Bir Dizel Motorunda Kısmi ve Tam HCCI Uygulaması

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 11, Elazığ, Turkey Bir Motorunda Kısmi ve Tam HCCI Uygulaması H. S. Yücesu a, Ö. Can a, C. Çınar a, H. Güçlü Yavuzcan b, M. Önder b a G.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, 6, Teknikokullar, Ankara b G.Ü. Endüstriyel Sanatlar Eğitim Fakültesi, 683, Gölbaşı, Ankara Partial and Full HCCI Aplication on a Diesel Engine Abstract In this work, a single cylinder diesel engine was tested at partial and full HCCI mode with diesel and RON fuels. Tests at partial HCCI mode carried out with full and half loads at 2 rpm engine speed. Tests at full HCCI mode carried out with 4, 8, 12, 16 and N engine loads. As increased premixed ratio at partial HCCI mode in-cylinder pressure, cycle-to-cycle variations of IMEP (COV IMEP ), and heat release ratio at main combustion phase increase. As decrease CO emission at full load condition, some increases to a certain premixed ratio and than decreases at half load condition. As increase premixed ratio, THC and NO x emissions increases and smoke emissions decreases. Tests carried out with full HCCI mode, nearly zero emission level were reached for NO x and smoke emissions. On the contrary THC and CO emissions levels were found higher than that of partial HCCI mode. Keywords HCCI, exhaust emissions, RON fuel I-GİRİŞ Genel olarak, buji ile ateşlemeli motorlardan dönüşüm yapıldığında: kontrollü kendiliğinden tutuşma (CAI: Controlled Auto-Ignition) ve dizel motorlardan dönüşüm yapıldığında: homojen şarjlı sıkıştırma ile ateşleme (HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) şeklinde tanımlanan yanma teknolojisi, geleneksel buji ile ateşlemeli ve sıkıştırma ile ateşlemeli motorlardaki yanma işleminden tamamen farklıdır. Bu yeni yanma teknolojisine göre çalışan motorlar, her iki geleneksel motorun avantajlarına aynı anda sahip olabilmektedir. Silindir içerisinde ya da dışında homojen ve seyreltilmiş olarak hazırlanan dolgu, herhangi bir kısılma işlemine tabi olmadan silindire alınır. Önkarıştırılmış homojen dolgunun sıkıştırılması sonucunda, alev gelişimi olmaksızın yanma odasında birden fazla bölgede eşzamanlı gerçekleşen yanma, yanma odasındaki yüksek sıcaklık bölgelerini elimine eder ve is partiküllerinin oluşumunu önler, böylece çok düşük NO x emisyonları ile is emisyonu üretilmiş olur [Zhao, 7; Ghazikhani ve ark., 9]. Giderek sıkılaşan çevre koruma kanunları ve yakıt tüketiminin azaltılması ihtiyacından dolayı, alternatif yanma teknolojisi olan HCCI motorlar, yüksek termik verimi ile düşük is ve NO x emisyonları ile ümit vermekte ve son yıllarda bu yanma teknolojisi üzerinde birçok araştırma yapılmaktadır [Ma ve ark., 8]. HCCI ileri düzey dizel yanmasının temel fikrini oluşturmaktadır. HCCI dönüşümünde kullanılacak yakıt türüne bağlı olarak, homojen karışım teşkil yönteminde farklı uygulamalar gerekli olmaktadır. Harici homojen karışım teşkilinde, kaynama eğrisi daha düşük ve geniş aralıkta olan yakıtlar uygun olmaktadır. Diğer özellikte 45 yakıtların kullanımında, dahili homojen karışım teşkili uygulanarak emme zamanında silindire doğrudan yakıt enjeksiyonu ya da sıkıştırma zamanı başlangıcında silindire doğrudan enjeksiyonu ile dizel motorundan HCCI dönüşümü yapılabilmektedir. Harici homojen teşkil yöntemi kullanılan HCCI çalışmasında, karışım emme manifoldunda hazırlandığından, tutuşma başladığında silindir içerisindeki dolgu neredeyse homojendir ve önce bölgesel olarak yüksek sıcaklık reaksiyonları olur, yanma odası cidarları