HCCI bir motorda CNG kullanımının motor performansı emisyonlar ve yanma üzerindeki etkilerinin incelenmesi
The investigation of the effects of using CNG on engine performance emissions and combustion in an HCCI engine
Yazar: OĞUZ KÜRŞAT DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. CAN ÇINAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, tek silindirli dört zamanlı direkt püskürtmeli bir dizel motorunun kısmi HCCI yanma moduna dönüşümü ve ön karışımlı CNG yakıtı kullanımı motor performansı, emisyonlar ve yanma karakteristikleri bakımından incelenmiştir. Kısmi HCCI yanma moduna dönüşüm için, harici bir emme manifoldu üzerine yerleştirilen CNG yakıt sistemi ve emme havası ısıtma düzeneği kullanılmıştır. Deneyler, 2200 dev/dak motor hızında ve 16 Nm, 12 Nm, 8 Nm ve 4 Nm olmak üzere dört farklı motor yükünde yapılmıştır. Ön ısıtmasız, 40 ºC ve 60 ºC olmak üzere 3 farklı emme havası giriş sıcaklığında yapılan deneylerde, tork değişim oranına bağlı olarak motorun performans, emisyon ve yanma karakteristikleri incelenmiştir. %0-90 tork değişim oranında, dört farklı motor yükünde ve farklı ön ısıtma sıcaklıklarında, özgül yakıt tüketimi, termik verim, egzoz gaz sıcaklığı, CO, HC, NO ve is emisyonları ile silindir içi basınç, ısı yayılım oranı, basınç artış oranı, COVimep ve kümülatif ısı dağılımları incelenmiş, motorun kararlı çalışma aralığı belirlenmiştir. Minimum özgül yakıt tüketimi 3/4 yükte D90+CNG10 yakıtı ile 240,84 g/kWh olarak elde edilmiştir. Maksimum termik verim 3/4 motor yükünde D90+CNG10 yakıtı ile %34,43 olarak elde edilmiştir. CO emisyonlarında tam yükte tork değişim oranına bağlı olarak azalmış ve %93,12'ye varan iyileşme sağlanmıştır. HC emisyonları tam yükte D60+CNG40 tork değişim oranına kadar %2,59 oranında azalmış, bu tork değişim oranından sonra artış eğilimi göstermiştir. Minimum NO emisyonları 1/4 yükte elde edilmiştir. Tam yükte dizel çalışma şartları ile karşılaştırıldığında, D10+CNG90 yakıtı ile duman emisyonunda %97,96 azalma sağlanmıştır. Maksimum silindir içi basınç değeri tam yükte D50+CNG50 tork değişim oranında 60,98 bar olarak elde edilmiştir. Ön ısıtma sıcaklığındaki artış ile yanma başlangıcının ön ısıtmasız deneylere göre bir miktar avansa kaydığı görülmektedir. Bütün motor yüklerinde ve ısıtma sıcaklıklarında basınç artış oranı değerlerinin vuruntu sınırının altında kaldığı görülmektedir. COVimep değerleri incelendiğinde ön ısıtmasız deneylerde D50+CNG50 tork değişim oranına kadar motorun kararlı çalışma aralığında kaldığı, ön ısıtma ile bu oranın D40+CNG60 oranına kadar genişlediği görülmektedir.

Abstract:
In this study, the conversion of a single-cylinder four-stroke direct injection diesel engine to partial HCCI combustion mode and the use of premixed CNG fuel were investigated in terms of engine performance, emissions and combustion characteristics. A CNG fuel system placed on the intake manifold and an intake air heating system were used for the conversion to partial HCCI combustion mode. The experiments were carried out at 2200 rpm and at four different engine loads of 16 Nm, 12 Nm, 8 Nm and 4 Nm. In the experiments, the performance, emission and combustion characteristics of the engine were investigated depending on the torque change rate at 3 different intake air inlet temperatures, 40 ºC and 60 ºC and without preheating. Specific fuel consumption, thermal efficiency, exhaust gas temperature, CO, HC, NO and soot emissions, in-cylinder pressure, heat release rate, pressure increase rate, COVimep and cumulative heat release rate were investigated at 0-90% torque change rate, four different engine loads and different preheat preheating temperatures, and the stable operating range of the engine was determined. Minimum specific fuel consumption was obtained as 240.84 g/kWh with D90+CNG10 fuel at 3/4 load. Maximum thermal efficiency was obtained as 34,43% with D90+CNG10 torque change rate at 3/4 engine load. CO emissions decreased depending on the torque change rate at full load and an improvement of up to 93.12% was achieved. HC emissions decreased by 2.59% at full load up to the D60+CNG40 torque change rate and an increasing trend was obtained after this torque change rate. Minimum NO emissions were obtained at 1/4 load. At full load, a 97.96% reduction at smoke emissions was achieved compared to diesel operating conditions with D10+CNG90 fuel. Maximum in-cylinder pressure was obtained as 60.98 bar at full load and D50+CNG50 torque change ratio. The start of combustion shifted somewhat ahead of the experiments without preheating with the increase in the preheating temperature. The cylinder pressure rise rate values were below the knock limit at all engine loads and heating temperatures. According to the COVimep values, the engine remained in the stable operating range up to the D50+CNG50 torque change rate in the experiments without preheating, and this rate expands to the D40+CNG60 with preheating.