma sıcaklığına ulaşmasının ardından soğutma suyunda bulunan atık ısı FDM’ye aktarılmıştır. FDM’de depolanan
ısı, bir eşanjör yardımıyla motor emme havasına transfer edilmiştir. Deneyler 6 °C çevre sıcaklığında
gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan dizel motorun emme manifoldundan önce PCM malzemenin kullanımı,
emme havasının sıcaklığının artmasına neden olmuştur, bu durum motorun egzoz emisyon karakteristiklerini
iyileştirmiş ve soğukta ilk hareket sürelerini kısaltmıştır.
Anahtar kelimeler: Dizel motorlar, Faz değiştiren malzemeler.
PHASE CHANGE MATERIALS AS AN AID FOR COLD STARTING DIESEL ENGINES
ABSTRACT
Cold starting problems are one of the most important negative behavior of diesel engines. Engine starting gets
difficult and exhaust emissions problems arise at low ambient air and engine block temperature. In this study, the use of
phase change materials (PCM) has been proposed in order to ease the cold starting and to improve the exhaust emission
characteristics in diesel engines. Engine cooling fluid was used as heat source. After attaining the engine to the
operating temperature, the waste heat from the cooling fluid was transferred to the PCM. The heat stored in the PCM
was transferred to the engine intake air by using a heat exchanger. The experiments were carried out at 6 °C ambient air
temperature. The use of PCM before intake manifold of the experimental diesel engine caused to increase the
temperature of intake air, and thus improved the engine exhaust emission characteristics and cold starting durations.
Keywords: Diesel engines, Phase change materials.
Gelişmiş teknolojileri, yüksek tork ve motor
performans karakteristikleri nedeniyle son yirmi yılda
dizel motorların üretimi ve kullanımı önemli ölçüde
artmıştır [1]. Dizel motorlar, buji ateşlemeli motorlar ile
karşılaştırıldıklarında düşük yakıt tüketimleri sayesinde
daha az karbon dioksit (CO 2 ) emisyonu ürettikleri için
daha çevreci bir motor olarak nitelendirilirler [2]. Ancak
dizel motorların soğuk çalışma durumunda artış gösteren
1. GİRİŞ
İçten
yanmalı
motorların
çevre
üzerinde
oluşturdukları olumsuz etki büyük oranda ilk hareket
esnasında ürettikleri emisyonlardan kaynaklanmaktadır.
Ayrıca soğuk havalarda çalıştırılan, özellikle soğuk
iklimin uzun süre yaşandığı yerlerde içten yanmalı
motorlarda soğuk çalıştırma problemiyle karşılaşılır. Bu
etki özellikle dizel yakıt kullanan sıkıştırma ateşlemeli
motorda ortaya çıkmaktadır.
1
emisyon ve yakıt tüketimi özelliklerinin iyileştirilmesi
için yeni çözüm yöntemlerinin kullanımını gereklidir.
Bu çalışmada ise motor bloğunda dolaşan soğutma
suyu ısısından faydalanarak, bir eşanjöre yerleştirilmiş
olan FDM’lere ısı depolanmıştır. Ardından soğumaya
bırakılan sistemin, FDM’ler sayesinde daha uzun süreler
emme havası sıcaklığının çevre havası sıcaklığından daha
yüksek değerlerde olduğu tespit edilmiştir. Bu sayede,
artırılan emme havası sıcaklığının egzoz emisyon
karakteristiklerine olan etkisi ilk hareketin ardından
gözlenmiştir.
Soğukta ilk hareket, yakıt tüketiminin artmasına,
egzoz gazlarındaki CO ve HC konsantrasyonunun
artmasına, motorun geç cevap vermesine ve akü üzerinde
aşırı yükleme problemleri oluşmasına neden olduğu
bilinmektedir [3]. Wentwort [4] , Boam [5] ve Gümüş [6]
sıcaklığın azalmasının yağlayıcı madde viskozitesini
artırdığına ve bu durumun harekete karşı direnci artırarak
titreşimlerle birlikte motorda daha fazla gürültü
oluşturduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca Uğurlu [7] yaptığı
çalışmada motorun ilk hareketini izleyen ilk iki dakika
içerisinde, oluşan toplam HC emisyonlarının %80’ den
fazlasının ve CO oranlarının ise %50’ den fazlasının
salındığı belirtmiştir [8,9].
