14th International Combustion Symposium (INCOS2018) April 2018

Transkript

1 HOMOJEN DOLGULU SIKIŞTIRMA İLE ATEŞLEMELİ (HCCI) BİR MOTORDA NEGATİF SUPAP BİNDİRMESİNİN MOTOR ÇALIŞMA ARALIĞI VE PERFORMANSI ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI Seyfi POLAT 1, Hamit SOLMAZ 2, Ahmet UYUMAZ 3, Alper CALAM 4, Emre YILMAZ 2 H. Serdar YÜCESU 2 1 Hitit Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, seyfipolat@hitit.edu.tr, 19100, Çorum 2 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği, hsolmaz@gazi.edu.tr emreylmz@gazi.edu.tr yucesu@gazi.edu.tr 06500, Ankara 3 Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi, Teknik Bilimler MYO, Mot. Araç. ve Ulaşt.Teknolojileri Bölümü, auyumaz@mehmetekif.edu.tr 15100, Burdur 4 Gazi Üniversitesi, TUSAŞ Kazan MYO, Mot. Araç. ve Ulaşt.Teknolojileri Bölümü, acalam@gazi.edu.tr 06500, Ankara ÖZET HCCI motorlar yüksek yüklerde vuruntu düşük yüklerde ateşlenememe problemlerinden dolayı geniş yük ve devir aralığında çalıştırılamamaktadır. Özellikle zengin karışımlarda yüksek basınç artış oranı nedeniyle oluşan vuruntu çalışma aralığını sınırlamaktadır. Basınç artış oranını azaltmak için karışımın egzoz gazı ile seyreltilmesi en yaygın kullanılan metotlardandır. Bu durum egzoz gazlarının emme havasına karıştırılması (EGR sistemi) veya art gazların yanma odasına hapsedilmesi ile sağlanabilmektedir. Bu çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, port enjeksiyonlu HCCI bir motor farklı hava fazlalık katsayısı ve +8 o KMA, -8 o KMA ve -16 o KMA supap bindirmesi değerlerinde çalıştırılarak, negatif supap bindirmesinin motor çalışma aralığı ve performansı üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Deney sonuçlarında negatif supap bindirmesinin arttırılmasıyla silindir içerisinde hapsedilen art gaz miktarının arttığı, maksimum basınç artışının azalması ile vuruntu oluşumunun azaldığı ve HCCI motorunun daha geniş bir aralıkta çalıştığı görülmüştür. Ayrıca en yüksek motor momenti ve en düşük özgül yakıt tüketimi -16 o KMA supap bindirmesinde elde edilmiştir. Anahtar kelimeler: HCCI yanma, negatif supap bindirmesi, performans, çalışma aralığı AN INVESTIGATION ON THE EFFECTS OF NEGATIVE VALVE OVERLAP ON ENGINE PERFORMANCE AND OPERATING RANGE IN A HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION (HCCI) ENGINE ABSTRACT HCCI engines could not be operated at low and high engine loads due to misfiring and knocking problems respectively with wide engine speed and load range. The knock caused by the high pressure rise rate limits the operating range at rich mixtures especially. Dilution of the mixture with exhaust gas is the most common method to reduce the pressure rise rate. This can be achieved either by mixing the exhaust gases into the intake air (EGR system) or by trapping the residual gases in the combustion chamber. In this study, a single cylinder, four stroke, port injection HCCI engine was run +8 CA, -8 CA and -16 CA valve overlap at different air excess coefficient values. The effects of negative valve overlap on HCCI performance and operating range were investigated as experimentally. Experimental results showed that the amount of residual gas trapped in the cylinder increased, the maximum pressure rise rate decreased and the knock formation decreased with increasing the negative valve overlap, and thus the HCCI engine could be operate in a wider range. In addition, the highest engine torque and the lowest specific fuel consumption were obtained at -16 o KMA valve overlap. Keywords: HCCI combustion, negative valve overlap, performance, operating range 635

