Miller çevrimine göre çalışan aşırı doldurmalı bir dizel motoruna buhar enjeksiyonunun performans ve emisyonlar üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of steam injection on performance and emissions in a turbocharged diesel engine running with the Miller cycle
Yazar: GÜVEN GONCA
Danışman: PROF. DR. BAHRİ ŞAHİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Gemi kaynaklı emisyonların, özellikle NOx emisyonlarının, çevre üzerinde birçok zararlı etkilerinin olduğu bilinmektedir. Gemilerden salınan kirleticilerin sınır değerlerini belirleyen MARPOL (Gemi Kaynaklı Kirliliğin Önlenmesi Uluslararası Konvansiyonu) kuralları, yakın gelecekte gemi dizel motorlarından kaynaklanan NOx emisyonlarına önemli sınırlandırmalar getirecektir. Bu nedenle, gemi kaynaklı NOx emisyonlarını azaltmak için yeni ve hızlı uygulanabilir yöntemlerin geliştirilmesi gereklidir. Yeni yöntemlerin geliştirilmesi ve motorlara uygulanması esnasında, ekolojik performansı belirleyen emisyon seviyeleri kadar, ekonomik performansı belirleyen efektif güç ve özgül yakıt sarfiyatı da hesaba katılarak, optimum tasarım ve işletme koşulları belirlenmelidir. 
Bu çalışmada, emme valfinin geç kapatılması tekniğine dayanan Miller çevrimi, elektronik kontrollü buhar enjeksiyonu ve aşırı doldurma uygulamalarının, tam yük şartlarında çalışan tek silindirli bir dizel motorunun performansına ve NOx emisyonlarına etkileri teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. 
Teorik çalışmalar kısmında, termodinamik analizlere dayalı parametrik çalışmalar, tek bölgeli ve iki bölgeli yanma simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Parametrik çalışmalarda, Dual-Miller çevriminin termodinamik analizi ve performans optimizasyonu yapılmış ve diğer gaz çevrimleriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca, yanma ve ısı transferinin çevrim performansı üzerine etkileri de parametrik olarak incelenmiştir. Aşırı doldurma basınçlarına bağlı optimum buhar sıcaklıkları ve debileri belirlenmiştir. Sonlu zaman termodinamiğine dayalı ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılabilir yeni bir model geliştirilmiştir. Ayrıca, tek ve iki bölgeli yanma simülasyonu modelleri geliştirilmiştir. Bu modellerle, Miller çevrimi, buhar enjeksiyonu ve aşırı doldurmanın motor performansı ve NO emisyonları üzerine etkileri incelenebilmektedir. 
Deneysel çalışmalarda, standart ve üç farklı kam mili (5, 10 ve 15 derece krank açısı geç kapanma için) üç farklı buhar oranı (%10, %20 ve %30) ve üç farklı aşırı doldurma basıncı (1.1, 1.2 ve 1.3 bar) için emisyon ve performans sonuçları elde edilmiş ve standart değerlerle karşılaştırılmıştır. Sonlu zaman termodinamiği modeli (SZTM) ve yanma simülasyonu modelinden (YSM) elde edilen teorik sonuçlar deney verileriyle karşılaştırılmıştır.
Sonuçlar, aynı çevrim basınç ve sıcaklık oranlarında Dual-Miller çevrimine göre çalışan bir dizel motorun, Dual-Dizel çevrimine göre çalışan dizel motordan daha yüksek performansa sahip olduğunu göstermiştir. Dolayısıyla, aynı performansta Dual-Miller çevrimi daha düşük yanma sıcaklıkları ve NOx oluşumuna neden olmaktadır. Ayrıca, püskürtülen buhar sıcaklığının silindir içinde yoğuşmaya neden olmadığı teorik olarak gösterilmiştir. Çalışmada, iki bölgeli model tek bölgeli modele göre deney verilerine daha yakın sonuçlar vermiştir. Bu nedenle, yanma simülasyonu modeli olarak iki bölgeli model seçilmiştir. Deneysel sonuçlarla YSM ve SZTM'nin sonuçları karşılaştırılmıştır. Maksimum hata SZTM ve YSM için sırasıyla, %10 ve %6'dır.
