Buji ateşlemeli motor çevrimine ekserji analizinin uygulanması
Application of exergy analysis to spark ignition engine cycle
Yazar: İSMET SEZER
Danışman: DOÇ. DR. ATİLLA BİLGİN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buji ateşlemeli motorlar = Spark ignition engines ; Ekserji analizi = Exergy analysis ; Kullanılabilirlik = Availability

Özet:
Bu çalışmada, iki farklı termodinamik çevrim modeli kullanılarak buji ateşlemeli motor çevrimine ekserji analizinin uygulanması teorik olarak incelenmektedir. Bu amaçla, sıkıştırma, yanma ve genişleme süreçlerini kapsayan ve Ferguson tarafından sunulmuş olan termodinamik çevrim modeli, önce üzerinde uyarlamalar yapılarak daha sonra sanki boyutlu model şekline dönüştürülerek kullanılmıştır. Çevrim modelinde emme ve egzoz işlemleri basit bir yöntemle hesaplanmıştır. Ferguson modelinde yanma işlemi kosinüs yanma bağıntısı olarak bilinen ampirik bir bağıntıyla modellenmiş, sanki boyutlu modelde ise yanma işleminin modellenmesi için daha gerçekçi yaklaşımlar içeren türbülanslı alev yayılması yaklaşımı kullanılmıştır. Ekserji analizini gerçekleştirmek için her iki çevrim modeline termodinamiğin ikinci kanunu ile ilgili yaklaşımlar uygulanmıştır. Ekserji analizinde, ısıyla transfer edilen ekserji, işle transfer edilen ekserji, tersinmezlikler, termomekanik ekserji, yakıtın kimyasal ekserjisi ve toplam ekserji gibi ekserji bileşenleri hesaplanmıştır. Çalışmada, buji konumu, sıkıştırma oranı gibi tasarım özelliklerin, yakıt-hava ekivalans oranı, ateşleme avansı, devir sayısı, artık gazlar oranı gibi işletme özelliklerinin yanı sıra benzin, doğalgaz, sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), metanol ve etanol gibi farklı yakıtların ekserji bileşenleri ve tersinmezlikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca yakıt ekserjisinin, ekserji bileşenleri arasında dağılımı hesaplanmış ve incelenen parametrelerin optimum değerlerini belirlemek amacıyla birinci ve ikinci kanun verimleri hesaplanmıştır. Çalışmadan elde edilen sonuçlar incelenen tasarım ve işletme parametrelerinin ve alternatif yakıtların kullanılmasının ekserji terimlerinin değişimini önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir.

Abstract:
In this study, application of exergy analysis to spark ignition engine cycle has been investigated theoretically by using two different thermodynamic cycle model. For this purpose, a thermodynamic cycle model which consist of compression, combustion and expansion processes was developed for spark ignition engines. In the cycle model, induction and exhaust processes were computed with a simple method. Two different cycle models were used in the study. Combustion process is simulated with an empirical correlation as known cosine burn rate formula in first of the cycle models. In the second cycle model, turbulent flame propagation having more realistic hypotheses was used for modeling of combustion period. The second laws of thermodynamics were applied to both of the cycle models to perform exergy analysis. Exergy transfer with heat, exergy transfer with work, irreversibility, thermomechanical exergy, fuel chemical exergy and total exergy were computed in the exergy analysis. In the study, effects of structural parameters such as spark plug position and compression ratio, operational parameters such as equivalence ratio, spark timing, engine speed and residual gas fraction and also, some alternative fuels such as natural gas, Liquefied Petroleum Gas (LPG), methanol and ethanol have been studied. Moreover, the distribution of fuel exergy among the exergy terms was calculated and the first and second law efficiencies were computed to determine optimum values of examined parameters. The obtained results of study showed that design and operational parameters studied and using of alternative fuels affected significantly variation of exergetic terms.