2 1. GİRİŞ Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli (Homogeneous Charge Compression Ignition-HCCI) motorlar konvansiyonel buji ile ateşlemeli ve sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarla karşılaştırıldığında, yüksek termik verimleri, çok düşük NO x ve is emisyonları, düşük ısı transfer kayıpları gibi birçok avantaja sahip olduğundan alternatif bir içten yanmalı motor olarak gelecek vaat etmektedir. Fakat HCCI motorlarda silindir içerisine alınmış olan hava/yakıt karışımının sıkıştırılarak kendi kendine bütün silindir boyunca eşzamanlı olarak tutuşması, NO x ve is emisyonları açısından avantaj oluştururken, özellikle yüksek yüklerde silindir içerisinde basınç artış oranının çok yüksek olması nedeniyle vuruntu oluşumuna sebep olmaktadır. Bu durum ise HCCI motorların ticari olarak kullanılabilmesini engellemektedir. HCCI motorlardaki en büyük zorluklardan biri ise yanma başlangıcının ve yanmanın diğer aşamalarının doğrudan kontrol edilememesidir. HCCI motorlarda yanma sürecini kontrol edebilmek için araştırmacılar emme giriş havasının ısıtılması, değişken supap zamanlaması, EGR (Egzoz Gazı Geri Dönüşümü), sıkıştırma oranının değiştirilmesi, emme basıncının arttırılması gibi birçok farklı uygulamalar kullanmışlardır. Bunların yanı sıra, HCCI motorlarda kullanılacak olan yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri yanma sürecini doğrudan etkilediğinden araştırmacılar farklı özelliklere sahip yakıtlar kullanarak HCCI motorların çalışma aralığını genişletmek için çalışmalar gerçekleştirmişlerdir [1-12]. HCCI yanmasının kontrol problemi, tutuşma zamanlaması ve ısı yayılım oranının kontrolü ile çözülebilir. Ancak bu iki durumda HCCI motorların en temel problemidir. Silindir içerisine dolgunun alınması ve yanmış gazların atılması işlemlerinde, supapların açılmakapanma zamanları ve açık kalma süreleri, dolgu miktarını ve art gaz miktarını doğrudan etkilemektedir. Dolayısıyla supapların zamanlaması ve açık kalma süreleri dolgunun kendi kendine tutuşması için büyük önem arz etmektedir [9-13]. Konvansiyonel dört zamanlı motorlarda, emme ve egzoz supapları, kam mili üzerindeki kamın profiline göre hareket etmektedir. Bu kam profilleri, supapların açılma zamanını, kalkma miktarını, açık kalma süresini ve kapanma zamanını belirlemektedir. SI ve CI motorlarda standart supap stratejisine göre, supapların kalkma miktarının yüksek olması, açık kalma sürelerinin uzun olması ve pozitif supap bindirmesi (PVO - Positive Valve Overlapping) gerekmektedir. HCCI motorlarda ise, bunun tam tersine, supap kalkma miktarının az, açık kalma süresinin kısa ve negatif supap bindirmesi (NVO-Negative Valve Overlapping) gerekmektedir. Negatif supap bindirmesi sonucu, gaz değişim işlemi sırasında silindir içerisinde daha fazla sıcak egzoz gazı kalmaktadır. Bu gazlar bir sonraki çevrimde silindir içerisine alınan dolgunun sıcaklığını artırarak kendi kendine tutuşma işlemini kolaylaştırmaktadır. Negatif supap bindirmesi genellikle, egzoz zamanında egzoz supabının erken kapanması ve emme zamanında emme supabının geç açılması ile sağlanmaktadır. Negatif supap bindirmesi sırasında, silindirde bırakılmış olan egzoz gazları, egzoz zamanının sonuna doğru sıkıştırılır ve bu işleme yeniden sıkıştırma aşaması denir. Emme zamanının başlangıcında bu gazların genişlemesine ise, yeniden genişleme işleme denir. Egzoz supabının kapanma (EVC-Exhaust Valve Closing) zamanı ile emme supabının açılma (IVO-Intake Valve Opening) zamanı üst ölü noktaya