Farklı yanma odası geometrilerinin doğal gaz ve benzin yakıtı ile incelenmesi
Investigation of different combustion chamber geometries with natural gas and gasoline fuel
Yazar: HÜSEYİN EMRE DOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Doğal gazlı motorlar = Natural gas engines ; Makine mühendisliği = Mechanical engineering ; Motorlar = Motors ; Yakıtlar = Fuels ; Yanma = Combustion ; Yanma hızı = Combustion velocity ; Yanma modelleri = Combustion models ; Yanma odası = Combustion chamber ; Yanma olayı = Combustion process

Özet:
İçten yanmalı motorlar yakıttan elde ettiği enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinalardır. 1876 yılında Otto tarafından ilk dört zamanlı motor imal edildi. 1890'lı yıllarda Otto motorlarının verimi %20-25 seviyelerine geldi. Fakat sıkıştırma oranı hala düşük seviyelerdeydi ve bu motorların veriminin artmasını engelliyordu. 1892 yılında Alman Mühendis Rudolf Diesel tarafından yeni bir motorun patenti yayınlandı. Bu motorda yanma sıkıştırılmış hava içerisine yakıtın püskürtülmesi ile başlıyordu. Dizel motoru, sıkıştırma oranının yüksek değerlerde olmasından dolayı mevcut motorların iki katı verime sahip oldu. Motorlardaki güç ve verim değerleri gittikçe daha yüksek değerlere ulaştı. Fakat 20. yüzyılın son yarısında motor ve taşıt sayısındaki artıştan kaynaklı hava kirliliği ortaya çıktı. Kimyasal duman olarak adlandırılan hava kirliliğinin, araçların egzoz gazlarından çıkan NOx ve HC bileşiklerinin güneş ışığı altında tepkimeye girmesiyle oluştuğu araştırmacılar tarafından belirlendi. Bu gelişmenin ardından başta ABD olmak üzere birçok ülkede egzoz emisyonlarını sınırlayan kanunlar yürürlüğe girdi. İlerleyen yıllarda hava kirliliğinin insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkilerinin belirlenmesi ile bu değerler sürekli güncellenerek günümüze kadar geldi. Bu süreç içerisinde 1970'lerin başında patlak veren petrol krizi nedeniyle motorların yakıt tüketimi değerlerinin düşürülmesinin gerekliliği ortaya çıktı. Artık daha az yakıt tüketen motorlar ve taşıtlar üretilmeye başlandı. Özellikle dizel motorlar için tüketim değerleri oldukça iyi seviyelere ulaşmıştır. Günümüzde özellikle emsiyon değerlerini düşürmeye yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Fakat egzoz gazlarından kaynaklanan hava kirliliği nedeniyle elektrikli taşıtların kullanımı ile ilgili çalışmalar hız kazanmıştır. Orta vadede hibrit taşıtların biraz daha yaygınlaşacağı düşünülmektedir.
Yürürlükte olan egzoz emisyon standartları motorların yapısı ve çalışma şartlarını büyük ölçüde etkilemektedir. Emisyon değerlerini egzoz sisteminde azaltılmasını sağlayan ekipmanların kullanılması sebebiyle maliyetler artış göstermektedir. Ayrıca yakıt tüketimine bağlı olarak çevreye salınan CO2 miktarının gittikçe artmasının sonucunda ortaya çıkan sera gazı etkisi nedeniyle iklim değişiklikleri meydana gelmektedir. CO2 miktarının azaltılması yakıt tüketimi değerlerindeki düşmeye bağlıdır. Benzin motorları genel anlamda dizel motorlara göre daha fazla yakıt tüketim değerlerine sahiptir. Bunun temel sebebi, sıkıştırma oranı değerinin vuruntu sebebiyle on bir dolayında sınırlı kalmasıdır. Sıkıştırma oranı değerinin 14-15 civarına ulaşması halinde benzin motorlarının verimi artacak ve yakıt tüketim değerleri azalacaktır. Fakat vuruntu meydana gelmeden, sıkıştırma oranının artırılması yeni yöntemlerin uygulanması ile mümkündür. Kademeli dolgulu motorlar bu sorunun çözümüne yönelik uygulanan yöntemlerden biridir. Bu yöntemde yanma odası içinde fakir ve zengin karışım bölgeleri oluşturularak vuruntu olayının engellenmesiyle sıkıştırma oranı istenen değerlere getirilebilmektedir. Benzin motorlarında vuruntu olmaması için yüksek oktan sayılı yakıtlar da kullanılabilir. LPG ve CNG gibi yüksek oktan sayılı yakıtların uygun koşullar altında kullanılmasıyla CO2 ve diğer emisyon değerleri azaltılır. Ayrıca LPG ve CNG yakıtları içeriğinde daha az karbon bulundurması sebebiyle daha az CO2 üretilir.
