Buji ateşlemeli motorda benzin-aseton ve benzin-dimetil eter karışımlarının motor performansına ve emisyonlarına etkilerinin sayısal ve deneysel incelemesi
Numerical and experimental investigation of effects of gasoline-acetone and gasoline-dimethyl ether mixtures on engine performance and emissions in spark ignition engine
Yazar: EMRAH KANTAROĞLU
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Aseton = Acetone ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Motor performansı = Motor performance ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında buji ateşlemeli ticari bir motorda saf ve karışımlı yakıt kullanımının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkileri sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Saf yakıt olarak benzin ve karışımlı yakıt olarak aseton-benzin ve dimetil eter (DME)-benzin kullanılmıştır. İnceleme; deneysel, 1B, 3B ve 0B modelleme yöntemleriyle yapılmıştır. Literatürde asetonun motorlarda kullanımı ile ilgili oldukça sınırlı sayıda, DME'nin ise daha çok sıkıştırma ateşlemeli motorlar üzerinde kullanımıyla ilgili çalışmalar bulunmaktadır.
Karışımdaki kütlesel oranlar (%0-%2-%5-%10-%20-%100) için aseton-benzin karışımları G100, A2, A5, A10, A20, A100; DME-benzin karışımları ise G100, DME2, DME5, DME10, DME20, DME100 şeklinde gösterilmiştir ki toplamda 11 adet yakıt incelemesi yapılmıştır. Ayrıca, sayısal incelemelerde ilaveten üçlü karışım da %90 benzin, %5 aseton ve %5 DME (G90A5DME5) incelenmiştir.
Çalışmanın deneysel kısmında ticari motorun bağlı olduğu motor test sisteminde saf ve karışımlı yakıtlar için motor performans parametreleri ve egzoz emisyonları ölçülmüştür.
Çalışmanın sayısal kısmında 1B, 3B ve 0B model kullanılmıştır. 1B modelde, Ricardo-Wave yazılımı kullanılmıştır. Bu yazılım ile komple motor test sistemi modellenmiş ve karışımlı yakıtların (aseton-benzin ve DME-benzin) analiz sonuçları alınmıştır.
Diğer modelleme yöntemi olan 3B silindir-içi yanma HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) modeli için ise Ansys-Forte yazılımı kullanılarak motorun silindir-piston sistemi 3B modellenmiş ve silindir-içi yanma analizleri yapılmıştır. 3B model, mevcut test motorunun emme/egzoz portları, emme/egzoz supapları, bujileri, piston ve silindir kafası dahil bir silindirini içermektedir. 3B modelde gereken DME yakıt kütüphanesi için Ansys-ChemkinPro yazılımındaki 0B reaksiyon modeli tanımlanmıştır. 
Böylece saf ve karışımlı yakıtların etkileri, ticari bir motor için dört yöntem ve analitik hesaplamalar kullanılarak incelenmiştir. Nihai olarak; aseton ve DME'nin performans ve emisyonlara etkileri belirlenmiştir. 
Motor performansı tork, güç, OEB, ÖYT ve hacimsel verim kullanılarak değerlendirilmiştir.
1B ve 3B modelde ilaveten; silindir-içi basınç, sıcaklık ve emisyon değerlerinin KMA'ya göre değişimleri de hesaplanmıştır. 3B modelde incelenen yakıtlar için silindir-içi alev yayılımının radyal ve eksenel silindir kesitlerindeki sıcaklık dağılımları da görselleştirilmiştir.
Emisyonlar testlerde egzoz hattından CO, CO2, HC, NOx, O2, lambda şeklinde ölçülmüştür. Ayrıca, egzoz gazı sıcaklığı da ölçülmüştür. 1B ve 3B modelden elde edilen silindir-içi emisyonlar KMA'ya göre hesaplanmıştır. 
Maksimum katalog tork devri 2800d/dk'da, bütün inceleme yöntemlerinde artan aseton oranı torku azaltmıştır Torkta, G100'den A20'ye gidildikçe, testte %1.45, 1B modelde %4.03, 3B modelde ise %1.03 azalma görülmüştür. ÖYT'de, A2 (%0.27), A5 (%0.55), A10 (%0.75) azalma olurken A20'de (%0.26) artış olmuştur. ÖYT'de yine G100'den A20'ye1B modelde %2.93, 3B modelde ise %8.41 artış olmuştur. Testte, G100'den A20'ye CO (%33.6), HC (%34.4.4)ve O2 (%26.6) emisyonlarında azalma, CO2 (%11.4) ve NOx (87.7) emisyonlarında artma görülmüştür. 1B ve 3B modelde aseton oranı arttıkça, silindir-içi CO, HC ve NOx emisyonlarında azalma, CO2 emisyonunda artma görülmüştür. O2'de 1B modelde azalma, 3B modelde artma görülmüştür. Aseton-benzin karışımları test ve 1B modelde farklı devirler için de incelenmiştir.