göre simetrik ise, bu durum simetrik negatif supap bindirmesi olarak adlandırılır [8-12]. Chen ve arkadaşları HCCI bir motorda düşük yük sınırını arttırmak için uygun motor kontrol stratejilerini belirlemek amacıyla değişken supap zamanlaması ve değişken supap lifti kullanarak tek silindirli bir motorda araştırma yapmışlardır. Boşta kendi kendine tutuşma için uygun ortamın elde edilmesi yanma düzgünlüğü ile yakıt tüketimi arasındaki optimal uyumun sağlanması için negatif supap bindirmesinin, port ve direkt enjeksiyonun etkisini araştırmışlardır [11]. Hunicz erken direkt enjeksiyonlu HCCI motorda negatif supap bindirmesinin yanma üzerindeki etkilerini incelemiştir. Değişken supap zamanlaması mekanizması ile 157 ile 182 KA derece aralığında negatif supap bindirmesi elde etmiştir. Egzoz gazlarının sıkıştırılmaya başlamasından ve egzoz gazlarının yeniden genişlemesine kadar olan aralıklarda yakıtı silindir içerisine direkt olarak tek kademede püskürtmüştür. Deneyleri tekleme sınırının müsaade edebildiği fakir karışım ile stokiyometrik karışım arasında gerçekleştirmiştir. Egzoz gazlarının sıkıştırılması boyunca yakıt enjeksiyonun rötara alınması ile yanmanın avansa alındığını görmüştür. Aynı zamanda egzoz gazlarının genişlemesi süresince negatif supap bindirmesinin termal etkisine bağlı olarak yanmanın rötara alındığını görmüştür. Negatif supap bindirmesi ile geç yakıt enjeksiyonu (ÜÖN dan 20 KA sonra) sonucu yanma zamanlamasının stokiyometrik ve fakir karışım şartları için rötara alındığını görmüştür [12]. Megaritis ve arkadaşları tek silindirli, dört zamanlı bir HCCI motorda bio-etanol yakıtı kullanarak negatif supap bindirmesinin HCCI yanması üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Deneylerde egzoz supabı kapanma zamanlamasını sabit, emme supabı açılma zamanlamasını ise dört faklı değerde tutarak negatif supap bindirmesini gerçekleştirmişlerdir. Ayrıca silindir içerisinde kalan art gaz miktarını arttırmak için daha düşük kalkma miktarına sahip kam profili kullanmışlardır. Belirli bir hava fazlalık değerinde, emme supabının açılmasının en uygun değerden avansa veya rötara alınması ile yanmanın daha geç başladığını gözlemlemişlerdir. Rötara veya avansa alınan supap zamanlamasının stabil yanma için gerekli hava fazlalık katsayısını azalttığını görmüşlerdir [13]. Karagiorgis ve arkadaşları HCCI motoru negatif supap bindirmesi uygulayarak çalıştırmışlardır. Gaz örnekleme metodu ile art gaz miktarını tespit etmişlerdir. Ölçülen art gaz 636

3 miktarı ile HCCI yanma modunda çalışan 4 silindirli motorda modelleme yapmışlardır. Ölçülen art gaz miktarı değerleri ile modelden alınan sonuçların uyum içerisinde olduğunu görmüşlerdir [14]. Çınar ve arkadaşları art gaz miktarının HCCI yanması üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. 5,5 mm emme 3,5 mm egzoz supabı kalkma miktarı ile 3,5 mm emme ve 3,5 mm egzoz supabı kalkma miktarları ile çalıştırılan HCCI motorunda silindir basıncı ve ısı dağılımları incelenmiştir. Emme 5,5 egzoz 3,5 supap sistemi ile silindir basıncının ve ısı dağılımının arttığı görülmüştür. 