Sıvılaştırılmış nitrojenin farklı yakıtlarla çalıştırılan kıvılcım ateşlemeli bir motorun performans ve emisyonlarına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of liquefied nitrogen on performance and emissions of a spark ignition engine operated with different fuels
Yazar: AHMET KAYA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÜVEN GONCA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Buji ateşlemeli motorlar = Spark ignition engines ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Motor araştırmacıları, benzinli motorların performanslarını arttırmak ve çevresel zararlarını azaltmak için yoğun çalışmalar sürdürmektedirler. Benzin kullanımı halinde istenilen performans ve emisyon değerlerinin sağlanamadığı durumlarda ise benzin yerine geçebilecek alternatif yakıtların kullanılabilirliğini belirlemek için çalışmalar yapılmaktadır. Benzin tüketen motorlarda standartların dışına çıkmak ve alternatif yakıtlarla performans gereksinimlerini karşılamak zor olduğundan; araştırmacılar yakıtların farklı katkılarla karışımlarının performans özelliklerini ve çevresel etkilerini değerlendirmektelerdir. 
Bu çalışmada, farklı alternatif yakıtlara (metan, metanol, tolüen, izo-oktan, propan, hekzan, etanol, benzen) ve benzine sıvı nitrojen ilavesinin, tek silindirli dört zamanlı SI motorunun performansına ve NO oluşumuna etkileri incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Nitrojen ilavesinin etkilerini tanımlamak için önceki deneysel çalışmalarla doğrulanmış sıfır boyutlu iki bölgeli bir simülasyon modeli kullanılmıştır. Sonuçlar azot ilavesinin güç çıkışı, güç yoğunluğu ve torku arttırdığını ve tüm yakıtlarla termal verimliliği ve NO emisyonunu azalttığını göstermiştir. Maksimum güç çıkışı artışı, metanol için %33, minimum artış benzen ve tolüen için %21 civarındadır. Maksimum ısıl verimlilik düşüşü benzen ve tolüen için yaklaşık %8,5, metanol için ise minimum azalma %1'den az görülmüştür. Ayrıca çalışmada kullanılan tüm yakıtlar için nitrojen ilavesi ile NO emisyonlarında ciddi azalmalar sağlanmıştır.
Nitrojen ilavesinin etkilerinin incelenmesinin ardından, %50 kütlesel nitrojen ilavesi ve farklı yakıtlar ile çalışan kıvılcım ateşlemeli motorun dizayn ve operasyon parametrelerin değiştirilmesinin motorun performans ve NO emisyonlarına etkileri incelenmiştir.

Abstract:
Engine researchers work intensively to improve the performance and to reduce environmental damages of gasoline engines. When the desired performance and emission values cannot be achieved in the case of gasoline use, studies are being made to determine the availability of alternative fuels that can replace gasoline. Hence, it is difficult to get out of standards in gasoline-powered engines and to meet performance requirements with alternate fuels; researchers evaluate the performance characteristics and environmental effects of mixtures of fuels with different additives.
In this study, effects of liquid nitrogen addition on performance and NO formation of a single-cylinder four-stroke SI engine using different alternative fuels (methane, methanol, toluene, iso-octane, propane, hexane, ethanol, benzene) and gasoline are examined and compared.   A zero dimensional two-zone simulation model which was validated on previous experimental studies is used to define the effects of nitrogen addition. Results showed that nitrogen addition increased power output, power density and torque while decreasing thermal efficiency and NO emission with all fuels. The maximum power output increment is about 33% for methanol, minimum increment is about 21% for benzene and toluene. Maximum thermal efficiency decrease is about 8,5% for benzene and toluene and minimum decrease is less than 1% for methanol. In addition, NO emissions for all fuels used in the study have been reduced significantly by nitrogen addition.
After examining the effects of nitrogen addition, effects of changing engine design and operation parameters has been investigated in case of running the engine with 50% mass of nitrogen addition for different fuels.