Alternatif yakıt olarak benzine lpg katkısının motorkarakteristiklerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of effects of lpg addition into gasoline as an alternative fuel on engi̇ne characteristic
Yazar: UĞUR BARAN TÜRKMEN
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışmasında, çift buji ateşlemeli ticari bir otomobil motorunda benzine alternatif yakıt olarak LPG'nin (Liquid Petroleum Gas: Sıvı Petrol Gazı) ve LPG katkısının motor performansı ve emisyonları üzerindeki etkileri incelenmiştir. İncelemede, 3B (3-boyutlu) silindir içi yanma HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizi kullanılmıştır. Böylece, bir alternatif yakıt karışımının özellikle sıralı çift buji ateşlemeli ticari motordaki etkileri değerlendirilmiştir. 
Benzine katılan LPG'nin kütlesel oranı %5, 10 ve 20 olarak alınmıştır. Benzin, LPG ve %5, 10 ve 20 kütlesel LPG oranlı benzin-LPG karışımları olmak üzere toplam 5 adet yakıt incelenmiştir. HAD modeli oluşturulan ticari otomobil motoru, Honda-Jazz 2004 modelinde bulunan Honda L13A4 i-DSI sıralı çift buji ateşlemeli motordur. Hali hazırda bu motora ait bazı test ve analiz sonuçları bulunmaktadır ve karşılaştırmalar yapılmıştır. 3B silindir içi yanma HAD modeli Ansys-Forte v19.0 yazılımında oluşturulmuş ve analizler yapılmıştır. Analizler, tam kelebek açıklığında ve motor kataloğunda maksimum tork devri olarak gösterilen 2800 d/dk hızda yapılmıştır. Analizlerde; stokiometrik yanma için hava fazlalık katsayısı bir alınmıştır.
Motorun silindirlerinden bir tanesinin 3B katı modeli tüm ilgili bileşenler (silindir, piston, silindir kafası, bujiler, emme-egzoz valfleri ve manifoldları) dahil edilerek SolidWorks yazılımında oluşturulmuştur. Bu katı model, HAD yazılımına alınarak mesh (çözüm ağı) oluşturulmuş ve piston ve valflerin motor çevrimi boyunca hareketleri tanımlanmıştır. HAD modelinde emme manifoldu ve egzoz manifoldu dahil olmak üzere yanma bölgesini içeren tüm geometrik bölge dikkate alınmıştır. HAD modelinde analizler yapılırken piston ve valf hareketlerine uygun olarak dinamik mesh yapısı kullanılmıştır. Sınır şartları, başlangıç şartları, yakıt tanımlaması, ateşleme zamanları, kimyasal yanma modeli, türbülans modeli gibi birçok gerekli analiz parametreleri tanımlanarak HAD modeli oluşturulmuş ve analizler yapılmıştır. 
3B silindir içi yanma HAD modelinde; yanma modeli olarak G-equation yanma modeli ve türbülans modeli olarak RANS RNG k-epsilon türbülans modeli kullanılmıştır. HAD modeli birçok karmaşık özelliği (piston hareketi, valflerin hareketi, yanma, geçici rejim, türbülanslı akış, ısı transferi) içermektedir. 3B silindir içi yanma HAD analizleri sonucunda motor performansı olarak tork, ortalama efektif basınç ve özgül yakıt sarfiyatı hesaplanmıştır. Emisyonlar olarak ise; CO2, CO, H2O, O2, N2, HC, NOX belirlenmiştir ve değerlendirilmiştir. Ayrıca, silindir içi yanmada alevin oluşumu ve yayılımı çift buji ateşlemesi için görselleşmiştir. 
