Homojen Dolgulu Benzinli Motorlar

Geçmi ten günümüze kadar üretilmi olan motorlar n büyük ço unlu unu homojen dolgulu motorlar olu turmaktad r. Homojen dolgulu motorlarda kar m haz rlan rken hava ve yak n stokiyometrik olmas gerekmektedir. Bu sebeple homojen dolgu sistemi için en uygun hava yak t kar haz rlama sistemi çok noktal püskürmeli sistemlerdir. Çok noktal püskürtme i leminde püskürtme emme supab n arkas na olmal ve kar m hassasiyeti için yak t çok ince parçac klar halinde püskürtülmelidir. Püskürtme süresi motorun devrine ba olarak de iklik göstermektedir. Yüksek devirlerde emme süresi

sald için püskürme i lemi emme supab kapal iken ba lay p supap aç k kald müddetçe devam etmektedir. Bu ekilde buharla ma silindir içerisinde oldu undan dolay hava ile yak n kar manifolda yak n buharla arak kar m haz rlanmas ndan daha homojen olur. Homojen dolgulu motorlarda kar n haz rlanmas ve bu kar n silindir içerisine uygun artlarda al nmas için son teknolojik geli meler kullan lmas na ra men sistemin bir tak m eksiklikleri bulunmaktad r. Bu s nt lar n ortadan kald lmas amac ile homojen dolgulu s rma ile ate lemeli (HCCI) motorlar üzerinde çal malar ba lam r. Geleneksel buji ile ate lemeli ve s rma ile ate lemeli motorlar n ortak avantajlar bar nd rmaktad r. HCCI motorlar, klasik bir buji ate lemeli (SI) motor ile k yasland nda yak t ekonomisinde %15 ila %20 iyile me ve NOx emisyonlar nda dü sa lamaktad r. En temel ekliyle HCCI motorlar nda yanma, bir alev cephesi olu turulmadan (olu madan) homojen yak t/hava kar mlar n kontrol alt nda tutulmas na (Etkin De ken Supap Zamanlamas olarak nitelendirilen FVVT vas tas yla) ba olarak kendi kendine tutu mas

eklinde tan mlanmaktad r. Enerji aç a ç h uygun seviyelerde kontrol için motor yüksek seviyede seyreltik çal lmak zorundad r. Dolgu seyreltiminin büyük miktarlar ayn zamanda yanm gaz n pik s cakl azalt r. Bu durum s ras yla kapal -çevrim kay plar n azalmas na ve indike l verimin art na neden olur ki bir dizel motorun sahip oldu u de erlere yakla maktad r. Bununla birlikte bir dizel motordan farkl olarak HCCI yanma prosesi, kar n her taraf nda a yukar homojen bir ekilde gerçekle mektedir.

Hiçbir ekilde zengin (zengin kar ml ) difüzyon yanmas gerçekle medi i için partikül emisyonlar s r seviyesi civar ndad r. NOx emisyonlar nda ki azalma, azalan yanm gaz cakl klar ndan kaynaklan r ve NOx emisyon seviyeleri kademeli dolgulu SI veya dizel motorlar n emisyon seviyelerinin tamamen alt ndad r. Gerçekten bir HCCI motoru, bir dizel motoru ile k yaslanabilir yak t ekonomisi potansiyeline sahiptir. Ayn zamanda HCCI motoru, klasik bir SI motorunun egzoz gaz içerisinde bulunan NOx emisyonlar yla hemen hemen ayn NOx emisyonlar üretmektedir.