hariç yanma odasında bir anda kendiliğinden tutuşmayı tetikler. Yüksek motor yüklerinde kendiliğinden tutuşma ile üretilen ani basınç artışı bir dezavantaj olarak HCCI yanması ile ilgili olan yanma gürültüsünün oluşmasına sebep olur [Arcoumanis ve Kamimoto, 9]. EGR uygulaması olmadan, HCCI yanması hava yakıt oranının sınırlı bir aralığında, yalnızca fakir karışım olması durumunda mümkün olabilmektedir. HCCI yanmasında, yanma tepe sıcaklığı 1-1 K aralığındadır ve 17-2 K aralığında olan dizel yanması sıcaklığından daha azdır. Düşük silindir içi gaz sıcaklığı NO x ve is oluşumunu engeller, fakat diğer taraftan, geleneksel dizel yanmasıyla kıyaslandığında, yüksek HC ve CO emisyonları ile sonuçlanan teklemeye (tutuşma hatası) ve alev sönmesine sebep olan yavaş oksidasyon reaksiyonlarını ihtiva eder [Arcoumanis ve Kamimoto, 9]. Yüksek CO ve HC emisyonları HCCI motorlarda ana problemlerdendir. HCCI motorların performansı modern gelişmiş dizel ve benzin motorlarının performansı ile karşılaştırıldığında, aynı fren özgül parametreleri ile HCCI yanmasında özellikle düşük yüklerde HC ve CO emisyonlarında artış ile birlikte bazı dezavantajlar göstermektedir [Bression ve ark, 8]. Genelde CO emisyonlarının yaygın olarak yakıt/hava eşdeğerlilik oranı ve gaz sıcaklığına duyarlı olan CO dan CO 2 ye dönüşüm reaksiyonları tarafından kontrol edildiği kabul edilmektedir. Bununla birlikte HC emisyonları yanma odası duvarlarında alev sönmesi, segman boşluklarında yağ tabakası üzerinde biriken ve tekrar yanma odasına salınan yakıttan kaynaklanmaktadır. Kısmi HCCI çalışma konumlarında da CO ve HC emisyonlarının HCCI ile aynı olması beklenir, çünkü oluşumları aynı temel sebeplere dayanır. HCCI motorlar ile karşılaştırıldığında direk enjeksiyon dizel motoru göreceli olarak daha düşük CO ve HC emisyonu yayarlar [Ma ve ark., 8]. Yakıt ve havanın yeterli miktarda önceden karışması düşük is oluşumu/partikül emisyonu oluşumu sağlar. Kısmi HCCI uygulamalarında da CO emisyonları ön karışım oranının bir fonksiyonudur. İlk olarak CO emisyonu belirli bir değere kadar artış gösterir ve bu

2 H. S. Yücesu, Ö. Can, C. Çınar, H. G. Yavuzcan, M. Önder noktadan sonra tekrar azalmaya başlar. Bu değişim eğilimi esas olarak ön karışımın eşdeğerlilik oranı ile ilgilidir. Karışımın eşdeğerlilik oranının,15 ten düşük olması durumunda CO nun CO 2 ye dönüşümü tamamlanamaz. CO nun tekrar azalmaya başladığı kritik değer eşdeğerlilik oranının,176 olduğu karışım oranıdır [Ma ve ark., 8]. Bu çalışmanın amacı 2 d/d sabit motor hızında, RON (Research Octane Number ) yakıtı kullanarak kısmi ve tam HCCI çalışma konumunda motor performansı ve egzoz emisyonlarının değişimlerini incelemektir. Kısmi HCCI konumunda tam yük (16 Nm) ve yarım yükte (8 Nm) motor testleri yapılırken, tam HCCI konumunda ise 4- (~1-5 Nm) Newton motor yükü aralığında deneyler yapılmıştır. II-MATERYAL VE METOD Deneyler tek silindirli, dört zamanlı, direkt enjeksiyonlu bir dizel motoru ile yapılmıştır. Deney motorunun teknik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Motorun emme manifoldu üzerine düşük basınçlı port tipi yakıt enjektörü yerleştirilmiştir. Yakıt enjeksiyon süresi bir elektronik kontrol ünitesi tarafından kontrol edilmiştir. Deneyler Cussons P81 deney düzeneğinde yapılmıştır. Motor test düzeneğinde bulunan DC elektrikli dinamometre, maksimum d/d da kw güç yutabilmektedir. Tablo 1. Motorun teknik özellikleri Motor tipi Direkt Enjeksiyonlu Silindir sayısı 1 Çap (mm) 86 Strok (mm) 68 Silindir hacmi (cm3) 395 Sıkıştırma oranı 18:1 Maksimum motor gücü 