Doğalgaz veya hidrojen katkılı fakir karışımlı benzin motorları

 Diğer taraflın, doğalgaz veya hidrojen gibi geniş tutuşma aralıklı gaz yakıtların içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılmaları, gerek depolama gerekse dağıtımı sorunları nedeniyle bugün geniş ölçüde uygulamaya konulamamaktadır. Ancak bu yakıtların fakirleştirilmiş benzin-hava karışımına belli bir oranda katılarak kullanılmaları, bahsedilen zorlukların en az düzeyde tutulması ve fakir karışımın avantajlarının büyük bir kısmından faydalanabilme olanağı vermektedir. Bu çalışmada fakir karışımın avantaj ve dezavantajlarının genel olarak analizi yapılmakta ve doğalgaz   ve   hidrojen   katkılı   benzin-hava karışımlı benzin motorunun performansı için literatürde mevcut olan ve İ.T.Ü. Makina Fakültesi, Otomotiv Anabilim Dalı laboratuvarında yapılan çalışmalardan örnekler verilmektedir. Sonuçlar anlamlı bir katkı oranının % 7-10 civarında olması gerektiğini göstermektedir.

Giriş

İçten yanmalı motorlarda kirletici egzos gazları emisyonu ve motor performansı karışım oranından önemli ölçüde etkilenmektedir (Şekil 1). Benzin motorlarında maksimum güç, stokiyometrik karışımdan bir miktar daha zengin karışım oranlarında elde edilirken, özgül yakıt tüketiminin, karbon monoksit (CO) ve yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonlarının minimum olduğu karışım oranları stokiyometrik orandan daha fakir tarafta yer almaktadır. Diğer taraftan azot oksit (NOx) emisyonları yaklaşık % 10 fakir karışımlarda bir tepe noktasına ulaşmakta ancak karışımın daha da fakirleştirilmesi sonucu tekrar azalmaktadır. Bu nedenle benzin motorlarının fakir karışım oranlarında çalıştırılması yakıt ekonomisi ve egzos gazları emisyonu açısından yarar sağlamaktadır.

Ancak karışımın fakirleştirilmesi, tutuşması ve yanma stabilitesi açısından sorun yaratmaktadır. Aşırı zengin ve aşırı fakir karışımlarda tutuşmanın sağlanabilmesi için gerekli enerji miktarı artmaktadır. Ayrıca yanma hızı da karışım oranının kuvvetli bir fonksiyonu olup maksimum alev nazına bir miktar zengin karışım tarafından (hava fazlalık katsayısı, X = 0.8 - 0.9) ulaşılmaktadır. Fakir karışımlara gidildikçe yanma hızı azalır ve yanma süreci uzar. (Şekil 2). Yanma stabilitesinin arttırılması için, belirli bir motor dönme sayısında yanmanın krank mili açısı cinsinden daha kısa bir süre içerisinde gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu amaçla yanma sonucunda oluşacak maksimum silindir basıncının üst ölü noktadan (ÜÖN) yaklaşık 10-15 °KMA sonra gerçekleştirilmesi ve gene yakıtın yaklaşık % 50 kadarının ÜÖN'dan 10 °KMA sonra yanmış olması hedeflenmektedir. Bu amaçla ateşleme avansının arttırılarak ateşlemenin erkene alınması çoğu zaman yetersiz kalmaktadır. Bu durumda fakir karışım uygulamalarında yanmayı hızlandıracak başka yaklaşımlara gerek duyulmaktadır.

Fakir karışımın avantajlarından yararlanırken sakıncalarını da minimuma indirmek amacıyla uygulanan yaklaşımlardan biri de kademeli dolgu uygulamasıdır. Bujiye yakın konumlarda zengin karışım diğer kısımlarda da fakir karışım elde edilecek şekilde yanma odasının farklı konumlarda farklı karışım oranlarına sahip olan ha-va-yakıt karışımları "kademeli dolgu" olarak adlandırılmaktadır. Kademeli dolgulu motorlarda, konvansiyonel benzin motorlarında sağlanmakta olan homojen karışım geçerli değildir. Ancak bu motorlarda ortalama karışım oranı fakir olacak şekilde düzenleme yapılmaktadır.

Bu uygulamada, bujiye yakın konumlarda zengin karışım olması sonucu ilk tutuşma problemleri giderilmekte, ayrıca başlangıçta yüksek   yanma   hızı   sağlanmakta-

dır. bujiden uzak konumlarda ise fakir karışım oranının bulunması vuruntu meylini azaltmaktadır. Bu durumda motorun sıkıştırma oranını vuruntu olasılığını arttırmadan bir miktar daha arttırmak mümkündür.

