Politeknik Dergisi Cilt: 6 Sayı: 1 s. 391-395, 2003

BUJİ İLE ATEŞLEMELİ MOTORLARDA TEK NOKTA YAKIT ENJEKSİYON VE KARBÜRATÖR SİSTEMLERİNİN PERFORMANSA ETKİLERİ ÜZERİNE DENEYSEL BİR ARAŞTIRMA

Sahir SALMAN - Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 06500 Teknikokullar, ANKARA

Can ÇINAR- Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 06500 Teknikokullar, ANKARA

Yakup SEKMEN- Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 06500 Teknikokullar, ANKARA

            ÖZET

Buji ile ateşlemeli motorlarda hava-yakıt oranını optimize etmek ve yanmayı iyileştirmek için yapılan çalışmaların başında yakıt enjeksiyon sistemleri gelmektedir. Bu çalışmada, tek noktadan enjeksiyonlu bir motor, emme manifoldu değiştirilerek karbüratörlü hale getirilmiştir. Yakıt enjeksiyon sistemi ve karbüratörlü sistemin egzoz emisyonları, özgül yakıt tüketimi ve volumetrik verim gibi performans değerleri incelenmiş ve mukayese edilmiştir. Tek nokta yakıt enjeksiyon sisteminin avantajları ortaya konulmuştur.

Anahtar Kelimeler: Yakıt enjeksiyon sistemi, egzoz emisyonları, yakıt ekonomisi

AN EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF SINGLE POINT INJECTION AND CARBURETTOR SYSTEMS ON ENGINE PERFORMANCE IN SPARK IGNITION ENGINES

            ABSTRACT

            Among the studies in order to optimise the air-fuel ratio and combustion in the spark ignition engines, fuel injection systems come first. In this study, an engine equipped with single point injection was modified to engine equipped with carburettor by changing the intake manifold. The effects of fuel injection and carburettor systems on exhaust emissions, specific fuel consumption and volumetric efficiency were investigated and compared experimentally. The advantages of the single point fuel injection system were put forward.

            Key Words: Fuel injection system, exhaust emissions, fuel economy

             1. GİRİŞ

            Günümüzde ciddi boyutlara ulaşan hava kirliliği ve dünya üzerindeki petrol rezervlerinin azalması nedeniyle içten yanmalı motorlarda egzoz emisyonlarının azaltılması ve yakıt ekonomisi çalışmaların ana hedefini oluşturmaktadır. Bu çalışmaların en önemlilerinden birisi de silindirlere alınan hava/yakıt karışım oranının optimize edilmesi ve bütün devir aralıklarında ideal yanmayı gerçekleştirecek dolgu miktarının sağlanmasıdır. Bu amaçla içten yanmalı buji ile ateşlemeli motorlarda karışım teşkilinde kullanılan karbüratörler yerini günümüzde yakıt enjeksiyon sistemlerine bırakmıştır. Şekil 1’de Avrupa ve Amerika Birleşik Devletlerinde yakıt sistemlerinin yıllara bağlı olarak kullanımı görülmektedir (1-5).

            Buji ile ateşlemeli motorlarda en yüksek gücü veren ve en ekonomik çalışmayı saglayan karışım oranları birbirinden farklıdır. Motor gücü, zengin karışıma dogru gidildikçe artmakta, hava/yakıt oranının yaklaşık 12,5/1 oldugu degerde maksimum olmaktadır. Özgül yakıt sarfiyatı da karışım fakirleştikçe azalmakta ve hava/yakıt oranının yaklaşık 16/1 oldugu degerde minimum olmaktadır. (2,6).

Şekil 1. Karbüratör ve enjeksiyon sistemlerinin yıllara bağlı olarak değişimi

Karışım fakirleştikçe içindeki yakıt miktarı havaya göre azaldıgından, yanma sonu sıcaklıgı da azalacak ve egzoz gazlarının beraberinde götürdügü ısı da azalacagından termik verim artacaktır. Karışım oranı 16,5/1’den daha fazla oldugunda yakıt molekülleri arasındaki mesafenin artması nedeniyle yanma hızı azaldıgından yanma süresi uzar ve açıga çıkan enerji çevrime uygun zamanda verilemediginden termik verim yeniden azalmaya başlar. Karışım oranı 12/1-13/1 oranına dogru yaklaştıkça yanma hızı artacagından enerji üst ölü nokta (ÜÖN) civarında çevrime verilebilir. Bu da ortalama efektif basıncın ve dolayısıyla motor gücünün artmasını saglayabilir (2,6-8).