5,4 kw (3 d/d da) Maksimum moment 19 Nm (2 d/d da) Püskürtme basıncı (bar) 18 Püskürtme avansı ÜÖN dan 24 önce Deneylerde ön karışım yakıtı olarak RON kullanılmıştır. Bu yakıtın araştırma oktan sayısı olarak belirtilmektedir. Karışım olarak % i-oktan ve % n-heptan yakıtından oluşmakta ve aşağıdaki eşitliğe göre hesaplanmaktadır. OS Vi okt. Burada V i-okt izo oktan yakıtının hacimsel kesridir. Bu yakıtın ısıl değeri kj/kg olarak verilmektedir [Yao ve ark. 7]. Kısmi HCCI konumundaki deneyler 16 Nm ve 8 Nm motor torku (tam ve yarım yük) ile 2 d/d motor hızında yapılmıştır. Deneylere başlanmadan önce kararlı çalışma şarlarının oluşması için motor ısıtılmıştır. Kısmi HCCI deneylerinde motor dizel yakıtı istenilen tork değerine ayarlanmış, daha sonra tork miktarı % aralıklarla azaltılmış, azalan kısım emme manifolduna püskürtülen RON yakıtı ile tamamlanmıştır. Ön karışım yakıtının miktarı motor torkunun % değişim oranı olarak tanımlanmıştır. Hacimsel olarak RON yakıt tüketimi, enjektörün açık kalma süresine ve açılma gecikme miktarına bağlı olarak hesaplanmıştır. yakıt tüketimi ise Ohaus GT8 model,1 g hassasiyete sahip terazi ile ölçülmüştür. Sıcaklık ölçümleri NiCr-Ni tipinde olan 1 C kadar ölçüm 46 yapabilen termokupllar ile yapılmıştır. Hava tüketimi Merriam marka laminer akış ölçer ile yapılmıştır. Silindir içi basınç, AVL 8QPc model su soğutmalı quartz basınç sensörü ve Cussons P41 model yanma analiz cihazı ile ölçülmüştür. Elde edilen analog veriler National Instruments 6259 model veri aktarım kartı ile,36 KA aralığında dijital ortama kayıt edilmiştir. Silindir içi basınç değerleri, ardışık çevrimin ortalaması alınarak belirlenmiş buna göre; basınç artış oranı (dp/dθ) tayin edilmiş ve ortalama indike basınç (IMEP) değerleri aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. W C pdv (çevrim boyunca yapılan net iş); W V C imep (V k kurs hacmi) k Ardışık çevrimlerin basınç değişimlerini inceleyebilmek için varyans değişim katsayısı (COV) IMEP için aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. COV IMEP IMEP (%) IMEP ortalama Net ısı yayılım oranı ise, tek bölgeli yanma modeline göre termodinamiğin 1. kanununun uygulanması ile aşağıdaki gibi ifade edilmektedir. dqn dv 1 dp p V dt 1 dt 1 dt Bu denklemde özgül ısıların oranını sabit olarak c c alındığında ( p v ) şeklinde yazılabilir. Burada P değerleri ölçülen silindir içi basınç değerleridir. V değeri ise anlık krank açısına göre hacim değeridir. Egzoz gazlarından THC (toplam hidrokarbon), NO x, O 2, CO 2, CO emisyon ölçümleri, EGAS 2M model analitik ham egzoz gazı ölçüm sistemi ile yapılmıştır. Sistemde farklı prensiplere göre ölçüm yapan üç adet analizör bulunmaktadır. Bu analizörler sırasıyla; Isıtmalı alev iyonizasyon detektör (HFID) prensibine göre THC ölçümü yapan GRAPHITE 52M, Isıtmalı kimyasal ışıma (HCLD) prensibine göre NO x -NO ölçümü yapan TOPAZE 32M, saçınımsız kızılötesi ışıma (NDIR) prensibine göre CO- CO 2 ile paramanyetik prensibine göre O 2 ölçümü yapan MIR 2M model analiz cihazlarıdır. İs oranı, AVL marka Dicom model kısmi akışlı opazimetre ile ölçülmüştür. III-DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Kısmi HCCI konumunda tam yükte yapılan deneylerde elde edilen silindir basıncının krank açısı ile Şekil 1 de görülmektedir. Şekilden de görüleceği gibi tork değişim oranı arttıkça silindir basıncı da artmaktadır. Deneyler % tork değişim oranına kadar yapılmış, şiddetli vuruntudan dolayı bu noktadan sonra motorun zarar görmemesi için deney yapılmamıştır. % ve % tork değişim oranları için elde edilen silidir basıncındaki dalgalanma bu durumu doğrulamaktadır. yakıtı ile