HCCI yanmas n potansiyel yararlar çokken bu yanma modu, yüksek hidrokarbon ve CO emisyonlar , dar bir çal ma rejimi ve yanma faz n kontrol zorlu u eklinde bir problem serisi ortaya ç kar r. Bütün homojen dolgulu yanma sistemlerinde silindir içindeki yak n önemli bir k sm , s rma stroku s ras nda yar klarda birikir ve yanma olay ndan kurtulur. Bununla birlikte geleneksel SI motorlar ndan farkl olarak yanm gaz s cakl klar çok dü üktür. Yanm gaz s cakl klar geni leme stroku s ras nda silindire tekrar giren yanmam yak n ço unu tüketemeyecek kadar dü üktür. Bu durum klasik SI motorlara göre hem hidrokarbon hem de CO emisyonlar ndaki önemli bir art la sonuçlan r. Ayr ca dü ük yüklerde yanm gaz n maksimum s cakl klar CO’dan CO2 oksidasyonunun

tamamlanabilmesi için çok dü üktür (1500 K’den daha dü ük) ve yanma verimi çok h zl bir ekilde bozulur.

Yanma verimindeki bu kay p tutu ma zorluklar yla birle ti inde en dü ük yüklerde HCCI yanmas n tesirlili ini s rlar [78]. Daha a r yüklerde motora emilen artt lm hava ak silindir içindeki art gazlar n yerini al r ve yanma h azaltmak için yetersiz dolgu seyreltimi söz konusudur. Daha a r yüklerde bas nç art h zlar çok büyük olmaktad r ki motor gürültüsü önemli derecede artar ve kontrol edilmemi olarak rak rsa motor hasar görebilir [79]. Sonuç olarak binek ta t uygulamas için herhangi pratik HCCI motoru do al olarak çok modlu motor gibi çal acakt r. Çal ma rejiminin ortalar nda motor HCCI yanmas kullanacak ve daha a r ve dü ük yüklerde motor klasik SI veya dizel yanmas ndan birine geçecektir. Belki de en u ra konu motorun yük ve z aral boyunca yanma faz n kontrol edilmesidir. Kendi kendine tutu ma zamanlamas s rma prosesi s ras nda dolgunun bas nç-s cakl k-bile im kompozisyonuyla kontrol edilir. Bu nedenle, optimum kendi kendine tutu ma zamanlamas elde etmek üzere emme supab kapand ndaki s cakl n ve kar m bile iminin tam kontrolü gerekir. K sa süreli motor çal mas s ras nda gerekli seviyede kontrolü sa lamak zordur ve geleneksel SI yanmas ndan farkl olarak direkt yanmay

ba latan hiçbir araç yoktur. Bu da u demektir; emme supab kapand nda e er dolgunun l ko ullar ve bile imi do ru de ilse ate almamay önlemek üzere hiçbir kolayca i e yarar çare yoktur. Eninde sonunda dü ük yüklerde yanma faz ve a r yüklerde ana enerji aç a ç h kontrol edebilme becerisi ba ar HCCI motor geli imine çözüm olacakt r. Bu hedeflere ula mak için bir tak m i e yarar opsiyonlar varken, bu hedefler a r yük operasyonu için temel motor, yak t ve yanma modu tercihleriyle sa lanacakt r. Dizel motorlar ve dizel yak için dü ük yüklerde kendi kendine tutu may kolayla rmak üzere yüksek s rma oranlar (>15:1) ve yanma faz kontrol etmek üzere silindir içerisine direkt yak t püskürtülmesi kullan labilir. Bununla birlikte dizel yak n dü ük uçuculu u üst ölü noktadan önce tamamen kendi kendine tutu ma do al e ilimi ile birle ti inde partikülsüz yanma için gereken homojen kar m olu turmay zorla r. SI motorlar ve benzin yak için var olan problemler bir dizel motorununkinin tam tersidir. Benzinin uçuculu u homojen kar m olu turulmas bir dereceye kadar kolayla r fakat yak n yüksek oktan say dü ük s rma oranlar yla (<12:1) birle ti inde dü ük yüklerde kendi kendine tutu man n ba ar lmas zorla r. Yüksek oktan say ve dü ük rma oran tam-yük çal mas nda vuruntulu yanmay önlemek üzere gereklidir. Böylece SI motorlar nda eri ilebilen dü ük s rma oranlar nda kendi kendine tutu ma için gereken s cakl klar elde etmek üzere dolgu tmas n baz yöntemleri gereklidir. Egzost gaz ndan tekrar enerji kazand rmak üzere de ken supap hareketi kullan labilirken ne kadar enerji elde edilebilece inin limitleri vard r [80]. Çünkü motor dolgu seyreltiminin yüksek seviyeleri ile kelebeksiz çal rken en dü ük yüklerde kendi kendine tutu may elde etmek için yeterli l enerji egzost gaz nda mevcut de ildir [81]. Bo ta veya bo a yak n yük seviyelerinde HCCI yanmas ba armak için ehemmiyetli ara rma gerekecektir. Dü ük yükteki çal mada olu an problemleri tamamen önlemek üzere hibrid tahrik sistemi kullan , de ken s rma oranlar kullan ve yak modifiye ederek yak t reaksiyon kineti inin de imini kapsayan teknolojiler ve çözümler önerildi.

