Identification of gaseous fuels combustion process in spark ignition engine

Transport predstavlja neizostavnu aktivnost ljudskog društva. U toku poslednjih decenija, broj vozila u svetu je imao samo trend porasta. Veći broj vozila znači i veći broj motora sa unutrašnjim sagorevanjem koji se primenjuju. Prognoze o ograničenim rezervama nafte, kao i ekološki problemi zahtevaju traženje alternative. Sa trenutnog aspekta, oto motori imaju najveću perspektivu primene, kako samostalno tako i u kombinaciji sa električnim pogonom kod hibridnih pogona, dok se za dizel motore teži ka tome da se koriste samo na mestima gde je to neophodno. Osim alternativnih pogona, pažnju treba posvetiti alternativnim gorivima. Alternativna goriva, koja se uglavnom koriste kod oto motora su gasovita goriva. Postojeći sistemi za napajanje oto motora gasovitim gorivima su uglavnom sistemi sa tečnim naftnim gasom, a dosta ređe sa komprimovanim prirodnim gasom. Sa aspekta emisije, koja se može smatrati i najbitnijom, kao najperspektivnija goriva se izdvajaju komprimovani prirodni gas i vodonik. Za razliku od komprimovanog prirodnog gasa, vodonik još uvek nije našao mesto u komercijalnoj upotrebi. Cilj ove doktorske disertacije je bio istraživanje procesa sagorevanja gasovitih goriva u oto motoru, kao i identifikacija karakteristika procesa sagorevanja. U ovoj doktorskoj disertaciji je izvršena realizacija i implementacija gasne instalacije za napajanje motora sa unutrašnjim sagorevanjem gasovitim gorivima, prema uzoru na postojeće sisteme, ali uz promene koje omogućavaju ubrizgavanje sa pritiscima do 100 bar. Izvršene modifikacije na samom motoru bile su minimalne. Izrađena je pretkomora, koja je omogućila raslojavanje smeše na bogatu u pretkomori i siromašnu u glavnom prostoru. Pri radu sa komprimovanim prirodnim gasom, previše siromašna smeša u glavnom prostoru uzrokuje pojavu zadrške paljenja smeše iz glavnog prostora, dok sa manje siromašnom smešom u glavnom prostoru se sagorevanje iz pretkomore nastavlja u glavnom prostoru, i postiže se najveća efikasnost. Za regularan rad motora sa vodonikom je neophodno dvostepeno ubrizgavanje, gde jedno ubrizgavanje treba da bude u okolini spoljne mrtve tačke, kako bi obogatilo smešu u pretkomori i usporilo sagorevanje. Ranije ubrizgavanje veće količine kako pri radu sa komprimovanim prirodnim gasom tako i sa vodonikom, pozitivno utiče na povećanje efikasnosti. Utvrđeni su optimalni parametri ubrizgavanja i paljenja prilikom rada sa komprimovanim prirodnim gasom i vodonikom na trenutno realizovanoj instalaciji za napajanje gasovitim gorivima, te samim tim utvrđena su i ograničenja koja treba ukloniti u budućim istraživanjima, sa ciljem unapređenja dobijenih rezultata. Analizom rezultata, potvrđene su sve polazne hipoteze, i date su preporuke i planovi za buduća istraživanja sa ciljem daljeg usavršavanja rada motora sa gasovitim gorivima.Transportation represents the indispensable activity of human society. In the few past decade, the number of vehicles had only the growth tendency. Greater number of vehicle means the greater number of applied internal combustion engines. Prognoses about the restricted crude oil reserves, as well as the ecological problems are demanding the searching for the alternative. From the current aspect, gasoline engines are having the greatest application perspective, both independently and in combination with the electric drive train at hybrid drive trains, while the tendency for the diesel engines, is to be used only where is necessary. Besides alternative drive trains, the attention should give to the alternative fuels. Alternative fuels that are mostly used for gasoline engines are gaseous fuels. Existing systems for gasoline engines that are using gaseous fuels, are mostly systems with liquid petrol gas, and more rarely with compressed natural gas. From the emission aspect, which can be considered as the most important, the fuels which are separating as the most perspective are compressed natural gas and hydrogen. Different from compressed natural gas, the hydrogen haven’t found yet place in the commercial usage. The aim of this PhD thesis was investigation of the combustion process of the gaseous fuels in the gasoline engine, as well as the identification of the combustion process characteristics. In this PhD thesis was performed realization and implementation of gas installation, on internal combustion engine, based on the existing systems, but with changes, which are allowing injection under pressures up to 100 bar. Modifications made on the internal combustion engine were minimal. It was made the prechamber which has enabled the mixture stratification, on the rich in the prechamber, and on the lean in the main space. During the work with compressed natural gas, the to lean mixture in cylinder causes the ignition delay, of the mixture from main space, while with less lean mixture in the main space, the combustion from the prechamber continues in the main space, and it achieves the greatest efficiency. For regular work with hydrogen, are necessary two injections, where one should be near the top dead center, in order to make the mixture in the prechamber more rich, and to reduce the combustion speed. Earlier injection of greater amount of fuel, how during the work with compressed natural gas so and with hydrogen, have positive influence on the efficiency increment. Were determined optimal parameters of injection and ignition, at work with compressed natural gas and hydrogen on the current realized installation for gaseous fuels delivery, and were found limitations, which should be removed in the future researches, with purpose to improve obtained results. By results analyzing were confirmed all starting hypotheses, and are given recommendations and plans for future researches, with purpose of further perfection of engine work with gaseous fuels