3 Silindir Basıncı [Bar] Isı Dağılımı [kj/ka ] Silindir Basıncı [Bar] Basınç Artış Oranı [kpa/ka ] Bir Motorunda Kısmi ve Tam HCCI Uygulaması elde edilen maksimum basınç 65 bar civarında iken % tork nde maksimum silindir basıncı 82 bar civarında olmuştur. 8 RON 16 Nm-2 d/d 3 yakıtı ile kıyaslandığında tork değişim oranına bağlı olarak maksimum basıncın yeri ÜÖN ya doğru kaymış, bu kayma en yüksek % tork nde görülmüş ve yaklaşık 4 KA olarak tespit edilmiştir. 8 RON 16 Nm 2 d/d Krank Açısı [KA ] Şekil 1. Krank açısına bağlı silindir basıncının Şekil 2 de tam yükte krank açısına göre ısı dağılımının görülmektedir. Tork değişim oranının artmasıyla ön karışım yanma periyodunda, derece başına açığa çıkan ısı enerjisi miktarında da artış görülmektedir. Buna karşılık difüzyon yanma periyodunda açığa çıkan ısı enerjisi miktarında ise azalma görülmektedir. %-%3 aralığında ön karışım yanma pikinin hemen arkasından daha küçük ikinci bir yanma pikinin oluştuğu görülmektedir. Ön karışım yanma periyodunda açığa çıkan enerji miktarı arttıkça maksimum silindir basıncında artış meydana gelmektedir. Isı dağılımında enerji miktarı,35 kj/ka yi geçince şiddetli vuruntu meydana gelmektedir.,6,5,4,3,2,1, RON 16 Nm 2 d/d Şekil 2. Krank açısına bağlı ısı dağılım oranının Şekil 3 te krank açısına bağlı olarak basınç artış oranının görülmektedir. yakıtı ile yapılan testte krank açısı başına maksimum basınç artışı kpa civarında iken tork değişim oranı % a yükseltildiğinde basınç artış oranı 9 kpa civarına yükselmektedir. Yüksek basınç artış oranı motorun sert ve vuruntulu çalışmasına sebep olmaktadır. yakıtından başlamak üzere tork için emme manifolduna püskürtülen yakıt miktarı arttıkça basınç artış oranı da sürekli artmaktadır. Bu durumun ön karışım miktarının artmasıyla silindir dışında hazırlanmış olan havayakıt karışımının silindirde dizel yakıtıyla birlikte tutuşması ve bir anda yanmasından kaynaklandığı düşünülmektedir Krank Açısı [KA ] Şekil 3. Krank açısına bağlı basınç artış oranının Motor yükü yarıya azaltıldığında elde edilen silindir içi basıncının krank açısıyla Şekil 4 te gösterilmiştir. Yarım yükte (8 Nm) %9 tork ne kadar dizel yakıtı azaltılmak suretiyle yerine emme manifoldundan RON yakıtı püskürtülerek deneyler yapılabilmiştir. Basınç eğrileri incelendiğinde % tork ne kadar basınç eğrilerinin bir arada olduğu ve tork değişim oranıyla küçük artışlar gösterdiği, % tork değişim oranından sonra basınçta gözle görülür artış meydana geldiği tespit edilmiştir. % tork ve sonrasında basınç eğrilerinde ÜÖN civarında vuruntudan dolayı dalgalanmalar meydana gelmektedir. Maksimum basınçlar incelendiğinde En düşük tork % tork ile 63 bar, dizel yakıtı ile 64 bar civarında tespit edilmiştir. En yüksek tork ise %9 tork değişim oranında yaklaşık 75 bar olarak belirlenmiştir RON 8 Nm 2 d/d Şekil 4. Krank açısına bağlı silindir basıncının Yarım yükte yapılan deneylerden elde edilen ısı dağılım eğrileri Şekil 5 te görülmektedir. % tork değişim oranına kadar ön karışım ısı dağılım pikinde tork değişim oranına bağlı olarak bir artış meydana gelmekte, ardından tork artışına bağlı olarak ikinci bir ısı dağılım pikinin giderek belirginleştiği görülmektedir. %7 ve %8

