Benzinli motorda alternatif yakıt kullanımının performans ve emisyon değerlerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of using alternative fuel on performance and emission for gasoline engine
Yazar: EMRAH KANTAROĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. TOLGA DEMİRCAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Doğal denge açısından her geçen gün önemini arttıran enerji verimliliği ve emisyon değerlerinin minimuma indirilmesi, otomotiv sektörü için de önemli bir gündem maddesi olmuştur. Geliştirilen birçok çalışmada, özellikle benzin ve motorin gibi sıvı yakıtlara alternatif olarak farklı yakıtların kullanılması ile kısıtlı enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması ve doğal dengeye daha az zarar verilmesi istenmektedir.

Enerji verimliliği açısından, motor teknolojileri her geçen gün gelişmekte, dolayısıyla motor teknolojileri bakımından hızla bir dönüşüm geçirmektedir. Fakat, hali hazırda kullanılmakta olan milyarlarca otomobil motorunun bir anda yeni nesil motorlara dönüştürülmesi veya modifiye edilmesi oldukça güçtür. Bu nedenle yeni nesil bir otomobil motoru tasarlamak kadar, mevcut teknolojinin, farklı türleriyle kullanılabilmesini sağlamak da önemli bir konudur. Bu amaçla, buji ateşlemeli motorların farklı karışım oranlarında alternatif yakıt kullanılarak performans ve emisyon değerlendirmesinin yapılması, yeni yakıt teknolojilerinin geliştirilebilmesini sağlamaktadır. 

Günümüzde yapılan çalışmalarda yakıt takviyeleri, buji ateşlemeli motorlar için; etil alkol, metil alkol, hidrojen, LPG, CNG ve LNG ilaveleri olurken, sıkıştırma ile ateşlemeli motorlar için ise;  etil alkol, metil alkol, hidrojen, LPG, bitkisel yağlar, CNG ve LNG olarak öne çıkmaktadır. Her iki motor tipi için de kullanılabilen bütün yakıt takviyeleri, hem deneysel hem de sayısal olarak yapılan çalışmalarda hem saf olarak hem de belirli oranlarda ilave edilerek kullanılmaktadır. Bu ilaveler sonucunda motorun performans ve emisyon değerleri incelenmektedir. Deneysel anlamda yapılan çalışmalar hem maliyet hem de geniş zaman dilimleri gerekliliğinden dolayı, araştırmacıları daha hızlı ve kabul edilebilinir doğrulukta alınabilen analiz programlarına yöneltmiştir.

Bu çalışmada, buji ateşlemeli bir motorun ana yakıtı olan benzine alternatif oluşturacak yakıtların farklı karışım oranlarında katılması ile, alternatif yakıt kullanımının motor performans değerleri (tork, güç, silindir içi basınç, yakıt sarfiyatı) ve emisyon değerleri üzerindeki etkisi ele alınmıştır. Bu nedenle literatürde daha az incelenmiş olan alternatif yakıtlar seçilerek, geniş bir araştırma yelpazesi oluşturulmuştur. Tüm bu yakıtlar ve karışım oranları ile farklı oktan sayılarının da, motor performansına ve emisyonlarına olan etkisi birlikte incelenmiştir. Çalışma kapsamında sayısal inceleme yöntemi seçilmiştir.

Richardo Wave paket programında oluşturulan sayısal modelin, çalışma kapsamındaki deneysel model ve literatür ile karşılaştırması yapılarak, analizlerin doğrulukları belirlenmiştir. Sayısal modelde, doğrulaması yapılan buji ateşlemeli bir motora; farklı oktan sayılarındaki benzin çeşitleri ile CNG, LPG, gazyağı, metanol ve etanol yakıtları farklı karışım oranlarında katılmıştır.

Çalışmanın genel sonucu olarak, alternatif yakıt ilavesi ve karışım oranlarının değişmesiyle motor performansında ve emisyonlarda değişkenliklerin olduğu tespit edilmiştir. CNG kullanımında performans ve emisyonların benzin kullanımına göre azaldığı tespit edilmiştir. Gazyağı, metanol ve etanolde ise performans ve emisyonların benzin kullanımına göre arttığı sonucuna varılmıştır. Kullanılan alkol yakıtların maksimum tork ve gücü verdiğinin tespit edilmesinin yanında, gazyağının yüksek torktan ziyade, geniş bir devir yelpazesinde yüksek değerlerde çıktığı tespit edilmiştir. Farklı alternatif yakıt ve oktan sayılarında kullanılan buji ateşlemeli bir motora ait olan performans ve emisyon sonuçları detaylı bir şekilde incelenmiş, birbirleriyle karşılaştırmalı olarak verilmiş ve yorumlanmıştır.

Abstract:
Reducing energy efficiency and emission values, which are increasingly important in terms of natural balance day by day, has become an important agenda item for the automotive sector. In many developed studies, it is desired to use limited energy sources more efficiently by using different fuels alternatively to liquid fuels such as gasoline and diesel, and to be less harmful to the natural equilibrium.

In terms of energy efficiency, motor technologies are developing day by day, so they are undergoing a rapid transformation in terms of motor technology. However, it is quite difficult to convert or modify the billions of car engines currently in use into new generation engines. Therefore, both it's important to design a new-generation automobile engine, and to make sure that the current technology can be used with different types. For this purpose, the performance and emission evaluation using alternative fuels at different mixing ratios of spark ignition engines enables new fuel technologies to be developed.

In today's work, fuel supplies are used for spark ignition engines; ethyl alcohol, methyl alcohol, hydrogen, LPG, CNG and LNG additives, while for compression ignition engines; ethyl alcohol, methyl alcohol, hydrogen, LPG, vegetable oils, CNG and LNG. All fuel additives that can be used for both types of engines can be used both purely and at certain ratios in both experimental and numerical studies. As a result of these additions, engine performance and emission values are examined. Experimental studies have led researchers to analytical programs that can be taken more quickly and with acceptable accuracy because of both cost and time requirements.

In this study, the effects of alternative fuel usage on the engine performance values (torque, power, cylinder pressure, fuel consumption) and emission values have been discussed with the participation of different mixture ratios of the fuels that are alternative to the gasoline which is the main fuel of a spark ignition engine. For this purpose, alternative fuels ,which are less studied in the literature, have been selected and a large research fleet has been established. All these fuels and mixture ratios as well as the effect of different octane numbers on engine performance and emissions have been examined together. In the scope of the study, numerical analysis method has been chosen.

The numerical model which has been created in the Richardo Wave package program has been compared with the experimental model and literature, and the accuracy of the analyzes has been determined, in the study. In the numerical model, fuel types with different octane numbers and CNG, LPG, kerosene, methanol and ethanol fuels have been added at different mixing ratios at a verified spark ignition engine.

As a general result of the study, it has been determined that variability in engine performance and emissions has been determined by varying alternative fuel addition and mixing ratios. When CNG used, gasoline and emissions have been reduced. In the case of kerosene, methanol and ethanol, performance and emissions have increased compared to gasoline consumption. It has been found that the kerosene has reached high values in a wide range of times, from high torque. The performance and emission results of the spark ignition engine using in different alternative fuel and octane numbers have been examined in detail and given as interpreted comparatively.