3,5 mm supap kalkma miktarına sahip sistemde art gaz oranının arttığı yanmanın rötara alındığını gömüşlerdir. Sonuçta supap kalkma miktarı azaltıldığında HCCI yanmasının vuruntu ihtimalinden uzak kararlı bir şekilde çalıştırılabileceğini ve çalışma aralığının genişletilebileceğini görmüşlerdir [15]. Bu çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, port enjeksiyonlu HCCI bir motor farklı hava fazlalık katsayısı ve +8 o KMA, -8 o KMA ve -16 o KMA supap bindirmesi değerlerinde çalıştırılarak, negatif supap bindirmesinin motor çalışma aralığı ve performansı üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneyler Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü İçten Yanmalı Motorlar Laboratuvarı nda gerçekleştirilmiştir. Buji ile ateşlemeli motorun HCCI motora dönüşümü için tek silindirli, sıkıştırma oranı, emme havası giriş sıcaklığı, yakıt püskürtme miktarı gibi çalışma parametreleri değiştirilebilen Ricardo Hydra marka araştırma motoru üzerinde modifikasyonlar yapılmıştır. Tablo 1 de deney motorunun teknik özellikleri görülmektedir. Deney motorunda HCCI yanması için emme havası giriş sıcaklığı ve sıkıştırma oranı arttırılmıştır. Deney düzeneğinin şematik görünümü Şekil 1 de görülmektedir. Tablo 1. Deney motorunun teknik özellikleri Markası Ricardo Hydra Silindir sayısı 1 Çap x Kurs [mm] 80,26 x 88,9 Silindir hacmi [cm3] 540 Maksimum motor hızı [1/min] 1900 Maksimum güç [kw] 4,2 Sıkıştırma oranı 13/1 Supap düzenlemesi Üstten kamlı, düşey iki supap Yakıt sistemi Port tipi enjeksiyon Supap kalkma miktarı [mm] Emme 5,5 Egzoz 3,5 Egzoz hattına bağlanmış olan UEGO sensör yardımıyla hava/yakıt oranı ölçülmüştür. Dinamometre kontrol paneli üzerinden enjektörün açık kalma süresi kontrol edilerek lamda değeri değiştirilebilmektedir. Dinamometre hızı ve yükleme durumu kontrol paneli üzerinden kontrol edilebilmektedir. HCCI yanma modunda yanma analizini gerçekleştirmek için Kistler 6121 marka basınç sensörü ile 0,36 krank açısı aralıklarında silindir içi basınçlar ölçülmüş ve anlık krank mili açısını ölçebilmek için 1000 pals lik enkoder kullanılmıştır. Alınan analog silindir içi basınç sinyalleri National Instrument marka veri aktarım kartında (NI USB-6251) dijital sinyallere çevrilmiştir. Dijital verilere çevrilen sinyallerin bilgisayara aktarımı gerçekleştirilmiştir. Çevrimsel farklılıkların azaltılabilmesi amacıyla silindir içi basınçlar 50 ardışık çevrimin ortalaması alınarak belirlenmiştir. HCCI yanmasının sağlanabilmesi için motor çalışma sıcaklığına ulaşana kadar öncelikle buji ile ateşleme modunda çalıştırılmıştır. Negatif supap bindirmesinin etkisini incelemek için deneyler +8 o KMA, -8 o KMA ve -16 o KMA olmak üzere üç farklı supap bindirmesinde, RON40 (% 40 izo-oktan - % 60 n-heptan) yakıtı kullanılarak 80 o C giriş havası sıcaklığında farklı hava fazlalık katsayılarında ve farklı motor hızlarında gerçekleştirilmiştir. Tablo 2 de emme ve egzoz supaplarının açılma ve kapanma açıları, Şekil 2 de ise supap bindirme açıları görülmektedir. Tablo 2. Supap açılma ve kapanma zamanlaması Supap Açıma ve Supap Bindirmesi Kapanma Tablosu +8 o KMA -8 o KMA -16 o KMA Em. Sup. Aç. Zam. 4 öüön 4 süön 8 süön Em. Sup. Kap. Zam. 64 saön 72 saön 76 saön Eg. Sup. Aç. Zam. 64 öaön 72 öaön 76 öaön Eg. Sup. Kap. Zam. 4 süön 4 öüön 8 öüön 1.Deney motoru 2. DC dinamometre 3. Port tipi yakıt enjeksiyon sistemi 4. ECU 5. Hassas terazi 6. Emme havası ısıtma tertibatı 7. Laminer hava akış ölçüm sistemi 8. Silindir basınç sensörü 9.Yanma analiz cihazı 10. Enkoder 11. Bilgisayar 12. Veri toplama kartı 13. Egzoz gazı analiz cihazı 14. UEGO sensör 15.Dinamometre kontrol paneli 16. Akü 17. Lambda göstergesi Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görünümü 637