4 Basınç Artış Oranı [kpa/ka ] Silindir Basıncı [Bar] Isı Dağılımı [kj/ka ] COV İMEP [%] H. S. Yücesu, Ö. Can, C. Çınar, H. G. Yavuzcan, M. Önder tork değişim oranlarında meydana gelen ikinci ısı dağılım piki dizel yakıtıyla elde edilen ön karışım ısı dağılım pikine eşittir. %9 tork değişim oranında meydana gelen ikinci ısı dağılım piki birinciden yüksek olmakta ve birinci ısı dağılım pikine yakın üçüncü bir yanma piki meydana gelmektedir. yakıtı ile ön karışım yanma periyodunda,25 kj/ka civarında ısı açığa çıkarken %9 tork değişim oranında ikinci ısı dağılımında maksimum ısı dağılımı meydana gelmekte ve,33 kj/ KA civarında olmaktadır. Ayrıca ön karışım yanması meydana gelmeden önce ÜÖN ya KA kala düşük sıcaklık yanmasından (soğuk alev bölgesi) kaynaklanan bir basınç de meydana gelmektedir. göstermiştir. Tam yükte yanma şartları daha iyileştiğinden COV İMEP teki değişim yarım yük şartlarındaki değişimden daha aşağıda kalmaktadır. Silindire manifolttan püskürtülen RON miktarı artıkça silindirdeki i-oktan miktarı artmakta, bu durumun i-oktan miktarındaki artıştan kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Aynı zamanda kısmi yüklerde de yanma şartları kötüleşmekte ve çevrimden çevrime farklılıklar da artış göstermektedir. 8 7 RON 16 Nm 8 Nm,35,3,25,,15,,5, RON 8 Nm 2 d/d , Şekil 5. Krank açısına bağlı ısı dağılım oranının Şekil 6 da yarım yükte krank açısına bağlı basınç artış oranları görülmektedir. yakıtı ile ön karışım yanma periyodunda maksimum basınç artma oranı 47 kpa/ KA dır. %9 tork değişim oranında ön karışım yanma piki ile krank açısı başına 4 kpa civarında basınç artışı meydana gelirken, ikinci yanma pikinde daha yüksek bir basınç artışı meydana gelmiş ve yaklaşık 57 kpa/ KA dır. Yüksek tork değişim oranlarında ön karışım yanması ile elde edilen basınç artış oranı eğrisine ilave olarak ikinci basınç artış oranı eğrisi piki de meydana gelmektedir RON 8 Nm 2 d/d Krank Açısı [KA ] Şekil 6. Krank açısına bağlı basınç artış oranının Şekil 7 de ortalama indike basıncın çevrimden çevrime değişim katsayısının tork ne bağlı olarak görülmektedir. Her iki motor yükünde de COV İMEP te en düşük değişim dizel yakıtı ile elde edilmiş, tork değişim oranı arttıkça COV İMEP teki değişim oranı da artış Şekil 7. Tork değişim oranına bağlı olarak COV İMEP in Şekil 8 de tam HCCI konumunda yapılan testlerde farklı yüklerde silindir basıncının krank açısına bağlı görülmektedir. Yük arttıkça maksimum basınç ta artmaktadır N motor yükü aralığında maksimum basınç ÜÖN yı 8 KA geçe meydana gelirken N motor yükü ile maksimum basınç ÜÖN yı 6 KA geçe meydana gelmektedir. Kısmi HCCI çalışmaları ile karşılaştırıldığında yanma başladıktan sonra meydana gelen basınç eğrilerinde vuruntudan kaynaklanan basınç değişimleri görülmemektedir. Tam HCCI konumunda elde edilen maksimum silindir basınçlarının Kısmi HCCI konumunda elde edilen basınçlardan daha düşük olmaktadır. 7 3 RON TAM HCCI 4 N 8 N 12 N 16 N N Şekil 8. Silindir basıncının krank açısı ile Şekil 9 da tam HCCI konumunda ısı dağılımının krank açısı ile görülmektedir. ÜÖN ya KA kala düşük sıcaklık yanması (soğuk alev bölgesi) meydana gelmektedir. Daha sonra ön karışım yanma fazı meydana

5 Basınç artışış Oranı [kpa/ka ] NO X [ppm] Isı Dağılımı [kj/ka ] THC (C 3 H 8 ) [ppm] Bir Motorunda Kısmi ve Tam HCCI Uygulaması gelmekte ve yanmanın bu fazda tamamlandığı görülmektedir. Bu şekli ile tipik bir HCCI ısı dağılım eğrisi meydana gelmektedir. Kısmi HCCI konumunda meydana gelen difüzyon yanma safhası tam HCCI konumunda oluşmamaktadır. Düşük sıcaklık yanması 8 K civarında meydana gelirken ana yanma fazının K civarında başladığı bilinmektedir [Zuehl, 9]. Düşük sıcaklık yanmasından hemen sonra Negatif Sıcaklık Bölgesi oluşmakta, bu bölgede sıcaklık artarken reaksiyonların tümünde bir azalma görülmektedir. Negatif sıcaklık