Sıralı Gaz Enjeksiyon Sistemiyle Gaz Yakıt Kullanımına Dönüştürülmüş Bir Buji Ateşlemeli Motorda Benzin, LPG ve CNG Kullanımının Motor Performansına Etkisi Yrd. Doç. Dr. Metin GÜMÜŞ  Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Otomotiv Eğitimi ABD

Giriş Dünyadaki fosil yakıt rezervlerinin tükenmekte olduğu ve içinde bulunduğumuz yüzyılın başlarında ham petrol kıtlığının baş göstereceği herkes tarafından bilinmektedir. Ayrıca soluduğumuz havanın kalitesinin bozulması, toplumun bu konuya ilgisini artırmakta ve emisyon regülasyonlarının sıkılaşmasını sağlamaktadır. MÜFBE M. Gümüş

Giriş (Devam) Elektrikli ve yakıt hücreli taşıtların ivmelenme ve seyir mesafesi açısından yetersiz olmaları ve içten yanmalı motorlarda birim ağırlık için elde edilen gücün daha yüksek olması nedeniyle, içten yanmalı motorların taşımacılık sektörüne daha uzun yıllar yön yermeye devam edeceği tahmin edilmektedir. Bu faktörler, bilim adamlarını ve araştırmacıları mevcut motor teknolojilerini muhafaza eden, çevre dostu teknolojiler geliştirmeye ve daha temiz alternatif yakıtlar bulmaya teşvik etmektedir. MÜFBE M. Gümüş

Giriş (Devam) LPG’nin içten yanmalı motorlarda yaygın olarak kullanılması nedeniyle bu yakıtın en uygun çalışma koşullarının belirlenmesine yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda modifikasyon yapılmadan LPG’nin kullanıldığı çalışmalara bakıldığında, çalışmaların performans, yakıt tüketimi, emisyonlar, EGR değişim oranı, soğuk çalışma, devir ve yük değişiminin etkisi ve rölantide kararlılık gibi konuların üzerinde yoğunlaştığı görülmektedir. LPG’nin içten yanmalı motorlarda kullanımında, LPG’nin olumlu özelliklerinden (oktan sayısı ve yanma hızı) istifade edebilmek için motorlarda sıkıştırma oranı değişimi gibi yapısal değişikliklere gidilmektedir . MÜFBE M. Gümüş

Giriş (Devam) CNG’nin çevreci ve ekonomik özelliklere sahip olması, birçok ülkede yaygın bir şekilde kullanılmasını sağlamaktadır. Diğer taraftan dünyadaki doğal gaz rezervlerinin günümüzdeki tüketim hızına bağlı olarak 63 sene yeteceği tahmin edilmektedir. Bu durum doğal gazın içten yanmalı motorlarda kullanımına olan ilgiyi artırmaktadır. Doğal gaz, uygun özelliklerinden dolayı buji ateşlemeli motorlar için mükemmel yakıt olarak görülmektedir. Buji ateşlemeli motorlar ikinci bir yakıt sistemiyle çok rahat CNG kullanımına dönüştürülebilmektedirler. CNG’nin içten yanmalı motorlarda alternatif yakıt olarak kullanımını içeren çalışmalar incelendiğinde; çalışmaların performans, yakıt tüketimi, partikül emisyonu, sıkıştırma oranı gibi konular üzerinde odaklanıldığı görülmüştür . MÜFBE M. Gümüş

Giriş (Devam) Ülkemizde LPG’nin motorlu taşıtlarda kullanımının yaygınlaşmasıyla, ekonomik ve teknolojik alt yapıya sahip LPG sektörü oluşmuştur. Sıralı benzin enjeksiyon sistemlerinin LPG dönüşümünde yeni nesil sıralı gaz enjeksiyon sistemleri kullanılmaktadır. Ülkemizde motorlu taşıtlarda kullanımı yaygın olmayan CNG’nin, daha ekonomik, daha çevreci özelliklere ve petrole göre daha fazla rezervlere sahip olması nedeniyle gelecekte kullanımının yaygınlaşacağı tahmin edilmektedir. Bu nedenle, CNG’nin LPG için tasarlanmış dönüşüm sistemleriyle kullanımının uygunluğu, araştırılması gereken bir konu olarak görülmektedir. Yapılan literatür taramasında bu konuyla ilgili yeterli çalışmaya rastlanılmamıştır. MÜFBE M. Gümüş