4 artışı ve zengin karışım ile HCCI yanması sağlanabilmektedir. -16 KMA supap bindirmesinde karışımın ısıl kapasitesi artmakta, ani ve hızlı gelişen ısı dağılımı kontrol edilerek yüksek devirlerde yanma gerçekleşebilmiştir. -16 KMA supap bindirmesinde HCCI yanması stokiyometrik oranda 800 d/d motor devrinde gerçekleşmiştir. Şekil 2. Pozitif ve negatif supap bindirme açıları 3. DENEY SONUÇLARI HCCI motorların en büyük avantajlarından biri fakir karışımlarda yüksek termik verimle çalışabilmesidir. Bu noktada silindire alınan karışım eş zamanlı ve aniden yanmasını tamamlamaktadır. Bu süreçte yanma üzerinde kontrol mekanizması olmadığından sıkıştırma stroku boyunca karışım kompozisyonu yanmayı direkt etkilemektedir. Şekil 3 de motor hızı ve hava fazlalık katsayısına bağlı HCCI yanması çalışma aralığı görülmektedir. Negatif supap bindirme süresi arttıkça motorun yüksek devirlerde daha zengin karışımlarla çalıştığı görülmektedir. Supap bindirmesi +8 o KMA na ayarlandığında bir kısım taze karışım egzoz gazlarının silindirden süpürülmesine yardımcı olmaktadır. Bu noktada HCCI yanması çok fakir karışımlarda nispeten daha düşük motor devirlerinde sağlanabilmektedir. Sonuçta negatif supap zamanlaması arttıkça HCCI yanmasında gerçekleşen ani ve hızlı ısı dağılımı silindirde tutulan art gazları ile yavaşlatılabilmekte, daha kararlı HCCI yanması elde edilebilmektedir. Özellikle yüksek motor devirlerinde silindire alınan karışımın artması sonucu daha homojen bir karışım sağlanabilmektedir. Sonuçta negatif supap bindirmesi arttıkça HCCI motorun daha geniş devir aralığında çalıştığı görülmektedir. -8 ve -16 KMA supap zamanlama değerlerinde HCCI motor d/d arasında kararlı bir şekilde çalıştırılmıştır. Şekil 4. Art gaz oranının negatif supap bindirmesi ve HFK ya bağlı değişimi Şekil 3. Motor hızına, hava fazlalık katsayısı ve farklı supap bindirme zamanlamalarına bağlı HCCI çalışma aralığı Negatif supap bindirmesi uygulandığında yanma odasında hapsedilen art gaz miktarı artmakta karışımın kendiliğinden tutuşturulabilmesi ve yanabilmesi için daha fazla yakıt molekülüne ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun sonucunda HCCI yanması fakir karışımlarda sağlanamamaktadır. Bununla birlikte negatif supap bindirmesi ile yüksek devirlerde silindire alınan hava Sıkıştırma stroku sonunda karışımın kompozisyonu, sıcaklığı ve termodinamik özellikleri HCCI yanmasını doğrudan etkilemektedir. Bu parametreler arasında art gaz miktarı en önemli değişkenlerden birisidir. İçten yanmalı motorlarda sıkıştırma stroku sonunda bir önceki çevrimden kalan gazlar yanmayı kötüleştirmektedir. HCCI yanmasında ise silindirde ani ve hızlı ısı dağılımını engellemenin en verimli yollarından biri karışımın özelliğini bozmaktır. Bu durumda art egzoz gazları silindirde hapsedilir karışımın ısı kapasitesi arttırılır. Sonuçta ani ısı dağılımı yavaşlatılabilmektedir. Şekil 4 de art gaz oranının negatif supap bindirmesi ve HFK ya bağlı değişimi görülmektedir. 638

5 (a) Şekil 5. Negatif supap bindirme zamanlamasının HCCI çalışma aralığı ve maksimum basınç artış oranına etkisi (b) (c) Negatif supap bindirmesi ile art gaz oranı pozitif supap bindirmesine göre artmaktadır. Egzoz supabının erken kapanması ve emme supabının geç açılması sonucu yanma odasında hapsedilen gaz miktarı artmaktadır. Minimum art gaz oranı +8 o KMA ile hesaplanmıştır. Bunun yanında negatif supap bindirmesi ile hava fazlalık katsayısı arttıkça art gaz oranının azaldığı görülmektedir. Çünkü fakir karışımlarda silindire alınan hava miktarı artmakta art egzoz gazlarının yerini taze oksijen molekülleri doldurmaktadır. Yanma odasında oksijen konsantrasyonu artmakta, art gaz oranı azalmaktadır. Pozitif supap bindirmesinde art gaz oranı önce azalmakta karışım daha da fakirleştirildiğinde bir miktar artış eğilimi göstermektedir. Pozitif supap bindirmesi