DME-benzin karışımlarında, G100'den DME20'ye 1B ve 3B modelde torkun azaldığı görülmüştür. 2800d/dk'da DME20 için 1B modelde (%9.84), 3B modelde (%5.47) azalma gerçekleşmiştir. ÖYT için, DME2 yakıtında 1B modelde %4.57, 3B modelde %1.38 azalma, DME20 yakıtında 1B modelde %1.46, 3B modelde ise %4.86 artma gerçekleşmiştir. Emisyonlarda1B ve 3B modelde DME arttıkça CO2, HC ve NOx emisyonlarında azalma, CO ve O2 emisyonlarında artma görülmüştür.

Abstract:
In this doctoral thesis, the effects of pure and mixed fuel use on engine performance and exhaust emissions in a commercial spark-ignition engine have been investigated numerically and experimentally. Gasoline as pure fuel and acetone-gasoline and dimethyl ether (DME)-gasoline as blended fuel have been used. Examination; Experimental, 1D, 3D, and 0D modeling methods have been used. In the literature, there are a very limited number of studies on the use of acetone in engines, while there are studies on the use of DME mostly in compression ignition engines. Acetone-gasoline mixtures G100, A2, A5, A10, A20, A100; DME-gasoline mixtures have been shown as G100, DME2, DME5, DME10, DME20, DME100, and a total of 11 fuel analyzes have been made. In addition, in numerical studies, an additional triple mixture of 90% gasoline, 5% acetone, and 5% DME (G90A5DME5) has been investigated. In the experimental part of the study, engine performance parameters and exhaust emissions have been measured for pure and mixed fuels in the engine test system to which the commercial engine is connected. In the numerical part of the study, 1D, 3D, and 0D models have been used. In the 1D model, Ricardo-Wave software has been used. With this software, the complete engine test system has been modeled and the analysis results of the mixed fuels (acetone-gasoline and DME-gasoline) have been obtained. For the other modeling method, the 3D in-cylinder combustion CFD (Computational Fluid Dynamics) model, the cylinder-piston system of the engine has been modeled in 3D using Ansys-Forte software and in-cylinder combustion analyzes have been made. The 3D model includes one cylinder of the current test engine including intake/exhaust ports, intake/exhaust valves, spark plugs, piston, and cylinder head. The 0D reaction model in Ansys-ChemkinPro software is defined for the DME fuel library required in the 3D model. Thus, the effects of pure and blended fuels have been investigated using four methods and analytical calculations for a commercial engine.
 Finally; The effects of acetone and DME on performance and emissions have been determined. Engine performance has been evaluated using torque, power, MEP, BSFC, and volumetric efficiency. In addition to 1D and 3D models; The changes in the in-cylinder pressure, temperature, and emission values according to the CAD have been also calculated. The temperature distributions of the in-cylinder flame propagation in the radial and axial cylinder sections are also visualized for the fuels examined in the 3D model. Maximum catalog torque speed at 2800rpm, increasing acetone ratio in all inspection methods have reduced the torque. Torque, from G100 to A20, has decreased by 1.45% in the test, 4.03% in the 1D model, and 1.03% in the 3D model. In BSFC, A2 (0.27%), A5 (0.55%), A10 (0.75%) has decreased while A20 (0.26%) has increased. 
In BSFC from G100 to A20, there is an increase of 2.93% in the 1B model and 8.41% in the 3D model. In the test, CO (33.6%), HC (34.4.4%), and O2 (26.6%) emissions from G100 to A20 have decreased, while CO2 (11.4%) and NOx (87.7) emissions have increased. As the acetone ratio is increased in the 1D and 3D models, a decrease in in-cylinder CO, HC, and NOx emissions, and an increase in CO2 emissions have been observed. There is a decrease in O2 in the 1D model and an increase in the 3D model. Acetone-gasoline mixtures have been also investigated for different cycles in the test and 1B model. In DME-gasoline mixtures, torque reduction has been observed in the 1D and 3D models from G100 to DME20. For DME20 at 2800rpm, there is a decrease in the 1D model (9.84%) and the 3D model (5.47%). For BSFC, there is a 4.57% decrease in DME2 fuel in the 1D model, 1.38% decrease in the 3D model, and an increase of 1.46% in the 1D model and 4.86% in the 3D model in the DME20 fuel. In emissions, CO2, HC, and NOx emissions decrease and CO and O2 emissions increase as DME increases in 1D and 3D models.