HCCI bir motorda çalışma parametrelerinin yanmaya etkilerinin incelenmesi
An investigation of the effects of operation parameters on combustion in a HCCI engine
Yazar: SEYFİ POLAT
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SERDAR YÜCESU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Homojen karışımlı sıkıştırmalı ateşlemeli motorlar = Homogeneous charge compression ignition engines ; Kendiliğinden yanma = Spontaneous coubustion ; Motor performansı = Motor performance ; Motor yakıtları = Motor fuels

Özet:
Homojen dolgulu sıkıştrıma ile ateşlemeli (HCCI) motorların endüstriyel olarak kullanılabilmesi için yüksek yüklerde oluşan vuruntu problemi ve düşük yüklerde oluşan tekleme probleminin giderilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, direkt enjeksiyonlu HCCI bir motorda, hava/yakıt oranının, emme havası giriş sıcaklığının, enjeksiyon zamanlamasının, süperşarj uygulamasının, n-heptan, RON20 ve RON40 yakıtlarının HCCI yanması üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. HCCI motorunun çalışma aralığını belirleyebilmek için, 800 min-1'den 1800 min-1 motor hızı aralığında, 40 ̊C, 60 ̊C, 80 ̊C ve 100 ̊C emme havası sıcaklıklarında ve üç farklı n-heptan, RON20 ve RON40 yakıtları kullanılarak farklı hava fazlalık katsayılarında deneyler yapılmıştır. Emme havası giriş sıcaklığının artması ile motorun çalışma aralığının genişleyerek daha fakir karışımlarda ve daha yüksek motor hızlarında HCCI yanmasının elde edilebildiği görülmüştür. Fakat emme havası sıcaklığının yükseltilmesinin vuruntu oluşumunu arttırdığı görülmüştür. Enjeksiyon zamanlamasının avansa alınması ile karışımın homojenliğinin artması ile maksimum silindir içi basıncın arttığı ve yanmanın avansa alınarak ısı yayılım oranında iki aşamalı bir HCCI yanmasının gerçekleştiği, basınç artış oranın yükselerek vuruntunun oluştuğu görülmüştür. Emme manifoldu basıncının artması ile hacimsel verimin 160 kPa'da % 82'ye kadar ulaştığı belirlenmiştir. Yüksek emme manifold basıncının HCCI motorunun çalışma aralığının genişlettiği, IMEP ve BMEP değerlerini yükselttiği, yanma verimini iyileştirerek efektif özgül yakıt tüketimini düşürdüğü görülmüştür. Özellikle yüksek emme manifoldu basınçlarında HCCI motoru çok daha fakir karışımlarda çalışabilmiştir. Yakıtlar ile ilgili yapılan deneylerde oktan sayısının artması ile kendi kendine ateşlenmenin zorlaştığı ve yanma başlangıcının gecikmeye alındığı görülmüştür. Oktan sayısının düşmesi ile maksimum silindir basıncının ve maksimum ısı yayılımının ÜÖN'ya yaklaştığı ve maksimum basınç artış oranın arttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, en uygun yakıtın RON20 yakıtı olduğu belirlenmiştir. Son olarak da, aşırı fakir karışımlarda tekleme sınırına yaklaşıldığından dolayı COVIMEP'in artarak kabul edilebilirlik seviyesini aştığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Knocking and misfiring problems of HCCI (Homogeneous Charged Compression Ignition) engines, which occurred at high and low engine loads respectively, should be come over in order to use them for industrial purposes. In this study, the effects of air/fuel ratio, inlet air temperature, injection timing, supercharging, n-heptane, RON20 and RON40 fuels were experimentally investigated in an early direct injection HCCI engine. The experiments were performed between 800-1800 min-1 engine speeds at 40 ̊C, 60 ̊C, 80 ̊C and 100 ̊C inlet air temperatures with n-heptane, RON20, RON40 and different air/fuel ratios in order to determine HCCI operating range. It was observed that the test engine was operated with leaner mixtures at higher inlet air temperatures and higher engine speeds on HCCI combustion resulting in wider HCCI operating range. However, knocking tendency increased with rise of inlet air temperature. It was pointed out that the homogeneity of the charge mixture was improved and maximum in-cylinder pressure increased with the advance of injection timing. Higher pressure rise rate was also seen resulting in knocking with the advance of injection timing. Moreover, the combustion was advanced and two stage heat release rate was observed with the advance of injection timing. It was determined that the volumetric efficiency increased up to 82 % at 160 kPa inlet manifold pressure. It was seen that the increase of inlet manifold pressure caused extension of HCCI operating range, and increased IMEP and BMEP values. Furthermore, effective specific fuel consumption decreased with improving combustion efficiency. Particularly, HCCI engine managed to run with leaner mixtures at higher inlet manifold pressures. Test results showed that auto ignition was deteriorated, and combustion was delayed with the increase of octane number of fuels. The test results also showed that maximum in-cylinder pressure and heat release rate were determined toward the top dead center, and pressure rise rate increased with the decrease octane number of test fuels. In this study, RON20 was described as the most suitable fuel. As a result, it was seen that COVIMEP increased and exceeded the desired value with very lean mixtures due to misfiring problem.