Isıtma bujilerinde indüksiyon ısıtmanın uygulanabilirliği
Applicability of induction heating in glow plugs
Yazar: BAYRAM VOLKAN REİSOĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. BAYRAM AKDEMİR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Soğuk ortamlarda ve don gibi elverişsiz çalıştırma koşullarında dizel motorlar sadece havanın sıkıştırılmasıyla kendiliğinden tutuşma için gerekli olan sıcaklığa ulaşamaz. Bu nedenle yanma odalarına ek ısı gönderilmesi ihtiyacı doğar. Soğuk dizel motorlarının kolay çalışmasını sağlayan bu sisteme ön ısıtma denir.	
Ön ısıtma sistemi ile Cold Start olarak isimlendirilen soğuk çalıştırma durumlarında düşük sıcaklıklarda motorun çalıştırılması kolaylaşır. Bu ısınmayla soğuk hava koşullarında motorun çalışma yeteneği ciddi oranda artar.
1960'lı yıllarda ilk çalıştırma işlemleri 30 saniye gibi uzun sürelere kadar çıkabiliyordu. 1980'lerde bu süre 3-5 saniyeye kadar kısaltılabilmiştir. TDI motorların kullanılmaya başlaması ile yani ısıtma bujilerine ihtiyaç duyulması ile 0°C üstündeki ortam sıcaklıklarında benzinli motorlar ile aralarındaki fark uygulamalarda belli olmayacak kadar azaltıldı ve sadece 0°C altındaki ortam sıcaklıklarında ön ısıtma sistemlerine gerek duyulmaktadır.
Isıtma bujilerinin temel görevi, ilk çalıştırma için yanma odasına ilave ısı sağlamaktır. Isıtma bujilerinin çalışma prensibi basit olarak şu şekildedir; içlerinde bulunan rezistanslar kontak açıldıktan sonra motor çalıştırılmadan önce kızdırma borusunu kızdırır ve bunun sonucunda yanma odası 800°C üzerindeki sıcaklıklara kadar ısıtılmış olur. Bu seviyedeki sıcaklıklar motorların soğukta çalıştırılma yeteneklerini oldukça arttırmaktadırlar. Isıtma bujilerin oluşturmuş oldukları bu ilave ısı, yanma işlemlerinin daha iyi koşullarda olmasını sağladıkları gibi motorların daha gürültüsüz çalışmasını da sağlar. Böylece duman oluşumu ve emisyonlar azaltılır.
Isıtma bujileri ile ilgili gelişmeler devam etmektedir. Sonradan da kızdırma yapabilen ısıtma bujilerine ihtiyaç duyulabilmektedir. Isıtma bujilerinin sadece ilk çalıştırma anında değil, motor sıcaklığına göre ısınma süresince de belirli aralıklarla çalışması istenebilmektedir. Ancak bu sayede ilk çalıştırmadan hemen sonra motorun rahat çalışması ve emisyon oranlarının düşmesi sağlanabilir. Bundan dolayı ısıtma bujilerinin ömürleri konusunda yapılan çalışmalar devam etmektedir.
İndüksiyon ısıtma teknolojisi tam bu yeni teknik arayışlar noktasında devreye girmektedir. Yapı itibariyle üzerinden akım geçirilen iletkenin etrafında oluşan manyetik alanın etkisinden faydalanılan bu teknikte, yeni bir ısıtma bujisi tasarımı ile içerisinde bulunan rezistanslardan geçirilecek olan yüksek frekansta alternatif bir sinyal ile dış gövdenin eddy akımlarından faydalanılarak kızdırılmasının sağlanması hedeflenmektedir.
İndüksiyon ısıtma yönteminin en büyük avantajı yüksek verimlilik sunmasıdır. Isıtma işleminin yalnızca ısıtılacak parça üzerinde yoğunlaştırılması, bunun en önemli sebeplerinden birisidir. İndüksiyon ısıtmanın yüksek verimliliğinin yanı sıra birçok üstünlüğü de mevcuttur; metalleri ısıtma süresi kısadır, ısıtma işlemi çabuk geçekleştiğinden dolayı ürün değişimi hızlıdır, enerji tasarrufu sağlar, ısıl işlem sırasında yanma olmadığından dolayı havalandırma ihtiyacı en az seviyededir. Isıtma bölgesinde yanma ürünü olmamaktadır, yanma esnasında zararlı duman oluşumu olmamasında dolayı sağlıklı ve güvenli bir uygulamadır, çevre kirliliği oluşturmaz, denetimli ısıtma gerçekleştirilebilinir.
