Hidrojen-dizel çift yakıtlı sıkıştırma ile ateşlemeli bir motorda yanma odası geometrisi ve karışım oranının motor performansı ve emisyonlara etkisi
The effect of combustion chamber geometry and mix ratio on engine performance and emissions in a hydrogen-diesel dual fuel compression ignition engine
Yazar: NURULLAH GÜLTEKİN
Danışman: PROF. DR. MURAT CİNİVİZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Dizel yakıtlar = Diesel fuels ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Gaz yakıtlar = Gas fuels ; Püskürtülü yanma = Spray combustion ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Fosil türü yakıtların dünyada sınırlı olması ve bu yakıtların yanması sonucu oluşan zararlı gazlar, temiz, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynağı arayışlarını artırmıştır. Bunun sonucu son yıllarda içten yanmalı motorlardan, hibrit ve elektrikli taşıtlara hızlı bir geçiş yaşanmaktadır. Fakat bu taşıtlardaki şarj ve batarya sorunlarından dolayı, içten yanmalı motorların piyasadaki hakimiyetinin uzun yıllar devam edeceği öngörülmektedir. Bundan dolayı içten yanmalı motorların alternatif enerji kaynakları ile çalışır hale getirilerek performans ve emisyonlarının iyileştirilmesi önemli bir konudur. Hidrojen; temiz, yenilenebilir ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olması nedeniyle fosil türü yakıtlara iyi bir alternatif olma kapasitesine sahiptir. Bu yüzden içten yanmalı motorlarda yenileştirmeler yapılarak performans ve emisyonları iyileştirmek için hidrojen yakıtının kullanılması mümkün görülmektedir. Hidrojenin tek yakıt olarak kullanılmasından dolayı oluşan problemler çift yakıtlı sistemleri ön plana çıkarmaktadır. Bu çalışmada, elektronik kontrollü hidrojen-dizel çift yakıt sistemine sahip, tek silindirli sıkıştırma ile ateşlemeli bir motorda testler gerçekleştirilmiştir. Testler; sabit motor devri (1850 dev/dk.), farklı motor yükü (3, 4.5, 6, 7.5, 9 Nm), farklı hidrojen enjektörü açılma zamanı (1.6, 1.8, 2.0 ms) ve farklı yanma odası tasarımları (Standart, NG1, NG2) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Testler sonucunda motor performansı ve emisyonlar incelenmiştir. Hidrojen enerji oranları kıyaslandığında, tüm yanma odaları için hidrojen enerji oranının %14'e kadar artırılması performans ve emisyonları iyileştirirken, bu değerin üzerine çıkılması performans ve emisyonları olumsuz etkilemektedir. Natural Gyration1 (NG1) ve Natural Gyration2 (NG2) yanma odaları standart (STD) yanma odası ile kıyaslandığında; 9 Nm yük ve %12 hidrojen enerji oranında, NG1 yanma odasında, silindir içi basınç %1.41 artmış, özgül enerji tüketimi %2.29 ve partikül madde emisyonu %8.82 azalmıştır. NG2 yanma odasında, silindir içi basınç %1.98 azalmış, özgül enerji tüketimi %2.66 ve partikül madde emisyonu %5 artmıştır. Tüm veriler değerlendirildiğinde, NG1 yanma odası tasarımının NG2 ve STD yanma odasından daha iyi performans gösterdiği belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, hidrojen-dizel çift yakıt moduna uygun hidrojen enerji oranı ve yanma odası tasarımı belirlenmiştir.

Abstract:
The limited number of fossil fuels in the world and the harmful gases caused by the burning of these fuels have increased the search for clean, renewable and sustainable energy sources. As a result, there has been a rapid transition from internal combustion engines to hybrid and electric vehicles in recent years. However, due to the charging and battery problems in these vehicles, it is predicted that the dominance of internal combustion engines in the market will continue for many years. Therefore, it is an important issue to improve the performance and emissions of internal combustion engines by making them work with alternative energy sources. Hydrogen; since it is a clean, renewable and sustainable energy source, it has the capacity to be a good alternative to fossil fuels. Therefore, it seems possible to use hydrogen fuel to improve the performance and emissions by making innovations in internal combustion engines. The problems caused by the use of hydrogen as a single fuel bring dual fuel systems to the fore. In this study, tests were carried out on a single cylinder compression ignition engine with an electronically controlled hydrogen-diesel dual fuel system. The tests were carried out at constant engine speed (1850 rpm), different engine load (3, 4.5, 6, 7.5, 9 Nm), different hydrogen injector opening times (1.6, 1.8, 2.0 ms) and different combustion chamber designs (Standard, NG1, NG2). As a result of the tests, engine performance and emissions were examined. When hydrogen energy rates are compared, increasing the hydrogen energy rate up to 14% for all combustion chambers improves performance and emissions, while exceeding this value negatively affects performance and emissions. When Natural Gyration1 (NG1) and Natural Gyration2 (NG2) combustion chambers are compared with the standard (STD) combustion chamber; At 9 Nm load and 12% hydrogen energy rate, in the NG1 combustion chamber, the in-cylinder pressure increased by 1.41%, the specific energy consumption decreased by 2.29% and the particulate matter emission decreased by 8.82%. In the NG2 combustion chamber, the cylinder pressure has decreased by 1.98%, specific energy consumption has increased by 2.66%, and particulate matter emissions have increased by 5%. After evaluating all the data, it was determined that the NG1 combustion chamber design performs better than the NG2 and STD combustion chambers. As a result of the study, the hydrogen energy ratio and combustion chamber design suitable for hydrogen-diesel dual fuel mode have been identified.