bölgesi H 2 O 2 üreten, az miktarda egzotermik yüksek sıcaklık reaksiyonlarını kapsayarak başlar ve basınç artışında keskin düşüş gösterir. İkinci aşama tutuşmanın başlangıcından önceki süre boyunca üretilen H 2 O 2 konsantrasyonunda yavaş bir artış görülür. Sıcaklık K e ulaşıncaya kadar H 2 O 2 deki çözülme üretilmesinden daha yavaş olur ve üretilen OH radikallerinin küçük bir miktarı reaksiyon tarafından yakıt ile birlikte tüketilir [Lü ve ark. 5]. Sıcaklık H 2 O 2 nin tekrar ayrışmaya başlamasına kadar yavaşça artmaya devam ettiğinden ikinci aşama ve dallanmış termal ani yanmanın (infilakın) ortadan kalkması için önemli olur. Bu durumda H 2 O 2 yok olur ve OH konsantrasyonu hızlıca artar. Artan OH konsantrasyonu arta kalan yakıt varsa bununla birlikte hızlıca tükenir.,4,3,2 RON TAM HCCI 4 N 8 N 12 N 16 N N kpa/ KA civarında bir basınç artış oranı elde edilmiştir. Kısmi HCCI çalışmaları kıyaslandığında daha düşük basınç artış oranları elde edilmektedir. Motor gürültüsü dikkate alındığında tam HCCI çalışmasında motorun daha yumuşak çalıştığı tespit edilmiştir. Şekil 11 de tork değişim oranı ile THC emisyonunun görülmektedir. THC emisyonları tam yükte önce bir azalma ve ardından artış göstermiştir, yarım yükte ise tork değişim oranına bağlı olarak devamlı bir artış göstermektedir. Bilindiği gibi HCCI çalışmasında CO ve HC emisyonları normal dizel çalışmasına göre daha yüksek olmaktadır [Ma ve ark., 8]. Bunun bir sebebi silindir cidarlarında alev sönmesi, ikinci sebebi ise segman yarıkları, piston tepesi ve silindir cidarı arasına sıkıştırma esnasında dolan ön karışımın genişleme esnasında basıncın düşmesi ile silindire tekrar geri dolması ve yanmadan silindirden atılmasıdır. Yanma odasındaki alevin ulaşamadığı dar bölgeler de bu emisyonların yüksek olmasına sebep olmaktadır RON % YÜK,1, Şekil 9. Isı dağılımının krank açısı ile Şekil 11. THC emisyonlarının tork değişim oranına bağlı 1 RON % YÜK RON TAM HCCI 4 Nm 8 Nm 12 Nm 16 Nm Nm Krank açısı [KA ] Şekil. Basınç artış oranının krank açısı ile Şekil da basınç artış oranının krank açısı ile görülmektedir. 4 N motor yükü ile 1 kpa/ KA, 8 N motor yükü için 1 kpa/ KA, 12 N motor yükü için kpa/ KA, 16 N motor yükü için 2 kpa/ KA ve N motor yükü için Şekil 12. NO x emisyonlarının tork değişim oranına bağlı Şekil 12 de NO x emisyonlarının tork değişim oranına bağlı görülmektedir. Tam yük çalışmasında NO x emisyonları tork değişim oranının artışına bağlı olarak keskin bir artış göstermektedir. NO x emisyonları yanma esnasında sıcaklığın 18 K in üzerinde kalma süresi ve yanma bölgesindeki oksijen konsantrasyonuna bağlıdır. Isı

6 CO [%] THC (C 3 H 8 ) [ppm] CO[%] İs [k] H. S. Yücesu, Ö. Can, C. Çınar, H. G. Yavuzcan, M. Önder dağılım ve basınç eğrileri incelendiğinde tork değişim oranın arşı ile ısı dağılım oranında da artış görülmekte, bu hem basıncı hem de sıcaklığı artırmaktadır. Yarım yükte ise NO x emisyonunda tork değişim oranına bağlı olarak az miktarda artış görülmektedir. Yük azaldıkça yükü karşılamak için silindire sevk edilen yakıt miktarı azaldığı için yanma sonu basıncı ve sıcaklığı nispeten daha düşük olmakta ve NO x emisyonunda da buna bağlı olarak az miktarda bir değişim görülmektedir RON 1/2 YÜK Şekil 13 te tork değişim oranına karşılık CO emisyonunun görülmektedir. Tam yük deneylerinde tork değişim oranının artışı ile CO emisyonu sürekli azalma gösterirken yarım yükte % tork ne kadar artış, daha sonrada azalma eğilimi göstermektedir. CO emisyonu önemli ölçüde silindir sıcaklığına bağlıdır. Silindir sıcaklığı arttıkça CO