Yüksek termik verim ve dü ük egzoz emisyonlar kar layabilecek potansiyele sahip yeni bir kavram olarak gelecek vaat etmektedirler. Bir dizel ya da buji ile ate lemeli motor üzerinde de ikli e gidilerek HCCI motoruna dönü üm sa lanabilmektedir. HCCI yanmas , fakir ve homojen yak t/hava dolgusunun kendi kendine tutu mas ile ba lamaktad r. Motor yükü, emme havas nda k lma olmaks n hava/yak t oran n kontrolü ile sa lanmaktad r. Genellikle motorun sadece k smi yüklerinde homojen dolgulu olarak oldukça fakir kar mlarda çal abilmektedir [82]. deal HCCI yanma i leminde,

yanma odas n genelinde ve bölgesel alanlar ndaki lamda ve s cakl k oranlar nda bir farkl k olmadan, yüksek hava fazlal k oran ile hava/yak t kar homojen olarak haz rlanmaktad r. Homojen ve fakir dolgunun s lmas ile yanma odas ndaki kar n tümünün e zamanl olarak kendi kendine tutu mas sa lanabilmektedir. Böylece zengin yak t kar m bölgeleri mevcut olmadan, is olu umuna neden olan öncü moleküller önlenebilmekte ve yanma s ras nda parlak olmayan alev meydana gelmektedir. Yüksek hava fazlal k oran nedeni ile silindir içerisindeki bölgesel s cakl klar, buji ile ate lemeli motorlardaki alev cephesinin önünde ya da dizel yak t huzmesinin stokiyometrik bölgelerinden daha dü ük olmaktad r [82]. Difüzyon alevi olu madan ön kar ml homojen dolgunun tamamen yanmas ile termal NOx emisyonlar n olu umu azalmaktad r [83, 84, 85]

Bununla birlikte, yak t ve havan n homojen olarak haz rlan p s lmas s ras nda silindir duvarlar n slanmas , piston tepesinde ve silindir ile segmanlar aras nda dolgunun birikmesine yol açarak HC emisyonlar n art na neden olmaktad r. Bu yüzden dü ük uçuculu a sahip yak tlar silindir duvarlar n slanmas nda önemli derecede problem te kil ederek HC emisyonlar n art nda önemli rol oynayabilmektedir [86, 87]. Bununla birlikte, dolgunun oldukça fakir olu u ve dü ük silindir içi s cakl klar nedeniyle silindir duvarlar na yak n k mlarda k smi yanman n olu mas na ve art yanma oksidasyon oran n azalmas na neden olmaktad r. Bu yüzden dizel ya da buji ile ate lemeli motorlara göre tipik olarak HCCI yanmas nda CO emisyonlar yüksek olabilmektedir. NOx ve is emisyonlar ndaki iyile melerle birlikte yukar da anlat lan sebepler nedeniyle genellikle silindir içi HC ve CO emisyonlar nda art görülmektedir [85, 86,88, 89].