Karbüratörler, yakıt enjeksiyon sistemlerinin son 10-15 yıldaki hızlı artışına ragmen  günümüzde hala kullanılan yakıt karışım sistemleridir. Karbüratörlü sistemler belirli bir motor devri ve yükü için ideal çalışma saglayacak şekilde tasarlanmıştır. Devir ve yükteki degişmeler karşısında karbüratörler, motorun çalışmasını tekleme yapmadan devam ettirecek şekilde ayarlamaktadır. Geçiş şartlarında silindir içerisine gereginden daha zengin karışım girmekte ve buna paralel olarak içeri giren yakıttan ideal şekilde istifade edilemedigi için yakıt sarfiyatında ve egzoz emisyon degerlerinde artma görülmektedir (6,8-10).

Karışım teşkili için karbüratör yerine enjeksiyon sistemine geçiş ile birlikte hava/yakıt karışımı hemen hemen her çalışma koşulunda stokiyometrik oran civarında tutulabilmekte ve daha iyi bir yanma meydana gelmektedir. Böylece aynı özelliklere sahip karbüratörlü motora göre enjeksiyonlu motordan daha yüksek güç, daha yüksek moment ve daha düşük egzoz emisyon degerleri elde edilebilmektedir (2,11).

Bu çalışmada, dört zamanlı ve dört silindirli buji ile ateşlemeli bir motorda tek nokta yakıt enjeksiyon sistemi ve karbüratörlü sistemin egzoz emisyonları, özgül yakıt tüketimi ve volumetrik verim gibi performans degerleri deneysel olarak incelenmiş ve mukayese edilmiştir.

2. MATERYAL VE METOT

Bu çalışmada, dört silindirli, Ford marka, tek noktadan enjeksiyonlu bir motor  kullanılmıştır. Motorun teknik özellikleri Çizelge 1’de verilmiştir.

            Deneyler tam gaz kelebek açıklıgında 1500 d/d’dan 5000 d/d’ya kadar 500 d/d aralıklarla 8 farklı motor devrinde yapılmıştır. Deney motorunun tek nokta enjeksiyon ünitesi ve emme manifoldu sökülerek yerine Ford 1,3 L motora ait karbüratör ve emme manifoldu montajı yapılmıştır. Enjeksiyon sisteminde kullanılan yakıt pompası devre dışı bırakılmış ve yakıtın seviye farkından kaynaklanan basınç etkisi ile karbüratöre akışı saglanmıştır.

            Deneylerde Cussons marka fuko akımlı elektrikli bir dinamometre kullanılmıştır. Volumetrik verim ( ηv), motorun her devir için gerçek hava tüketiminin (Gerçek Q ) teorik olarak o devirde tüketilmesi gereken hava miktarına (Teorik Q ) bölümü ile yüzde olarak hesaplanmıştır.

            Gerçek hava tüketimi dinamometre göstergesindeki manometreden mm-su sütunu olarak alınmıştır. Egzoz gazlarının analizinde Sun MGA- 1200 marka egzoz gaz analizörü kullanılmıştır. Deney tesisatının genel görünümü Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1. Deney tesisatının genel görünümü

            3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

            Deneyler tam gaz kelebek açıklıgında 1500 d/d’dan 5000 d/d’ya kadar 500 d/d aralıklarla sekiz farklı motor devrinde yapılmıştır. Deneylerde motor devrine baglı olarak, volumetrik verim, motor gücü, özgül yakıt tüketimi, hidrokarbon ve karbon monoksit emisyonları ile hava/yakıt oranı degişimi incelenmiştir.

3.1. Volumetrik Verim

Şekil 2’de karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemin volumetrik verim degişimi motor devrine baglı olarak verilmiştir.

Şekil 2. Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine baglı olarak volumetrik verim degişimi

            Karbüratörde yakıtın hava ile karıştırılması ve silindir içine alınması venturi bogazında gerçekleşir. Bu bölgede uygun karışım oluşturmak için venturi ve emme manifoldu çapının belirli bir degerde olması gerekmektedir. Enjeksiyonlu sistemde ise yakıt, emme supabının hemen gerisine ve yüksek basınçla en uygun zamanda püskürtülmektedir. Sistemde kesit daralması söz konusu degildir. Manifold çapı daha büyük tutulabilir. Bu sebeple kayıplar daha az oldugundan volumetrik verim enjeksiyon sisteminde daha yüksektir. Şekil 2’de görüldügü gibi bütün motor devrilerinde enjeksiyonlu sistem volumetrik verim açısından karbüratörlü sistemden daha üstündür. Karbüratörlü sistemde 2500 d/d’de volumetrik verim % 82,9 iken, enjeksiyonlu sistemde % 84 olmaktadır. 5000 d/d’de ise karbüratörlü sistemde volumetrik verim % 70 iken, enjeksiyonlu sistemde % 73 olmaktadır.

