Buji ateşlemeli motorda saf ve karışımlı alternatif yakıtların motor performansına ve emisyonlarına etkilerinin sayısal ve deneysel incelemesi

Abstract

Bu doktora tez çalışmasında buji ateşlemeli bir motorda saf ve karışımlı yakıt kullanımının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkileri sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Saf yakıt olarak benzin, CNG, LPG ve karışımlı yakıt olarak benzin-CNG ve benzin-LPG kullanılmıştır. İncelemede; deneysel yöntem yanında, 1-boyutlu modelleme ve 3-boyutlu modelleme olmak üzere iki adet sayısal yöntem kullanılmıştır. Çalışmanın deneysel kısmında, ticari bir motorun bağlı olduğu motor test düzeneğinde saf ve karışımlı yakıtlar için motor performans parametreleri ve egzoz emisyonları ölçülmüştür. Bu amaçla, çalışamaz durumda olan laboratuvardaki motor test düzeneği üzerinde birçok işlem gerçekleştirilerek motor test düzeneği çalışır hale getirilmiştir. Test düzeneği, değişik saf yakıtların ve karışımlı yakıtların kullanımı ve testi için uyarlanmıştır ve testler gerçekleştirilmiştir. Motorun benzin, CNG, LPG, benzin-CNG ve benzin-LPG ile kullanım testleri yapılmış, performans ve emisyon ölçümleri tamamlanmıştır. Sayısal çalışmalarda ise deneysel çalışmadaki motor ve test düzeneği Wave programı ile 1-boyutlu olarak modellenmiştir. Ayrıca, Star-CD programı ile motorun silindir-piston sistemi 3-boyutlu modellenerek silindir içi yanma modeli oluşturulmuş ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri yapılmıştır. Test, 1-boyutlu model ve 3-boyutlu model sonuçlarının birbiri ile oldukça yakın ve benzerlik içinde olduğu gözlenmiştir. Sonuçlardaki kısmi farklılıkların ise modellemelerdeki idealize kabuller ile testlerdeki kontrol edilemeyen gerçek şartlar arasındaki farklardan kaynaklandığı söylenebilmektedir. Genel sonuç olarak, benzine göre CNG ve LPG kullanımının motor performans parametrelerini düşürdüğü ve egzoz emisyonlarını iyileştirdiği gözlenmiştir. Karışımlı yakıtların ise performans ve egzoz emisyonları açısından değişken sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Tüm elde edilen sonuçlar ve gözlemler incelenen tüm yakıtlar için test ve model sonuçları olarak detaylı bir şekilde verilmiş ve yorumlanmıştır.

In this work, engine performance and exhaust emissions are numerically and experimentally investigated for a spark ignition engine fueled with pure and mixed fuels. Gasoline, CNG, and LPG are used as pure fuels while gasoline-CNG and gasoline-LPG are used as mixed fuels. In this study; besides the experimental method, two numerical methods are used including one-dimensional (1D) modeling and three-dimensional (3D) modeling. In the experimental part, engine performance parameters and exhaust emissions for various pure and mixed fuels are measured for a commercial motor mounted to the engine test rig. For this purpose, an inoperable engine test rig in the laboratory is made operable by performing many operations on the engine test rig. The test rig is modified and adapted for the use of the pure fuels and mixed fuels and tests are performed. Engine is tested with fuels of gasoline, CNG, LPG, gasoline-CNG, and gasoline-LPG and the performance and emission measurements are completed. In numerical studies, the engine and the test rig used in the experimental work is modeled as 1D in Wave program. In addition, Star-CD program is used to build a combustion model in the cylinder by 3D modelling the engine's cylinder-piston system and CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses are performed. Results obtained from the test, 1D model, and 3D model are in very close to each others and have similar trends. The partial differences in the results are due to idealized assumptions in the models and uncontrollable actual conditions. The overall results show that CNG and LPG usage instead of gasoline reduces engine performance parameters and improves exhaust emissions. It is determined that mixed fuels give variable results in terms of performance and exhaust emissions. All the results and observations obtained from tests and models are given for all fuels studied in detail and interpreted.