Dizel motorlarında doğal gaz kullanımının sayısal incelenmesi
Numerical investigation of natural gas utilization in diesel engine
Yazar: ORHAN NAZIM AKSU
Danışman: PROF. DR. ZEHRA ŞAHİN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Dizel motorlar = Diesel engines ; Doğal gaz = Natural gas ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Motor performansı = Motor performance ; Termodinamik model = Thermodynamical model ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu çalışmada; dizel motorlarında doğal gaz-dizel yakıtı (DG-DY) çift yakıt uygulamasının yanma, motor performansı, yakıt maliyeti ve egzoz emisyonları üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Bu amaçla dizel motoru çevriminin hesaplanabilmesi için termodinamik esaslı çok bölgeli bir çevrim modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen modelin saf dizel yakıtı (SDY) ve DG-DY çift yakıt durumları için doğruluğunun kontrolü; deneysel sonuçlarla ve literatürde doğruluğu ispatlanmış sayısal ve deneysel sonuçlarla karşılaştırmalar yapılarak gerçekleştirilmiştir. Daha sonra bu model kullanılarak güncel bir otomobil dizel motorunda 2000 d/d devir sayısında, tam gazda ve tam yük altında emme havasına farklı oranlarda (EHFO'da) doğal gazın (DG'ın) eklenmesi ile ilgili üç farklı yöntem sayısal olarak incelenmiştir.
İlk uygulamada SDY ile üretilen 30.5 kW'lık efektif güç sağlanacak şekilde EHFO'da DG eklenmiştir ve püskürtülen dizel yakıtı (DY) miktarı azaltılmıştır. Uygulama sonunda, silindir basınçlarının, açığa çıkan ısı oranlarının (AÇIO'nun), NO emisyonunun önemli ölçüde azaldığı ve özgül yakıt tüketiminin (ÖYT) ve CO emisyonunun önemli ölçüde arttığı belirlenmiştir. İkinci uygulamada SDY'deki 0.707'lik ekivalans oranı sağlanacak şekilde EHFO'da uygun miktarda DG eklenmiştir ve püskürtülen DY azaltılmıştır. Uygulama sonunda, silindir basınç değerlerinin ve AÇIO'nun azaldığı ve ÖYT'de de pek fazla kötüleşme olmaksızın CO ve NO emisyonlarının önemli ölçüde azaldığı belirlenmiştir. Üçüncü uygulamada püskürtülen DY miktarı değiştirilmeden emme havasına düşük oranlarda DG eklenmiştir. Burada DG oranı arttıkça ÖYT'nin arttığı, CO emisyonunun önemli ölçüde arttığı, NO emisyonunun ise kısmen azaldığı görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Dizel motoru, Termodinamik esaslı çok bölgeli çevrim modeli, Çift yakıtlı yanma, Motor karakteristikleri, NO egzoz emisyonu

Abstract:
In this study, the effects of natural gas-diesel fuel (NG-DF) dual fuel applications on combustion, engine performance, fuel cost and exhaust emissions in diesel engines were investigated numerically. For this purpose, a thermodynamic based multi-zone cycle model was developed to calculate the diesel engine cycle. The reliability of the developed model for neat diesel fuel (NDF) and NG-DF dual fuel cases was checked by comparing it with experimental results and with that of numerical and experimental results proven in the literature. Then, using this model, three different methods were numerically investigated for adding natural gas (NG) to the intake air at different ratios (IADRs) in a current automobile diesel engine at 2000 rpm, full throttle and under full load.
In the first application, NG was added to IADRs to provide 30.5 kW effective power produced by NDF and the injected diesel fuel (DF) was reduced. At the end of the application, it was determined that cylinder pressures, heat release rates (HRRs), NO emission decreased significantly, and specific fuel consumption (BSFC) and CO emission increased significantly. In the second application, NG was added to IADRs to provide the equivalence ratio of 0.707 which occurs for NDF and injected DF was reduced to a suitable amount. In conclusion, it was determined that cylinder pressure values, HRRs decreased, and CO, NO values decreased significantly without much deterioration in BSFC. In the third application, NG was added to the intake air at low ratios without changing amount of the injected DF. Here, it was observed that as the NG ratio increased, BSFC increased, CO emission increased significantly and whereas NO emission partially decreased.

Keywords: Diesel engine, Thermodynamic based multi-zone cycle model, Dual fuel combustion, Engine characteristics, NO exhaust emission