Dizel motorlarda amonyak ve biyodizelin üçlü yakıt olarak kullanılmasının performans ve emisyonlar üzerindeki etkilerinin deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical analysis of the effects of using ammonia and biodiesel as triple fuel on performance and emissions in diesel engines
Yazar: FATİH OKUMUŞ
Danışman: DOÇ. DR. GÖRKEM KÖKKÜLÜNK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Denizcilik = Marine ; Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Karbon emisyonları, hava kirliliği ve iklim değişikliği gibi ciddi çevresel ve sağlıkla ilgili sorunlara yol açmaktadır. Bu emisyonların giderek artan trendi, uluslararası kuruluşların kapsamlı önlemler almasını gerektirmiştir. Avrupa Birliği, Birleşmiş Milletler Çevre Programı ve Uluslararası Denizcilik Örgütü gibi kuruluşlar karbon emisyonlarını azaltmayı ve uzun vadede sıfıra indirmeyi hedeflemektedir. Bu hedefler doğrultusunda karbon emisyonlarına kayda değer bir katkıda bulunan içten yanmalı motorların emisyonlarının iyileştirilmesi zaruri hale gelmiştir. Motorlarda karbon emisyonlarının temel kaynağı, yakıtın içeriğindeki karbon atomlarıdır. Amonyak gibi karbonsuz yakıtlar, bu emisyonları azaltmada etkili ve sürdürülebilir bir alternatif sunmaktadır. Ancak, amonyağın düşük laminer yanma hızı ve alev sıcaklığı gibi zorlu yanma özellikleri, iyileştirilmesi gereken önemli alanlardır. Bu noktada, biyodizel-dizel karışımları öne çıkmaktadır; çünkü biyodizelin yüksek setan sayısı ve dizelin yüksek alt ısıl değeri, bu karışımları hem verimli hem de sürdürülebilir bir yakıt alternatifi haline getirmektedir.
Bu tezde; tek silindirli, su soğutmalı bir dizel motoruna, 1500 rpm'de %100, %75 ve %50 yüklerde, enerjinin %20, %40 ve %60'ını sağlayacak şekilde emme manifoltundan amonyak beslenmiştir. Amonyağı ateşlemek için pilot yakıt olarak dizel, %20, %40 ve %100 oranlarında biyodizel karışımları kullanılmıştır. Amonyak oranı arttıkça özgül yakıt sarfiyatının arttığı, termal verimin azaldığı gözlemlenmiştir. CO2 ve CO emisyonlarında belirgin azalmalar kaydedilmiştir. %100 yükte, NOx emisyonları %40 amonyak oranına kadar azalırken, bu oranın üzerine çıkıldığında hızla artış göstermiştir.
Çalışmanın ikinci aşamasında, ANSYS Forte ortamında bir simülasyon gerçekleştirilmiş ve bu simülasyon sonuçları, deneylerden elde edilen verilerle doğrulanmıştır. Doğrulanan simülasyon sonuçları üzerine, parametrik bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma, çeşitli ön, ana ve post enjeksiyon zamanlamalarının birbirleriyle etkileşimini ve farklı enjeksiyon zamanlaması kombinasyonlarının sonuçlarını araştırmıştır. Bu çalışma kapsamında, toplam sera gazı emisyonlarında \%3.35  bir azalma elde edilmiştir. İndike güçte ise %2.32 oranında kayıp kaydedilmiştir. Ayrıca, bu araştırmada yanmamış NH3 emisyonları ve H2O da incelenmiştir.

Abstract:
Carbon emissions lead to serious environmental and health issues such as air pollution and climate change. The increasing trend of these emissions has necessitated comprehensive measures by international organizations. Entities like the European Union, the United Nations Environment Programme, and the International Maritime Organization aim to reduce and eventually eliminate carbon emissions. To achieve these goals, reducing carbon emissions from internal combustion engines has become inevitable. The primary source of carbon emissions is the carbon atoms present in fuels. Therefore, carbon-free fuels like ammonia can offer an effective and sustainable solution for emissions reduction. However, challenging combustion characteristics such as ammonia's low laminar burning rate and flame temperature need to be addressed. In this context, biodiesel-diesel blends stand out; biodiesel's high cetane number and diesel's high lower heating value make ammonia a efficient and sustainable fuel alternative in dual-fuel combustion mode.

In this thesis, ammonia was fed into a single-cylinder, water-cooled diesel engine at 1500 rpm, providing 20%, 40%, and 60% of the energy from the intake manifold at 100%, 75%, and 50% loads. Diesel and biodiesel blends at 20%, 40%, and 100% were used as pilot fuels to ignite ammonia. It was observed that as the ammonia ratio increased, specific fuel consumption increased, while thermal efficiency decreased. Significant reductions were recorded in CO2 and CO emissions. At 100% load, NOx emissions decreased up to a 40% ammonia ratio, but increased rapidly beyond that. 
In the second stage of the study, a simulation was conducted using ANSYS Forte, and the simulation results were validated with experimental data. Based on the validated simulation results, a parametric study was conducted to investigate the interaction of various pre-, main, and post-injection timings and the results of different injection timing combinations. As a result of this numerical study, a %3.35 decrease has been achieved in total greenhouse gas emissions. But, there has been a %2.32 loss in indicated power. Additionally, unburned NH3 emissions and H2O have also been investigated in this research.