Akademik Veri Yönetim Sistemi
ÇANAKCI M. (Yürütücü), SOYHAN H. S., ALPTEKİN E., TÜRKCAN A.
TÜBİTAK Projesi, 2014 - 2018
İçten yanmalı motorlarda kullanılan klasik supap zamanlamasında, motorun belli bir devri ve yükü göz önüne alındığından, silindire alınan hava miktarı, motorun geçiş devirlerinde ve değişik devir aralıklarında yetersiz kalmaktadır. Bu durum, motorda volümetrik verimin azalmasına ve egzoz emisyon salınımının artmasına neden olmaktadır. Bilindiği üzere, motor performansına etki eden en önemli parametrelerden birisi volümetrik verimdir. Volumetrik verime etki eden parametreler olarak; atmosferik şartlar, silindir içi termodinamik özellikler, hava akış alanı, motor devri, emme supabının açılma-kapanma zamanları, supap kalkma miktarı vb. gösterilebilir. Bu projede, bu parametrelerden emme supap zamanlamasının volumetrik verim üzerine etkisi deneysel ve üç boyutlu model üzerinden incelenecektir. Deneylerde, klasik kamlı buji ateşlemeli bir motor elektromanyetik supap kontrollü (kamsız) bir motora çevrilecektir.
Bilindiği üzere, motor devri değişimi ile piston hızı, piston hızına bağlı olarak da içeri alınan dolgunun hızı ve kinetik enerjisi değişmekte, bu yüzden de supap zamanlamasının her bir motor devri için sürekli değişmesi gerekmektedir. Bunu sağlayabilmek için motor devrine göre emme supabının açılma-kapanma zamanını ve açılma miktarını değiştiren mekanizmaya sahip sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sistemler ile motor çalışma koşullarına olabildiğince mükemmel uyum sağlanarak, her devirde silindire alınan optimum dolgu miktarı ile yüksek performans elde edilebilecektir. Günümüz motor fabrikaları tarafından seri üretimi yapılan değişken supap zamanlı motorlar, supap kalkış miktarını ve zamanlamasını kam milini kontrol ederek gerçekleştirmektedir. Bu sistemlerdeki kam mekanizmaları ekstra kam loplarına sahip olduğundan, motor geçiş devirlerine yeterince hızlı cevap verilememekte, gürültü oluşumu ve sürtünme kayıpları artmaktadır. Aynı zamanda, bu sistemlerin üretim ve bakım maliyetlerinin yüksek olması, uygulamada sınırlamalara yol açmaktadır. Bu ve benzeri dezavantajlar doğrultusunda motor üreticileri ve akademisyenler Ar-Ge çalışmalarında kamsız motor teknolojisi üzerinde çalışmalar sürdürmektedirler.
Bu çalışmada, motorun belirli devir aralıkları için emme supabının çalışma parametrelerinin (emme supabının açılıp-kapanma zamanı ve supap kalkış miktarının değişimi) optimizasyonu ile motorun düşük ve yüksek devirleri arasında emme manifoldundaki akışın kontrolü sağlanarak, volumetrik verimin lineer seyretmesi (ideale yakın) elde edilmeye çalışılacaktır. Düşük devirlerde daha yüksek hava akış kararlılığı sağlanıp, yüksek devirlerde içeri alınan havanın hızı ve kinetik enerjisi gerekli supap zamanlamalarıyla optimize edilecektir. Supap çalışma parametrelerinin, emme manifoldundaki akış üzerine etkisi deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenecektir.
Projenin iki aşamada gerçekleşmesi planlanmıştır. Birinci aşamada (deneysel aşama), klasik kam miline sahip bir benzinli motor elektrik motoruna bağlanarak, yanmasız (motorize) bir ortamda, motorun belli devirleri (1000-3000 d/d) arasında emme manifoldundaki kütlesel hava debisi ölçülecektir. Klasik motor ile elde edilecek kütlesel hava miktarları, değişken supap zamanlı çalışma için referans kabul edilecektir. Daha sonra, aynı motor, elektromanyetik supap kontrollü motora çevrilerek, kamsız motor sistemi ile çalıştırılacaktır. Bu sistemde, supapların açılıp kapanması selenoid bobinler ile sağlanacaktır. Elektromanyetik supap sistemi, bir mikro kontrolör devresi tarafından kontrol edilerek, klasik motor için tanımlanan sabit devir şartlarında, emme supap zamanı ve supap kalkış miktarı değişiminin kütlesel hava debisi üzerine etkisi incelenecektir. Her bir emme supap zamanlaması ve supap kalkış miktarı değişimi için elde edilen kütlesel hava debisi klasik motor verileri ile karşılaştırılarak, optimum hava akış bölgeleri tespit edilecektir. Böylece, motora ait solunum haritası çıkarılmış olacaktır. Ayrıca, bu sistemle sürtünme kayıplarında ve supap sistemini oluşturan mekanik parçalarda azalma sağlanacaktır. Projenin ikinci aşamasında, hava özellikleri (basınç ve sıcaklık), emme supap zamanlaması, supap kalkış miktarı gibi başlangıç koşulları ve motor parametreleri kullanarak modelleme çalışmasının yapılmasıdır. Klasik kam ve kamsız sistem ile deneysel olarak yapılması planlanan valf zamanı denemeleri ile eş zamanlı olarak bilgisayar destekli akışkan dinamiği (CFD) tabanlı bir bilgisayar programında analiz edilecektir. CFD analizleri deneysel çalışmalar ile eş zamanlı başlayacak fakat CFD yazılımlarının modelleme ve çözüm süresinin uzun olması nedeniyle analiz girdilerine yine deneysel olarak elde edilen sonuçlar yön verecektir. Böylece, benzer çalışmalarda da kullanılabilecek bir model oluşturulmaya çalışılacaktır. Bu model deney sonuçları ile doğrulandıktan sonra deneysel olarak gözlemlenmesi zor yâda imkânsız olan parametrelerin de belirlenen aralıklarda simüle edilmesine imkan tanıyacaktır. Deneysel ortamda oldukça maliyetli olan parametrik çalışma daha az maliyet ile gerçekleştirilebilecektir.
Ayrıca, bu projeden elde edilecek deneysel sonuçlar ve oluşturulacak model ile Kocaeli ve çevresindeki otomotiv Ar-Ge merkezlerine katkı sağlayacağı beklenmektedir.