Çift yakıtlı motorlarda performans ve emisyon optimizasyonu
Performance and emission optimization of dual fuel engines
Yazar: YASİN KARAGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. TARKAN SANDALCI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Petrol bazlı yakıtların hızla ve son yıllarda hızla artan motorin fiyatları motor üretici firmaları yeni bir alternatif yakıt bulmaya zorlamaktadır. Aynı zamanda, petrol türevi yakıtların çevreye ve insan sağlığına verdikleri zarar sebebiyle, daha çevreci bir alternatif yakıta ihtiyaç uyulmaktadır.  Giderek ağırlaşan emisyon regülasyonları, NOx ve is partikükü emisyonları açısından motor üretici firmaları zorlamaktadır. Diesel motorlar yüksek verim avantajına rağmen, NOx ve is partikülü emisyoları açısından dezavantaja sahiptirler. Diesel motolar, NOx ve is partikülü emisyonunu azlatmak için, sırasıyla SCR e DPF kullanırlar. Ancak, özellikle katalist malzemelerin pahalılığı yüzünden, alternatif gaz yakıtlara yönelim zaruri hale gelmiştir. Bu gelişmeler üzerine, otomotiv sektörü hali hazırda kullanımda olan motorlarda alternatif yakıtların kullanılması ile performans, egzoz emisyonu ve yanma karakterisitiğinin iyileştirmesi üzerine çalışmalara başlamıştır. Alternatif yakıtların; kaynak ve potansiyel, yakıt temini, emniyet, zehirlilik ve sağlığa zararlılık, motor performansı ve emisyonları, depolama, yakıt deposu ve istenilen her yerde kolay bulunabilirlik gibi kriterler açısından incelenmesi gerekir. Doğalgaz, bu kriterlerin birçoğunu sağladığından içten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılabilecek önemli alternatif yakıtlardan birisidir. Kolay bulunabilirliği, rezervlerinin petrole göre daha fazla olması, düşük maliyet ve temiz yanma karakteristikleri ile dağıtım sistemlerinin var oluşuna ek olarak daha düşük araç emisyonlarına imkân vermesi, doğalgazı son derece elverişli bir alternatif yakıt yapmaktadır.
Doğalgazın yüksek oktan sayısı ile diesel motorlarda dual modda güvenilir şekilde kullanılabilirler. Metan ana yakıt olarak kullanılırken, bir miktar diesel pilot püskürtme ile tutuşmanın gerçekleştirilmesi mümkün olmakla beraber, yanma stabilitesi açısından en kullanışlı yöntemdir. Bu sebepten dolayı, porta veya manifolda püskürtme, direkt metan püskürtme ve sürekli manifolda püskürtme gibi yöntemler kullanılmıştır. Diesel motorlarda, CNG'nin porttan püskürtülürken, pilot diesel ile tutuşmanın sağlanması yöntemi, en güvenilir ve uygulanabilir yöntemdir. Elektronik olarak kontrol edilebilen bir diesel enjektörünün ve porttan püskürtülen bir CNG enjektörünün kontrol edilmesi ile, diesel püskürtme karakteristiklerinin motor performansı ve emisyonlar açısından bir optimizasyonuna gidilmesi hedeflenmiştir. Yapılması hedeflenen çalışmayla, diesel motorlarda doğalgaz-motorin çift yakıtının alternatif bir çözüm olarak optimum emisyon ve özgül yakıt tüketimi şartlarında kullanılabilmesi açısından yanma karakteristiği incelenecektir. Yapılacak olan teorik model ve testler ile optimum motorin püskürtme karakteristiği bulunarak diesel motorlın doğalgaz-motorin çift yakıtına dönüştürülmesi ve motor kalibrasyon sürecinin hızlandırılmasına katkı sağlayacaktır.

Abstract:
Rapid extinction of fossil fuels and continuous increase on oil prices compel engine manufacturers to findout a new alternative fuel. In addition, it is an inevitable necessity to study on an alternative, reliable and environmentalist fuel due to damage given to environment and to human beings by oil derivative fuels. Furthermore, exigent emission regulations on exhaust emissions especially like NOx, hydrocarbons andcarbon monoxide, compel industry to make researches on alternative fuels. Despite high efficieny of diesel engines, they are disadvantageous in terms of NOx and soot emissions. Diesel engines use SCR and DPF respectively to reduce NOx and soot particules. But, expensiveness of catalyst materials, it became obligatory to use alternative gas fuels. Automotive industry has started to study on improvement of performance, exhaust emission and combustion characteristics with usage of alternative fuels on engines in service. Alternative fuels should be observed in terms of some criteria like source and potential, fuel supply, security, toxicity, toxicity for health, engine performance and emissions, storage, fuel tank and availability. Natural gas replies to most of these criteria, so it is considered as an important alternative fule for internal combustion engines.  Its availability, reserves, low cost and clean combustion characteristics, distribution systems and low emissions pave the way for its usage as an alternative fuel. 

Due to high octane number of natural gas, it can be used safely in dual mode in diesel engines. Methane being primary fuel, ignition is realised with a diesel pilot pulverization, it is the most available method wtih regards to combustion stability. That's why, methods like pulverization to port or manifold, direct methane pulverization or continuous manifold pulverization are used.  In diesel engines, during pulverization of CNG from port, availability of ignition via pilot diesel is the most reliable method. The target is to optimize diesel pulverization characteristics with regard to engine performance and emissions, by help of electronically controlled diesel injector and a CNG injector pulverized from port. With this study, combustion characteristics will be observed in terms of availability of natural gas-diesel fuel dual fuel as an alternative solution in diesel engines under optimum emission and specific fuel consumption conditions. With theorical model and tests, optimum diesel fuel pulverization characteristic will be found; it will accelarate conversion of diesel engines to natural gas-diesel fuel dual fuel and engine calibration period.