Direkt enjeksiyonlu benzinli motorda hidrojen yardımlı alev jeti ile ateşleme sisteminin silindir içi yanma, motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisinin deneysel olarak araştırılması
Experimental investigation of the effect of hydrogen-assisted flame jet ignition system's in-cylinder combustion, engine performance and exhaust emissions in a direct injection gasoline engine
Yazar: ÜMİT TOPALCI
Danışman: PROF. DR. HABİB GÜRBÜZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, iki silindirli, su soğutmalı ve manifolttan enjeksiyonlu bir buji ateşlemeli motor, direkt enjeksiyonlu (DI) yakıt sistemine sahip olacak şekilde modifiye edilmiş ve motorun her bir silindirine ön yanma odalı hidrojen yardımlı alev jeti ile ateşleme (HAJI) sistemi entegre edilmiştir. Motora ait bujiler, HAJI sistemine monte edilerek HAJI'ya püskürtülen H2 ile sağlanan alev jeti ile ana yanma odasındaki hava-yakıt karışımının tutuşturulması sağlanmıştır (HAJI'nın aktif çalışma şartları). Kurulan deney düzeneğinde, motorun farklı yük ve devir şartlarında çalışmasını sağlamak için motorun çıkış miline bir hidrolik dinamometre bağlanmıştır. Ana yakıt olan benzin, silindir içine DI yoluyla 90 bar basınçta, H2 gazı ise HAJI sistemine bir DI enjektörü yoluyla 5 bar basınçta püskürtülmüştür. Hem benzin hem de H2'nin enjeksiyon avansı ve süresi 2 adet elektronik kontrol ünitesi yardımıyla kontrol edilmiştir. Benzin ve H2 yakıtlarının enjeksiyon avansları ve HAJI'daki ateşleme avansı gerçekleştirilen bir dizi ön deneylerle optimize edilmiştir. Deneyler, 2300 d/d sabit motor devri ve ½ gaz kelebeği açıklık oranında, ana yanma odasında 5 farklı hava/yakıt karışım oranı (λ = 0,8, 0,9, 1,0, 1,1 ve 1,2) ve HAJI'da her λ için tespit edilen optimum H2 debisi (0,0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 ve 3,0 L/dk) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda, silindir içi basıncın krank açısına bağlı değişim verileri, motorun farklı noktalarından alınan sıcaklık verileri ve egzoz gaz emisyonlarının (HC, CO, NOx ve CO2) değişim verileri elde edilmiştir. Elde edilen veriler ile indike ortalama efektif basınç (IMEP), basınç artış oranı (PRR), silindir içi ortalama gaz sıcaklığı, ısı yayılım oranı (HRR), yanmış kütle oranı (MFB), IMEP'deki çevrimsel değişimin katsayısı (COVIMEP), indike motor gücü, indike motor torku, indike termik verim, indike özgül yakıt tüketimi ve yanma verimi hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, direk enjeksiyonlu benzin motorunda, ana yanma odasındaki hava/yakıt karışımı λ = 0,8 zengin karışımdan λ = 1,2 fakir karışıma doğru ilerletildiğinde, optimum motor performansı ve silindir içi yanma şartlarının elde edilmesi için HAJI sistemine püskürtülmesi gereken H2 miktarının arttığını (λ = 0,8'de optimum H2 debisi 0,5 l/d ve λ = 1,2'de optimum H2 debisi 2,5 L/dk), özellikle fakir karışımlarda (λ = 1,1 ve λ = 1,2) HAJI sisteminin silindir içi yanma (IMEP, PRR, HRR, MFB ve COVIMEP), indike motor performansı ve egzoz emisyonları üzerindeki etkisini arttırdığı göstermiştir. Örneğin, λ = 1,2 fakir karışımlı yanma şartlarında HAJI'ya H2 enjeksiyonun yapılmadığı pasif yanma şartları ile HAJI'da optimum H2 enjeksiyonun yapıldığı aktif yanma şartları (HAJI'daki optimum H2 debisi 2,5 L/dk) karşılaştırıldığında, maksimum basınçta %62,27, maksimum PRR'de %161,82, maksimum silindir içi ortalama gaz sıcaklığında %14,08 ve maksimum HRR'de %12,78 artış, toplam yanma süresinde (%100 MFB) %33,33 ve COVIMEP'de ise %60,37 azalma sağlanmıştır. Bununla birlikte, IMEP'te %20,27, indike motor gücünde %23,15, indike motor torkunda %23,22, indike termik verimde %20,79 artış ve indike özgül yakıt tüketiminde %18,75 azalma sağlanmıştır. Egzoz emisyonlarındaki değişimler incelendiğinde ise, HC'de %77,80 azalma, CO'da %87,50, NOx'te %312,33 ve CO2'de %35,48 artış gerçekleşmiştir.