Kademeli dolgu uygulamasında farklı yaklaşımlar vardır. Son yıllarda ortaya çıkan ve geliştirilen uygulamada benzin direkt olarak yanma odası içerisinde püskürtülmekte ve bu yolla silindir içinde yerel olarak farklı karışım oranları elde edilmektedir. Ortalama karışım oranının fakir tarafta bulunduğu bu motorlar, özgül yakıt tüketimi ve CO, HC emisyonları açısından üstünlüğe sahiptir. Diğer taraftan, silindir içinde homojen bir benzin buharı-hava karışımı söz konusu olmadığı için vuruntu meyli düşüktür ve sıkıştırma oranının 12: 1 mertebelerine çıkartılabilmesi verimi ve motor gücünü arttırmaktadır.

Ancak, karışım yeterince fakirleş-tirilmediğinde NOx emisyonları istenilen düzeyin üzerinde kalabilmektedir. Bu emisyonların azaltılması amacıyla da fakir karışımlar için NOx katalizörleri geliştirilmektedir.

Fakir karışımlarda yanma stabilitesi

Benzin motorlarının fakir karışım oranlarında çalıştırılması yanma stabilitesini   olumsuz   etkilediğinden, motorun çalışması sırasında çevrimden-çevrime olan farklılıklar artış göstermektedir. Bu durum optimum ateşleme avansına göre olan değerlerden sapmaları artırır ve motor gücünü, verimini ve egzos gazları emisyonunu olumsuz etkiler. Hava fazlalık katsayısının 1.0 değerinden. 1.4 değerine değişimi sonucu, çevrim-de-çevrime olan farklılıklardaki artışa bağlı olarak ortalama indike basınçtaki değişimler Şekil 3'te görülmektedir. [1] Standard sar manın ortalama değere oranı ar rak, ortalama indike basınç için tanımlanan basınç değişim katsayısı, V j, stokiyometrik karışımlar için % 2.1 değerine sahip iken, hava fazlalık katsayısının 1.4 değeri için % 9.5 değerine yükselmektedir. Basınç değişim katsayısının artışı taşıtın sürüş yeteneğini de olumsuz etkilediğinden, pratikte bu parametrenin değeri % 10 sınırını geçmemelidir [2] Ard arda gelen çevrimlerdeki farklılıkların tanımında, maksimum silindir basıncı ve bu basıncın sağladığı krank mili açısı veya maksimum basınç gradyanı ve bu basınç gradyanının sağladığı krank mili açısı veya ortalama indikr basınç değerleri gibi büyüklükler ölçü olarak kullanılabilmekte ve bunlar bir bakıma yanma stabili-tesini belirlemektedir. Silindir basıncının değişinimdeki salınımların değerlendirilmesinde kullanılan en önemli ölçü basınç değişim katsa-yısıdır. Basınç değişim katsayısının küçük tutulabilmesi için stabil yanma koşullarının sağlanabilmesi, dolayısıyla yanma hızının arttırılması gerekmektedir. [3] Böylece yanma olayı ÜÖN civarında gerçekleşecek ve genişleme zamanına doğru uzamayacaktır. Yanma hızının artışı sonucu yanma   olayı   sıcaklıkların   daha   yüksek olduğu ÜÖN civarında gerçekleştiğinde yanma verimi artacaktır. Bu durum hem özgül yakıt tüketimi açısından yarar sağlamakta hem de yanmanın gidişi olumlu etkilendiği için HC emisyonları azalmaktadır. Ayrıca hızlı yanma sonucu yanma sırasındaki ara silindir cidarları alanı ve ayısıyla alev sönme bölgesinin küçülmesi de sağlanacağından HC emisyonlarını daha da azalacaktır. Yanma sürecinin kısalması ile cidarlara olan ısı kayıplarının azalması da sağlanmakta, ateşleme noktası ÜÖN'ya yaklaştırılabildiği için çevrimin ideal sıkıştırma eğrisine yaklaşılmakta ve motor verimi artmaktadır |4|.

Yanma performansını etkileyen parametreler

Benzin motorlarında yanma sürecini, motor konstrüksiyonuna ve işletme koşullarına ilişkin parametreler etkilemektedir. Ayrıca silindirde bulunan karışımın özellikleri  de yanma sürecini  önemli ölçüde etkiler.

