Elektromekanik supap mekanizması ile değişken supap zamanlamasının hava akış parametrelerine etkisinin incelenmesi
Investigation of variable valve timing with electromechanical valve mechanism effects on air flow parameters
Yazar: ÜSAME DEMİR
Danışman: PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buji ateşlemeli motorlar = Spark ignition engines ; Değişken supap zamanlaması = Variable valve timing ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
İçten Yanmalı Motorlara getirilen zorunlu emisyon kısıtlamaları nedeniyle Ar-Ge çalışmaları her geçen gün daha fazla önem kazanmaktadır. Bu çalışmalar, içten yanmalı motorların yanma verimliliği, güç, tork, emisyon gibi parametrelerinin iyileştirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır. Geçmişte yanma odasına alınan hava miktarını arttırmak için tek supaplı sistemlerden çift supaplı sistemlere geçiş ile ilk adım atılmıştır. İçten yanmalı motorlarda, supap zamanlamaları motorun en ideal çalışma koşulları için optimize edilip, tüm devirlerde sabit açılma ve kapanma zamanlaması ile çalışmaktadır. Bu sebeple optimum devir dışında kalan devirlerde supapların ideal açık kalma süreleri farklılık göstermekte ve beklenen volümetrik verim elde edilememektedir. Volümetrik verimi arttırmak için değişken supap zamanlaması konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Son yıllarda elektronik kontrol ünitelerinin gelişimi ile aktif supap kontrolünün çok daha etkin bir şekilde yapılabildiği kamsız motor teknolojileri konusunda çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada konvansiyonel kam milinin kullanıldığı tek silindirli buji ateşlemeli bir motorda hava debileri, volümetrik verim, hava akış hızları ve silindir içi basınç değerleri deneysel olarak tespit edilmiştir. Deneysel motorun yanma odası, emme ve egzoz portlarının akış hacimleri kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile soğuk akış analizleri yapılmıştır. Farklı devirlerde yapılan analizler deneysel verilerle doğrulandıktan sonra elektromekanik supap mekanizması (EMS) durumu için ortaya çıkan kam profilleri kullanılarak analizler tekrarlanmıştır. EMS kullanılması durumunda sağlanabilecek emme supabı açılma (EmSA) zamanının erkene alınması ve egzoz supabının kapanmasının (EgSK) erkene alınması ve geçe alınması durumları HAD analizleri ile modellenmiştir. Her bir devir için farklı kam profillerinin kullanıldığı analizlerde volümetrik verim, hava debisi, silindir içi basınç değerleri, yatay ve dikey girdap, silindir içerisinde kalan toplam kütle ve hava akış hızları sayısal olarak incelenmiştir. Elde edilen veriler neticesinde düşük devirlerde EMS kullanılmasının standart supap kalkma miktarı ve zamanlamasına göre volümetrik verimi düşürdüğü, yüksek devirlerde ise volümetrik verimi arttırdığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre emme supabının kapanma zamanının volümetrik verime olan etkisinin önemli olduğu anlaşılmıştır. Bunun yanında EMS sisteminin yatay girdabı önemli derecede etkilediği bu çalışma ile ortaya konmuştur.

Abstract:
Due to the mandatory emission restrictions imposed on the Internal Combustion Engines, R & D work is getting more important each day. These studies focus on improving parameters such as combustion efficiency, power, torque, and emission of internal combustion engines. In the past, for the first step was to switch from single-valve systems to double-valve systems to increase the amount of intake air at the combustion chamber. In internal combustion engines, the valve timings are optimizing for the ideal operating conditions of the engine and operating with a constant opening and closing timing at all revolutions. For this reason, the ideal opening times of the valves differ at cycles apart from optimum cycle, and the expected volumetric efficiency cannot be obtained. To increase the volumetric efficiency studies are continuing on variable valve timing. In recent years, with the development of electronic control units studies are focusing on camless engine technology where active valve control can be done more efficiently. In this study, volumetric efficiency, air flow rates and cylinder pressure values were experimentally determined for a single-cylinder spark ignition engine having conventional camshafts. Cold flow analysis was carried out using computational fluid dynamics (CFD) method with importing combustion chamber and flow volumes of the suction and exhaust ports of the engine. After validating analyzes results with experimental data for different revolutions, analyses repeated using electromechanical valve mechanism (EMS) cam profiles. In case of using EMS, the advancing intake valve opening time and exhaust valve closing advancing and retarding are simulated with CFD software. Simulations where different cam profiles used for each revolution, volumetric efficiency, in-cylinder pressure, swirl and tumble ratio, in-cylinder total mass and air flow rates in the cylinder were investigated numerically. As a result of the obtained data, it was seen that the use of EMS at low revolutions decreased the volumetric efficiency according to the conventional camshaft valve lifting amount and timing, and increased the volumetric efficiency at high revolutions. According to the results, it was understood that the effect of intake valve closing time is important on volumetric efficiency. Additionally, this study shows that swirl ratio is significantly affected by EMS system.