Kısmi yalıtılmış bir buji ateşlemeli motorda buhar enjeksiyonu etkilerinin incelenmesi

Abstract

İçten yanmalı motorlardan kaynaklanan hava kirliliğinin kanuni ve çevresel zorunluluklardan dolayı önlenmesi, daha temiz ve daha verimli çalışan motorlar üzerindeki araştırmaları yoğunlaştırmaktadır. Bu amaçla, emisyonları azaltıp, verimi arttırıcı yöntemler kullanılmalıdır. Seramik kaplama uygulamaları ile birlikte; iş ve egzoz enerjisinde artma, soğutma sistemine giden ısının azaltılması, egzoz emisyonları ve motor gürültüsünde azalmalar sağlanmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda HC oluşum mekanizmalarının en önemli kaynaklarından biri de yanma odası cidar (alev sönme bölgesi) sıcaklığının düşük olmasıdır. Bu bölgelerde sıcaklık arttırabildiği oranda HC emisyonlarında azalmalar meydana gelmektedir. Motora su-buhar gönderilmesi ile birlikte; suyun özgül ısısının yaklaşık olarak havanın özgül ısısından dört kat daha fazla olması maksimum yanma sıcaklığının düşmesine neden olmaktadır. Yanma odası maksimum sıcaklığının düşmesi, NOX emisyonlarında dikkate değer oranlarda azalmalara sebep olmaktadır. Ayrıca su ile birlikte, silindir içerisinde karışımın daha iyi olması, motor yanma veriminin artmasına neden olmakta ve buna bağlı olarak motor performans parametreleri iyileşmektedir. Bu çalışmada, kısmi yalıtılmış bir buji ateşlemeli motora buhar enjeksiyonun motor performans ve egzoz emisyonları üzerine etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, piston üst yüzeyi dışarıdan merkeze doğru 4 ile 8 mm genişliğinde ve 0.5 mm kalınlığında iki farklı Y2O3 ve MgO-ZrO2 seramik malzemeler ile kaplanmıştır. Buhar, egzoz kayıp enerjisinden elde edilip, geliştirilen elektronik kontrollü buhar enjeksiyon sistemi ile emme zamanında, emme manifolduna, yakıt sarfiyatının % 10, % 20 ve % 30 kütlesel oranlarında püskürtülmüştür. Elde edilen sonuçlar, her bir durum için standart motor verileriyle karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Motor performans parametreleri ile egzoz emisyonlarını optimum yapan buhar oranı, kaplama türü ve devir durumu Ki-Kare yöntemiyle tespit edilmiştir. STD motorda, buhar enjeksiyonun etkileri ayrıca teorik olarak sıfır-boyutlu tek-bölgeli yanma modeli ile incelenmiştir. Modelden elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Ayrıca seramik kaplamalı motorda farklı yakıt olarak M15-E15 yakıtları kullanılması ve bu yakıtlara buhar enjeksiyonu yapılması durumunda performans ve egzoz emisyonlarındaki değişim incelenmiştir.

Many researches have been carried out concentrating on cleaner and more efficient internal combustion engines due to new legislation about preventing air pollution and environmental obligations. For this purpose, various method of reducing emissions and increasing efficiency are used. With ceramic coating applications, increased power and exhaust energy, reduced heat of the cooling system, exhaust emissions and engine noise have been achieved. Also in spark ignition engines one of the most important formation mechanisms of hydrocarbon emissions is the flame quenching at the walls. The reductions in HC emissions occur as much as the temperature can be increased in these areas. Injection of water-steam into the cylinder causes a reduction in the maximum combustion temperature due to the fact that specific heat of water is four times greater than air. Decreasing the temperature of the combustion chamber gives rise to considerable reduction in the amount of the NOx emissions. Moreover, water steam injection into the cylinder provides better fuel/air blend, increased combustion efficiency and improved engine performance parameters. In the study, the effects of water steam injection into the cylinder on the engine performance and exhaust emissions has been investigated. In the experiment a spark engine with partially coated piston was used. For this purpose, the top surface of the piston is coated with 4 and 8 mm wide and 0.5 mm thick two different containing material Y2O3 and MgO-ZrO2. Water steam was generated using the heat of exhaust gas and transmitted to the inlet manifold at the inlet period. Water steam was injected at different mass ratios of fuel consumption (10, 20 and 30%) using a custom electronically controlled injector. The results obtained from each test are compared to that of the standard engine. The optimum values of steam rates, coating types and engines speed have been determined by means of chi-square method in terms of engine performance parameters and exhaust emissions. The effect of steam injection on the performance and NO emissions in the STD engine has also been theoretically modeled based on zero-dimensional single-zone burning approach. The results of the model were compared with experimental data. The effects of using M15 and E15 fuels with and without the presence of steam injection on performance and exhaust emissions were investigated by employing the ceramic coated engine.