HAD analizleri sonuçlarına göre, LPG torku (115,1 Nm) benzin torkuna (121,5 Nm) göre %5,3 düşük hesaplanmıştır. Benzin-LPG karışımlarındaki tork, benzin ve LPG arasında gerçekleşmiştir. Sırasıyla %5-10-20 kütlesel oranlarında LPG katkıları için tork değerleri 121,1-120,7-120,1 Nm olarak hesaplanmıştır ve sırasıyla benzinden %0,3-0,7-1,2 düşüktür. LPG katkısı torkta dikkate değer bir değişim oluşturmamıştır. Emisyonlarda ise benzin için CO2, CO, O2, N2, HC emisyonları yüksek çıkmıştır. LPG için ise H2O, NOX emisyonları yüksek çıkmıştır. Benzin-LPG karışımları için emisyonlar benzin ve LPG arasında daha çok benzine yakın çıkmıştır. Özet olarak, benzinli motorda LPG kullanımı torku düşürmekle birlikte NOX emisyonunu da artırmıştır. Bu açıdan LPG olumsuz etki yapmaktadır.

Abstract:
In this M.Sc. thesis study, the effects of LPG (Liquid Petroleum Gas) and LPG addition into gasoline as an alternative fuel were investigated in terms of engine performance and emissions for a dual spark ignition commercial automobile engine. Investigation was performed by using the 3D (3-Dimensional) in-cylinder combustion CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses. Thus, the effects of using an alternative fuel mixture, especially in a sequential dual spark ignition commercial engine, were evaluated.
The mass ratio of LPG added to gasoline is taken as 5, 10 and 20%. A total of 5 fuels (gasoline, LPG and 5, 10 and 20% LPG mass added gasoline-LPG mixtures) were examined. The commercial car engine used in the CFD model is the Honda L13A4 i-DSI dual spark ignition engine in the Honda-Jazz 2004 model. Currently, there are some test and analysis results for this engine and comparisons have been made. The 3D in-cylinder internal combustion CFD model was formed in Ansys-Forte v19.0 software and analyzes were done. The analyzes were carried out at full throttle clearance and at a speed of 2800 rpm, which is shown as the maximum torque speed in the engine catalog. In the analyses, the air excess coefficient was set to be equal to one for stoichiometric combustion.
The 3D solid model of one of the engine's cylinders was drawn in the SolidWorks software, with all relevant components (cylinder, piston, cylinder head, spark plugs, intake-exhaust valves and manifolds). This solid model was taken into the CFD software and a mesh structure was generated by defining the movements of the pistons and valves along the motor cycle. In the CFD model, the entire geometric region including the combustion zone between intake and exhaust manifold was considered. Dynamic mesh structure was used for piston and valve movements in the CFD model. Many necessary analysis parameters such as boundary conditions, initial conditions, fuel definition, ignition times, chemical combustion model, turbulence model have been defined and the CFD model has been formed and run.
In the 3D in-cylinder combustion CFD model; G-equation combustion model and RANS RNG k-epsilon turbulence model are used. The CFD model includes many complex features (piston movement, movement of valves, combustion, transient regime, turbulent flow, heat transfer). As a result of 3D in-cylinder combustion CFD analyses; torque, average mean effective pressure, and specific fuel consumption were calculated as engine performance. As emissions; CO2, CO, H2O, O2, N2, HC, NOX were determined and evaluated. In addition, flame formation and propagation in the cylinder was visualized for dual spark plug ignition.
CFD analyses results show that LPG torque (115.1 Nm) was calculated as 5.3% lower than gasoline torque (121.5 Nm). The torque in gasoline-LPG mixtures occurred between gasoline and LPG. Torque values for LPG additives at a mass ratio of 5-10-20% have been calculated as 121.1-120.7-120.1 Nm, respectively, and are 0.3-0.7-1.2% lower than gasoline, respectively. The LPG additive did not produce a noticeable change in torque. In emissions; CO2, CO, O2, N2, HC emissions were high for gasoline. For LPG; H2O, NOX emissions were high. Emissions for gasoline-LPG mixtures were closer to gasoline between gasoline and LPG. In summary, the use of LPG in the gasoline engine not only reduces torque but also increases NOX emissions. In this respect, LPG has a negative effect.