Bu çalışmada alternatif yakıtlar içerisinde en fazla ilgi gören doğal gaz ile benzin yakıtları tek silindirli bir deney motorunda farklı çalışma koşulları altında karşılaştırılmıştır. Farklı hava hareketleri oluşturan üç farklı yanma odası geometrisi kullanılmıştır. Efektif verim açısından iki yakıt genelde benzer değerleri ortaya çıkarmıştır. Fakat düşük yük bölgesinde doğal gaz benzine göre biraz daha iyi verim değerine sahiptir. Burada, yakıtların farklı fiziksel şartlarda (fazlarda) emme manifolduna püskürtülmesi sebebiyle bu farklılık ortaya çıkmıştır. Ayrıca tam yük bölgesinde benzin yakıtı için vuruntu oluşmuştur. Vuruntuyu önlemek için ateşleme avansı azaltılmıştır. Bundan dolayı verim değeri azalmıştır. Aşırı fakir karışım ile çalışma durumunda stokiyometrik karışıma göre efektif verim değeri daha yüksektir. Deneylerde elde edilen en yüksek verim değeri %33 civarındadır. Tam yük bölgesinde doğal gazın, gaz fazında püskürtülmesinden dolayı hacimsel verim değeri %80 civarına düşmüştür. Halbuki benzin bu şartlarda %90'dan fazla bir hacimsel verime sahiptir. Bu nedenle tam yük şartlarında doğal gaz için aşırı doldurma seçeneği ileriye dönük olarak uygun gözükmektedir. Özgül yakıt tüketimleri incelendiğinde iki yakıtın verim değerleri aynı mertebelerde olsa bile alt ısıl değerlerinin farklı olmasından dolayı kütlesel özgül yakıt tüketim değerlerinde doğal gaz %10-12 daha az tüketime sahiptir.
Egzoz emisyon değerleri açısından yapılan incelemelerde CO değerleri her iki yakıt için de oldukça az seviyededir. Aşırı fakir karışım ile çalışma koşulları üzerinde fazlaca durulduğu için bu noktadaki egzoz emisyon değerleri daha ayrıntılı olarak incelenmiştir. THC emisyonları beklentilerin aksine doğal gazda daha düşük seviyelerde bulunmuştur. Buna rağmen StageV emisyon limitlerini sağlamamaktadır. THC emisyonlarının ana kaynaklarından bir tanesi segman üstü boşluk hacimleri olduğu bilinmektedir. Deney motoru üzerinde bu hacmin azaltılması ile THC biraz düşürülebilir. Buna rağmen bir metan indirgeme katalizatörü kullanmak gereklidir. Aşırı fakir karışımda NO değerleri 2 g/kWh değerinin altına düşmektedir. Sera gazı etkisinin başlıca kaynaklarından olan CO2 gazı doğal gaz ile çalışmada yaklaşık %20 düşürülmüştür.
Stokiyometrik karışımda yanma odası geometrisinin verim üzerinde önemli bir etkisi olmamıştır. Karışımın fakirleşmesi ile hava hareketi oluşturan geometriler düz yanma odasına göre daha verimli hale gelmiştir. Yanma odalarının etkisi daha çok NO emisyonu üzerinde ortaya çıkmıştır. Stokiyometrik karışımda aynı OEB (ortalama efektif basınç) için daha fazla ateşleme avans değerine ihtiyaç duyan düz yanma odası yüksek NO üretmiştir. Fakat karışımın fakirleşmesi ile bu geometriye ait NO değerlerinde hızlı düşmeler görülmüştür. Düz pistonda ısı açığa çıkışı daha yavaş olması fakir bölgedeki bu değişimin sebeplerindendir. Yanma odası geometrisinin çevrimsel farklılıklar üzerinde de oldukça büyük etkisi vardır. Düz geometri her zaman diğer tasarımlara göre daha kararsız bir çalışma göstermiştir. Bu durum karışımın fakirleşmesi ile daha kötü bir hal alıp kararlı çalışma sınırlarını aşmıştır. Özellikle benzin yakıtlı durumda düşük yük bölgesinde düz geometri stokiyometrik karışım dışında kararlı çalışmamaktadır. Doğal gaz yakıtı benzine göre her zaman daha kararlı bir çalışma göstermiştir. Bu nedenle, çevrimsel farklılıklar açısından MR piston ile doğal gaz yakıtlı şartlar en iyi sonuçları vermiştir. Yanma süresi ne kadar kısa olursa çevrimsel farklılıkların o kadar az olduğu görülmüştür. Motor yük miktarının artması da çevrimler arası farklılığı azaltmıştır. Yük miktarındaki artış dolaylı olarak ateşleme avansını ÜÖN'ye yaklaştırmakta ve ateşlemenin daha sıcak bir ortamda başlamasını temin etmektedir. Ayrıca artık gaz miktarındaki azalma da çevrimsel farklılıklarda düşmeye sebep olmuştur. Doğal gaz yakıtlı durumda λ = 1,7 şartlarından sonra kararlı çalışma şartları sağlanamamıştır.