            3.2. Motor Gücü

            Şekil 3’de karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor gücü degişimi motor devrine baglı olarak verilmiştir. Motor gücü her iki sistemde de devre baglı olarak artış göstermektedir. Karbüratörlü sistemde motor gücü, tek nokta yakıt enjeksiyon sisteminden daha yüksektir. Enjeksiyonlu sistemde motor gücü 5000 d/d’de 33,25 kW iken, karbüratörlü sistemde 37 kW’a yükselmektedir. Motor gücündeki bu artış hava/yakıt oranı ile alakalıdır. Karbüratörlü sistemde motor gücünün yüksek olmasının sebebi karışımın daha zengin olmasından kaynaklanmaktadır.

Şekil 3. Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde devre baglı olarak motor gücü degişimi

3.3. Özgül Yakıt Tüketimi

Şekil 4’de enjeksiyonlu ve karbüratörlü sistemin özgül yakıt tüketimi (ÖYT) motor devrine baglı olarak verilmiştir. Özgül yakıt tüketimi, yakıt tüketimi motor gücüne oranlanılarak bulunmaktadır ve enjeksiyonlu sistemde daha düşük çıkmaktadır. Şekilde görüldügü gibi, yakıt enjeksiyon sistemi ile özgül yakıt tüketiminde 1500 d/d’de % 20 ve 5000 d/d’de % 5 lik bir kazanç saglanmıştır. Minimum özgül yakıt tüketimi, enjeksiyonlu sistemde 3500 d/d’de 252,3 gr/kWh iken, karbüratörlü sistemde 3000 d/d’de 271,8 gr/kWh olmuştur.

Şekil 4. Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine baglı olarak özgül yakıt tüketimi degişimi

3.4. Hidrokarbon (HC) Emisyonları

Şekil 5’de karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde, motor devrine baglı olarak HC emisyonları degişimi görülmektedir.

Şekil 5. Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine baglı olarak HC emisyonları degişimi

 Şekilde görüldügü gibi HC oranı karbüratörlü sistemde daha yüksektir. Özellikle relanti ve düşük devirlerde HC oranı çok yükselmektedir. Çünkü bu bölgede karbüratör, motorun ilk çalışma ve düşük devirlerde teklemesini engellemek için hava-yakıt oranını zengin bölgede tutmaktadır. Şekilde görüldügü gibi 1500 d/d’de enjeksiyonlu sistemde HC seviyesi 83 ppm iken, karbüratörlü sistemde aynı devirde 203 ppm’e çıkmıştır. Orta ve yüksek devirlerde ise hava/yakıt oranının stokiyometrik orana yaklaşması ve yanmanın iyileşmesi neticesinde HC emisyonu düşmektedir. Enjeksiyonlu sistemde ise hava/yakıt oranı motorun bütün çalışma koşullarında stokiyometrik orana çok yakındır. Bu sebeple yanma daha iyi ve yanma sonrası kirletici emisyonlar da daha azdır. HC seviyesi 2500 d/d’de enjeksiyonlu sistemde 62 ppm, karbüratörlü sistemde 115 ppm olarak ölçülmüştür. 4500 d/d’de enjeksiyonlu sistemde HC seviyesi 44 ppm ile en düşük seviyeye düşmüştür. Karbüratörlü sistemde de 3500 d/d’de 111 ppm olarak en düşük seviyeye inmiştir.

3.5. Karbon monoksit (CO) Emisyonları

Şekil 6’da karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine baglı olarak CO degişimi görülmektedir. Şekilde görüldügü gibi CO oranı karbüratörlü motorda enjeksiyonluya göre daha yüksek çıkmaktadır. Özellikle relanti ve düşük devirlerde zengin çalışmadan dolayı CO oranı çok yükselmektedir. Enjeksiyonlu sistemde yanma daha iyi ve yanma sonrası atıklar azdır. CO oranı 1500 d/d’de karbüratörlü sistemde % 9,8 ile en yüksek seviyeye ulaşmıştır. Motor devrindeki artış ile CO oranı azalmış ve 3500 d/d’de % 1,9’a kadar düşmüştür. Enjeksiyonlu sistemde ise CO oranı devre baglı olarak çok az bir degişim göstermekte, 1500 d/d’de maksimum %1,8 ve 3000 d/d’de  minimum % 0,8 arasında degişmektedir.

