İçten yanmalı motorlarda hidrojenin alternatif yakıt olarak kullanılması
Using hydrogen as alternative fuel in internal combustion engines
Yazar: YASİN KARAGÖZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. TARKAN SANDALCI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Azot oksitler = Nitrogen oxides ; Dizel motorlar = Diesel engines ; Hidrojen = Hydrogen ; İs partikülleri = Carbon particles

Özet:
Küresel ısınma, iklim değişiklikleri gibi çevresel sorunlarla ilgili ortaya çıkan endişeler, yenilenebilir yakıtlara olan ilginin artmasına neden olmuştur. Ayrıca, fosil yakıt kaynaklarının sınırlı olması, taşıtların ortama yaydıkları kirleticilerin insan sağlığını her geçen gün daha çok tehdit etmesi, petrol fiyatlarındaki artışlar, emisyon regülasyonlarının giderek ağırlaşması, alternatif yakıt arayışını zorunlu kılmıştır ve otomotiv üreticileri yeni teknolojiler aramaya başlamışlardır. Özellikle son yıllarda, motorin fiyatlarındaki artıştan ve çevresel nedenlerden dolayı, dizel motorlarda LPG, metan gibi gaz yakıtların kullanılması gündeme gelmiş ve LPG dönüşüm sistemi ile ilgilenen firmaların, dizel motorlarının LPG ve CNG (sıkıştırılmış doğalgaz) yakıtlarını kullanabilecekleri kitlerin tasarlanması için AR-GE çalışmalarına başlamışlardır.Hidrojen, karbon atomu içermeyen, geniş tutuşabilirlik sınırı, sıkıştırma oranı yüksek motorlarda kullanılabilme karakteristiği, yüksek yanma verimi, düşük tutuşturma enerjisi ve düşük emisyon değerlerine sahip, fosil yakıtlara göre üstün özellikleri olan bir yakıttır. İlgili çevrelerce, H2 geleceğin yakıtı olarak görüldüğü için, yapılan çalışmada dizel motorda değişik oranlarda H2-motorin çift yakıt olarak kullanılmıştır. H2'nin kendi kendine tutuşma sıcaklığının yüksek olmasından dolayı, H2'nin dizel motorlarda tek başına kullanılması uygun değildir. Bunun yerine, emme portundan H2'nin LPG-CNG enjektörleriyle elektronik kontrolle gönderilmesi ve pilot motorin püskürtme ile tutuşmanın gerçekleştirilmesi daha elverişlidir. Yapılmış olan çalışmada, ilk aşamadaki performans deneylerinde, tam yükte, farklı motor hızlarında, emme manifoldundan toplam yakıtın enerji içeriğinin %0'ı, %25'i ve %50'si kadar H2 gönderilmiş ve pilot motorin püskürtme ile tutuşma gerçekleştirilmiştir. Daha sonraki testlerde sırasıyla 1100 d/d ve 1300 d/d motor hızları için, tam yük koşulunda ve aynı moment değerleri için, gönderilen H2 miktarının emisyonlar ve termik verim üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca, yine 1100 d/d ve 1300 d/d motor hızlarında, kısmi yüklerde H2 gönderilmesinin motor performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deneylerde, hem birim çevrimde silindire sokulan ısı miktarı, hem de hava fazlalık katsayısı mümkün olduğunca yakın tutulmaya çalışılmıştır (1100 d/d ve 1300 d/d sabit motor hızında, sabit moment deneylerinde hava fazlalık katsayısı sabit tutulmamıştır). Deney sonuçlarına göre, CO, CO2 ve is partikülleri gönderilen H2 ile birlikte azalmış, HC emisyonlarında kayda değer bir değişiklik gözlemlenmemiş, NOx miktarı ise kısmi yük motor işletme şartlarının tamamında H2 gönderilmesiyle azalmış, tam yük koşullarında ise gönderilen H2 miktarının artmasıyla NOx miktarı da artmıştır. Ayrıca, H2 miktarının artmasıyla, kontrolsüz yanma evresinde açığa çıkan ısı açığa çıkış miktarı artarken,kontrollü yanmadaki ısı açığa çıkış miktarı azalmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, kısmi yüklerde, CO, CO2, is partikülleri düşerken HC emisyonlarında kayda değer bir artış gözlenememiştir. NOx emisyonlarının da düştüğü göz önüne alınırsa, şehir içi gibi yüksek güç talebinin olmadığı şartlarda, H2'nin dizel motorlarda çift yakıt olarak kullanılmasının tüm emisyonları olumlu etkileyeceği öngörülmüştür.

Abstract:
Renewable fuels have become a significant issue of research because of the environmental issues such as global warming, climate change, e.t.c. Furthermore, limited fossil fuel reserves, hazardous effects of pollutants caused by diesel and gasoline engines for human health, price increment of petroluem fuels, stringent emission regulations resulted in research of new technologies by automotive manufacturers. Especially, augmentation on diesel fuels within last years and environmental dangers of diesel fuels, gaseous fuels such as LPG and methane inspired the development of LPG and CNG conversion equipments for diesel engines. Hydrogen has unique chemical properties, in addition it doesn? t contain any carbon atom. Hydogen has high combustion efficiency, low ignition energy, wide flammability limits and low emission properties. Moreover, its properties are suitable for internal combustion engines. Hydrogen was used with diesel as hybrid fuel in this study, because it is a promising fuel. Pure hydrogen can? t be used in diesel engines owing to its high autoignition tempereature. Hydrogen will be introduced into intake manifold, and ignition can be started with pilot diesel injection. In this study, first of all 0%, 25% and 50% hydrogen of total fuel? s energy was introduced into intake manifold and pilot injection method was used at full load and at different engine speeds. In the second test, initially the engine was operated at 1100 rpm and 1300 rpm constant speeds and at the same brake engine torques and different hydrogen levels were tested. Secondly, the effect of hydrogen using pilot diesel injection was tested at part load conditions. The emissions (HC, CO, CO2, NOx, Smoke) and thermal efficiency were tested using hydrogen-diesel mixture as hybrid fuel in diesel CFR engine. During these tests, introduced heat energy for each cycle and excess air ratio were tried to adjust same values (except 1100 rpm and 1300 rpm constant speed and same brake torque tests). According to test results, CO, CO2 and smoke values were improved with hydrogen addition and HC emissions was modestly increased when hydrogen was used with diesel fuel. NOx emissions was decreased at part load conditions with using hydrogen-diesel hybrid fuel, but NOx emissions was increased at full loads by increasing hydrogen energy content in the total fuel energy. Nevertheless, released heat value was increased by increasing hydrogen level during pre-mixed combustion period, and released heat value was decreased by increasing hydrogen level during mixed combustion period. According to test results, CO, CO2 and smoke (particle matters) emissions were improved, HC emissions were modestly increased and NOx emissions were decreased by using hydrogen-diesel hybrid fuel at part load operations. Using hydrogen in diesel engines with pilot diesel injection method is convenient for urban traffic conditions which engines were run only at part loads operations.