Deney sonuçlarına göre, yanma odası geometrisinin yanma süreci üzerinde belirgin bir etkisi vardır. Bu amaca yönelik olarak sabit taze dolgu miktarı ve ateşleme avansında, her iki yakıt ve üç farklı piston için yanma analiz deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerden elde edilen sonuçlara göre stokiyometrik karışımda benzin yakıtı her zaman daha hızlı yanmaktadır. En yüksek hava hareketinin oluştuğu MR piston en kısa, düz geometri ise en uzun yanma süresine sahiptir. Karışımın fakirleşmesi (λ = 1,3) ile iki yakıtın yanma süreleri aynı mertebelere ulaşmıştır. Fakat yanma odası geometrisine göre farklı sonuçlar elde edilmiştir. MR ve SO pistonlarda bu çalışma noktasında doğal gaz daha kısa sürede yanarken, düz geometride iki yakıt aynı sürede veya benzin daha hızlı yanma göstermiştir. Bu değişim ile türbülans şiddetindeki artışın iki yakıt üzerinde aynı etkiyi yapmadığı anlaşılmıştır. Bu değişimin sebebi yakıtlara ait Lewis sayısının farklı olması ile açıklanmıştır. Aşırı fakir karışımda düz geometri ile deney yapılamamıştır. Bu şartlarda doğal gaz benzine göre açık şekilde daha hızlı yanmaktadır. Yanma sürelerinin tespitinde silindir içi basınçlardan elde edilen sonuçlar değerlendirilirken ısıl şokun etkisinin de göz önünde bulundurulması gerektiği tespit edilmiştir. 
İçten yanmalı motorlarda silindir içi basınç değerlerinin elde edilmesi ile birçok farklı yanma değişkeni üzerinde araştırma yapmak mümkündür. Termodinamik yaklaşım ile bu basınç bilgilerinden yola çıkılarak yanma odası içerisinde yanmış ve yanmamış bölgeler tespit edilmiştir. Türbülanslı yanma hızı; alev ilerleme ve tüketim hızı olarak ikiye ayrılmıştır. Yanma ürünlerinin yarım küre biçiminde genişlediği varsayılarak küresel bölgenin yarıçap değişimi tespit edilmiştir. Tüketim hızından yola çıkılarak türbülans şiddetinin ortalama değeri yaklaşık olarak tahmin edilmiştir. Böylece yanma odası geometrilerinin türbülans şiddeti üzerindeki etkisi de görülmüştür. Yanma süresi en kısa olan MR pistonda türbülans şiddeti diğerlerine göre daha yüksek seviyelerde oluşmuştur. Bunlara ilave olarak türbülans şiddetinin laminer hıza olan oranı belli kabuller altında hesaplanmıştır. İntegral uzunluk ölçeği ve laminer bölgenin kalınlıkları bellirli yaklaşımlar ile elde edilmiştir. Bu değerler kullanılarak boyutsuz sayılar yardımı ile türbülanslı yanma rejiminin değişimi incelenmiştir. Genellikle çalışma şartları türbülanslı buruşmuş yanma rejimi içerisindedir. Yük miktarının azalması ile benzin yakıtlı durumda düz piston laminer buruşmuş alev bölgesinde çalışmaktadır. Aşırı fakir karışımda MR piston kalınlanmış yanma rejimine geçiş yapmıştır. 