ile taze emme havası yanma odasında bir önceki çevrimden kalan art gazların silindirden süpürülmesine yardımcı olmakta, art gaz oranı azalmaktadır. Şekil 5 de negatif supap bindirme zamanlamasının HCCI çalışma aralığı ve maksimum basınç artış oranı üzerindeki etkisi görülmektedir. Üç farklı supap zamanlaması incelendiğinde karışım fakirleştikçe maksimum basınç artış oranının azaldığı görülmektedir. Silindire alınan yakıt enerjisinin azalması sonucu elde edilen maksimum basınç azalmaktadır. Aksine HCCI yanması stokiyometrik karışım oranına doğru zengin karışımlar ile sağlandığında motor vuruntulu çalışma eğilimine girmektedir. Bu noktada HCCI yanması vuruntudan dolayı sınırlandırılmaktadır. +8 KMA supap zamanlama değerinde HCCI yanması en fakir karışım ile sağlanmıştır. Bu noktada motor vuruntu sınırından gayet uzaklaşmıştır. Ancak çok fakir karışımla çalışma sonucu özellikle yüksek devirlerde silindire alınan havanın artışına bağlı olarak HCCI yanması 1800 d/d da gerçekleşememiştir. Farklı supap zamanlama değerleri incelendiğinde HCCI motorun özellikle 800 ve 1000 d/d motor devirlerinde, daha zengin karışımlar ile vuruntulu çalıştığı görülmektedir. Şekiller ayrı ayrı incelendiğinde vuruntu çalışma bölgeleri görülmektedir. HCCI yanması çalışma aralığını en fazla daraltan unsurlardan biri hızlı ısı dağılımı sonucu motorun vuruntulu çalışma temayülü göstermesidir. Negatif supap bindirmesinin sağladığı en önemli avantajlarından birisi maksimum basınç artış oranının azaltılarak ısı dağılım hızının yavaşlatmaktadır. Negatif supap bindirmesi ile HCCI motor düşük devirlerde fakir karışımlarla çalışabilmektedir. Bu durum maksimum basınç artış oranının azaltılmasına yardımcı olmakta, HCCI yanması daha yüksek devirlerde sağlanabilmektedir. -16 KMA supap zamanlama değerinde silindirde tutulan art gaz miktarı artış göstermektedir. Bu bağlamda -8 KMA supap zamanlama değerine göre düşük devirlerde motor biraz daha zengin karışım ile çalışmakta, maksimum basınç artış oranı artmaktadır. Bununla birlikte 800 d/d da 16 KMA supap zamanlama değeri ile motor stokiyometrik orana kadar azalan değerlerde çalışmıştır. 639

6 (a) Şekil 6. Negatif supap bindirme zamanlamasının efektif özgül yakıt tüketimi üzerindeki etkisi (b) (c) üzerindeki etkileri görülmektedir. Pozitif supap bindirmesi ile özgül yakıt tüketiminin arttığı görülmektedir. HCCI çalışma aralığı göz önüne alındığında motorun yüksek devirlerde kararlı çalışamadığı ve silindire alınan havanın sınırlı kaldığı görülmektedir. Bu durum özgül yakıt tüketiminin artmasına neden olmaktadır. Negatif supap bindirmesi ile motor daha yüksek devirlerde çalışabilmekte ve silindire daha fazla oksijen alınabilmesi mümkün olmaktadır. Sonuçta türbülansın ve homojen karışımın daha iyi sağlandığı görülmektedir. Şekil 6-b ve Şekil 6-c incelendiğinde motor pozitif supap bindirmesine göre daha zengin karışımlarda çalışmasına rağmen özgül yakıt tüketiminin azaldığı görülmektedir. Aynı zamanda silindirde tutulan sıcak art gaz miktarı negatif supap bindirmesi ile arttırılarak özellikle yüksek devirlerde silindir içi sıcaklığın artmasına neden olabilmektedir. Bu noktada daha kararlı bir HCCI yanması sağlanarak yanmanın iyileştiği motorun daha ekonomik çalıştığı görülmektedir. +8 o KMA supap bindirme zamanlamasında deney motoru 1.7 ile yaklaşık 3 hava fazlalık katsayısı değerinde d/dk devir aralığında çalışmıştır. -8 o ve -16 o KMA negatif supap bindirmesinde ise motor d/dk devir aralığında çalışmıştır. -16 o KMA supap bindirmesinde silindirde hapsedilen art gaz miktarı özellikle