Yanma odası şekline, buji konumuna ve sayısına, yanma odasındaki gaz hareketlerine ve türbü-lans şiddetine bağlı olarak yanma süreci etkilenmektedir. Yanma odası şeklinde bağlı olarak silindir içinde yaratılan gaz hareketleri ve türbülans şiddeti etkilenmekte ve dolayısı ile yanma hızını da etkilemektedir. Ayrıca yanma odası şekli alev yolu uzunluğunu da belirlediğinden silindirde bulunan yakıtın tümünün yanması için gereken süreyi de etkilemektedir. Yanmayı hızlandırmak amacıyla piston şekli, yanma odası tasarımı vb. dahili etkilerle akışkan hareketleri oluşturulabileceği gibi, emme kanalı şeklinin ayarlanması vb. harici etkilerle de sıkıştırma zamanının sonlarında da etkinliğini sürdüren hava hareketleri sağlanabilmektedir. Ancak çevri hareketlerini arttırmak amacıyla emme kanalı şeklinde yapılan düzenlemeler volümetrik verimi olumsuz etkilediğinden  motorun  maksimum gücünü de azaltmaktadır. Bu nedenle gaz hareketlerinin oluşturulmasında piston tasarımının ve silindir geometrisinin oluşturduğu etkiler önem kazanmaktadır. Sıkıştırma ve yanma sırasındaki hava hareketlerinin sağlanmasında kullanılan bir yöntem, direkt püskürtmeli dizel motorlarına benzer şekilde, yanma odasının bir kısmının pistonun üstüne açılan bir oyuk şeklinde oluşturulmasıdır. Stork hacmi ve sıkıştırma oranı sabit kalacak şekilde, piston içerisinde yerle;tirilen çanak şeklindeki bu oyuğun hacminin ve şeklinin değişimi yanma sürecini önemli ölçüde etkilemektedir. Çanak hacminin yapısına bağlı olarak özellikle ÜÖN civarında gaz hareketleri artmakta ve dolayısı ile yanma hızı artış göstermektedir. Çanak çapının, silindir çapına oranı büyüdükçe tam yanma için gerekli sürenin de kısaldığı görülmektedir (Şekil 4) [51. Ancak çanak çapı büyüdükçe bu etki azalmaktadır. Ayrıca çanak hacminin, toplam ölü hacme oranı büyüdükçe çanak içerisinde bulunan yakıtın hızlı yanmasına karşın cidarlara yakın bölgedeki yakıtın yanması yavaşlamaktadır. Bu durumda HC emisyonları artmakta ve özgül yakıt tüketimi kötüleşmektedir. Bu nedenle derin çanaklı pistonların  kullanımı benzin motorları için uygun değildir.

Yanma hızının arttırılması için uygulanacak bir diğer yöntem de sıkıştırma oranının arttırılmasıdır. Ayrıca ısıl verim de sıkıştırma oranındaki artışla birlikte artacaktır. Ancak sıkıştırma oranı benzin motorlarında vuruntu olayı ile sınırlandırılmıştır. Motorun vuruntu meylinin azaltılması, yanmayı hızlandırıcı önlemlerle birlikte yanma sürecinin kısaltılması ile sağlanabilmektedir. Vuruntuyu dirençli yakıtların kullanımı ile de vuruntu meyilinin azaltılması ve sıkıştırma oranının bir miktar arttırılması mümkündür. Karışım özelliklerinin de yanma süreci üzerinde önemli etkisi bulunmaktadır. Yanma hızı karışım oranından etkilenmektedir. Ayrıca farklı motor yakıtları için farklı laminer alev hızları söz konusudur. Bu nedenle yüksek alev hızına ve düşük tutuşma enerjisine sahip yakıtların belirli oranlarda benzin içerisina katılması fakir karışımlarda tutuşma güvenliği sağlayacak ve yanmayı hızlandıracaktır. Bu amaçla doğalgaz ve hidrojen kullanılabilmektedir.