Sonuç olarak, deney motoru doğal gaz ile çalıştırıldığı zaman benzine göre daha verimli, daha az CO2 üreten ve NO emisyon limitlerini doğrudan sağlayabilecek bir kapasiteye sahiptir. Fakat her iki yakıt için THC gazlarını indirgeyen bir sisteme ihtiyaç vardır.  Yanma odası hava hareketlerini artıracak şekilde tasarlanmışsa, yanma süresini ve ateşleme avansını azaltmak mümkündür. Türbülans şiddetindeki artış iki yakıt üzerinde farklı etkiler ortaya çıkarmıştır. Bu tez çalışmasında, silindir içi basınç bilgisinden yola çıkılarak, optik bir gözlem yapılmadan, basit bir termodinamik hesap yöntemi ile silindir içi akış ve yanma koşullarına ait ortalama büyüklüklerin hesaplanabileceği görülmüştür.

Abstract:
Internal combustion engine converts the chemical energy of fuel to mechanical energy. In 1860, the first internal combustion engine was invented by Lenoir. However, efficiency of this engine was 5% due to no compression there before ignition of the fuel-air mixture. The first four-stroke engine was manufactured in 1876 by Otto. The engine had 10% effective efficiency. Efficiency of Otto's engines raised to 20-25% in 1890's. But efficiency is directly proportional to compression ratio. The compression ratio was still low and therefore the efficiency could not be increased further. In 1892, a new engine patent was published by Rudolf Diesel. Combustion in this engine begins with liquid fuel injection into the compressed air at the end of compression. Due to the high values of compression ratio, the efficiency of diesel engines was about twice than that of other engines. But air pollution caused by the increase in the number of engines and vehicles emerged in the last half of the 20th century. It was determined by researchers that air pollution, called smog, occurs when NOx and HC compounds from vehicles' exhaust gases react under sunlight. Therefore, regulations limiting exhaust emissions came into force in many countries, especially in the USA. With the determination of the negative effects of air pollution on human health in the following years, these limits have been updated to the present day. During this period, the fuel consumption of the engines had to be reduced due to the oil crisis that erupted in the early 1970s. It was necessary to produce engines that consume less fuel. Especially, for diesel engines, fuel consumption reached quite low levels. Nowadays, studies are carried out to reduce the exhaust emission. However, due to air pollution caused by exhaust gases, studies are being carried out on the use of electric vehicles. In the medium term, hybrid vehicles are expected to become more widespread.
The structure and operating conditions of the engines depend on the exhaust emission limits. Production and operating costs are increasing due to the use of equipment that reduces emissions in the exhaust system. In addition, climate changes occur due to the increasing amount of CO2 arising from fuel consumption. Reducing the amount of CO2 depends on the reduction in fuel consumption. Gasoline engines generally have higher fuel consumption values than diesel engines. The main reason for this is that the compression ratio is limited to around 11 due to knock. If the compression ratio reaches around 14-15, the efficiency of gasoline engines will increase and the fuel consumption values will decrease. However, it is possible to increase the compression ratio without knocking by applying new methods. Stratified charge engines are one of the methods used to solve this problem. In this method, lean and rich mixture zones are created in the combustion chamber to prevent the knock. High octane fuels can also be used to avoid knock in gasoline engines. By using this fuels such as LPG and CNG under suitable conditions, CO2 and NO values can be reduced. In addition, less CO2 is produced due to less carbon content in LPG and CNG fuels.
In this study, natural gas which is the most popular alternative fuel and gasoline fuels were compared in a single cylinder research engine under different operating conditions. Three different combustion chamber geometries were used to create different air movements or turbulence intensity. In terms of effective efficiency, the both fuels generally have similar values. However, in the part load condition (BMEP < 3 bar), natural gas has a slightly better value than gasoline. This difference has occurred because the both fuels are injected into the intake manifold under different physical conditions (phases). In addition, there was a knocking on the gasoline fuel in the full load zone. Therefore, the efficiency (effective) decreased due to retarded ignition advance. In case of operating with ultra-lean mixture, the efficiency value is higher than the stoichiometric mixture. The highest efficiency value obtained in the experiments is around 33%. In the wide open throttle, the volumetric efficiency value reduced to around 80% due to the gas phase of natural gas. However, under these conditions, volumetric efficiency of gasoline was more than 90%. Therefore, at the wide open throttle, turbocharging can be applied for the natural gas engine. When the specific fuel consumption is examined, natural gas has 10-12% less consumption in break specific fuel consumption due to different low heating values for both fuels even though the effective efficiency of the two fuels are in the same level.
