TSI motorda benzin-avgas karışımlarının kullanımında motor performans, emisyon ve yanma karakteristiklerinin araştırılması
Investigation of engine performance, emission and combustion characteristics in the use of gasoline-avgas mixtures in TSI engine
Yazar: İBRAHİM DOĞAN
Danışman: PROF. DR. HASAN AYDOĞAN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Motor performansı = Motor performance ; Regresyon = Regression ; Taguchi yöntemi = Taguchi method

Özet:
Bu çalışmada dört zamanlı, dört silindirli, turboşarjlı, direkt enjeksiyon yakıt sistemine ve 1.2 litre motor hacmine sahip benzinli bir VW marka TSI motorda, havacılık yakıtı Avgas ile Benzin yakıtı karışımlarının motor performans ve emisyonlara etkileri araştırılmıştır. Referans benzin yakıtına hacimce %5 (A5), %10 (A10) ve %15 (A15) Avgas eklenerek yakıt karışımları hazırlanmıştır. Günümüzde TSI motorlarında ülkemizde sayılı çalışma olmasına rağmen Avgas yakıtı ile ilgili bir çalışma olmadığı saptanmıştır.
Taguchi metodu kullanılarak L9 deney tasarım matrisine göre Avgas-Benzin karışım yakıtlarının motor momenti, motor gücü, egzoz gaz sıcaklığı, motor yağı sıcaklığı, hava tüketimi, gürültü, özgül yakıt tüketimi ve emisyonların değişimlerini belirlemek adına deneysel bir çalışma ve istatiksel bir analiz yürütülmüştür. Motor devri ve Avgas oranı kontrol faktörleri olarak belirlenmiş ve 3 farklı seviye seçilmiştir. ANOVA analiz metodu kullanılarak kontrol faktörlerinin yanıtlar üzerindeki önem seviyeleri belirlenmiştir. Optimum faktör ve seviyeler belirlendikten sonra normal-olasılık grafikleri, kontur grafikleri, regresyon denklemleri ve polinom regresyon ile deneysel çalışma desteklenmiştir.
Deneylerin son aşamasında Avgas-Benzin yakıt karışımlarının deney sonuçları Benzin referans yakıtı ile karşılaştırılmıştır. En yüksek motor gücü değeri 3500 dev/dak'da A15 yakıt karışımında 52,84 kW olarak elde edilmiştir. Egzoz gaz sıcaklığı, motor yağı sıcaklığı ve hava tüketimi değerleri sırası ile 3500 dev/dak'da A15 yakıt karışımında 649 °C, 109,3 °C ve 58,71 dm3/s olarak en yüksek değerler elde edilmiştir. Gürültü ve özgül yakıt tüketimi değerleri sırası ile A15 yakıt karışımında 1000 dev/dak'da 80,8 dB, 3000 dev/dak'da 236 g/kWh olarak en düşük değerler elde edilmiştir. Isı salınım oranı ve silindir içi basınç değerlerinde ise Avgas kullanımıyla sırası ile 3500 dev/dak'da benzine göre %62,17 ve %5,55 artış görülmüştür.
Emisyon değerlerinde ise Avgas kullanımı ile NOX, HC ve CO2 emisyonlarında azalma olduğu görülürken CO ve O2 emisyonlarında artış olduğu görülmüştür. En düşük NOX, HC, CO2, CO ve O2 emisyon değerleri farklı devirlerde sırası ile; A15 yakıt karışımında 723 ppm, A15 yakıt karışımında 44 ppm, A15 yakıt karışımında %6,4, Benzinde %0,136, Benzinde %0,87 olarak elde edilmiştir.
Bu çalışma sonunda TSI motorlarda alternatif yakıt çalışmalarının yapılabileceği ve Avgas katkılı yakıt karışımlarının TSI motorlarda kullanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of aviation fuel Avgas and gasoline fuel mixtures on engine performance and emissions were investigated in a gasoline VW brand TSI engine with a four-stroke, four-cylinder, turbocharged, direct injection fuel system and 1.2-liter engine displacement. Fuel mixtures were prepared by adding 5% (A5), 10% (A10) and 15% (A15) Avgas by volume to the reference gasoline fuel. Although there are few studies on TSI engines in our country today, it has been determined that there is no study on Avgas fuel.
An experimental study and a statistical analysis were carried out to determine the changes in engine torque, engine power, exhaust gas temperature, engine oil temperature, air consumption, noise, specific fuel consumption and emissions of Avgas-Gasoline mixed fuels using the Taguchi method according to the L9 experimental design matrix. Engine speed and Avgas ratio were determined as control factors and 3 different levels were selected. The significance levels of the control factors on the responses were determined using the ANOVA analysis method. After determining the optimum factors and levels, the experimental study was supported with normal-probability graphs, contour graphs, regression equations and polynomial regression.
At the last stage of the experiments, the test results of Avgas-Benzine fuel mixtures were compared with the Gasoline reference fuel. The highest engine power value was obtained as 52.84 kW in A15 fuel mixture at 3500 rpm. The highest values of exhaust gas temperature, engine oil temperature and air consumption values were obtained as 649 °C, 109.3 °C and 58.71 dm3/s in A15 fuel mixture at 3500 rpm, respectively. The lowest values of noise and specific fuel consumption values were obtained as 80.8 dB at 1000 rpm and 236 g/kWh at 3000 rpm in A15 fuel mixture, respectively. The heat release rate and incylinder pressure values increased by 62.17% and 5.55% at 3500 rpm, respectively, with the use of Avgas.
In the emission values, it was observed that there was a decrease in NOX, HC and CO2 emissions with the use of Avgas, while there was an increase in CO and O2 emissions. The lowest NOX, HC, CO2, CO and O2 emission values are respectively at different cycles; It was obtained as 723 ppm in A15 fuel mixture, 44 ppm in A15 fuel mixture, 6.4% in A15 fuel mixture, 0.136% in gasoline, 0.87% in gasoline.
At the end of this study, it has been seen that alternative fuel studies can be done in TSI engines and that fuel mixtures with Avgas additives can be used in TSI engines.