Bir DI dizel motorda etanol ön karışımlı kısmi-HCCI uygulamasının yanma ve emisyonlar üzerine etkilerinin incelenmesi
An investigation of the effects of partial-HCCI application with premixed ethanol on combustion and emissions in a DI diesel engine
Yazar: ÖZER CAN
Danışman: PROF. DR. H. SERDAR YÜCESU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Otomotiv = Automotive ; Yanma = Combustion ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu çalışmada, tek silindirli, bir DI dizel motorda kısmi ön karışımlı yakıt dolgusunun yanma ve egzoz emisyon karakteristikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Düşük basınçlı bir port tipi yakıt enjeksiyon sistemi ile ön karışım odasına yakıt püskürtülmüştür. Ön karışımlı yakıt olarak, tek aşamalı tutuşma karakteristiğine ve yüksek oktan sayısı ile düşük kaynama noktasına sahip olduğu için etanol kullanılmıştır. Homojen dolgu emme stroğu boyunca oluşturulmakta ve pilot dizel yakıt enjeksiyonu ile ÜÖN'dan önce tutuşturulmaktadır. Bu kombine yanma şekli, ön karışımlı HCCI ile konvansiyonel DI dizel yanması arasında ortak özelliklere sahip olmakta ve HCCI-DI veya kısmi-HCCI olarak tanımlanabilmektedir. Deneyler, farklı dolgu giriş sıcaklıkları (20 ve 40 °C) ve EGR oranları (%0-30) altında, farklı ön karışımlı yakıt oranlarında 2200 1/min motor hızında ve dört farklı yükte (4, 8, 12 ve 16 Nm) yapılmıştır. Deneylerde, yüksek yüklerde duyulabilir vuruntu başlangıcına kadar, düşük yüklerde ise düzensiz çalışma limitine ya da tekleme oluşana kadar ön karışımlı yakıt oranı arttırılmıştır. Yapılan ön testlerde, kısmi yüklerde ön karışımlı yakıt oranının %90'a kadar çıkarılabildiği görülmüştür. Ön karışımlı yakıt dolgusunun artışı ile yanma başlangıcında dikkate değer derecede gecikme meydana gelirken, ön karışımlı yanma aşamasında ısı yayılım oranı giderek artış göstermekte ve difüzyon aşamasında azalmaktadır. Dolayısıyla, maksimum ısı yayılım oranı, maksimum silindir basıncı ve maksimum silindir basınç artış oranı artmakta ve böylece vuruntu eğilimi de artmaktadır. Yanma süresi kısalmakta ve ısı yayılımı orta noktası ÜÖN'ya yaklaşmaktadır. Tam yükte vuruntu oluşumu sonucunda, ön karışımlı yakıt oranı %30 ile sınırlandırılmıştır. Tam yükte meydana gelen hızlı ısı yayılım oranı, EGR ilavesi ile kontrol altına alınabilmiş ve motorun çalışma limitleri %50 ön karışım oranına kadar genişletilmiştir. Orta ve kısmi yüklerde, belli bir değerin üzerindeki ön karışımlı yakıt oranlarında, yanmadaki gecikme sonucu oluşan faz farkının etkileri üstün gelerek ısı yayılımı orta noktasında gecikme meydana gelmiştir. Böylece, indike özgül yakıt tüketimi artış göstermiş ve indike termik verim kötüleşmiştir. Düşük yüklerde, ön karışımlı yakıt oranının yanma karakteristiği üzerine etkileri ılımlı ölçüde gerçekleşmiştir. Giriş sıcaklığının arttırılması ile yanma başlangıcında meydana gelen gecikmenin etkileri azaltılmıştır. Özellikle orta ve kısmi yüklerde, maksimum ısı yayılımı oranının krank açı konumu yaklaşık olarak aynı kalarak, ısı yayılımı orta noktası ÜÖN'ya yaklaşmıştır. Kısmi yüklerde NOx ile duman emisyonlarında %26 ve %87 oranlarında eş zamanlı azalma görülmüştür. Fakat ön karışımlı yakıt oranının artışı ile tam yükte NOx emisyonlarında artış gerçekleşmiştir. Ön karışımlı yakıt ile EGR'nin birlikte uygulanması sonucu bu artış eğilimi önlenmiştir. Tam yükte ve %50 ön karışımlı yakıt oranında, %30 EGR oranı ile NOx ve duman emisyonlarında %62 ve %82 oranlarında iyileşme sağlanabilmiştir. Kısmi yüklerde EGR uygulaması ile bu eş zamanlı iyileşmeler %81 ve %64 oranlarında gerçekleşmiştir. Diğer yandan, giriş sıcaklığı arttırıldığında NOx emisyonları kötüleşmiştir. Genel olarak, ön karışımlı yakıt oranı ve EGR oranının artışı ile CO ve HC emisyonları artış gösterirken, dolgunun ön ısıtılması durumunda azalma meydana gelmiştir.

Abstract:
In this study, the effects of partial premixed fuel charge on the combustion and exhaust emission characteristics of a single-cylinder, DI diesel engine were investigated. Premixed fuel was injected into the premixed chamber with a low pressure port-type fuel injection system. Ethanol was used as a premixed fuel because of exhibiting single-stage ignition with having high octane number and low boiling point. Homogeneous charge was formed during the intake stroke and ignited by pilot diesel spray before the TDC. This compound combustion mode could be considered as a compromise between the premixed HCCI and conventional DI diesel combustion, and it can be described either as a HCCI-DI or partial HCCI combustion. The experiments were performed with different premixed fuel ratio at 2200 rpm engine speed and four different loads (4, 8, 12 and 16 Nm) under different inlet temperatures (20 and 40 °C) and EGR rates (between 0-30%). In the experiments, premixed fuel ratio was increased up to onset of audible knocking at the high loads and it also was increased up to either the unstable operation limit or misfiring at the light loads. Preliminary engine tests were showed that, the premixed fuel ratio could be reached up to 90% at partial loads. Start of combustion delayed remarkably with the increase of premixed fuel charge, while heat release rate increased gradually in the premixed stage of the combustion and decreased in the diffusion combustion. Consequently, the maximum heat release rate, the maximum cylinder pressure and the maximum rate of pressure rise increased and consequently knocking tendency increased also. Combustion duration was shortened and the center of the heat release tended to move towards the TDC. At the full load, premixed fuel ratio was limited with 30% due to knock occurrence. With the introducing of EGR, suppression of fast heat release rate was achieved at the full load, and engine operational limits expanded up to 50% premixed fuel ratio. At the medium and partial loads, effects of combustion phasing depended on delay were dominated when the premixed fuel ratio exceeded to a certain value and center of the heat release retarded. Thus, ISFC was increased and ITE was deteriorated. At the low loads, effects of the premixed fuel ratio on combustion characteristics were observed moderate. Effects of delay on the start of combustion were eliminated by the increase of inlet temperature. Especially for medium and partial loads, location of the maximum heat release rate stayed almost the same, while the center of the heat release closed to TDC. NOx and smoke emissions decreased simultaneously by 26% and 87% at partial loads. However, NOx emissions increased with the increase of premixed fuel ratio at the full load. This tendency was suppressed by combined use of EGR and premixed fuel. At the full load and 50% premixed fuel ratio, improvements on the NOx and smoke were achieved as 62% and 82% with application of up to 30% EGR rate. Also, these simultaneous improvements were achieved as 81% and 64% for the light loads with the EGR. On the other hand, NOx emissions deteriorated when the inlet temperature increased. In general, CO and HC emissions also increased with the increase of premixed fuel ratio and EGR rate, whereas preheating of the charge caused to decrease.