In terms of exhaust emission values, CO values are very low for both fuels. Exhaust emission values under operating conditions with ultra-lean mixture were investigated in more detail. Contrary to our expectations, THC emission of CNG was lower than the gasoline. However, Stage V emission limits have not been met. It is known that one of the main sources of THC emissions is the crevice volume. With this volume reduction on the research engine the THC can be slightly decreased by reduction of crevice volume. However, it is still necessary to use a methane oxidation catalyst. In ultra-lean mixture, NO values fell below 2 g/kWh. CO2, which is one of the main sources of greenhouse effect, has been reduced by approximately 20% in case of the CNG.
Experiments were accomplished for three different combustion chamber with both fuels in same conditions. With stoichiometric mixture, combustion chamber geometry has not significant effect on efficiency. By lean mixture, geometries creating air movements (SO and MR) became more efficient compared to flat geometry. The most significant effect of combustion chamber geometry was on NO emission. In stoichiometric condition, flat combustion chamber needed more ignition advance for the same BMEP and produced more NO. But, in the lean mixture, caused a rapid drop in NO emission for this geometry. This is due to the lower heat release rate of flat piston in the lean mixture. The geometry of combustion chamber has a notable effect on cycle to cycle variation. Flat geometry had more unstable operating at all conditions compared to the other designs. This condition became worse at the lean mixture and the flammable limits were exceeded. Specially with gasoline in low loads, flat geometry could not operate stably without having a stoichiometric mixture. Compared to the gasoline, natural gas had a more stable operating at the all conditions. As a consequence, natural gas with MR piston has the best results in terms of cycle to cycle variations. It was seen that cycle to cycle variation decreases in shorter burn duration. Also increase of the load decreases the COV (coefficient of variation). With the increase in BMEP, the amount of residual gas decreased. For this reason, all pistons have a more stable operation. With natural gas, the stable operating conditions were not obtained at λ > 1.7.
According to the results of the experiment, the combustion chamber geometry has a significant effect on the combustion process. For this purpose, combustion analysis experiments were done with constant amount of fresh charge and ignition advance for each three chamber and both fuels. By investigating the result of these experiments, in the stoichiometric condition gasoline fuel always burns faster. Having the highest air motions, MR piston had the shortest burn duration time, while the flat geometry has the longest time. By leaning the mixture (λ > 1.3), both fuel have approximately equal burn durations. But by changing the geometries, different results were obtained. In MR and SO pistons, natural gas burns faster than gasoline on this operating point. However, in flat piston, burn duration was the same or gasoline sometimes became faster in lean mixture. This shows that the increase of turbulence intensity has not an identical effect on both fuels. This difference was explained by unequal Lewis number in each fuel. Experiments were impossible with flat geometry in ultra-lean mixtures. In this condition the natural gas burns faster than gasoline apparently. The thermal shock effect should be taken into account when using the in-cylinder pressures to determine combustion duration. 
It is possible to investigate many different combustion variables by obtaining the internal cylinder pressure values in internal combustion engines. Based on this pressure information with the thermodynamic approach, burned and unburned areas were determined in the combustion chamber. Burn speed with turbulence were divided to two different progressing (expansion) and consumption speed. By assuming that the products of combustion expand in shape of semi sphere, the spherical radius change was determined. The turbulence intensity value was estimated approximately based on the consumption rate. Thus, the effect of combustion chamber geometries on turbulence intensity was also determined. In the MR piston, which has the shortest combustion duration, the turbulence intensity was highest than the others. In addition, the ratio of turbulence intensity to laminar flame speed was calculated under certain assumptions. In addition, the integral length scale and the thickness of the laminar flame were obtained by specific approaches. Using these values, the change of turbulent combustion regime with dimensionless numbers was determined. With the reduction of the BMEP, the flat piston operates in the laminar wrinkle zone in the gasoline case. In the ultra-lean mixture, the MR piston is in the thickened flame regime.
As a result, the research engine is more efficient than gasoline when it is operated by natural gas. In addition, it produces less CO2 and meet NO emission limits directly. However, there is a need for a system that reduces THC for both fuels. If the combustion chamber is designed to turbulence intensity, it is possible to reduce the combustion duration and the ignition advance. The ignition delay of the gasoline considerably increased at the ultra-lean condition. The increase in turbulence intensity has different effects on the two fuels. In this thesis, it is seen that it is possible to obtain information about the flow and combustion conditions in the cylinder by simple thermodynamic calculation method based on the pressure information inside the cylinder.