Direkt Püskürtmeli Bir HCCI Motorda, Püskürtme Parametrelerinin ve Alkol-Benzin Karışımlarının Yanma ve Emisyon Karakteristikleri Üzerindeki Etkilerinin Deneysel ve Teorik Olarak İncelenmesi

Abstract

ÖZET Bu projede, yakıt püskürtme parametrelerinin, eşdeğerlik oranının, EGR’nin, emme havası sıcaklığının ve alkol-benzin karışımlarının HCCI yanma, performans ve emisyonları üzerine etkileri incelenmiştir. Proje kapsamında, direkt enjeksiyonlu bir dizel motor elektronik kontrollü DI-HCCI motoruna dönüştürülmüştür. Motor testleri, aynı enerji girişi ve sabit motor devirlerinde gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma sonucunda; ikinci enjeksiyon zamanının, birinci enjeksiyon zamanına göre HCCI yanma üzerinde daha etkili olduğu görülmüştür. Bu durum, HCCI yanma fazlarının kontrolünde ikinci enjeksiyon zamanının doğrudan kullanılabilecek önemli bir parametre olduğunu göstermiştir. Alkol-benzin karışımları kullanıldığı zaman yüksek eşdeğerlik oranı ve erken yapılan birinci enjeksiyon zamanın vuruntu eğilimine sebep olduğu tespit edilmiştir. Bu proje kapsamında, enjeksiyon oranının değişimi, EGR’nin uygulaması ve optimum ikinci enjeksiyon zamanı ile alkol-benzin karışımları için HCCI çalışma alanı genişletilebilmiştir. Maksimum efektif verime metanolbenzin karışımları ile ulaşılmıştır. Optimum ikinci enjeksiyon zamanı ve emme havası sıcaklığının kullanılması ile alkol-benzin karışımlarında benzine göre daha yüksek efektif verimler elde edilmiştir. Emisyon değerleri incelendiğinde; ikinci enjeksiyon zamanının yanmamış HC ve CO emisyonları üzerinde NOx emisyonuna göre daha az etkili olduğu tespit edilmiştir. Proje kapsamında, motor analiz çalışmaları için çözüm metotları bakımından birbirinden farklı iki adet simülasyon programı kullanılmıştır. Bunlardan biri olan SRM Suit, sıfır boyutlu matematiksel çözümleri ölçüleri önceden tanımlanan yanma odası içerisinde stokhastik olarak dağılmış her bir partikül için yapan bir yazılımdır. SRM Suit yazılımı ile benzin, benzinetanol ve benzin-metanol için uygun kimyasal mekanizmalar kullanılarak deneysel şartlarda tanımlanmış koşullara göre HCCI motor için yanma analizleri yapılmıştır. Diğer yazılım olan Ansys-Fluent programı ile hesaplamalı akışkanlar metodu kullanılarak Üç Boyutlu (3-B) çözümler yapılmıştır. Ansys-Fluent yazılımında kimyasal mekanizmaların kullanımı ile ilgili sınırlama olduğu için (en fazla 50 kimyasal bileşen) sadece benzin yakıtı için 3-B analizler yapılabilmiştir. Her iki metot ile yapılan analizlerin mevcut deneysel veriler ile uyum içinde olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Alkol Yakıtlar, Çift Kademeli Direkt Yakıt Enjeksiyon, Enjeksiyon Oranı EGR, Emme Havası Sıcaklığı, Stokhastik Modelleme, 3-B Analiz

ABSTRACT In this project, the effects of fuel injection parameters, equivalence ratios, EGR, intake charge temperature and alcohol-gasoline blends on HCCI combustion, performance and emissions were investigated. In this project, a direct injection diesel engine was converted to an electronically controlled DI-HCCI engine. The engine tests were conducted under the same energy input and constant speed conditions. At the end of the experimental study, it was seen that the second fuel injection timings are higher effective on HCCI combustion than the first fuel injection timings. This case showed that the second fuel injection timing is an important parameter for directly control of combustion phase on the HCCI combustion. When alcohol-gasoline blends was used, knock tendency increased at the earlier first injection timing for high equivalence ratio. With this project, the operating range of HCCI combustion can be extended by optimum usage of second fuel injection timing, injection ratio and EGR for alcohol-gasoline fuel blends. Maximum effective efficiency was obtained when methanolgasoline fuel blends was used. It was obtained that the effective efficiencies of alcoholgasoline fuel blends values were higher than those of pure gasoline when using optimal second fuel injection timing and intake charge temperature. When the emission values was analyzed, it was seen that unburned HC and CO emissions were less affected by the second fuel injection timing compared with NOx emissions. Within the Project, in terms of solution methods two different simulation software were used for engine analysis study. One of these software is SRM Suit that solves the zero dimensional mathematical equations for stochastically distributed particles inside the dimensionally predefined combustion chamber. Combustion in HCCI engine was analyzed with SRM Suit software in same conditions defined at experimental study with using proper chemical mechanism for pure gasoline, ethanol-gasoline and methanol-gasoline blends. Three Dimensional (3-D) analyses performed with using a Computational Fluid Dynamics (CFD) code known as Ansys-Fluent. Due to the limitation on number of species using at the chemical mechanism (maximum 50 species) at the Ansys-Fluent software, 3-D analyses performed only for gasoline fuel. Results from both two simulation technique showed good agreement with the experimental study. Keywords: Alcohol Fuels, Two Stage Direct Fuel Injection, Injection Ratio, EGR, Intake Charge Temperature, Stochastic Modelling, 3-D Analysis