Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) bir motorda sıkıştırma oranının yanma ve performansa etkilerinin incelenmesi
An investigation of the effects of compression ratio on combustion and performance in a homogeneous compression ignition engine
Yazar: ALPER CALAM
Danışman: PROF. DR. YAKUP İÇİNGİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Homojen karışımlı sıkıştırmalı ateşlemeli motorlar = Homogeneous charge compression ignition engines ; Kendiliğinden yanma = Spontaneous coubustion ; Motor performansı = Motor performance ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) motorların yaygın kullanımı için yüksek yüklerdeki vuruntu ve düşük yüklerdeki ateşelenememe problemlerinin giderilmeleri gerekmektedir. Vuruntu ve ateşlenememe bölgeleri arasında sınırlı bir çalışma aralığına sahip HCCI motorların çalışma aralığının genişletilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada tek silindirli, sıkıştırma oranı değiştirilebilir, buji ile ateşlemeli bir motorun ateşleme sistemi devre dışı bırakılarak HCCI yanması sağlanmıştır. HCCI çalışma aralığını genişletebilmek için emme havası giriş sıcaklığı, hava/yakıt oranı, motor hızı, sıkıştırma oranı değiştirilmiş ve bu şartlar altında RON20, RON40, RON60 ve RON80 yakıtları deney yakıtı olarak kullanılmıştır. Emme havası giriş sıcaklığı olarak 40 oC, 60 oC, 80 oC ve 100 oC belirlenmiş ve deney motorunun sıkıştırma oranı 9, 10, 11 ve 12 olarak değiştirilmiştir. Bu şartlar altında motor hızı 800 min-1 ile 1600 min-1 aralığında değiştirilmiş ve farklı HFK değerlerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Silindir içi basınç, ısı yayılım oranı, indike termik verim, indike ortalama efektif basınç, çevrimsel farklılıklar, efektif moment, efektif özgül yakıt tüketimi, yanma süresi ve egzoz emisyonları tam yük şartlarında incelenmiştir. HCCI yanmasını sınırlayan vuruntu ve ateşlenememe bölgeleri belirlenmiştir. Emme havası giriş sıcaklığının artırılması HCCI motorun daha geniş bir aralıkta çalışmasını sağladığı tespit edilmiştir. Ayrıca emme havası giriş sıcaklığının artırılması yüksek oktanlı yakıtların da HCCI modda çalışmasını sağlamıştır. HCCI yanması giriş hava sıcaklığının artmasıyla avansa alınmış ve vuruntu oluşumu artmıştır. En geniş çalışma aralığı sıkıştırma oranının 10 olduğu şartlarda RON20 yakıtı ile sağlanırken, sıkıştırma oranının 11 olduğu durumda RON40 yakıtı ile elde edilmiştir. Düşük sıkıştırma oranı şartlarında RON20 ve RON40 yakıtı ile HCCI yanması sağlanırken, sıkıştırma oranının artırılması ile RON60 yakıtı ile ve dar bir aralıkta da olsa RON80 yakıtıyla HCCI yanması gerçekleşmiştir. Aşırı zengin ve aşırı fakir çalışma şartlarında çevrimsel farklılıkların oldukça fazla olduğu gözlenmiştir. Sıkıştırma oranının artırılması HC ve CO emisyonlarının azalmasına sebep olurken, NOx emisyonları ise kötüleşmiştir.

Abstract:
For widespread use of homogeneous charged compression ignition (HCCI) engines, it is required to overcome the problems like knocking at high loads and misfire at low loads. It is necessary to extend the operating range of HCCI engines which are limited to knocking and misfire regions. In this study, HCCI combustion in a single cylinder engine having variable compression ratio was obtained by disabling the ignition system of the engine. In order to extend the HCCI operation range, the intake air temperature, air/fuel ratio, engine speed, compression ratio were changed and under these conditions RON20, RON40, RON60 and RON80 fuels were used as test fuels. The intake air temperature were kept constant at 40 oC, 60 oC, 80 oC and 100 oC and compression ratio of the test engine were swept as 9, 10, 11 and 12. Under these conditions, the engine speed was swept between 800 min-1 and 1600 min-1 and experiments were carried out at different lambda values. In-cylinder pressure, heat release rate, indicated thermal efficiency, indicated mean effective pressure, cyclic differences, brake moment, brake specific fuel consumption, combustion duration and exhaust emissions were investigated at full load conditions. Knocking and misfiring regions, which limit the HCCI combustion, were identified. It was found that increasing intake air temperature allows the HCCI engine to work in a wider range. In addition, increasing intake air temperature ensured that high octane fuels can be used in HCCI mode. HCCI combustion was advanced by increasing intake temperature and knocking tendency had increased. The largest operation range was obtained with RON20 fuel at a compression ratio of 10 and with RON40 fuel at a compression ratio of 11. At low compression ratios HCCI combustion was only achieved with RON20 and RON40 fuels while at higher compression ratios HCCI combustion was achieved with RON60 and even in a narrow range with RON80. It was observed that the cyclic variations were quite large at extremely rich and lean working conditions. Increasing compression ratios caused a decrease in HC and CO while the NOx emissions increased.