2.DENEYSEL ÇALIŞMA
Deneylerimizde, hidrolik fren (dinamometre)
tezgâhına yerleştirilen, 4-stroklu, su soğutmalı, sıkıştırma
ateşlemeli, Superstar marka motor kullanılmıştır.
Kullanılan motorun teknik özellikleri Çizelge 1’de ve
deney düzeneğinin genel görünümü ve ilgili ekipmanlar
Şekil 1.’de verilmiştir. Sıcaklık ölçümleri K tipi termo
çiftlerle gerçekleştirilmiş ve veri kaydı için VisualBasic
programından faydalanılmıştır. Sıcaklık ölçümü yapılan
noktalar Şekil 1’de termo çiftlerle gösterilerek Çizelge
2’de ilgili noktaların yerlerinin isimleri verilmiştir.
Motorun günlük olarak çalıştırıldığı düşünüldüğünde,
ayrıca her gün artan araç sayısı da dikkate alındığında,
soğuk çalıştırma probleminin önemini anlamak daha
kolay olmaktadır [10].
Dizel motorların ilk harekete geçiş ve egzoz emisyon
karakteristiklerinin iyileştirilmesi için yapılmış literatürde
çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu araştırmalarda
kızdırma bujileri ve emme havasının ısıtılması gibi
yöntemler kullanılmaktadır. Kızdırma bujileri yanma
odasındaki havanın sıcaklığını artırırken, emme havasının
ısıtılması elektrik direnci veya ilave yakıcı sistemlerle
sağlanmaktadır. Böylece
motorun ilk hareketi
kolaylaşmakta ve egzoz emisyon karakteristikleri
iyileşmektedir. Ancak elektrik ısıtıcıları enerji deposu
olarak aküyü kullanmaktadırlar. Özellikle düşük
sıcaklıklarda akü performansının düşmesi ve ilk
çalıştırma esnasında motor krank milinin tahriki için marş
motorunun aküyü oldukça yüksek seviyede yüklemesi bu
yöntemin en önemli dezavantajıdır. Emme manifoldunda
yanma sistemleri ile giriş havasının ısıtılması yönteminde
ise ilave yakıt tüketimi gerçekleştirilmekte ve bu durum
hem enerji tasarrufu hem de atmosfer kirliliği açısından
ciddi sorunlar oluşturmaktadır. Diğer taraftan ilk harekete
geçişi kolaylaştırmasına rağmen yanma odası içerisinde
kızdırma bujileri istenmeyen elemanlardır ve normal
çalışma şartlarında yanma prosesini olumsuz yönde
etkilemektedirler.
Çizelge 1. Motor özellikleri
Yapılan tarama sonucunda dizel motorlarının soğukta
ilk hareket ve egzoz emisyon karakteristikleri üzerinde
çeşitli çalışmalara rastlanmasına rağmen FDM’ler
kullanılarak içten yanmalı motorlar üzerinde yapılmış
sınırlı sayıda çalışma ulaşılabilmiştir. Gümüş [6] yaptığı
çalışmada katalitik konvertörün çalışma sıcaklığına
ulaşma süresini kısaltmak amacıyla FDM’den
yararlanmıştır. Vasiliev [11] tarafından yapılan çalışmada
ise bir otobüs motorunun ön ısıtması amacıyla FDM
kullanılmış ve üretilen matematiksel model ile bu işlem
için gerekli süreler hesaplanmıştır.
2
Motor tipi
Super Star 7728
Silindir tipi-sayısı
Zaman sayısı
Soğutma sistemi
Supap mekanizması tipi ve
Model yılı
Strok, mm
Çap, mm
Toplam silindir hacmi, cm3
Soğutma suyu kapasitesi, lt.
