HCCI motorlarda farklı çalışma parametrelerinin motor performansı ve emisyonlar üzerindeki etkisinin sayısal analizi
Numerical analysis of the effects of operating parameters on performance and emissions in HCCI engines
Yazar: GONCA KETHÜDAOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. NUREDDİN DİNLER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Bu çalışmada, n-heptan yakıtı kullanılarak HCCI (Homojen Dolgulu Sıkıştırma ile Ateşlemeli) motorlarının performans ve emisyon parametreleri incelenmiştir. Motor hızı, eşdeğerlik oranı, EGR (Egzoz Gazı Geri Dönüşüm) oranı, sıkıştırma oranı ve emme havası sıcaklığı gibi parametrelerin HCCI yanma süreçlerine etkileri değerlendirilmiştir. Çalışmanın amacı, HCCI motorlarının verimliliğini artırmak ve emisyon seviyelerini minimize etmek için farklı parametrelerin yanma süreci üzerindeki etkilerini sayısal olarak incelemek ve bu motorların çalışma aralığını genişletebilecek çözümler sunmaktır. Sayısal analizler AVL FIRE™M yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve literatürdeki çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Çalışmada, motor hızları 1000 rpm, 1400 rpm ve 1800 rpm olarak seçilmiş; eşdeğerlik oranları 0,22 ile 0,29 arasında, emme havası sıcaklığı 293,15 K (20°C), 313,15 K (40°C), 353,15 K (80°C) ve 393,15 K (120°C) değerlerinde, EGR %0 ile %30 aralığında, sıkıştırma oranı ise 15, 16 ve mevcut sıkıştırma oranı olan 17,5 olarak incelenmiştir. Her bir durumda basınç, ısı salınımı, sıcaklık, yanma süresi ve emisyon değerleri hesaplanmıştır. Motor hızının azaltılması, silindir içi basınç ve sıcaklık değerlerinin artmasına ve yanma süresinin kısalmasına neden olmuştur. Motor hızındaki azalış, çalışma aralığının genişlemesine katkı sağlamıştır. %20 EGR kullanımı, çalışma aralığını genişletirken %30 EGR'nin olumsuz etkileri gözlenmiştir. Emme havası sıcaklığının artırılması, çalışma aralığını genişletse de IMEP ve maksimum silindir basıncının azaldığı gözlemlenmiştir. Sıkıştırma oranının artırılması ise yanma verimliliğini yükseltmiştir. Tüm çalışma koşullarında NOx emisyonları 5 ppm'in altında kalmıştır. Sonuç olarak, farklı çalışma koşulları altında HCCI motorlarının performans ve emisyon parametreleri başarılı bir şekilde analiz edilmiş ve çalışma aralığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, farklı çalışma koşulları altında HCCI motorlarının performans ve emisyon parametreleri başarılı bir şekilde analiz edilmiş ve çalışma aralığı belirlenmiştir. Bu çalışma, HCCI motorlarının potansiyelini daha geniş bir çalışma aralığında değerlendirmek ve yanma verimliliğini artırırken emisyonları minimize etmek için gerekli stratejilerin belirlenmesine katkıda bulunmayı hedeflemektedir.

Abstract:
In this study, the performance and emission parameters of HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engines using n-heptane fuel were investigated. The effects of parameters such as engine speed, equivalence ratio, EGR (Exhaust Gas Recirculation) rate, compression ratio, and intake air temperature on the HCCI combustion process were evaluated. The aim of the study is to improve the efficiency of HCCI engines and minimize emission levels by numerically analyzing the effects of these parameters on the combustion process, as well as proposing solutions to expand the operating range of these engines. Numerical analyses were performed using AVL FIRE™M software and compared with findings in the literature. In the study, engine speeds of 1000 rpm, 1400 rpm, and 1800 rpm were selected, with equivalence ratios ranging from 0,22 to 0,29. Intake air temperatures were set at 293,15 K (20°C), 313,15 K (40°C), 353,15 K (80°C), and 393,15 K (120°C). The EGR rate varied between 0% and 30%, and the compression ratios of 15, 16, and the existing compression ratio of 17,5 were analyzed. For each case, pressure, heat release rate, temperature, combustion duration, and emission values were calculated. A reduction in engine speed resulted in an increase in cylinder pressure and temperature, as well as a shorter combustion duration. The decrease in engine speed contributed to an expansion of the operating range. While 20% EGR extended the operating range, negative effects were observed at 30% EGR. Although increasing the intake air temperature expanded the operating range, it also led to a decrease in IMEP and maximum cylinder pressure. Increasing the compression ratio improved combustion efficiency. In all operating conditions, NOx emissions remained below 5 ppm. In conclusion, the performance and emission parameters of HCCI engines under different operating conditions were successfully analyzed, and the operating range was determined. This study aims to contribute to the identification of the necessary approaches to evaluate the potential of HCCI engines across a wider operating range, while improving combustion efficiency and minimizing emissions.