emisyonunda azalma meydana gelir. Bununla birlikte silindir sıcaklığı oldukça düşük olduğunda (13 K den daha düşük) CO miktarı sıcaklığın düşmesiyle birlikte düşer [Yao ve ark., 7]. Genelde HCCI çalışmasında zengin sınıra yakın ve/veya erken yanma fazında çok az CO üretilir. Fakat fakir sınıra yakın ve/veya geç yanma fazında oldukça fazla CO üretilebilinir. CO emisyonu ile IMEP ilişkisine bakıldığında, düşük IMEP değerlerinde (1,5-2,5 bar) CO emisyonları yüksek olduğu, IMEP in artmasıyla CO emisyonlarının silindir içi sıcaklığının artışına bağlı olarak azaldığı belirtilmektedir. Fakat çok düşük motor yüklerinde CO emisyonlarının arttığını vurgulamak gerekir. Bu genellikle yakıt/hava karışımının tutuşamamasından dolayı geniş miktarda yakıtın oksitlenmeden egzozdan doğruca atılmasından kaynaklanmaktadır [Xingcai ve ark, 6]. 1,,8,6 RON % YÜK Şekil 14. İs emisyonlarının tork değişim oranına bağlı Şekil 15 te THC ve CO emisyonlarının motor yükü ile görülmektedir. THC ve CO emisyonlarının her ikisi de motor yüküne bağlı olarak benzer göstererek her ikisi de azalmaktadır. Kısmi HCCI çalışması ile kıyaslandığında tam HCCI çalışmasında elde edilen en düşük THC seviyesi neredeyse tük kısmi HCCI çalışmasında elde edilen THC seviyesinden daha yüksek olmaktadır. Benzer durum CO emisyonu için de geçerlidir. Tam HCCI çalışmasında elde edilen THC ve CO seviyelerinin dizel çalışmasında elde edilen emisyon miktarından daha fazla olduğu bilinmektedir THC (ppm) CO (%) 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Şekil 13. CO emisyonlarının tork değişim oranına bağlı Şekil 14 te tork değişim oranına bağlı olarak is emisyonlarının görülmektedir. Kısmi HCCI çalışmasında her motor yükünde tork ne bağlı olarak is emisyonlarının azaldığı görülmektedir. Tam yükte %3 tork ne kadar hızlı bir azalma görülmekte, buradan sonra düşüş miktarı azalmaktadır. Yarım yükte ise isteki azalma miktarı daha yatay bir seyir göstermektedir. Belirli bir tork değişim oranında motor torku azaldıkça silindire sevk edilen yakıt miktarı da azaldığından is miktarı da azalmaktadır. 3, Yük [N] Şekil 15. THC ve CO emisyonlarının motor yüküne bağlı (tam HCCI) Şekil 16 da NO x ve is emisyonunun motor yükü ile görülmektedir. HCCI çalışmasının NO x ve is emisyonunda sağladığı üstünlük iş ve NO x emisyonlarında ortaya çıkmaktadır. Tüm yüklerde NO x emisyonları 5 ppm in üzerine çıkmamaktadır. Benzer şekilde is emisyonu (k: duman faktörü),5 i aşmamaktadır. yanmasında is emisyonu enjektörden yakıt püskürtüldükten sonra yakıt demetinin tutuşmaya başlamasıyla iç kısımlarında meydana gelen zengin karışım bölgelerinde karbon partiküllerinin birbirine tutunmasıyla meydana gelmektedir. HCCI yanmasında hazırlanan ön karışım silindirde homojen fakir karışım oluşturmakta ve yanma eşzamanlı olarak tüm silindirde bir abda başladığından is oluşumu meydana gelmektedir.,4

7 NOx [ppm] İs [k] Bir Motorunda Kısmi ve Tam HCCI Uygulaması HCCI yanmasında sıcaklık dizel yanmasından daha düşük olduğundan NO x emisyonu da oluşmamaktadır. 8 NOx [ppm] İs [k],5,4 Tam HCCI çalışmasından elde edilen basınç eğrileri incelendiğinde tutuşmanın daha geç başladığı ve basınç eğrilerinin daha düzgün olduğu, yük artışı ile maksimum silindir basıncının arttığı tespit edilmiştir. Isı dağılım eğrilerinde ön karışım yanma fazından önce düşük sıcaklık yanmasının meydana geldiği görülmektedir. 