Amaç Bu nedenle bu çalışmamızda buji ateşlemeli bir motor yeni nesil sıralı gaz enjeksiyon sistemi ile LPG kullanımına dönüştürülmüştür. Aynı sistem üzerinde gerekli asgari donanımsal ve yazılımsal (enjeksiyon parametreleri) değişikliklerin yapılması ile motor CNG sistemine dönüştürülmüştür. Motorun, dönüşüm sistemine bağlı olarak yakıt türüne karşı oluşturduğu tepkiler ve motor performansı belirlenmiştir. MÜFBE M. Gümüş

MATERYAL VE METOT MÜFBE M. Gümüş

Deney Taşıtı ve Motorunun Özellikleri Marka ve model Fiat Doblo CB Dynamic Net ağırlık 1305 kg Boyutlar 4253/1831/1514 mm Aktarma Önden çekişli Şanzıman 5 ileri manüel Depo hacmi 60 dm3 MÜFBE M. Gümüş

Deney Taşıtı ve Motorunun Özellikleri Motor tipi 4 silindirli Ateşleme Elektronik (sıra.1.3.4.2) Silindir çapı 72 mm Silindir stroku 84 mm Piston süpürme hacmi 1368 cm3 Sıkıştırma oranı 11.1:1 Soğutma sistemi Su soğutmalı Max. motor devri 6200 d/d Max. motor gücü 57 kW (6000 d/d) Max. motor momenti 115 N.m (3000 d/d) Yakıt sistemi Çok nokta enjeksiyonlu Ortalama yakıt tüketimi 7.4 dm3/100 km MÜFBE M. Gümüş

Taşıt dinamometresinin teknik özellikleri Birim Değer Maximum test hızı Km/h 260 Kullanım sıcaklığı 0C 0-50 Maximum frenleme gücü kW Güç kaynağı AC /V 400 Frekans Hz 50 Hava kaynağı Bar 7 Boyutlar m 3,27x1x0,65 Tambur çapı mm 320 Tambur genişliği 490 Max. kaldırma kapasitesi t 2 Max. aks yükü 3,5 MÜFBE M. Gümüş

Deney yakıtlarının özellikleri Benzin CNG LPG Propan Bütan Özgül Kütle (kg/m³) 765 128 509 585 Alt Isıl Değer (MJ/kg) 44,04 49,5 46,34 45,56 Kaynama Noktası (°C) 30-225 -126 -42 -0,5 Tutuşma Noktası (°C) 257 627 510 490 Yanma Hızı (m/s) 0,35 0,43 0,4 Hava Yakıt Oranı 14,7 17,2 15,8 15,6 Tutuşma sınırları (Hacimsel %) 1,3-7,6 5-15 2,1-9,5 1,5-8,5 Oktan Sayısı 95 130 111 103 MÜFBE M. Gümüş

Çok noktalı sıralı LPG enjeksiyon sistemi LPG tankı, Multivalf, Regülatör, Yakıt seçici anahtar, LPG MAP sensörü LPG enjeksiyon ortak hattı, LPG seviye göstergesi, LPG enjektörü, Motor, Benzin enjektörü, Sıcaklık sensörü, Yakıt hattı basınç sensörü, Benzin Tankı, Benzin EKÜ’sü, LPG EKÜ’sü, Lambda sensörü MÜFBE M. Gümüş

