PERFORMANCE CALCULATION OF A SPARK IGNITON ENGINE ACCORDING TO THE IDEAL AIR-FUEL CYCLE ANALYSIS

Abstract

ABSTRACT

Depending on the development in computer technologies by using theoretical models in the design of internal combustion engines, the effects of different operating and design parameters on engine performance and performance characteristics of a real engine can be estimated with shorter time and lower cost. In this study, a mathematical simulation model is developed to investigate ideal air-fuel cycle analysis of a single cylinder, four-stroke and natural aspirated spark ignition engine. Obtained the variations of cylinder temperature and pressure with crankshaft angle (CA) depending on different compression ratio, engine speed and air excess coefficient (AEC), engine performance parameters such as indicated mean effective pressure, fuel and air consumptions, indicated power, thermal efficiency were calculated using computer program written in FORTRAN. Iso- Octane (C8H18) is used as a fuel in the numerical calculation method, and calculation of internal energy and specific heats belong to C8H18 and species and calculation of considered two basic dissociation equilibrium constants were determined as the empiric functions of temperature. It is assumed that combustion and exhaust processes are done at constant volume and compression, combustion and expansion processes are adiabatic. With these results, it is believed that the mathematical model can be used for determination of engine performance characteristics as an appropriate method in internal combustion engines.

Keywords

• Key Words: Spark ignition engine; Engine performance; Air-fuel ratio; Ideal fuel air cycle

BUJİ İLE ATEŞLEMELİ BİR MOTORUN İDEAL HAVA-YAKIT ÇEVRİM ANALİZİ İLE PERFORMANS HESABI

Abstract

Bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak içten yanmalı motorların tasarımında teorik modellerin kullanılması ile farklı çalışma ve tasarım parametrelerinin motor performansına etkileri ve gerçek bir motorun performans karakteristikleri daha az maliyetle ve daha kısa sürede tahmin edilebilmektedir. Bu çalışmada, tek silindirli, 4-zamanlı, doğal emişli buji ile ateşlemeli bir motorun ideal hava-yakıt çevrim analizini incelemek üzere matematiksel bir simülasyon modeli geliştirilmiştir. FORTRAN programlama dilinde yazılmış bir bilgisayar programı yardımıyla farklı sıkıştırma oranı, motor hızı ve hava fazlalık katsayıları (HFK) için krank mili açısı (KMA)’na bağlı olarak silindir basınç ve sıcaklık değişimleri elde edilerek ortalama indike basınç, yakıt ve hava tüketimi, indike güç, termik verim gibi motor performans parametreleri hesaplanmıştır. Nümerik hesap metodunda yakıt olarak izo-Oktan (C8H18) kullanılmış olup, C8H18 ve türlere ait iç enerji ve özgül ısılar ile ayrışma denge sabitlerinin hesabı sıcaklığa bağlı amprik fonksiyonlarla gerçekleştirilmiştir. Yanma ve egzoz proseslerinin sabit hacimde ve sıkıştırma, yanma ve genişleme proseslerinin ise adyabatik olarak gerçekleştiği kabul edilmiştir. Sonuç olarak, matematiksel modellerin içten yanmalı motorlarda performans karakteristiklerinin belirlenmesinde uygun bir metot olarak kullanılabilmektedir

Keywords

• Buji ile ateşlemeli motor, Motor performansı, Hava-yakıt oranı, İdeal yakıt-hava çevrimi

References

1. Öğüçlü, Ö., “Thermodynamics Model of The Cycle of Spark Ignition Engine”, Msc. Thesis, Graduate School of Natural And Applied Sciences of Dokuz Eylül University, İzmir, 1-9, (1998).
2. Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc Graw Hill Book Co., USA., 123-141 (1988).
3. Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Macmillan Press Ltd., London, UK, 31-41; 142-151; 222- 224 (1999).
4. Ganesan, V., Internal Combustion Engines, McGraw-Hill Inc., USA, 135-149; 159-170 (1996).
5. Zammit, S.J., Motor Vehicle Engineering Science for Technicians, Longman Group Ltd., UK, 263-264; 271-282 (1987).
6. Balcı, M., “Dört Zamanlı Türboşarjlı Direkt Püskürtmeli Bir Dizel Motorunun Bilgisayar ile Simülasyonu”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 232-238, (1986).
7. Borat, O., Sürmen, A., Balcı, M., İçten Yanmalı Motorlar, Cilt 1, Uludağ Üniv. Vakfı Yayınları, İstanbul, Bursa, Ankara, 139-153; 249-259 (2000).
8. Çetinkaya, S., “Dört Zamanlı Buji İle Ateşlemeli Bir Motor Performansının Bilgisayar Yardımıyla Simülasyonu”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1-20 (1987).

9. Abd Alla, G.H., “Computer Simulation of a Four-Stroke Spark Ignition Engine”, Energy Conversion & Management, Volume 43, 1043-1061 (2002).
10. Blair, P.G., 1999, Design and Simulation Four Stroke Engines, SAE Inc., USA, 95-110; 421-442 (1999).
11. Benson, R.S., Whitehouse N.D., Internal Combustion Engines, Volume 2, Pergamon Press, UK, 305-321 (1979).
12. Ferguson, C.R., Internal Combustion Engines, John Wiley and Sons Inc., USA, 115-128; 209-219 (1986).
13. Pulkrabek, W.W., Engineering Fundamentals of The Internal Combustion Engine, Prentice-Hall Inc., USA, 44-60 (1997).
14. Benson, R.S., Annand, W.J.D., Baruah, P.C., “A Simulation Model Including Intake and Exhaust Systems for A Single Cylinder Four-Stroke Cycle Spark Ignition Engine”, Int. J. Mech. Sci., Volume 17: 97-105 (1975).
15. Benson, R.S., Baruah, P.C., “A Generalized Calculation for An Ideal Otto Cycle with Hydrocarbon-Air Mixture Allowing for Dissociation and Variable Specific Heats”, IJMEE, 4(1): 59-65 (1975).
16. Sekmen, Y., “Buji ile Ateşlemeli Bir Motorda Sıkıştırma Oranının Değiştirilebilir Hale Getirilmesi ve Performansa Etkilerinin İncelenmesi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 32-53 (2003).
17. Heisler, H., Advanced Engine Technology, Edward Arnold Press, London, UK, 153-171 (1995).
18. Altaç, Z., Gürkan, İ., Mühendisler İçin Fortran Programlama, Osmangazi Üniversitesi Yayını, Eskişehir, 157-180 (1995).
19. McCormick, J.H., Salvadori, M.G., Numerical Methods in Fortran, Prentice Hall, UK, 150-185 (1964).
20. Benson, R.S., Whitehouse N.D., Advanced Engineering Thermodynamics 2nd Edition, Pergamon Press, UK, 1977.
21. Çelik, M.B., Şubat 1999, “Buji ile Ateşlemeli Bir Motor Sıkıştırma Oranının Değişken Hale Dönüştürülmesi ve Performansa Etkisinin Araştırılması”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1-10 (1999).
22. Erduranlı, P., “Buji ile Ateşlemeli Tek Silindirli Değişken Sıkıştırma Oranlı Bir Motorun Teorik Simülasyonu”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1-33 (2003).
23. Parlak, A., “Bir Dizel Motorunda Sıkıştırma Oranı Artışının Performansa Etkisi”, Mühendislik Bilimleri Dergisi, 9(2): 171-177 (2003).