Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli motorların (HCCI) özelikleri nelerdir?
Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli motorlar (HCCI), konvansiyonel buji ile ateşlemeli ve sıkıştırma ile ateşlemeli motorların ortak avantajlarını barındırmaktadır. Yüksek termik verim ve düşük egzoz emisyonlarını karşılayabilecek potansiyele sahip yeni bir kavram olarak gelecek vaat etmektedirler. Bir dizel ya da buji ile ateşlemeli motor üzerinde değişikliğe gidilerek HCCI motoruna dönüşüm sağlanabilmektedir. HCCI yanması, fakir ve homojen yakıt/hava dolgusunun kendi kendine tutuşması ile başlamaktadır. Motor yükü, emme havasında kısılma olmaksızın hava/yakıt oranının kontrolü ile sağlanmaktadır. Genellikle motorun sadece kısmi yüklerinde homojen dolgulu olarak oldukça fakir karışımlarda çalışabilmektedir.
Klasik dizel motorlarında, yakıt olarak zengin ve fakir bölgelerin meydana gelmesi ile NOx-is oluşumu gerçekleşmektedir. İdeal HCCI yanma işleminde, yanma odasının genelinde ve bölgesel alanlarındaki lamda ve sıcaklık oranlarında bir farklılık olmadan, yüksek hava fazlalık oranı ile hava/yakıt karışımı homojen olarak hazırlanmaktadır. Homojen ve fakir dolgunun sıkıştırılması ile yanma odasındaki karışımının tümünün eşzamanlı olarak kendi kendine tutuşması sağlanabilmektedir. Böylece zengin yakıt karışım bölgeleri mevcut olmadan, is oluşumuna neden olan öncü moleküller önlenebilmekte ve yanma sırasında parlak olmayan alev meydana gelmektedir. Yüksek hava fazlalık oranı nedeni ile silindir içerisindeki bölgesel sıcaklıklar, buji ile ateşlemeli motorlardaki alev cephesinin önünde ya da dizel yakıt huzmesinin stokiyometrik bölgelerinden daha düşük olmaktadır. Difüzyon alevi oluşmadan ön karışımlı homojen dolgunun tamamen yanması ile termal NOx emisyonların oluşumu azalmaktadır.
Bununla birlikte, yakıt ve havanın homojen olarak hazırlanıp sıkıştırılması sırasında silindir duvarlarının ıslanması, piston tepesinde ve silindir ile sekmanlar arasında dolgunun birikmesine yol açarak HC emisyonlarının artışına neden olmaktadır. Bu yüzden düşük uçuculuğa sahip yakıtlar silindir duvarlarının ıslanmasında önemli derecede problem teşkil ederek HC emisyonlarının artışında önemli rol oynayabilmektedir. Paralelinde dolgunun oldukça fakir oluşu ve düşük silindir içi sıcaklıkları nedeniyle silindir duvarlarına yakın kısımlarda kısmi yanmanın oluşmasına ve art yanma oksidasyon oranın azalmasına neden olmaktadır. Bu yüzden dizel ya da buji ile ateşlemeli motorlara göre tipik olarak HCCI yanmasında CO emisyonları yüksek olabilmektedir. NOx ve is emisyonlarındaki iyileşmelerle birlikte yukarıda anlatılan sebepler nedeniyle genellikle silindir içi HC ve CO emisyonlarında artış görülmektedir.
Klasik dizel yanmasında reaksiyon oranı, türbülans karışımlı (difüzyon) yanmayla, buji ile ateşlemeli motorlarda ise yanma odasında oluşan belirli bir alev cephesinin ilerlemesiyle kontrol edilmektedir. HCCI motorlarda yanma reaksiyonları, homojen dolgunun belli bir sıcaklığa erişmesi ile tüm yanma odasının her yerinde eş zamanlı olarak kendi kendine başlamaktadır. Bu yüzden daha hızlı bir şekilde ısı dağılımı gerçekleşmektedir. Homojen dolgunun kendi kendine tutuşma sıcaklığını sağlayabilmek ve yanmanın faz evresini kontrol edebilmek için uygulamalar genellikle iki ana yaklaşımda yapılmaktadır. İlk gruptaki uygulamalar, karışımın termodinamik özelliklerinin zaman-sıcaklık ile birlikte gelişim aşamalarını değiştirmek için uygulanan metotlardır. Bu uygulamalar; yakıt enjeksiyon zamanlamasının değişimi, emme dolgusunun sıcaklığının değişimi, sıkıştırma oranının değişimi ve değişken supap zamanlaması gibi yöntemlerdir. İkinci grup uygulamalar; iki ya da daha fazla yakıtın kullanılması, bazı katkı maddeleri ile yakıtların özeliklerinin, farklı yakıt-hava oranları ile yakıt kompozisyonun değiştirilmesi ya da egzoz gaz resirkülasyonu (EGR) tarafından karışımın ısıl kapasitesinin ve oksijen miktarının değişimi ile yakıtın reaktivitesinin kontrol edilmesini içermektedir. Kimyasal reaksiyonların başlangıcı, termodinamik koşullar ve silindir dolgusunun kimyasal kompozisyonuna bağlı olarak gerçekleşmektedir.
Kaynak: Özer Can, Can Çınar ve Fatih Şahin’in “Ön Karışımlı Benzin Dolgusunun HCCI-DI Motorunda Yanma Ve Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin İncelenmesi” (Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 24, No 2, 229-236, 2009) konulu makaleden derlenmiştir.