Fakir karışımlara gaz yakıtların katılması

Doğalgaz ve hidrojen gibi gaz yakıtlarla daha homojen karışım elde edilebilmekte ve ayrıca çok silindirli motorlarda silindirler arası farklılıkların azalması sağlanmaktadır. Benzin ve doğalgazın yakıt olarak kullanılması durumunda hava fazlılık katsayısının basınç değişim katsayısı üzerindeki etkisi Şekil 5'de görülmektedir. [1] Fakir karışımlı benzin motorlarında, karışımın içerisine belirli oranlarda gaz yakıtların katılması da tutuşma sorunlarını azaltmakta ve aynı zamanda yanma hızının da artmasını sağlamaktadır. Benzine göre daha düşük tutuşma enerjisine sahip olan doğalgaz ve hidrojen geniş tutuşma sınırlarına sahip olmaları nedeniyle fakir karışım oranlarıda da benzine göre daha kolay tutuşabilmektedir. Böylece aşırı fakir benzin-hava karışımlarına bu yakıtların eklenmesi ile yanma stabilitesinin arttırılması mümkündür.

ŞEKİL 5

Bu çalışma kapsamında İ.T.Ü. Makina Fakültesi Otomotiv Ana-bilim Dalı Motorları ve Taşıtlar Laboratuvarf nda, tek silindirli bir CFR motorunda (Çap, D = 90 mm, Stork, H = 80 mm, VH = 509 cm') yapılan deneylerde doğalgazın fakirleştirilmiş benzin-hava karışımlarına katılmasının motor verimine etkisi Şekil 6'da verilmiştir. Görüldüğü gibi X > 1.15'den sonra doğalgaz katkısı sonucu verim % 100 benzin çalışmasının üstünde kalmakta ve yaklaşık A. = 1.4 değerine kadar seviyesini korumaktadır. Ancak bu sırada doğalgaz katkı oranının (kütlesel) % 10'dan % 17'ye çıkarılması gereklidir. Doğalgaz katkı oranı % 25'e yükseltildiğinde karışımı X = 1.48 seviyesine kadar fakirleştirmek mümkün olmaktadır. Şekil 7'de ise aynı motorda, doğalgaz katkılı fakir karışım ile çalışmada egzos gazları emisyonunun hava fazlalık katsayısına göre değişimi verilmiştir. Görüldüğü gibi emisyonlarda fazla bir artış olmadan  oldukça fakir karışımlara inmek mümkün olmaktadır. Şekil 8'de ise hidrojen katkısının yüksek hava fazlalık oranlarında özgül yakıt tüketimine etkisi görülmektedir. Toplam yakıt içinde hidrojenin kütlesel oranı % 7'den itibaren   yakıt   tüketimi   düşmemeyline girmekte ve hidrojen katkı oranı % 19'a yükseltilirse çalışma aralığı yaklaşık X= 3'e kadar genişlemektedir. Hidrojenin alt ısıl değeri (120.000 kj/kg) benzi-ninkinin (42.000 kJ/kg) üç katına yakın olup % 19'luk kütlesel katkı enerji bazında yaklaşık % 55'e karşılık gelmektedir ve çalışma aralığı bu nedenle genişlemektedir'. Özgül yakıt tüketimi de benzin eşdeğeri kütle bazında hesaplanmış olup bu düşük tüketim değeri büyük hava fazlalık katsayısı ile ^¦ışına sonucu dolgu değişimi ^Pııin azalması nedeniyledir. Bu nedenle, düşük hidrojen katkı oranlarının tersine, yüksek katkı oranlarında düşük yakıt tüketimi değeri X = 1.7'lere kadar korunmaktadır.

Kaynaklar

1.Lenz, H.P., Mixture Formation in Spark-Ignition Engines, Springer-Verlag, Wien. 1992.

2.Heyvvood, J.B., Intemal Combustion Engine Fundamentals, McGraw hill Book Company, New York, 1988.

3.Young, M.B., Cyclic Dispersion in the Homogeneous-Charge Spark Ignition Engine-a Literatüre Survey, SAE Technical Paper No. 810020, USA 1981.

4.Sher, E. ve Hacoben, Y., Measurements and Predictions of the Fuel Consumption and Emission of a Spark Ignition Engine Felled with Hydrogen-enriched Gasoline, Jorunla of Power Engineering, vol. 203, 1989, pp.  155-162.

5.Soruşbay, C, İçten Yanmalı Motorlarda Yanma Performansının Belirlenmesi, Proje Raporu, İ.T.Ü. Araştırma Fonu, İstanbul, 1996.

6.Albay, O. A., Fakir Karışımlı Motorlarda Hidrojenin veya Doğalgazın Ek Yakıt Olarak Kullanılması, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Şubat 1993.

Metin ERGENEMAN, Mehmet MUTLU,Cem SORUŞBAY ve Ertuğrul ARSLAN

İ.T.Ü. Makina Fakültesi, Otomotiv Anabilim Dalı/ İSTANBUL