Çok noktalı sıralı CNG enjeksiyon sistemi Benzin ECU’sü, Benzin enjektörü, MAP sensörü, CAM sensörü, Soğutma suyu sıcaklık sensörü, CNG ECU’sü, Benzin enjeksiyon sinyali, CNG enjektörleri (yakıt basıncı ve sıcaklık sensörü), CNG MAP sensörü, Basınç regülatörü, Elektromagnetik yakıt kontrol vanası, CNG basınç göstergesi, CNG silindiri ve manüel valf, Yakıt seçici anahtar ve yakıt seviye göstergesi, Yakıt dolum vanası MÜFBE M. Gümüş

Gaz Enjeksiyon Sisteminin Donanım Fonksiyonu MÜFBE M. Gümüş

Gaz Enjeksiyon Sisteminin Yazılım Fonksiyonu MÜFBE M. Gümüş

Deney Prosedürü Taşıt motorunun benzin yakıtının kullanımından CNG veya LPG yakıtının kullanımına kademeli geçişi yapılabilmesi ve CNG kullanılmasının sağlanabilmesi için dönüşüm sisteminin donanımında ve yazılımında gerekli değişiklikler yapılmıştır. Bu değişiklikler üçyıldız otomotiv şirketinin desteğiyle yapılmıştır. Dönüşüm sistemi motorun işletme şartlarına bağlı olarak tüketilen benzin miktarını ölçmekte ve LPG kullanımında bu yakıtın ısıl eşdeğerine karşılık gelen LPG miktarını, CNG kullanımında ise bu yakıta karşılık maksimum gücün elde edildiği CNG miktarını silindirlere göndermektedir. Motora gönderilen benzin miktarı benzin enjektörlerinin enjeksiyon süreleri ölçülerek belirlenmektedir. Benzin enjeksiyon süreleriyle birlikte motor manifold basıncı ve motor devride belirlenmektedir. MÜFBE M. Gümüş

Deney Prosedürü (Devam) Motor çalışma koşullarına bağlı olarak LPG miktarının tayini, benzin ve LPG enjektörlerinin enjeksiyon sürelerine bağlı olarak debi değişimlerinin tayini ve bu yakıtların ısıl değer oranlarının belirlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. LPG kullanımında bu parametrelere bağlı olarak LPG miktarı dengeleme çarpanıyla belirlenmiştir. Motor çalışma koşullarına bağlı olarak maksimum gücün elde edildiği CNG miktarı da yakıt dengeleme çarpanının kullanılmasıyla belirlenmektedir. CNG kullanımında dengeleme çarpanı ön deneylerin yapılmasıyla belirlenmiştir. Dengeleme çarpanı motor devri ve motor yüküne bağlı olarak belirlenen üç boyutlu harita şeklindedir. Aynı zamanda bu çarpan motor sıcaklığı, yakıt sıcaklığı, gaz yakıt rail basıncı gibi faktörlere bağlı olarakta revize edilmektedir. Yakıt dengeleme çarpanları sistemde kullanılan enjektörlerin çalışma karakteristiklerine bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle kullanılan gaz enjektörlerinin benzer çalışma karakteristiklerine sahip olmasına ve çalışma süresince bu özelliğini korumasına özen gösterilmiştir. MÜFBE M. Gümüş

Deney Prosedürü (Devam) Taşıt dinamometresinde ön deneyler gerçekleştirildikten sonra performans deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ön deneylerde CNG yakıtının kullanımında maximum performansın elde edildiği hava yakıt karışımları belirlenmiştir. Performans deneylerinde, güç ve torkun motor devrine bağlı olarak değişimi belirlenmiştir. Motor momentinin ve gücünün motor devrine göre değişimi şasi dinanometresinde belirlenmiştir. Güç ve tork ölçümleri, güç iletim elemanlarına motor devrinin direkt iletildiği dördüncü viteste yapılmıştır. Ölçümler üçer kez yapılarak, ölçümlerin ortalamaları alınmıştır. MÜFBE M. Gümüş

