Sıkıştırılmış doğal gaz ve dizel karışımları ile nano bor katkısının ağır hizmet tipi bir motorda kısmi yüklerde motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the effect of compressed natural gas and nano boron added diesel mixtures on engine performance and exhaust emissions at partial loads in a heavy-duty type engine
Yazar: VOLKAN SABRİ KÜL
Danışman: PROF. DR. SELAHADDİN ORHAN AKANSU
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dizel motorlar = Diesel engines ; Dizel yakıtlar = Diesel fuels ; Doğal gaz = Natural gas ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Motor performansı = Motor performance

Özet:
Dizel yakıta 20 nanometre boyutunda, altıgen kristal yapıya sahip nano bor tozu ve CNG (Sıkıştırılmış doğal gaz) belirli oranlarda eklenerek motor performansı ve egzoz emisyon değişimi incelenmiştir. Deneylerde altı silindirli ve 11670 cc silindir hacmine sahip ağır hizmet tipi bir dizel motor kullanılmıştır.  Tüm deneyler, 500 d/d sabit motor hızında gerçekleştirilmiştir. Dizel yakıta 50 ppm ve 100 ppm nano bor ve 500, 1250, 2000 g/h doğal gaz karıştırılarak motor performans ve egzoz emisyon değişimleri araştırılmıştır. Bu çalışma enerjik nano malzemenin dizel sıvı yakıta katılıp, CNG ile beraber yanmasında performans ve egzoz emisyon değerlerine etkisini incelenmiştir. Böylelikle litaratüre katkı sağlamak amaçlanmıştır.
Bor katkı maddesinin fren özgül yakıt tüketimini (BSFC) ve fren termal verimliliğini (BTE) iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Saf dizel yakıta kıyasla 50 ve 100 ppm nano bor katkılı dizel yakıtlarda (CNG'siz) tüm yüklerdeki değerlerin ortalamasına göre BSFC sırasıyla  % 4,10, 2,52  azalmış, BTE % 2,92, 2,11  artmıştır. Isıl verim ve yakıt ekonomisi açısından 50 ppm nano bor katkısı, 100 ppm nano bor katkısından nispeten daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Saf dizel yakıta kıyasla BTE, dizel yakıta 500, 1250 ve 2000 g/h CNG ilave oranlarında 100 Nm yük altında sırasıyla ortalama % 10,39, 27,21 ve 39,74  azalmış, BSFC % 7,63, 27,43 ve 49,88 artmıştır. Karışım içerisinde CNG miktarının artmasına bağlı olarak BTE ve BSFC'nin kötüleştiği gözlemlenmiştir. 100 Nm yük altında saf dizel yakıta göre 50 ve 100 ppm nano bor katkılı dizel yakıt karışımlarında (CNG'siz) CO miktarı sırasıyla % 22,4 ve 23,6, HC miktarı % 18,1 ve 22,0, CO2 miktarı % 4,2 ve 3,1 oranında azalırken NOx miktarı % 13,7 ve 12,7 oranında artış göstermiştir. 100 Nm yük altında saf dizel yakıta kıyasla 500, 1250 ve 2000 g/h CNG ilaveli yakıt karışımlarında CO emisyonunda sırasıyla ortalama 2,4, 4,1 ve 5 kat, HC emisyonunda 7,5, 15,9 ve 25,1 kat olmak üzere önemli miktarda artış gözlemlenmiştir. Buna karşın 100 Nm yük altında saf dizel yakıta kıyasla 500, 1250 ve 2000 g/h CNG ilaveli yakıt karışımlarında NOx miktarı sırasıyla ortalama % 40,5, 59,4 ve 68,2, CO2 miktarı % 8,8, 16,7 ve 22,5  oranında azalmıştır. 
Elde edilen sonuçlara göre, CNG – Dizel karışımlarında bor katkısının performans ve egzoz emisyon değerlerine etkisinin olmadığı veya minimal düzeyde etkilemiş olabileceği sonucuna varılmıştır. Yük arttıkça ve karışımlardaki CNG miktarı arttıkça egzoz sıcaklıklarının arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In the present study, a six cylinder heavy-duty type engine with 11,670 cc cylinder volume was used. Engine performance and exhaust emission variation were investigated by adding boron that has 20 nm-sized and hexagonal crystal structure and CNG (Compressed Natural Gas) to diesel fuel at certain rates. All experiments were fulfilled under a constant engine speed of 500 rpm and a load of 25, 50, 75 and 100 Nm. Firstly, the experiments were started with pure diesel. Then experiments were continued with the diesel blends that included 50-ppm, 100-ppm boron additive, and 500, 1250, 2000 g/h CNG additive to investigate the variation in engine performance and exhaust emissions. In the present study, the effect of the combustion of liquid diesel fuel blends added with CNG and nanomaterial additive on the performance and exhaust emission values of the engine was investigated. In this way, it was aimed to provide a contribution to the literature.
Boron additive has been observed to improve the brake specific fuel consumption (BSFC) and brake thermal efficiency (BTE). Compared to the pure diesel fuel, 50 and 100 ppm nano boron added diesel fuels (without CNG), the BSFC value decreased by 4.10, 2.52 %, and the BTE value increased by 2.92, 2.11 %, respectively, based on the average of the values at all loads. It has been observed that 50-ppm Boron additive is relatively better than 100-ppm Boron additive in terms of thermal efficiency and fuel economy. Compared to the pure diesel fuel, in the diesel fuel added with CNG at the ratios of 500, 1250 and 2000 g/h, the BTE value decreased by an average of 10.39, 27.21 and 39.74 %, and the BSFC value increased by 7.63, 27.43 and 49.88 %, respectively, under 100 Nm load. It was observed that the BTE and BSFC values worsened in relation to the increase in the CNG amount in the fuel blend. Under 100 Nm load, in comparison with pure diesel fuel, in the diesel fuel blend added with 50 and 100 ppm boron (without CNG), there was a decrease respectively in the CO amount by 22.4 and 23.6 %, in the HC amount by 18.1 and 22.0 % and in the CO2 amount by 4.2 and 3.1 %, while the NOx amount increased by 13.7 and 12.7 %. Under 100 Nm load, in comparing with pure diesel fuel, in the fuel blends added with 500, 1250 and 2000 g/h CNG, significant increases in the CO emission (7.5, 15.9 and 25.1 times, respectively) and in the HC emission (2.4, 4.1 and 5 times, respectively) were determined. On the other hand, the amount of NOx decreased by 40.5, 59.4 and 68.2 %, respectively, and the amount of CO2 decreased by 8.8, 16.7 and 22.5%, in the 500, 1250 and 2000 g/h CNG added fuel blends compared to the pure diesel fuel under 100 Nm load. 
According to the results, it was concluded that the boron additive had no or minimal effect in CNG-Diesel blends. It was observed that the exhaust temperature increased as the load increased. Increasing the amount of CNG in the blend increased the temperature relatively.