Egzoz emisyonlarının azaltılması için silindir öncesi yöntemlerin araştırılması ve optimizasyonu
Research and optimization of pre-treatment methods for exhaust emissions reduction
Yazar: MURAT KAPUSUZ
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN ÖZCAN
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan çalışmada standart bir benzinli motorda egzoz emisyonlarının iyileştirilmesi için silindir öncesi yöntemler kullanılarak kontrolü amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda yanmanın zenginleştirilmesi için kullanılacak benzin yakıtının fotokatalize maruz bırakılarak fiziksel özelliklerinin zenginleştirilmesi, HC ve CO emisyonlarının azaltılması için giriş havasının oksijence zenginleştirilmesi, NOx emisyonlarının azaltılması için giriş havasının nemlendirme yoluyla kuru termometre sıcaklığının düşürülmesi, amaçlanmıştır. 
Fotokataliz işlemi %15 etanol ve %85 benzin karışımına uygulanmış ve sonuçlar yakıtın yanma özelliklerinin iyileştiğini göstermiştir. Fotokataliz sonrası durum öncesi ile karşılaştırıldığında ortalama olarak CO emisyonu %18.1, HC emisyonu ise %7 azalmış; CO2 emisyonu %20.3, NOx emisyonu ise %39.7 artmıştır. ÖYT %9.9 azalmış, efektif verim ise %9.1 artmıştır. 
Motor emme havasına konsantratörden elde edilen yüksek saflıkta oksijen karıştırılarak oksijen oranı %21'den %23 ve %25 seviyelerine çıkartılmıştır. Giriş havasının oksijence zenginleştirilmesi yanma hızını artırmış, yanmayı iyileştirmiş ve efektif verimi artırmıştır. Bu durum yanmamış HC emisyonlarının ve CO emisyonlarının azalmasına neden olmuştur. Fakat yanma sürecindeki bu iyileşme silindir içi maksimum sıcaklıkları artırmış ve dolaylı olarak NOx emisyonlarını artırmıştır. İstenmeyen bu etki motor giriş havasının adyabatik nemlendirilmesi yoluyla ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. Emme havası şartlandırma kabininden geçirilerek kuru termometre sıcaklığı düşürülmüş ve emme havası bağıl nemi %35'ten %65 ve 85'e çıkartılmıştır. Soğutma kabininden geçirme işlemi havanın kuru termometre sıcaklığını azaltmış ve nem oranını artırmıştır. Giriş havasının kuru termometre sıcaklığının düşürülmesi silindir içi maksimum sıcaklıkların düşmesine neden olmuştur. Ayrıca giriş havasının nemlendirilmesi yanma hızını düşürmesinden ve yanmayı homojenleştirmesinden dolayı yine silindir içi maksimum sıcaklıklarda azalmaya sebep olmuştur. Nemlendirme yöntemi düşük yüklerde yanmayı kötüleştirirken yüksek yük oranlarında mikro patlama tesiri ile yanmayı iyileştirmiştir. Nemlendirme işlemi tüm şartlarda özgül yakıt tüketiminde artışa neden olmuştur. Emisyon ve performans şartları gözönüne alındığında oksijen içeriğinin %23, bağıl nemin %85 olduğu şart en optimum şart olarak belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of the study was to control the exhaust emissions of a standard gasoline engine by pre-treatment methods. In this context, it is aimed to enrich the physical properties of the gasoline for the enrichment of the combustion by using photocatalysis, to enrich the intake air oxygen ratio to reduce the HC and CO emissions and to reduce the dry thermometer temperature by humidifying the inlet air to reduce NOx emissions.
Photocatalysis was applied to a mixture of 15% ethanol and 85% gasoline and the results showed that fuel improves combustion characteristics. Compared to the pre-state to post-photocatalytic state, the CO emission decreased by 18.1% and the HC emission decreased by 7% on average, CO2 emissions increased by 20.3% and NOx emissions increased by 39.7%. The specific fuel consumption decreased by 9.9% and the effective efficiency increased by 9.1%. 
By mixing high-purity oxygen from the concentrator to inlet air, the oxygen ratio has been increased from 21% to 23% and 25%. The oxygen enrichment of the intake air increases the combustion rate, improves the combustion and increases the effective efficiency. This causes unburned HC emissions and CO emissions to be reduced. However, this improvement in the combustion process increases the maximum in-cylinder temperatures and indirectly increases NOx emissions. This unwanted effect was attempted to be removed from the engine by intake air adiabatic humidification. Air relative humidity was increased from 35% to 65% and 85%. Air passing through the cooling cabin reduces the dry-bulb temperature of the air and increases the humidity. Reducing the dry-bulb temperature of the inlet air causes the maximum in-cylinder temperatures to drop. In addition, humidification of the inlet air causes the combustion rate to be reduced and the combustion to be homogenized, resulting in a decrease in the maximum in-cylinder temperatures. The humidification method improves the burning by micro explosion effect at high load rates while worsening combustion at low loads. The humidification process in all circumstances caused an increase in specific fuel consumption. For the emission and performance requirements, 23% oxygen and 85% relative humidity conditions are determined as the most optimal conditions.