Effect of water injection on the performance of LPG fuelled spark ignition engine

Abstract

Bu çalışmada, su enjeksiyonunun LPG ile çalışan buji ateşlemeli bir motorun performansı, yakıt tüketimi, yanma karakteristikleri ve eksoz gazı emisyonu üzerine etkileri incelenmiştir. Ayrıca deney sonuçlarına dayalı olarak energy ve ekserji analizi bu çalışmada incelenmiştir.Bu tezde sunulan çalışma iki ana safhada gerçekleştirilmiştir. Birinci safhada,bir deney düzeneği tasarlanmış ve yapılmıştır. Motor üzerinde tamamen bilgisayar destekli deneysel bir çalışma yürütebilmek için, veri iletme, toplama ve işleme sistemlerinden oluşan bir iletim sistemi kurulmuştur. İkinci aşamada, su enjeksiyonun etkilerini ortaya koyacak incelemeler yapılmıştır.Sonuçlar, su enjeksiyonun birçok yanma parametresini etkilediğini göstermektedir. Kütlesel olarak 0.5 su yakıt oranında, enerji analizi yakıttan elde edilen enerjinin %37.9'unun indike güce dönüştüğünü, %62.1'inin ise kaybedildiğini göstermektedir. Ekserji analizi ise yakıttan elde edilen enerjinin %52.1'inin faydalı işe çevrilebildiğini (%35.7'si indike güç, %12'si eksoz ve yalnızca %4.4'ü soğutma suyuna geçen enerji olarak), %47.9'unun ise kaybedildiğini göstermektedir. Bununla birlikte su enjeksiyonunun yanma tersinemezliğini önemli oranda artırdığı görülmüştür. Sonuçlar, su enjeksiyonun azot oksit emisyonunda %35 azalmaya neden olduğunu, CO ve HC emisyonlarında ise önemli oranda değişikliğe sebep olmadığını göstermektedir. Ayrıca su enjecksiyonu, daha fazla ateşleme avansı sağlamaktadır. Kütlesel olarak 0.5 su/yakıt oranında, ortalama fren termik verim; yaklaşık %2.7 artmaktadır.Anahtar Kelimeler: İçten Yanmalı Motorlar, Su enjeksiyonu, Veri analizi, LPG, Ekserji, Isı Bilânçosu

The effect of water injection on LPG fuelled SI engine performance, fuel economy, combustion characteristics, and exhaust gas emissions were investigated in this thesis. In addition, an exergy and energy analysis based on experimental results was also investigated.Investigation presented in this thesis was realized in two main stages. In the first stage; an experimental set up was designed and constructed. A data acquisition system composed of all of data acquisition, accumulation, and processing components was installed to carry a fully computer aided experimental study from the test engine. In the second stage: an experimental study was conducted to determine the effects of the water injection.Experimental results showed that several combustion variables were affected by water injection. Results showed that, at mw/mf=05, energy analysis indicated that only 37.9% of the fuel energy could be utilized as an indicated power, where 62.1% of fuel energy was not available for conversion to useful work. Exergy analysis showed that 52.1% of fuel energy could be utilized as useful work (35.7% as an indicated power, 12% from the exhaust and only 4.4% from the cooling water) and the available energy unaccounted for represented 47.9% of the total available energy for the same condition. It was also found that water injection increased the combustion irreversibility significantly. Water addition provided a 35% reduction in peak NOx emissions without any significant change in CO and HC emissions. In addition, greater ignition advance was obtained. The average increase in the brake thermal efficiency for a water to fuel mass ratio of 0.5 was approximately 2.7% over the use of LPG alone.Keywords: Internal Combustion Engine, Water injection, Data Acquisition, LPG, Exergy, Thermal balance