DENEYSEL BULGULAR MÜFBE M. Gümüş

Motor Momentinin Değişimi MÜFBE M. Gümüş

Motor Gücünün Değişimi MÜFBE M. Gümüş

SONUÇLAR VE ÖNERİLER MÜFBE M. Gümüş

SONUÇLAR Taşıt motorunun seyir halinde benzin yakıtının kullanımından LPG veya CNG yakıtının kullanımına kademeli geçişi, motorda meydana gelen sarsıntıları hissedilmeyecek kadar azaltmıştır. CNG kullanımında meydana gelen performans kayıpları, dönüşüm sisteminin donanım ve yazılımında, maksimum performans elde edilebilecek şekilde yapılacak ayarlamalarla azaltılabilmektedir. Benzin yakıtında maksimum moment 114,1 N.m olarak elde edilirken LPG yakıtında 112,9 N.m elde edilmiştir. Ortalama olarak ise % 5,34 azalma meydana gelmiştir. CNG kullanımında düşük ve yüksek devirlerde motor momentinde benzin yakıtına göre önemli azalma meydana gelirken 3000-4400 motor devirleri arasında daha yüksek değerler elde edilmiştir. MÜFBE M. Gümüş

SONUÇLAR (Devam) MÜFBE CNG kullanımında motorun maksimum moment değeri artış göstererek 115,7 N.m olarak elde edilmiştir. Ortalama olarak ise % 2,39 azalma meydana gelmiştir. Benzin yakıtında maksimum güç 53,8 kW olarak elde edilirken LPG yakıtında 50,1kW elde edilmiştir. Ortalama olarak ise % 3,23 azalma meydana gelmiştir. CNG kullanımında motor gücünün değişimi moment değişimiyle benzer trend göstermiştir. CNG kullanımında 3000-4400 motor devirleri arasında daha yüksek güç değerleri elde edilmiştir. CNG kullanımında maksimum güç 54,5 kW olarak elde edilmiştir. Ortalama olarak ise % 2,94 azalma meydana gelmiştir. MÜFBE M. Gümüş

ÖNERİLER Ülkemizde, ekonomik ve teknolojik alt yapıya sahip LPG sektörünün öncülüğüyle, daha ekonomik, daha çevreci özelliklere ve petrole göre daha fazla rezervlere sahip CNG’nin içten yanmalı motorlarda kullanımının yaygınlaşması sağlanabilir. CNG kullanımın yaygınlaşması önündeki en önemli engel CNG istasyonlarının çok yetersiz olmasıdır. CNG kullanımının yaygınlaşması için CNG istasyonları yaygınlaştırılmalıdır. Taşıt motorunun seyir halinde benzin yakıtının kullanımından LPG veya CNG yakıtının kullanımına geçişte karşılaşılan sarsıntı probleminin giderilmesinde, LPG ve CNG yakıtının kullanımına kademeli geçiş yöntemi bir çözüm olarak kullanılabilir. Bu çalışmanın devamı olarak, yakıt tüketimimin belirlenmesine yönelik çalışmalar yapılarak CNG kullanımının sağladığı yakıt ekonomisi belirlenmelidir. MÜFBE M. Gümüş

ÖNERİLER (Devam) MÜFBE CNG kullanımında zararlı egzoz emisyonlarının değişimine yönelik çalışmalar da yapılarak, CNG kullanımının egzoz emisyonları üzerinde sağladığı olumlu etkileri niceliksel olarak belirlenmelidir. LPG ve CNG oktan sayısının yüksek olması nedeniyle, LPG ve CNG yakıtının kullanımına dönüştürülen veya LPG ve CNG motoru olarak tasarlanan motorlarda sıkıştırma oranı artırılabilir. Bu artış LPG ve CNG kullanımında motor verimini artırabilir. LPG ve CNG oktan sayılarının yüksek olmasına bağlı olarak motorların ateşleme avanslarının artırılması, motor veriminin artırılmasına katkı sağlayabilir. MÜFBE M. Gümüş

Bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde katkıda bulunan Üçyıldız Otomotiv (Vogas Plus LPG - CNG Sistemleri) şirketine ve çalışanlarına teşekkür ederim. MÜFBE M. Gümüş