Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) bir motorda biyel – krank ile Rhombic hareket mekanizmalarının yanma üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of connecting rod-crank and rhombic	motion mechanisms on combustion in a homogeneous charge	compression	ignition (HCCI) engine
Yazar: BARBAROS GÜNGÖR SEYREK
Danışman: PROF. DR. SEYFİ POLAT
Hitit Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Homojen şarjlı sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) motorlar yüksek termik verimlilikleri ve düşük emisyon karakteristikleri ile geleneksel buji ateşlemeli ve dizel motorlara alternatif olabilecek şekilde geliştirilmeye devam etmektedir. Dizel motorda azot oksit ve partikül madde emisyonlarının eşzamanlı azaltılamaması en önemli zorluklardandır. HCCI motorlarda karışımın homojen olması ve yanmanın düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesi azot oksit ve partikül madde emisyonlarının eşzamanlı olarak ultra düşük olmasını sağlamaktadır. HCCI motorlarda yanma başlatacak ve yanma sürecini kontrol edecek doğrudan bir mekanizma bulunmamaktadır. Bu durum HCCI yanması için en önemli zorluğu oluşturmaktadır ve çalışma aralığını sınırlandırmaktadır. HCCI motorlarda düşük yüklerde aşırı fakir karışımlarda ateşlenememe probleminden dolayı tekleme, yüksek yüklerde ise eşzamanlı kendi kendine tutuşmadan dolayı oluşan yüksek basınç artış oranından dolayı vuruntu gerçekleşmektedir. HCCI motorların karşılaştığı bir diğer önemli problem de yüksek motor hızlarına ulaşılamamasıdır. Yüksek motor hızlarında kendi kendine tutuşmanın gerçekleşebilmesi için kimyasal reaksiyonların gelişmesine yeteri kadar zaman kalmamaktadır. Buna bağlı olarak artan motor hızı ile kendi kendine tutuşamama probleminden dolayı HCCI motorun çalışma aralığı giderek daralmakta ve çıkış gücü sınırlanmaktadır.
İçten yanmalı motorlarda kullanılan Rhombic hareket mekanizmaları, mekanizmanın geometrik parametrelerine bağlı olarak sıkıştırma ve genişleme esnasında krank mili açısına bağlı farklı hacim değişimi karakteristiği göstermektedir. HCCI motorda sıkıştırma esnasında yüksek motor hızlarında kendi kendine tutuşmayı sağlayacak daha fazla zamanı sağlayabilmek için Rhombic hareket mekanizmasının kullanılabileceği fikri ortaya çıkmıştır.
Bu çalışmada, 4 zamanlı, 2.0 L, GM EcoTech buji ile ateşlemeli motordan HCCI motora dönüştürülmüş bir motorun Converge CFD programında nümerik modellemesi ve deneysel verilerle validasyonu yapılarak hem biyel-krank mekanizmasında hem de rhombic hareket mekanizmasında, farklı motor hızlarında, farklı motor yüklerinde, RON20 ve RON40 gibi iki farklı oktan sayısına sahip yakıt kullanılarak simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon çalışmaları sonucunda motor çalışma haritaları oluşturulmuş, yanma analizleri gerçekleştirilmiş, klasik biyel krank hareket mekanizması ile rhombic hareket mekanizmasının karşılaştırılması yapılmıştır.
Yapılan çalışma sonucunda, RON40 yakıtı ile 800 rpm motor hızında krank ve rhombic mekanizmalarının silindir içi basınç ve ısı dağılım oranı değişimleri karşılaştırıldığında krank mekanizmasının lambda 2.3-2.9 aralığında çalıştığı, rhombic mekanizmasının ise lambda 2.2-3.4 gibi geniş aralıkta çalıştığı ve yanmanın avansa alındığı gözlemlenmiştir. RON20 yakıtı ile yapılan analizlerde HCCI motor krank biyel mekanizması ile 800-1800 rpm aralığında çalışırken, rhombic hareket mekanizması ile 800-2600 rpm gibi daha geniş bir motor hızı aralığında çalışabilmiştir.

Abstract:
Homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines continue to be developed as an alternative to conventional spark ignition and diesel engines due to their high thermal efficiency and low emission characteristics. A major challenge is the inability to simultaneously reduce nitrogen oxides and particulate matter emissions in diesel engines. In HCCI engines, the homogeneity of the mixture and the fact that combustion takes place at low temperatures ensure that nitrogen oxide and particulate matter emissions are simultaneously ultra-low. In HCCI engines, there is no direct mechanism to start of combustion and control the combustion process. This poses the most significant challenge for HCCI combustion and limits the operating range. HCCI engines have misfires at low loads due to the inability to ignite extremely lean mixtures, and knocking at high loads due to the high rate of pressure increase caused by simultaneous self-ignition. Another important problem faced by HCCI engines is the inability to reach high engine speeds. At high engine speeds, there is not enough time for chemical reactions to develop for self-ignition to occur. Accordingly, with increasing engine speed, the operating range of the HCCI engine gradually narrows and the output power is limited due to the inability to self-ignite.
Rhombic motion mechanisms used in internal combustion engines show different volume change characteristics based on the crankshaft angle during compression and expansion depending on the geometric parameters of the mechanism. In the HCCI engine, the idea has emerged that the Rhombic motion mechanism can be used to provide more time for self-ignition at high engine speeds during compression.
In this study, numerical modeling of HCCI engine converted from 4-stroke, 2.0 L, GM EcoTech spark ignition engine was carried out in Converge CFD program and validated with experimental data and simulation studies were carried out both in the connecting rod-crank mechanism and in the rhombic motion mechanism, at different engine speeds, at different engine loads, using two different octane number fuels such as RON20 and RON40. As a result of the simulation studies, engine operation maps were created, combustion analysis was carried out, and a comparison was made between the classical connecting rod crank mechanism and the rhombic motion mechanism.
As a result of the study, when the in-cylinder pressure and heat release rate changes of the crank and rhombic mechanisms are compared at 800 rpm engine speed with RON40 fuel, it is observed that the crank mechanism operates in the lambda 2.3-2.9 range, while the rhombic mechanism operates in the wide range of lambda 2.2-3.4 and the combustion is advanced. In the analysis with RON20 fuel, the HCCI engine was able to operate in the 800-1800 rpm range with the crank connecting rod mechanism, while the rhombic motion mechanism was able to operate in a wider engine speed range such as 800-2600 rpm.