zengin karışımlarda artış göstermektedir. Yanma odasındaki sıcak art gazlar negatif supap bindirme zamanlamasının çok artmasına bağlı olarak artmaktadır. Bu bağlamda motorun kararlı çalışabilmesi için daha fazla yakıt miktarına ihtiyaç duyulmaktadır. Sonuçta -16 o KMA supap bindirme değerinde hava fazlalık katsayısı stokiyometrik orana kadar azalmıştır. Negatif supap bindirmesi ile motorun devir aralığının arttığı görülmektedir. Negatif supap bindirmesi sonucu silindirde tutulan art gaz miktarı artmakta ani ve hızlı ısı dağılımı engellenebilmektedir. Silindirde tutulan art egzoz gazı karışımın ısıl kapasitesini arttırmakta yüksek devirlerde stabil HCCI yanmasının gerçekleşmesini sağlamaktadır. Deney motoru vuruntu temayülünden uzak çalışabilmekte ve yakıt tüketimi azalmaktadır. HCCI yanmasında ani ve hızlı ısı dağılımı ile yanma odasının tamamında kendiliğinden tutuşma şeklinde yanma görülmektedir. Bu durumda homojen ve fakir karışım tutuşturulabilmekte, hızlı ısı dağılımı sonucu termik verim arttırılabilmektedir. Şekil 7 de negatif supap bindirmesinin HCCI çalışma aralığı, efektif termik verim ve moment üzerindeki etkileri görülmektedir. +8 o KMA negatif supap bindirme değerinde yaklaşık 4,2 Nm ile 7,5 Nm arasında moment ölçülmüş ve maksimum %27 termik verim hesaplanmıştır. Şekil 7-b ve Şekil 7-c incelendiğinde açık bir şekilde görülmektedir ki negatif supap bindirmesi ile termik verim ve moment artmaktadır. Şekil 6 da negatif supap bindirme zamanlamasının HCCI çalışma aralığı ve efektif özgül yakıt tüketimi 640

7 (a) HCCI yanmasında en büyük problemlerden biri hızlı ısı dağılımıdır. Bu durum motorun vuruntu çalışmasına ve moment değerlerinin düşmesine neden olmaktadır. Aynı zamanda istenmeyen vuruntu motor parçalarına gelen yükün artmasına neden olmakta ve ömrünü kısaltmaktadır. Negatif supap bindirmesi ile art hapsedilen egzoz gazları taze karışımın özelliğini bir miktar kötüleştirmektedir. Art gazlar kimyasal oksidasyon reaksiyonlarını kötüleştirerek yanma hızının azalmasına neden olmaktadır. Bunun sonucunda yanma odasında açığa çıkan hızlı ısı dağılımı yavaşlamakta daha kontrollü bir HCCI yanması elde edilmektedir. Böylece piston üzerine yanma sonucu uygulanan basınç daha kararlı bir şekilde uygulanacak ve moment artacaktır. Başka bir deyişle negatif supap bindirmesi yakıt ile silindire sürülen enerjinin daha büyük bir kısmının net işe dönüştürülmesine yardımcı olmaktadır. Benzer şekilde termik verim artmaktadır. -16 o KMA supap bindirme değerinde deney motorunda yaklaşık 5 Nm ile 8,3 Nm arasında moment değeri ölçülmüştür. Negatif supap bindirmesi ile HCCI motorun performansı artmaktadır. Efektif moment ve termik verim düşünüldüğünde negatif supap bindirmesi ile HCCI çalışma aralığının genişletilebileceği görülmektedir. 4. SONUÇLAR Yapılan çalışmada HCCI bir motorda negatif supap bindirmesinin motor çalışma aralığına ve motor performansına etkisi deneysel olarak incelenmiş, HCCI motorların vuruntu nedeni ile sınırlı çalışma aralığı genişletilmeye çalışılmış ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Şekil 7. Negatif supap bindirme zamanlamasının efektif termik verim üzerindeki etkisi (b) (c) Negatif supap bindirmesinin artması ile silindir içerisinde daha fazla art egzoz gazının hapsedildiği görülmüştür. Art gaz oranı +8 o KMA supap bindirmesinde yaklaşık % 23 iken, -16 o KMA supap bindirmesinde art gaz oranı %32 ye kadar ulaşmıştır. Negatif supap bindirmesinin artması sonucu yüksek art gaz oranı nedeni ile dolgu seyreltilmiş ve maksimum basınç artış oranı azalmıştır. Maksimum basınç artış oranının azalması sonucu motor çok daha zengin karışımlarda ve yüksek devirlerde çalıştırılabilmiştir. En düşük efektif özgül yakıt tüketimi d/dk aralığında -8 o KMA supap bindirmesi değerinde ve d/dk aralığında -16 o KMA supap bindirmesi değerinde elde edilmiştir. Maksimum efektif moment ve efektif termik verim d/dk aralığında -16 o KMA supap bindirmesi değerinde elde edilmiştir. Negatif supap bindirmesi kullanılarak HCCI motorun daha geniş bir çalışma aralığında çalıştırılabileceği görülmüştür. 641

