Bir dizel motorda çift yakıt olarak propan-dizel kullanımının yanma rejimine, motor performansına ve emisyon değerlerine olan etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effects of the use of propane-diesel as a dual fuel in a diesel engine on the combustion regime, engine performance and emission values
Yazar: FATİH AKTAŞ
Danışman: PROF. DR. NURİ YÜCEL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Artan emisyonlara karşı katılaşan emisyon düzenlemeleri otomotiv üreticilerini her geçen gün farklı önlemler almaya zorlamaktadır. Bu önlemler gelişen kontrol teknolojisi ile HCCI, PCCI ya da RCCI gibi düşük sıcaklıkta yanma teknolojileri olabildiği gibi dizel yakıt yerine biyodizel, LPG, CNG gibi daha temiz yakıt kullanımı da olabilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında bir dizel motorun propan-dizel yakıt çifti ile çalışabilmesi için sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizler için öncelikle AVL Boost programı kullanılarak geliştirilen 1-Boyutlu modelin Türk Traktör A.Ş'den alınan dizel yanma rejimindeki deneysel verilerle doğrulanması sağlanmıştır. Geliştirilen 1-B model sonuçları ile deneysel veriler fren ısıl verimi ve is emisyonu açısından karşılaştırıldığında %0,53 ve %6,43 fark olduğu görülmüştür. Ardından 1-B modelden alınan sınır şartları ve ilk değerler ile ANSYS Forte programı kullanılarak 3-B reaktif akış analizleri yapılmıştır. 3-B sektör model sonuçları ile deneysel veriler fren ısıl verimi ve is emisyonu açısından karşılaştırılmış ve fark oranları %4,5 ve %3,6 olarak belirlenmiştir. Bu fark oranlarının 3-B tam model sonuçlarında ise %0,47 ve %18,5 olarak belirlenmiştir. Geliştirilmiş olan 1-B, 3-B sektör ve 3-B tam modellerin doğruluğu sağlandıktan sonra çift yakıt çalışmalarına kütlesel olarak kullanılabilecek maksimum propan oranının tespiti ile başlanmıştır. Bu oranın, maksimum basınç yükseliş oranı sınır alınarak yaklaşık %40 ile %50 arasında olduğu, NOX ve CO emisyon normlarını karşılamadığı görülmüştür. Sonrasında ise kütlece %80 propan kullanımında; enjeksiyon zamanı, enjeksiyon süresi ve EGR oranı ile parametrik çalışma gerçekleştirilerek performans ve emisyon değerleri incelenmiştir. Sonuç olarak mil gücünde %10,9, fren ısıl veriminde %10,51 ve özgül yakıt tüketiminde ise %10,1 iyileşme sağlanmıştır. Ayrıca HC, CO ve is değerlerinin Stage IIIB normlarını karşıladığı görülürken, NOX emisyonu da sayısal olarak elde edilen saf dizel sonuçlarına göre normalize edilmiştir. Normalizasyon sonucunda NOX emisyonunda %62 iyileşme olduğu belirlenmiştir. Bu iyileşme ile SCR kullanmadan, propan-dizel çift yakıt kullanımıyla NOX emisyon normlarının sağlayabileceği görülmüştür.

Abstract:
Stricter emission regulations against increasing emissions force automotive manufacturers to take different measures every day. These measures can be low temperature combustion technologies such as HCCI, PCCI or RCCI with the developing control technology, as well as the use of cleaner fuels such as biodiesel, LPG, CNG instead of diesel fuel. Within the scope of this thesis, numerical analyses have been carried out for a diesel engine to operate with a propane-diesel fuel pair. For these analyzes, first of all, 1-D model developed by using AVL Boost program was verified with experimental data in diesel combustion regime taken from Türk Traktör A.Ş. When the results of the 1-D model developed and the experimental data were compared in terms of brake thermal efficiency and soot emission, it was seen that there was 0.53% and 6.43% difference. Then, 3-D reactive flow analyses were performed using the ANSYS Forte program with boundary conditions and initial values taken from the 1-D model. The 3-D sector model results were compared with the experimental data in terms of brake thermal efficiency and soot emission and the difference rates were determined as 4.5% and 3.6%. In the 3-D full model results of these rates, it was determined as 0.47% and 18.5%. After ensuring the accuracy of the developed 1-D, 3-D sector and 3-D full models, dual fuel studies started with the determination of the maximum propane ratio that can be used as mass. It was observed that this rate was between 40% and 50%, taking the maximum pressure rise rate as a limit, and did not meet the NOX and CO emission norms. Then, in the use of 80% propane by mass; performance and emission values were examined by performing a parametric study with injection time, injection duration and EGR rate. As a result, improvement was achieved in shaft power by 10.9%, in brake thermal efficiency by 10.51% and in specific fuel consumption by 10.1%. In addition, while HC, CO and soot values were found to meet Stage IIIB norms, NOX emission was also normalized according to pure diesel results obtained numerically. As a result of normalization, 62% improvement was determined in NOX emission. With this improvement, it has been seen that NOX emission norms can be achieved by using propane-diesel dual fuel without using SCR.