NOx emisyonları açısından, en iyi koşul kam 57 ve %30 buhar oranı ile elde edilmiştir. Fakat motor performansı belirgin olarak düşmektedir. Performans ve tüm emisyonlar birlikte düşünüldüğünde, kam 57, %20 buhar oranı ve 1.1 bar aşırı doldurma basıncının olduğu koşullar optimum olarak bulunmuştur. Bu koşullarda, NOx, HC, CO, CO2 ve özgül yakıt sarfiyatı (ÖYS)'nın maksimum düşüş oranları sırasıyla, %46, %46, %74, %8 ve %15.3'tir. Bununla birlikte, maksimum moment artış oranı ise %22.5'tir.
Sonuçlar, bu yöntemlerin birlikte, sabit devirlerde çalışan gemi dizel motorlarında ve güç tesislerinde uygulanmasının ekolojik ve ekonomik olarak çok faydalı olacağını göstermiştir.

Abstract:
It is known that ship based emissions, particularly NOx emissions, have so many detrimental effects on the environment. MARPOL (International Convention for the Prevention of Pollution from Ships) regulations, which determines the limit values of pollutants released from vessels, is going to reduce the limitations of the NOx emissions originating from marine diesel engines severely, in the near future. Therefore, the development of the control methods which are new and quickly adaptable are required to decrease the levels of the ship sourced NOx emissions. As new methods are developed and applied to the engines, the optimum design and operating conditions must be determined by considering effective power and specific fuel consumption which define economical performance as much as emission levels which describe ecological performance.
In this study, the effects of the applications of the Miller cycle based on late intake valve closing technique, electronically controlled steam injection and turbocharging on the performance and NOx emissions of a single-cylinder diesel engine running at full load condition have been experimentally and theoretically investigated.
In the section of the theoretical studies, parametrical studies based on thermodynamical analyses, single-zone and two-zone combustion simulations have been carried out. The thermodynamical analyses and performance optimization of the Dual-Miller cycle have been conducted and compared with those of the other gas cycles. Moreover, combustion and heat transfer influences on the cycle performance have been parametrically examined. The optimum steam temperatures and mass ratios have been determined with respect to turbocharging pressures. A new thermodynamical model based on finite time thermodynamics, which is comparable with experimental results, has been developed. Additionally, single-zone and two-zone combustion simulation models have been developed. The effects of the Miller cycle, steam injection and turbocharging on the engine performance and NO emissions could be investigated with these models.
In the experimental studies, the performance and emissions for three different cam shafts (for 5,10 and 15 degree, crank angle retard closing), three different steam ratios (10%, 20% and 30%) and three different turbocharging pressures (1.1, 1.2 and 1.3 bar) have been obtained and compared with those of the standard conditions. The theoretical results obtained with the finite time thermodynamical model (FTTM) and combustion simulation model (CSM) have been compared with the experimental data. 
The results show that a diesel engine operating with Dual-Miller cycle have higher performance than a diesel engine running with Dual-Diesel cycle at the same cycle temperature and pressure ratios. Hereby, Dual-Miller cycle causes to lower combustion temperatures and NOx formation. Moreover, it has been theoretically demonstrated that temperature of injected steam does not lead to condensation in the cylinder. In this study, two-zone combustion model gives closer results to the experimental data compared to single-zone combustion model. Thus, two-zone combustion model has been selected as CSM. The experimental results have been compared with the results of CSM and FTTM. The maximum errors are 10% and 6% for FTTM and CSM, respectively.
The best condition has been obtained with camshaft 57 and 30% steam rate in terms of NOx emissions. However, the engine performance has been remarkably reduced. The conditions at the camshaft 57, 20% steam rate and 1.1 bar turbocharging pressure have been found as optimum conditions, when the performance and all emissions are considered together. In these conditions, the maximum reduction rates of NOx, HC, CO, CO2 and specific fuel consumption (SFC) are 46%, 46%, 74%, 8% and 15.3%, respectively. However, the maximum moment increase rate is 22.5%.
The results demonstrate that the applications of these methods together in the marine diesel engines operated with constant speeds and stationary power plants will be very useful ecologically and economically.