Hidrojen yakıtının içten yanmalı motorlarda kullanımının modelleme metoduyla araştırılması
Investigation of the usage of hydrogen fuel in internal combustion engines utilize modeling method
Yazar: EMRE EMLEK
Danışman: DOÇ. DR. ORKUN ÖZENER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Tez çalışmasında, hidrojen yakıtlı buji ateşlemeli motorlarda harici aşırı doldurmanın silindir içi yanma, performans fenomenleri ve çevre kirliliği faktörleri üzerindeki etkilerini incelemek için tek boyutlu motor modelleme metodu kullanılmıştır. Model, tek silindirli port enjeksiyonlu motorun çalışma koşulları için optimize edilmiştir. İlk olarak, tek boyutlu (1-D) içten yanmalı hidrojen motor (H2ICE) modeli AVL Boost ortamında oluşturuldu ve literatürdeki deneysel verilerle doğrulandı. Daha sonra, karakteristik parametreler çıkarıldı. Endüstride kullanılan 4 silindirli motorların silindir çapı, yüksekliği ve diğer ilgili teknik ölçümleri için kapsamlı bir araştırma yapıldı. Bu araştırmadan elde edilen verilerle model değiştirildi ve geliştirildi. Son olarak, bu yeni teknik veriler ve doğrulanan yanma modeli özellikleriyle tek boyutlu (1-D) model çalıştırılarak sonuçlar değerlendirildi. Bu çalışmanın sonuçları incelendiğinde, hidrojen yanmasının düşük güç yoğunluğunu ve termal verimliliğini artırmak için lambdanın azaltılması gerekliliğini göstermiştir. Hava giriş basıncını ve hacimsel verimliliği artıran harici süper şarj sistemlerinin kullanılmasıyla güç yoğunluğunun önemli ölçüde arttığı gözlemlenmiştir. Takviye basıncı arttıkça silindir içi basınç ve ortalama gaz sıcaklığı da artmıştır. Sıcaklık ve basınç fenomenlerinin artışının bir sonucu olarak nitrojen oksit emisyonları artmıştır. Hava-yakıt oranı arttırıldığında, stokiyometrik koşullar altında çalışan bir motorla aynı performansı üretmek için ilave bir hava kütle akışının gerekli olduğu gözlemlenmiştir. Hava-yakıt oranı arttıkça silindir içi termal yükün ve nitrojen oksit emisyonlarının azaldığı tespit edilmiştir. Azot oksit oranı, yaklaşık olarak 1.7-1.8 lambda üzerinde ihmal edilebilir seviyelere düştüğü tespit edilmiştir. Araştırma sonuçları, bu çalışma koşulları altında son işlem sistemlerinin nitrojen oksit indirgeyicilerin kullanılmasını gerektirmediğini göstermiştir.

Abstract:
In this paper, the 1–D engine modeling method is used to examine the effects of external supercharging on in-cylinder combustion, performance phenomena, and environmental pollution factors in hydrogen-fueled spark ignition engines (H2ICE). The model is optimized for the operating conditions of a single-cylinder port injection engine. First, the 1-D internal combustion hydrogen engine (H2ICE) model was built in the AVL Boost Environment and it was validated with experimental data from the literature. Then, characteristic parameters were extracted. An extensive survey for cylinder bore, stroke, and other related technical measures of 4-cylinder engines used in the industry was conducted. Then the model was modified and improved with the data obtained from this survey. Finally, the 1-D model was run with this new technical data and the verified combustion model characteristics, and the results were assessed. The results of this study showed that the lambda should be decreased to improve the low power density and thermal efficiency of hydrogen combustion. It has been observed that power density improves significantly with the use of external supercharging systems, which increase the air intake pressure and volumetric efficiency. In-cylinder pressure and average gas temperature both rose as boost pressure increased. Emissions of nitrogen oxide have increased as a result of the increase in temperature and pressure phenomena. Observations have shown that as the air-fuel ratio increases, an additional airflow rate is necessary to maintain the same performance as an engine operating under stoichiometric conditions. It was found that as the air-fuel ratio increased, the in-cylinder thermal load and nitrogen oxide emissions decreased. The nitrogen oxide rate has been determined to be operating at negligible levels above an approximately 1.7-1.8 lambda value. The results of the investigation indicate that nitrogen oxide reductants are not necessary for utilization in after-treatment systems in these operating conditions.