6,3 4,2 2,1, Yük [N] Tam HCCI çalışmasında THC ve CO emisyonları kısmi HCCI çalışmasında elde edilenden daha yüksek olmasına rağmen, NO x ve is emisyonları oldukça düşük olmakta ve sıfıra yaklaşmaktadır. TEŞEKKÜR Bu çalışma Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Başkanlığınca 7/8-17 kodlu proje kapsamında desteklenmiştir. Yazarlar Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür eder. Şekil 16. NO x ve is emisyonlarının motor yükü ile IV. SONUÇLAR RON yakıtı ile kısmi ve tam HCCI çalışma konumunda yapılan deneylerde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Kısmi HCCI konumunda tam ve yarım yükte tork değişim oranının artmasıyla silindir basıncında artış tespit edilmiştir. Tam yük konumunda basınç artışı yarım yüke göre daha yüksektir ve tork değişim oranı vuruntu ile sınırlanmış, en fazla % tork değişim oranına kadar deney yapılmıştır. Yarım yükte %9 tork değişim oranına kadar deney yapılabilmiştir. Tam yükte tork değişim oranına bağlı olarak ısı dağılımında artış görülmektedir, yüksek tork değişim oranında ön karışım yanmasının ardından hemen ikinci bir yanma piki meydana gelmektedir. Yarım yükte ikinci yanma piki oldukça belirgin hale gelmekte ve yüksek tork değişim oranlarında üçüncü yanma piki de görülebilmektedir. Kısmi HCCI çalışmasında tork değişim miktarının artmasıyla ortalama çevrim basıncında çevrimden çevrime meydana gelen değişim miktarı artmaktadır. Kısmi HCCI çalışmasında THC emisyonları tam yükte tork değişim oranıyla bir miktar azalma gösterirken kısmi yüklerde tork ne bağlı sürekli artış göstermektedir. Kısmi HCCI çalışmasında tam ve yarım yükte NO x emisyonları tork değişim oranının artışıyla artış göstermekte, yarım yükte bu artış tam yüke oranla oldukça sınırlı kalmaktadır. KAYNAKLAR 1. H. Zhao, HCCI and CAI Engines for the Automotive Industry, Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, M. Ghazikhani, M. R. Kalateh, Y. K. Toroghi, and M. Dehnavi, An Experimental Study on the Effect of Premixed and Equivalence Ratios on CO and HC Emissions of Dual Fuel HCCI Engine, World Academy of Science, Engineering and Technology 52 (9) C. Arcoumanis, T. Kamimoto Flow and Combustion in Reciprocating Engines, Springer-Verlag Berlin Heidelberg G. Bression, D. Soleri, S. Savy, S. Dehoux, L. Doradoux, N. Guerrassi, N. Lawrence, A Study of Methods to Lower HC and CO Emissions in Diesel HCCI, SAE Paper, , World Congress Detroit, Michigan, April 14-17, J. Ma, X. Lü, L. Ji, Z. Huang., An Experimental Study of HCCI-DI Combustion and Emissions in a Diesel Engine with Dual Fuel International Journal of Thermal Sciences, 47 (8) X. Lu, W. Chen, Z. Huang, A fundamental study on the control of the HCCI combustion and emissions by fuel design concept combined with controllable EGR. Part 1. The basic characteristics of HCCI combustion, Fuel, 84 (5) M. Yao, B. Zhang, Z. Zheng, and Z. Chen, Experimental Study on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion with Primary Reference Fuel Combust. Sci. and Tech., 179: (7) L. Xingcai, H. Yuchun, Z. Linlin, H. Zhen, Experimental Study on the Auto-ignition and Combustion Characteristics in the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Combustion Operation with Ethanol/n-heptane Blend Fuels by Port Injection, Fuel, 85 (6) J. R. Zuehl, Fuel Effects on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion, M. Sc. Thesis, University of Wisconsin Madison, 9. Kısmi HCCI çalışmasında CO emisyonları tam yükte tork değişim oranının artışına bağlı sürekli azalırken yarım yükte % tork değişim oranına kadar artış göstermekte, daha sonra da düşüş göstermektedir. Kısmi HCCI çalışmasında is emisyonu hem tam yükte hem de yarım yükte tork değişim oranına bağlı sürekli azalma göstermiştir. 51