Yakup SEKMEN, Perihan SEKMEN, M. Sahir SALMAN

Buji ateşlemeli bir motorda sıkıştırma oranının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisi

Buji ateşlemeli motorlarda, gerçek sıkıştırma oranı silindire alınan dolgu miktarına göre değişkenlik gösterdiğinden, geometrik olarak tasarlanan sıkıştırma oranı ancak tam gazda ve belirli motor hızı için gerçek sıkıştırma oranı olarak elde edilebilmektedir. Bu durum buji ateşlemeli motorlarda performansın ve yakıt ekonomisinin iyileştirilmesi için silindir dolgu miktarına göre değişken sıkıştırma oranını gerekli kılmaktadır. Kısmi yüklerde yanma veriminin, yakıt ekonomisinin ve emisyonların iyileştirilmesi için sıkıştırma oranının artırılması, motorun yüksek yük ve düşük hız koşullarında ise olası vuruntu ve sert çalışmayı önlemek için sıkıştırma oranının bir miktar azaltılması gerekmektedir. Bu çalışmada, buji ateşlemeli, dört zamanlı, tek silindirli bir motorun sıkıştırma oranı değişken hale dönüştürülmüş ve sıkıştırma oranı değişiminin motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Sıkıştırma oranı değişimi silindir aşağı-yukarı hareket ettirilerek sağlanmıştır. Sıkıştırma oranının artırılmasıyla (7:1-11:1) motor gücünde artma ve özgül yakıt tüketiminde iyileşme elde edilmiştir. Aynı sıkıştırma oranı aralığında karbon monoksit (CO) emisyonlarında azalma elde edilirken, sıkıştırma oranı artışı yanma odası yüzey/hacim oranını artırdığından hidrokarbon (HC) emisyonlarında artış belirlenmiştir.

The effect of compression ratio on engine performance and exhaust emission in a spark ignition engine

The designed geometrical compression ratio can be realized as an effective compression ratio at the wide open throttle for a certain engine speed since the effective compression ratio changes with the amount of charge into the cylinder in spark ignition engines. So, this condition of the spark ignition engines force designers to change their geometrical compression ratio according to the amount of charging into the cylinder. In order to improve the combustion efficiency, fuel economy, power output and exhaust emissions at partial loads, compression ratio must be increased; however, under high load and low speed conditions compression ratio must be decreased gradually to prevent probable knock and hard running. In this study, a four-stroke and single cylinder spark ignition engine with constant compression ratio has been converted to an engine with variable compression ratio and the effects of compression ratio variations on engine performance and exhaust emissions has been investigated. In order to change compression ratio, the cylinder was moved up or down. Improvement in engine power and specific fuel consumption were achieved with changing compression ratio from 7:1 to 11:1. Also, at the same compression ratio range carbon monoxide (CO) emissions were reduced, while hydrocarbon (HC) emissions were increased since increasing compression ratio cause larger surface/volume ratio.