Sıkıştırma oranı
Enjeksiyon türü
Maksimum moment
Maksimum güç
Rölanti hızı
Yakıt
Sıra-2
4-zamanlı
Su soğutmalı
OHC-4
1998
100
98
1540
6
17 : 1
Direkt enjeksiyonlu
2500 d/dak’da 8 kgm
2750 d/dak’da 28 HP
800±50 d/dak
Dizel
Deneylerin tamamında çevre havası sıcaklığı 6 ±1 °C
seviyesindedir. Aynı koşullarda deney yaparak ilk hareket
performansı üzerinde yalnızca üretilen düzenek sayesinde
artırılan emme havası sıcaklığının etkisini gözlemlemek
amacıyla, FDM’ye ısı depolanması prosesi harici bir
sistem ile gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde FDM
eşanjöründe bulunan su hattından, blokta ısınan su değil
harici olarak ısıtılan su geçirilmektedir. Bu sayede farklı
sıcaklıklarda emme havası şartları elde edilmiş ve her
defasında motor bloğu sıcaklığı sabitlenerek anlamlı
deneyler yapma imkânı elde edilmiştir. Deneyler
ısıtılmamış FDM durumu ve FDM sıcaklığının 20, 40, 50
ve 60 °C seviyeleri olmak üzere 5 farklı şartta
gerçekleştirilmiştir.
Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görünüşü
1- Motor
2- Radyatör
3- Eşanjör
4- Egzoz emisyon cihazı
3. ARAŞTIRMA BULGULARI
5- Silindir hava girişi
6- Veri iletişim kartı
7- Kişisel bilgisayar
Çizelge 2. Kullanılan termo çiftlerin yerleri ve isimleri
T1
T2
T3
T4
Eşanjöre giren hava sıcaklığı
Eşanjörden çıkan hava sıcaklığı
FDM'li plaka yüzey sıcaklığı
Soğutma suyu çıkış sıcaklığı
Motor emme havası sıcaklığını artırmak amacıyla
kullanılan eşanjörün katı model görünümleri ise Şekil
2.’de verilmiştir. Eşanjör içerisine yerleştirilmiş ve
içerisine sıvı fazda FDM doldurulan bakır plakaların üst
ve alt tarafından geçen soğutma suyu sayesinde atık ısının
bir bölümü çekilmekte ve FDM’nin tekrar sıvı faza
geçmesi sağlamaktadır. Bu sayede gizli ısı FDM’ye
depolanmış olmaktadır. Dış ortam havası motorun ilk
hareketi ile emme manifolduna doğru akmaya
başladığında, doğrudan bu yapı üzerinden geçerek
sıcaklığının artması sağlanmakta ve motora daha yüksek
sıcaklıklarda hava transfer edilmiş olmaktadır.
Şekil 3. FDM’nin ısıtılmadığı durumda sıcaklık değişimleri
Şekil 4. FDM’nin 20 °C olması durumda sıcaklık değişimleri
Şekil 5. FDM’nin 40 °C olması durumda sıcaklık değişimleri
Şekil 2. Kullanılan eşanjörün katı model görünümü
3
azaldığı görülmektedir. FDM sıcaklığı artarken artan
emme havası sıcaklığı silindir içi başlangıç yanma
karakteristiklerini olumlu yönde etkileyerek eksik yanma
ürünü olan CO emisyonunda azalmaya neden olmuştur.
3. SONUÇLAR
Yapılan çalışmadan elde edilen sonuçlar ilgili konuda
yapılan başlangıç deneylerine aittir ve aşağıdaki şekilde
elde edilen sonuçlar özetlenebilir.
1- FDM’ler kullanılarak motor soğutma suyu atık
ısısından faydalanıp emme havası sıcaklığı
artırılabilir.
2- Bu sayede artırılan hava sıcaklığı motor zararlı
egzoz emisyonlarını azaltarak, özellikle ilk
harekette ortaya çıkan çevre üzerindeki olumsuz
etki azaltılmış olacaktır.
3- Motor çalışma sıcaklığına ulaştığında emme
havası deneylerde kullanılan eşanjörden değil
açılan ikinci bir kanaldan motora sevk
edilmelidir. Çünkü çalışma sıcaklıklarında emme
havasının sıcaklığının artması motor volumetrik
veriminin azalmasına sebep olacaktır.