Şekil 6.Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine baglı olarak CO emisyonları degişimi

3.6. Hava-Yakıt Oranı

Şekil 7’de motor devrine baglı olarak havayakıt oranı degişimi, karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemler için verilmiştir. Karbüratörlü sistemde hava-yakıt oranı düşük devirlerde zengin karışım oluşturacak şekildedir. Artan motor devrine baglı olarak hava-yakıt oranı da artmaktadır. 3500 d/d motor devri civarında hava/yakıt oranı 15,1/1 degerine kadar yükselmektedir. Enjeksiyonlu sistemde ise motorun hava/yakıt oranı hemen hemen sabit kalmaktadır. Hava/yakıt oranının bu şekilde stokiyometrik oranda tutulması elektronik kontrol ünitesi tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu, sistemin en önemli üstünlüklerinden birisidir. Stokiyometrik oranda en mükemmel yanma meydana gelmektedir. Bu sebeple en temiz egzoz emisyonları da bu oranda gerçekleşmektedir.

Şekil 7. Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine baglı olarak hava-yakıt oranı degişimi

4. SONUÇ VE ÖNERİLER

Bu çalışmada tek noktadan enjeksiyonlu sistem ile karbüratörlü sistemin volumetrik verim, motor gücü, özgül yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan deneylerde karbüratörlü sistemde manifold genişliginin belli bir degerin üzerine çıkarılamaması, venturinin belli bir çapta olması yüzünden volumetrik verim, enjeksiyonlu sisteme göre daha düşüktür. Egzoz emisyonları karbüratörlü sistemde enjeksiyonlu sisteme göre daha yüksektir. Çünkü enjeksiyonlu sistemde hava/yakıt oranı elektronik kontrol ünitesi tarafından motorun bütün çalışma şartlarında en iyi yanmanın gerçekleştigi stokiyometrik oranda tutulabilmektedir. Bundan dolayı yanma çok daha iyi ve yanma sonu atıkları da daha temizdir.

Sonuç olarak, buji ile ateşlemeli motorlarda tek nokta yakıt enjeksiyon sisteminin kullanılması egzoz emisyonlarını ve özgül yakıt tüketimini iyileştirmesine ragmen, motor gücünü azaltmaktadır. Bu nedenle, daha büyük volumetrik verim saglayan, motor momentini dolayısıyla motor gücünü artıran çok noktadan enjeksiyon sistemlerinin tercih edilmesi gerekmektedir.

 KAYNAKLAR

            1. Omary, N. J., Bhatti, T. S., Subrahmanyam, J. P. and Babu, M. K., Comparative Assessment of the Performance and Emission Characteristics of Port and Manifold Gasoline Fuel Injection Systems of a Single Cylinder Four Stroke Spark Ignition Engine, SAE Paper, No: 981460, 1998.

            2. Okatan, K., Buji Ile Ateşlemeli Motorlarda Enjeksiyon Sisteminin Motor Performansına Etkileri, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Egitimi Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Agustos 1998, Ankara.

3. Neuber, H. J., Endres, H. and Breuer, M., New Variable Intake and Mixture Formation System for Multi-Valve SI Engine, SAE Paper, No: 940449, 1994.

4. Zahao, F.Q., Lai, M.C. and Harrington, D.L., The Spray Characteristics of Automotive Port Fuel Injection–A Critical Review, SAE Paper, No: 950506, 1995

5. Toyoda, T., Inoue, T. and Aoki, K., Single Point Electronic Injection System, SAE Paper, No: 820902, 1982.

6. Yolaçan, F., Otomobil Motorlarında Yakıt Sistemleri, Teknik Egitim Vakfı Yayınları, Ankara, 1991.

7. Judge, A., Carburettors and Fuel Injection Systems, Robert Bently, 1960.

8. Borat, O., Balcı, M. ve Sürmen, A., Içten Yanmalı Motorlar, Teknik Egitim Vakfı Yayınları, Ankara, 1992.

9. Taylor, C. and Taylor, E. S., The Internal Combustion Engine, Third Edition, International Textbook Company, Serenton, Pennysylvania, 1986.

10. Staudt, W., Motorlu Taşıt Teknigi, Ajans-Türk Matbaacılık A.Ş., Ankara, 1995. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundementals, Mc Graw-Hill Book Company, Newyork, 1998.