Tasarlanabilecek olan yeni bir ısıtma bujisi ve indüksiyon ısıtmanın buji yapısına uygun olması bize böyle bir araştırma yapma fırsatı sunmuştur. Araştırma sonrasında elde edilebilecek bu sistem ile hem kısa sürelerde yanma odasının ısıtılması hem de yüksek ısılara erişerek yakıtın tamamının yakılması ile yani tam yanma ile tutuşma gecikmesinin ve dizel vuruntusunun azaltılmaya çalışılması amaçlanmıştır.

Abstract:
Under inadequate operating conditions, such as cold conditions and frost, diesel engines can not reach the temperature required for self-ignition by simply compressing the air. For this reason, it is necessary to send additional heat to the combustion chambers. This system, which enables easy operation of cold diesel engines, is called preheating.
With the preheating system, it is easier to start the engine in low temperatures in the case of cold start conditions called Cold Start. With this warming, the ability of the engine to operate in cold weather conditions increases substantially.
In the 1960s, the first start-up could take as long as 30 seconds. In the 1980s, this period could be shortened to 3-5 seconds. With the start of the use of TDI engines, ie with the need for glow plugs, at ambient temperatures above 0°C, the difference between diesel engines and the petrol engines is reduced so that they are not apparent in practice, and preheating systems are only needed at ambient temperatures below 0°C.
The main function of the glow plugs is to provide additional heat to the combustion chamber for initial start-up. The operating principle of the glow plugs is simply as follows; the resistors located inside of them will heat the glow tube before the engine is started after the ignition is turned on and this results in the combustion chamber being heated to temperatures above 800°C. Temperatures at this level greatly increase the engine's ability to operate cold. This additional heat generated by the glow plugs ensures that the combustion processes are in better conditions and that the motors run smoother. Thus, smoke formation and emissions are reduced.
The developments in glow plugs are ongoing. The glow plugs which can subsequently be heated too may be needed. It may be required that the glow plugs operate not only at the first start-up but also at certain intervals during the warm-up period according to the engine temperature. However, immediately after the first start, the engine can be run smoothly and the emission rates can be reduced. Therefore, studies on the life span of glow plugs are continuing.
Induction heating technology enters our study at this point of this new technologies searching. In this technique, which utilizes the effect of the magnetic field formed around the conductor through which the current flows, it is aimed to provide a new glow plug design with a high frequency alternating signal which will be passed through the resistances in it and to make it possible to warm the outer body by using the eddy currents.
The greatest advantage of induction heating is its high efficiency. The heating process is concentrated only on the part to be heated is one of the most important reasons. Induction heating has many advantages as well as high efficiency; the heating time of the metal is short and the heating operation is quick so that the product change is fast and saves energy and the ventilation requirement is the least as it is not burning during the heat treatment. There is no combustion product in the heating zone, it is a healthy and safe application due to the absence of harmful smoke formation during combustion, it does not create environmental pollution, supervised heating can be realized.
The most obvious advantage of induction heating is that it has high efficiency. One of the most important reasons for this is that the heating process is concentrated only on the part to be heated. Induction heating has many advantages as well as high efficiency; heating time of metals is short, product change can be easy because of heating is started quickly, energy saving is achieved, heat treatment is not done by burning and ventilation is the minimum level, there is no combustion product in heating zone, no explosion phenomena caused by gas mixtures and it is a safe application because it does not create environmental pollution, supervised heating can be realized.
A new glow plug that can be designed and the fact that induction heating is suitable for spark plug construction has offered us the opportunity to do such a research. With this system that can be obtained after the research, it is aimed to warm both the combustion chamber in a short time and to burn the entire fuel by reaching to the high temperature, that is to try to reduce the ignition delay and diesel knock.