İçten yanmalı motor egzoz manifoldu yapısının motor performansına etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and quantitative analysis of influence of internal combustion engine exhaust manifold structure on engine performance
Yazar: SELİM EMRE USTA
Danışman: PROF. DR. NURİ YÜCEL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Egzoz sistemleri = Exhaust systems ; Manifoldlar = Manifolds ; Motor performansı = Motor performance ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
İçten yanmalı motorların icadından günümüze kadar geliştirilmesi sürecinde yüksek performans ve daha iyi yakıt ekonomisinin sağlanması değişmeyen kuraldır. İleri taşıt performansının gereklerini karşılayan günümüz motorları, doğal kaynakların ve özellikle çevrenin korunması bakımından da gerekli şartları yerine getirmelidir. Optimizasyon çalışmalarında en çok üzerinde düşünülen konulardan biri kayıpların azaltılmasıdır. Silindire hava emilmesi ve egzoz gazlarının dışarı atılması sırasında karşılaşılan dirençler enerji kaybına neden olmaktadırlar. Manifoldların ve hava kanallarının şekil yapısı yanında iç yüzlerinin şekli, pürüzlüğü, malzemesi ve hava akışının laminar veya türbülanslı oluşu bu direncin miktarını etkilemektedir. Çalışmanın amacı egzoz manifold yapısının değiştirilerek motor performansının arttırılmasıdır. Motorun yanma odasında yanan yakıt ve hava karışımı, dışarıya egzoz gazı olarak çıkar. Bu çıkış ne kadar rahat gerçekleşirse, motor o kadar performanslı çalışır. Değiştirilen egzoz manifold yapısıyla, yanma odasında oluşan gazın dışarıya daha rahat ve düzenli çıkabilmesi sağlanacaktır. Her silindirden ayrı ayrı çıkan atık gazlar, bu yapı sayesinde bir düzene girecek ve egzoz manifoldunda oluşan basınç kaybı azaltılarak, gücün daha da artabilmesini sağlayacaktır. Sayısal çalışmada her iki egzoz manifoldunda aynı giriş ve çıkış sınır şartları için basınç değişimleri Ansys Fluent v13 bilgisayar programı yardımı ile tespit edilmiştir. Sayısal çalışma sonucunda aynı sınır şartları için orijinal egzoz manifoldunda oluşan basıncın değiştirilmiş egzoz manifolduna göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu durum egzoz karşı basıncının değiştirilen geometri sayesinde azaltıldığını göstermektedir. Deneylerde 4 zamanlı, 4 silindirli, buji ateşlemeli, elektronik püskürtmeli Toyota marka motor kullanılmıştır. İlk olarak motorda orijinal egzoz manifoldu kullanılarak motor performansı incelenmiştir. Daha sonra değiştirilmiş egzoz manifoldu kullanılarak motor performansı incelenmiştir. Orijinal egzoz manifoldu ve değiştirilmiş egzoz manifoldu kullanılarak elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı grafikler halinde verilmiştir. Elde edilen deney sonuçlarına göre motor performansının değiştirilmiş egzoz manifoldu sayesinde arttığı görülmüştür. Değiştirilmiş egzoz manilfoldu ile 1800-4600 dev/dak aralığında devir sayısına bağlı olarak motor torkunda ve mil gücünde %8'e varan artışlar elde edilmiştir.

Abstract:
Since the development of internal combustion engines, rules of providing higher performance and better fuel economy have been remained same. The modern engines, meeting necessities of advanced vehicle performance, should also satisfy conditions regarding natural resources and environmental protection. One of the key issues considered during optimization studies is the decrease of losses. The resistance occurred due to air suction in the cylinder and discharged exhaust gases cause energy loss. In addition to structural form of manifold and air duct; shape, roughness, materials of internal surface and formation of laminar or turbulence airflow affects the resistance level. The purpose of this study is to increase engine performance by changing structure of manifold. The fuel/air mixture, exploded in the combustion chamber, discharges exhaust gases. The easier the discharge is, the better engine performs. Due to modified structure of exhaust manifold, the gas occurred in the combustion chamber could be discharged more easily and regularly. The discharged exhaust gases from each cylinder will be uniformed as a result of this structure. Within this process, pressure losses will be reduced; power increase would be achieved accordingly. In the numerical part of the study, pressure changes for same entry and exit border conditions in both exhaust manifolds are identified by Ansys Fluent v13 program. As a result of this study, higher pressure is observed in the original exhaust manifold compared to the modified exhaust manifold for the same border conditions. This observation proposes that exhaust counter pressure declines due to transformed geometry. In experiments, four-stroke cycle, four cylinders, spark- ignition and electronic fuel injection Toyota petrol engine has been used. Firstly, engine performance is analyzed by using the original exhaust manifold. Then, engine performance is analyzed by using the modified exhaust manifold. The results obtained in both tests were presented in comparative graphics. According to the test results, engine performance displays increases due to the modified exhaust manifold. Depending on the number of revolutions within the interval of 1800-4600 revolutions per minute, increases up to 8% in engine torque and shaft work have been achieved with the modified exhaust manifold.