Abstract:
In this thesis study, a two-cylinder, water-cooled and manifold injection spark ignition engine was modified to have a direct injection (DI) fuel system and a hydrogen-assisted flame jet ignition (HAJI) system with a pre-combustion chamber integrated into each cylinder of the engine. The engine's spark plugs were mounted on the HAJI system and the air-fuel mixture in the main combustion chamber was ignited with the flame jet provided by the H2 sprayed into the HAJI (active operating conditions of HAJI). In the experimental setup, a hydraulic dynamometer was connected to the output shaft of the engine to ensure that the engine operates under different load and speed conditions. The main fuel, gasoline, was injected into the cylinder via DI at a pressure of 90 bar, and H2 gas was injected into the HAJI system via a DI injector at a pressure of 5 bar. Injection advance and duration of both gasoline and H2 were controlled with the help of two electronic control units. Injection advances of gasoline and H2 fuels and ignition advance in HAJI were optimized through a series of preliminary experiments. Experiments were carried out at a constant engine speed of 2300 rpm and ½ throttle opening ratio, with 5 different air/fuel mixture ratios (λ = 0.8, 0.9, 1.0, 1.1 and 1.2) in the main combustion chamber. It was carried out using the optimum H2 flow rate determined for each λ in HAJI (0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3.0 L/min). In experimental studies, change data of in-cylinder pressure depending on the crank angle, temperature data taken from different points of the engine and exhaust gas emissions (HC, CO, NOx and CO2) change data were obtained. With the obtained data, indicated mean effective pressure (IMEP), pressure rise rate (PRR), in-cylinder average gas temperature, heat release rate (HRR), mass fraction burned (MFB), coefficient of cyclic change in IMEP (COVIMEP), indicated engine power, indicated engine torque, indicated thermal efficiency, indicated specific fuel consumption and combustion efficiency were calculated. Results obtained, in the gasoline direct injection engine, when the air/fuel mixture in the main combustion chamber is advanced from λ = 0.8 rich mixture to λ = 1.2 lean mixture, the amount of H2 that needs to be injected into the HAJI system to obtain optimum engine performance and in-cylinder combustion conditions increases (optimum H2 flow rate is 0.5 l/min at λ = 0.8 and optimum H2 flow rate is 2.5 l/min at λ = 1.2). It has been shown that especially in lean mixtures (λ = 1.1 and λ = 1.2), the HAJI system increases the effect on in-cylinder combustion (IMEP, PRR, HRR, MFB and COVIMEP), indicated engine performance and exhaust emissions. For example, when comparing passive combustion conditions in which H2 is not injected into HAJI under λ = 1.2 lean mixture combustion conditions and active combustion conditions in which optimum H2 injection is made in HAJI (optimum H2 flow rate in HAJI is 2.5 L/min), 62.27% increase in maximum pressure, 161.82% increase in maximum PRR, 14.08% increase in maximum in-cylinder average gas temperature and 12.78% increase in maximum HRR, 33.33% decrease in total combustion time (100% MFB) and 60.37% decrease in COVIMEP are achieved. In addition, a 20.27% increase in IMEP, a 23.15% increase in indicated engine power, a 23.22% increase in indicated engine torque, a 20.79% increase in indicated thermal efficiency and an 18.75% decrease in indicated specific fuel consumption were achieved. When the changes in exhaust emissions are examined, there is a 77.80% decrease in HC, an 87.50% increase in CO, a 312.33% increase in NOx and a 35.48% increase in CO2.