Tolüen
etanol karışımlarının homojen dolgulu sıkıştırma ateşlemeli motor performansına etkisinin incelenmesi / Investigation of the effect of toluene/ethanol blends on the performance of homogeneous charge compression ignition engines
Yazar: AHMET BÖĞREK
Danışman: PROF. DR. CAN HAŞİMOĞLU
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Benzinli motorlar = Gasoline engines ; Buji ateşlemeli motorlar = Spark ignition engines ; Deney motoru = Research engine ; Homojen karışımlı sıkıştırmalı ateşlemeli motorlar = Homogeneous charge compression ignition engines ; Mühendisler = Engineers ; Mühendislik = Engineering ; Otomotiv mühendisliği = Automotive engineering ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Homojen dolgulu sıkıştırma ateşlemeli motorlar (HCCI), azot oksit emisyonlarının azaltılması ve ısıl verimliliğin aynı anda artırılmasıyla karakterize edilen yeni bir yanma modelidir. Bununla birlikte, düşük motor yüklerinde tekleme ve yüksek motor yüklerinde vuruntu sorunu ortaya çıkar. Düşük oktan sayılı yakıtlar, düşük motor yüklerinde teklemeyi ortadan kaldırmak için kullanılabilirken, yüksek oktan sayılı yakıtlar yüksek motor yüklerinde vuruntu sorununu çözmek için kullanılabilir. 

Bu tez çalışmasında, farklı kimyasal özelliklere sahip düşük ve yüksek reaktivite yakıt karışımlarının çalışma aralıkları HCCI yanma modunda deneysel olarak incelenmiştir. Sabit sıkıştırma oranının (13:1) kullanıldığı deneylerde giriş hava sıcaklığı 350K'e kadar ısıtılmıştır. Porttan enjeksiyonlu tek silindirli bir motorda yapılan deneylerde silindir içi basınç, yakıt tüketimi, egzoz emisyonları, motor performans parametreleri detaylı olarak incelenmiştir. Deneylerde saf n-Heptan yakıtı referans alınarak % 10 tolüen ve % 90 n-Heptan karışımından oluşan T10 yakıtı, % 10 tolüen, % 10 etanol ve % 80 n-Heptan karışımından oluşan E10 yakıtı, % 10 tolüen, % 20 etanol ve % 70 n-Heptan karışımından oluşan E20 yakıtı ve % 10 tolüen, % 30 etanol ve % 60 n-Heptan karışımından oluşan E30 yakıtı olmak üzere 5 farklı yakıt ile deneyler yapılmıştır. Her bir yakıtın çalışma haritasını belirlemek için farklı hava fazlalık katsayı değerlerinde deneyler yapılmıştır.

Yüksek reaktiviteye sahip n-Heptan, T10 ve E10 yakıtları, zengin ve fakir karışım koşullarında HCCI stratejisi için uygun olduğu görülmüştür. Düşük reaktiviteye sahip E20 ve E30 yakıtları ise vuruntu bölgesi sınırında, yüksek motor yüklerinde iyi performans göstermiştir. En yüksek ısıl verim, E30 yakıtıyla aşırı zayıf karışım koşullarında (ʎ = 2.95) elde edilmiştir. E20 yakıtı da E30 gibi iyi bir performans gösterirken, yüksek reaktiviteye sahip yakıt kullanımında, ısı açığa çıkışının büyük bir kısmı ÜÖN'dan önce gerçekleşmesi nedeniyle vuruntu ve ısıl kayıplar oluşmuş ve bu nedenle ısıl verimde düşüşe neden olmuştur. Etanolün düşük reaktiviteye sahip olduğu ve HCCI uygulamalarında kullanılabilmesi için yüksek giriş hava sıcaklığı, yüksek sıkıştırma oranı veya n-Heptan ve tolüen gibi yanmayı iyileştirici katkı maddelerine ihtiyaç duyduğu söylenebilir.

Abstract:
Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines are a new combustion model characterized by reduced nitrogen oxide emissions and increased thermal efficiency. However, misfire at low engine loads and knock at high engine loads can arise. Low-octane fuels can be used to eliminate misfire at low engine loads, while high-octane fuels can be used to solve the knock problem at high engine loads.

In this thesis, the operating ranges of low and high reactivity fuel mixtures with different chemical properties were experimentally investigated in the HCCI combustion mode. The experiments were conducted using a port-injected single-cylinder engine with a fixed compression ratio (13:1), and the intake air temperature was heated up to 350K. Cylinder pressure, fuel consumption, exhaust emissions, and engine performance parameters were extensively analyzed. The experiments were conducted with five different fuels, including a T10 fuel consisting of 10 % toluene and 90 % n-heptane mixture, an E10 fuel consisting of 10 % toluene, 10 % ethanol, and 80 % n-heptane mixture, an E20 fuel consisting of 10 % toluene, 20 % ethanol, and 70 % n-heptane mixture, an E30 fuel consisting of 10 % toluene, 30 % ethanol, and 60 % n-heptane mixture, and a pure n-heptane fuel as the reference. Experiments were carried out at different air-fuel ratios to determine the operating map of each fuel.

High reactivity n-Heptane, T10, and E10 fuels were found to be suitable for HCCI strategies under rich and lean mixture conditions. E20 and E30 fuels with low reactivity performed well at high engine loads near the knock zone. The highest brake thermal efficiency was obtained under extremely lean mixture conditions (λ = 2.95) with E30 fuel. While E20 fuel also performed well like E30, when using high reactivity fuel, the majority of heat release occurred before top dead center (TDC), causing knock and thermal losses, leading to decreased thermal efficiency. Ethanol is considered to have low reactivity and requires high inlet air temperature, high compression ratio, or combustion-enhancing additives such as n-Heptane and Toluene for use in HCCI applications.