PDF

___

1. Sekmen, Y., Buji ile Ateşlemeli Bir Motorda Sıkıştırma Oranının Değiştirilebilir Hale Getirilmesi ve Performansa Etkisinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniv. Fen Bil. Enst., 2003.
2. Stone, R.,1989, Motor Vehicle Fuel Economy, Macmillan Educational Ltd., Houndsmills, UK.
3. Harne, V., Marathe, S.R., Variable Compression Ratio Two Stroke Engine, SAE, Paper No: 891750, 1-10, 1987.
4. Wardznski, W.F., Rychter, T.J., “Variable R/L Research Engine–Design and Preminary Investigation”, SAE, Paper No: 911773, 1991.
5. Heywood, John B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Co., USA, 1988.
6. Blair, P.G., Design and Simulation Four stroke engines, SAE Inc.,Warrendale, PA, USA, 1999,.
7. Çelik, M.B., Buji ile Ateşlemeli Bir Motor Sıkıştırma Oranının Değişken Hale Dönüştürülmesi ve Performansa Etkisinin Araştırılması, Doktora Tezi, Gazi Üniv. Fen Bil. Enst., 1999.
8. Ganeshan, V., Internal Combustion Engines, McGraw-Hill Com., USA, 1996.
9. Drangel H., Olofsson E., Reinmann R., “The variable compression (SVC) and the combustion control (SCC)–Two ways to improve fuel economy and still comply with world-wide emission reguirements”, SAE, Paper No: 2002-01-0996, 1691-1706, 2002.
10. Yamin J.A.A. and Dado M.H., “Performance simulation of a four-stroke engine with variable stroke-length and compression ratio”, Applied Energy, 77(4), 447-463, 2004.
11. Klein M., Eriksson L., Aslund J., “Compression ratio estimation based on cylinder presure data”, Control Engineering Practice, 14(3), 197-211, 2006.
12. Blakey, S.C., Saunders R.J., A “Design and Experimental Study of an Otto-Atkinson Cycle Engine Using Late Intake valve Closing”, SAE, Paper No: 910451, 1991.
13. Kentfield J.A.C., and Farnendes L.C.V., “Friction Losses of a Novel Prototype Variable Expansionratio, Spark Ignition, Four Stroke Engine”, SAE, Paper No: 972659, 23-32, 1997.
14. Wirbeleit, F.G., Binder K.G., Winner, D., “Development of Pistons with Variable Compression Height for Increased Efficiency and Specific Power Output of Combustion Engines”, SAE, Paper No: 900229, 543-557, 1990.
15. Cussons Technology, The Ricardo/Cussons Standard Hydra Engine and Test Bed Instruction Manual, G. Cussons Ltd., Manchester, 12 (16), 1996.
16. Rabhi V., Beroff J., Dionnet F., “Study of a Gear- Based Variable Compression Ratio Engine”, SAE, Paper No: 2004-01-2931, 2004.
17. Moteki, K., Aoyama, S., Ushijima, K., Hiyoshi, R., Takemura, S., Fujimoto, H., Arai, T., “A study of a variable compression ratio system with a multi-link mechanism”, SAE, Paper No: 2003- 01-0921, 1233-1245, 2003.
18. Birch, S., “Variations on a Theme by Saab”, Automotive Engineering International, Volume 109, Number 4, SAE Press, Brimfield, OH, April 2001.
19. Wallace, W.A., Lux, F.B., A “Variable Compression Ratio Engine Development”, SAE, Paper No: 640060, 1964.
20. Basiletti, J.C., Blackburne, E.F., “Recent Developments in Variable Compression Ratio Engines”, SAE, Paper No: 660344, 1966.
21. Muranaka, S., Takagi, Y., Ishida, T., “Factors Limiting The Improvement in Thermal Efficiency of Spark Ignition Engine at Higher Compression Ratio”, SAE, Paper No: 870548, 1-11, 1987.
22. Ferguson, C.R., Internal Combustion Engines, John Wiley and Sons Inc., USA, 1986.
23. Radwan, M.S., “A Study of Knock in Lean Burn Spark Ignition Engines”, SAE, Paper No: 921668, 1-5, 1992.
24. Heisler, H., Advanced Engine Technology, Edward Arnold Press, London, UK, 1995.
25. Adams, W.H., Hinrichs, H.G., Adamis, P., “Analysis of The Combustion Process of A Spark Ignition Engine with A Variable Compression Ratio, SAE, Paper No: 870610, 1987.
26. Boggs, D.L., Hilbert, H.S., “The Otto-Atkinson Cycle Engine Fuel Economy and Emissions Results and Hardware Design”, SAE, Paper No: 950089, 1995.
27. Abd Alla, G.H., “Computer Simulation of A Four-Stroke Spark Ignition Engine”, Energy Conversion&Management, 43, 1043-1061,2002.
28. Mustafi, N.N., Miraglia, Y.C., Raine, R.R, Bansal, P.K., and Elder, S.T., “Spark-ignition engine performance with ‘Powergas’ fuel (mixture of CO/H2): A comparison with gasoline and natural gas”, Fuel, 85(12-13), 1605-1612, 2006.
29. Yamin, J.A.A., Gupta, H.N., Bansal, B.B. and Srivastava, O.N., “Effect of combustion duration on the performance and emission characteristics of a spark ignition engine using hydrogen as a fuel”, International Journal of Hydrogen Energy, 25(6), 581-589, 2000.
30. Erduranlı, P., Buji ile Ateşlemeli tek silindirli Değişken Sıkıştırma Oranlı Bir Motorun Teorik Simülasyonu, Doktora Tezi, Gazi Üniv. Fen Bil. Enst., 2003.
31. Schwaderlapp, M., Habermann, K., Yapici, K.I., “Variable compression ratio – A design solution for fuel economy concept”, SAE, Paper No: 2002-01-1103, 1760-1767, 2002.
32. Huang, J., Crookes R.J., “Assesment of simulated biogas as fuel fort he spark ignition engine”, Fuel, 77(15), 1793-1801, 1998.
33. Pulkrabek, W.W., Engineering Fundementals of The Internal Combustion Engine, Prentice- Hall, Inc., USA, 277-287, 1997.