Ticari bir otomobil motorunda benzine cng katkısının motor performansına ve emisyonlarına etkisinin had analizi ile incelenmesi
Investigation of the effects of gasoline cng addition to engine performance and emissions in a commercial automobile engine by had analysis
Yazar: ABDULKADİR YALÇINKAYA
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tezi kapsamında, çift buji ateşlemeli ticari bir motorda; benzin, CNG (Compressed Natural Gas – Sıkıştırılmış Doğal Gaz) ve benzin-CNG karışımlarının kullanılmasının motor performansına ve emisyonlarına etkisi HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri ile sayısal olarak incelenmiştir. Benzin yerine CNG kullanımının amacı, yakıt maliyetinin düşmesi ve özellikle emisyonların iyileşmesi için potansiyel alternatif bir yakıt olmasıdır. 

İncelemede ticari bir otomobil olan Honda-Jazz 2004 modelinde bulunan "Honda L13A4 i-DSI" çift buji ateşlemeli motoru kullanılmıştır. Bu motora ait deneysel sonuçlar ve çeşitli modelleme yazılımları ile elde edilen sayısal sonuçlar bulunmaktadır.

Sayısal incelemede, 3B (3 boyutlu) silindir-içi yanma HAD analizi için Ansys-Forte v.19.0 yazılımı kullanılmıştır. HAD model bölgesi, bir silindirin emme-egzoz manifoldları arasındaki akışta ilgili tüm motor bileşenlerinin çevrelediği akışkan hacmini içermektedir. Bu bileşenler sırasıyla emme manifoldu ve supabı, silindir, piston, silindir kafası, bujiler, egzoz supabı ve manifoldu şeklindedir. Daha önceden CMM (Coordinate Measuring Machine – Koordinat Ölçüm Cihazı) cihazı ile elde edilen ölçülerle oluşturulan katı model kullanılarak HAD modeli oluşturulmuştur. 

3B silindir-içi yanma HAD modeli, zamana bağlı olarak supapların ve pistonun hareketi, kimyasal yanma, türbülanslı akış, ısı transferi gibi birçok karmaşık fiziği eş zamanlı olarak içermektedir. Motor çevrimi boyunca hareket eden piston ve supaplar için dinamik mesh (çözüm ağı) yapısı kullanılmıştır. HAD modelinde G-equation yanma modeli ve RANS RNG k-epsilon türbülans modeli kullanılmıştır. HAD modeli, gerekli tüm tanımlamalar (sınır şartları, başlangıç şartı, yakıt-hava karışım oranı, ateşleme zamanları, kimyasal reaksiyon modeli, türbülans modeli, supap hareket profilleri) yapılarak oluşturulmuş ve analizler yapılmıştır.

Yakıt olarak; benzin, CNG ve %5-10-20 kütlesel CNG oranlı benzin-CNG karışımları olmak üzere toplam 5 yakıt incelenmiştir. İncelemede; stokiometrik yanma ve motor kataloğunda belirtilen maksimum tork şartı olan tam yükteki 2800 d/dk dikkate alınmıştır. 

3B silindir-içi yanma HAD analizleri sonucunda motor performansına yönelik olarak silindir-içi basınç ve sıcaklık, indikatör diyagramı, tork, ortalama efektif basınç ve özgül yakıt tüketimi hesaplanmıştır. Emisyonlar olarak ise CO2, CO, H2O, O2, N2, HC, NOX emisyonları hesaplanmıştır. 

HAD analizleri sonuçlarına göre; CNG yakıtı benzin ile karşılaştırıldığında, CNG torku (105,0 Nm) benzin torkundan (121,5 Nm) %13,6 düşük çıkmıştır. Benzin-CNG karışımlarında ise tork %5 CNG (120,5 Nm) için %0,8; %10 CNG (119,5 Nm) için %1,7; %20 CNG (117,6 Nm) için %3,2 değerlerinde benzine göre düşük çıkmıştır. Benzine %5-10-20 kütlesel oranlarında CNG katılması torkta düşük miktarlarda azalma oluşturmuştur. Benzinin (C8H18) C/H oranı (0,444), CNG'nin (CH4) C/H oranından (0,250) yüksektir. Dolayısıyla, CO2 ve CO emisyonları daha fazla C içeren benzinde daha fazla oluşurken, H2O emisyonu daha fazla H içeren CNG'de daha fazla oluşmaktadır. CNG için NOX emisyonu daha yüksek çıkmıştır.

Abstract:
In this M.Sc. thesis, the effects of gasoline, CNG (Compressed Natural Gas) and gasoline-CNG mixtures on engine performance and emissions were investigated numerically by using CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses. The purpose of using CNG instead of gasoline is that CNG is potential alternative fuel to reduce fuel cost and specially to improve emissions.

The "Honda L13A4 i-DSI" dual spark ignition engine mounted on a commercial Honda-Jazz 2004 car model was used in the investigation. For this engine, there are test results and numerical results obtained by using various modeling software.

In numerical analysis, Ansys-Forte v.19.0 software was used for the 3D (3 Dimensional) in-cylinder combustion CFD analyses. CFD model domain contains the volume of fluid enclosed by all the relevant engine components in the flow between the intake-exhaust manifolds of a cylinder. These components are intake manifold and valve, cylinder, piston, cylinder head, spark plugs, exhaust valve and manifold. CFD model was built by using the solid model generated with the dimensions obtained with CMM (Coordinate Measuring Machine) device. 

The 3D in-cylinder combustion CFD model simultaneously involves many complex physics, such as the movement of valves and piston with time, chemical combustion, turbulent flow, heat transfer. Dynamic mesh structure is used for the pistons and valves moving along the motor cycle. In the CFD model, G-equation combustion model and RANS RNG k-epsilon turbulence model are used. The CFD model has been formed and run by making all the necessary definitions (boundary conditions, initial conditions, fuel-air mixing ratio, ignition times, chemical reaction model, turbulence model, valve movement profiles). 

A total of 5 fuels, gasoline, CNG and gasoline-CNG mixtures with 5-10-20% CNG mass ratio are investigated. Stoichiometric combustion and 2800 rpm at full load, which is the maximum torque speed written in the engine catalog, are considered.

As results of the 3D in-cylinder combustion CFD analyses, in-cylinder pressure and temperature, indicator diagram, torque, mean effective pressure and specific fuel consumption are calculated in terms of engine performance. Emissions of CO2, CO, H2O, O2, N2, HC, NOX emissions are calculated.

CFD analyses results show that compared with CNG fuel gasoline, CNG torque (105.0 Nm) was 13.6% lower than gasoline torque (121.5 Nm). For gasoline-CNG mixtures, the torque is 0.8%, 1.7% and 3.2% less than gasoline for 5% CNG (120.5 Nm), 10% CNG (119.5) and 20% CNG (117.6), respectively. 

The addition of CNG in 5-10-20% mass ratios into gasoline caused a small amount of torque decrease. C/H ratio of gasoline (C8H18) (0.444) is higher than CNG's (CH4) C/H ratio (0.250). Consequently, CO2 and CO emissions occur more for gasoline since it contains with more C, while H2O emissions occur more in CNG since it contains more H. NOX emission was higher for CNG.