8 TEŞEKKÜR Bu çalışma MYOT nolu HCCI (Homojen Dolgulu Sıkıştırma İle Ateşlemeli) Bir Motorda Negatif Supap Bindirmesinin Yanma, Performans ve Emisyonlar Üzerindeki Etkilerinin Araştırılması başlıklı Hitit Üniversitesi BAP projesi tarafından desteklenmiştir. KAYNAKLAR [1] Zhao, H., (2007). HCCI and CAI engines for the automotive industry. Cambridge England: Woodhead Publishing Ltd. [2] Heywood, J. B., (1988).Internal combustion engine Fundamentals. New York: McGraw- Hill. [3] Uyumaz, A., (2014). Homojen Dolgulu Sıkıştırma İle Ateşlemeli Bir Benzin Motorunda Supap Kalkma Miktarının Yanma Ve Performansa Etkilerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. [4] Polat, S. (2015). HCCI Bir Motorda Çalışma Parametrelerinin Yanmaya Etkilerinin İncelenmesi. Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. [5] Can, Ö., Çınar, C., Şahin, F., (2009), Ön Karşımlı Benzin Dolgusunun HCCI-DI Motorunda Yanma ve Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin İncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 24,2, [6] Zhang, Y.,Zhao, H., Xie, H., He, B-Q., (2010), Variable-valve-actuation-enabled high-efficiency gasoline engine, J. Automobile Engineering Part D, 224, [7] Cinar,., Uyumaz, A., Solmaz, H., Topgul, T., (2015), Effects of valve lift on the combustion and emissions of a HCCI gasoline engine, Energy Conversion and Management 94, [8] Cinar,., Uyumaz, A., Solmaz, H., Şahin, F., Polat, S., Yılmaz, E., (2015), Effects of intake air temperature on combustion, performance and emission characteristics of a HCCI engine fueled with the blends of 20% n-heptane and 80% isooctane fuels, Fuel Processing Technology 130, [9] Çınar, C., Uyumaz, A., (2014), Homojen Dolgulu Sıkıştırma İle Ateşlemeli Bir Benzin Motoru İçin Kam Tasarımı ve İmalatı, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 29,1, [10] Milovanovic, N.,Chen, R., Turner, J., (2004), In uence of variable valve timings on the gas exchange process in a controlled auto-ignition engine, J. Automobile Engineering Part D., 218, [11] Chen, T., Xie, H., Li, L., Zhang, L.,Wang, X., Zhao, H. (2014). Methods to achieve HCCI/CAI combustion at idle operation in a 4VVAS gasoline engine. Applied Energy, 116: [12] Hunicz, J. (2014). An experimental study of negative valve overlap injection effects and their impact on combustion in a gasoline HCCI engine. Fuel, 117: [13] Megaritis, A., Yap, D., Wyszynski, M. L. (2007). Effect of water blending on bioethanol HCCI combustion with forced induction and residual gas trapping. Energy, 32(12), [14] Karagiorgis, S., Collings, N., Glover, K., Coghlan, N. (2006). Residual Gas Fraction Measurement and Estimation on a Homogeneous Charge Compression Ignition Engine Utilizing the Negative Valve Overlap Strategy. SAE International Technical Papers, [15] Çınar, C., Uyumaz, A., Polat, S., Yılmaz, E., Can, Ö., Solmaz, H., (2016), Combustion and performance characteristics of an HCCI engine utilizing trapped residual gas via reduced valve lift, Applied Thermal Engineering, 100,