Şekil 6. FDM’nin 50 °C olması durumda sıcaklık değişimleri
Şekil 7. FDM’nin 60 °C olması durumda sıcaklık değişimleri
Şekil 3 incelendiğinde deneylerin başlangıcında eşanjöre
giren hava sıcaklığı, eşanjörden çıkan hava sıcaklığı,
FDM'li plaka yüzey sıcaklığı ve soğutma suyu çıkış
sıcaklığı yaklaşık 6 ºC civarındadır. Motor çalıştırıldıktan
sonra ise soğutma suyu sıcaklığı artarken diğer üç
sıcaklık sabit kalmıştır. Oysa Şekil 4-7 arasında
gösterildiği üzere FDM’li yüzey sıcaklığı 20, 40, 50, 60
°C sıcaklığa çıkarılırken emme havası sıcaklığını
gösteren eşanjörden çıkan hava sıcaklığı önemli
seviyelerde artış göstermiştir. Bu durum hem FDM’lere
yüklenen gizli ısının hem de soğutma suyu ve eşanjör katı
elemanlarına
yüklenen
duyulur
ısının
motor
çalıştırıldıktan sonra geri kazanıldığını göstermektedir.
Deneyler yaklaşık 800 sn sürdürülmüştür ve FDM’li
yüzey sıcaklığı artarken eşanjörden çıkan havanın
sıcaklığının da arttığı görülmüştür.
TEŞEKKÜR
Bu çalışma, 2012/109 numaralı proje ile Atatürk
Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi tarafından
desteklenmektedir. Bu çalışmada yer alan veriler ön
deneylere ait veriler olup, proje çalışmaları devam
etmektedir.
KAYNAKLAR
1. Çelik, A., Ceviz, M.A., Yılmaz, M., Öner, İ.V.,
Karagoz, Ş., 2013, “Effects of using vortex tubes on
events during cold start of a direct injection
diesel”, Journal of Renewable and Sustainable
Energy.
2. Çelik, A., Ceviz, M. A., Yılmaz, M., Çomaklı, K.,
2011. “Dizel motorlarında ilk harekete geçiş
süresince silindiriçi değişimler”, ULIBTK’11 18.
Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Zonguldak,
Eylül 07-10.
3. Vasiliev, L.L., Burak, V.S., Kulakov, A.G.,
Mishkinis, D.A., Bohan, P.V., 2000, “Latent heat
storage modules
for preheating internal
combustion engines: application to a bus petrol
engine”, Applied Thermal Engineering, Vol.20, pp.
913-923.
4. Wentworth, J.T., 1968, “Piston ring variables
affect exhaust
hydrocarbon emissions, in:
Proceedings of Conference of Society of
Automotive Engineers (SAE), Warrendale, PA, pp.
680109.
Şekil 8. Farklı FDM sıcaklıkları için CO emisyonu değişimi
Şekil 8 incelendiğinde ise FDM sıcaklıkları artarken
egzoz emisyonları içerisindeki CO konsantrasyonunun
4
5. Boam, D.J., 1986, “Energy audit on a two litre
saloon car driving an ECE 15 from a cold start”,
Proc. Inst. Mech Engrs, Part D, J. Automobile Engng ,
Vol.200, pp. 66-67.
6. Gumus M., 2009, “Reducing cold-start emission
from internal combustion engines by means of
thermal energy storage system”, Applied Thermal
Engineering, Vol.29, pp. 652-660.
7. Uğurlu
A.,
2008,
“Taşıt
lpg
dönüşüm
regülatörlerindeki soğuk çalıştırma probleminin
çözümünde faz değiştiren malzemelerin (pcm)
uygulanması” Y.Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi,
Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
8. Liu, Z.; Li, L.; Deng, B., 2007, “Cold Start
Characteristics at Low Temperatures Based on the
First Firing Cycle in an LPG Engine”, Energy
Conversion and Management, Vol. 48, pp. 395–404.
9. Kwak, H., Myung, C.L., Park, S., 2007,
“Experimental Investigation on the Time Resolved
THC Emission Characteristics of Liquid Phase
LPG Injection (LPLi) Engine During Cold Start”,
Fuel, Vol. 86, pp. 1475-1482.
10. Henein, N.A., Tagomori M.K., 1999, “Cold-start
hydrocarbon emissions in port-injected gasoline
engines”, Progress in Energy and Combustion
Science, Vol. 25, pp. 563–593.
11. Vasiliev, L.L., Burak, V:S., Kulakov, A.G.,
Mishkinis, D.A., Bohan, P.V., 1999, “Heat storage
device for pre-heating internal combustion engines
at start-up”, Int. J. Therm. Sci., Vol .38, pp. 98-104.
5
6
Download

dizel motor ilk hareket destekleyicisi olarak faz değiştiren