Metan gazı-dizel çift yakıtlı sıkıştırma ile ateşlemeli bir motorda yanma odası geometrisi ve yakıt karışım oranının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of combustion chamber geometry and fuel mixing ratio on engine performance and exhaust emissions in a methane gas-diesel dual-fuel compression ignition engine
Yazar: HALİL ERDİ GÜLCAN
Danışman: PROF. DR. MURAT CİNİVİZ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Bu çalışmada, tek silindirli, hava soğutmalı, dört zamanlı, metan-dizel common rail çift yakıtlı bir motorun yanma, motor performansı ve egzoz emisyonları üzerine metan enerji oranının ve yanma odası geometrisinin etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Çalışma, enjeksiyon zamanlaması, yakıt karışım oranı ve yanma odası geometrisi olmak üzere üç aşamada gerçekleştirildi. İlk aşamada tek silindirli, hava soğutmalı common rail dizel motorun yanma, performans ve emisyonlar açısından en uygun çalışma koşulunun sağlanabilmesi amacıyla optimum dizel enjeksiyon zamanı belirlenmiştir. İkinci aşamada, dizel motorunun ana sorunu olan yüksek NO ve duman emisyonlarını azaltmak ve dizel yakıtına olan bağlılığı azaltmak için metanın toplam yakıt enerjisine katkısı %0, %25 ve %50 (M0, M25 ve M50) olacak şekilde farklı yakıt karışım oranlarının etkisi üzerine çalışılmış ve uygulanabilir metan enerji oranı belirlenmiştir. Üçüncü aşamada ise metan – dizel çift yakıt modunun ana sorunu olan yüksek HC ve CO emisyonlarını azaltmak ve yanma kararlılığını iyileştirmek amacıyla dizel ve metan – dizel çift yakıt modunda, orijinal yanma odası geometrisine karşı geleneksel dizel modunun yüksek performanslı yanma odası geometrileri olan Toroidal yanma odası (TCC) ve Toroidal girintili yanma odası (TRCC) geometrileri kullanılmıştır. Tüm deneyler, sabit motor devri (1850 dev/dak) ve beş farklı motor yükünde (3 Nm, 4.5 Nm, 6 Nm, 7.5 Nm ve 9 Nm) gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar şu şekildedir: Optimum dizel enjeksiyon zamanı deneylerinde en düşük IMEP'deki çevrimler arası fark (COVIMEP), tutuşma gecikmesi ve yanma süresi ÜÖN'dan önce 11oKA enjeksiyon zamanı ile elde edilmiştir. Ayrıca, en düşük egzoz emisyon ve daha iyi motor performans değerleri ÜÖN'dan önce 11oKA enjeksiyon zamanı ile elde edilmiştir. Yakıt karışım oranı deneyleri incelendiğinde metan enerji oranının artması ile özellikle düşük yüklerde HC ve CO emisyonları dikkate değer bir artış göstermiştir. Ayrıca, silindir içi maksimum basınç azalmış, tutuşma gecikme süresi ve yanma süresi de uzamıştır. Metan-dizel çalışmasında özellikle düşük yüklerde çevrimsel farklılığın arttığı gözlense de orta ve yüksek yük şartlarında COVIMEP %5'in altında kalmıştır.  Tüm bu olumsuzluklara rağmen yüksek metan enerji oranında (M50) NO emisyonları %67 oranında bir iyileşme gösterirken, duman emisyonları %78 oranında bir iyileşme göstermiştir. Ayrıca, özgül yakıt tüketimi ve ısıl verimde iyileşme sağlanmıştır. Yanma odası deneyleri incelendiğinde ise yüksek metan ikamesinin dezavantajlarına rağmen TRCC geometrisi orijinal yanma odası geometrisine kıyasla daha iyi bir yanma kararlılığı göstermiştir. Bunun yanında metan enerji oranı ile azalan maksimum silindir basıncı ve uzun tutuşma gecikme süresi de TRCC yanma odası geometrisi ile iyileşmiştir. Diğer taraftan, çift yakıt modunda TRCC M50 çalışmasının motorun orijinal yanma odası geometrisine (OCC M50) kıyasla tüm yük şartlarında duman, HC ve CO emisyonlarını sırasıyla ortalama %18.78, %10.6 ve %3.3 oranında iyileştirmiştir. Ancak daha yüksek yanma kararlılığı nedeniyle NO emisyonları, TRCC geometrisi için OCC geometrisinden ortalama %2.5 artmıştır. Sonuç olarak, Çift yakıt modunda TRCC geometrisinin uygulanması, daha eksiksiz ve kararlı yanma sağlamak, performansı arttırmak ve emisyonları azaltmak için etkili bir yol olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this study, the effects of methane energy fraction and combustion chamber geometry on the combustion, engine performance and exhaust emissions of a single-cylinder, air-cooled, four-stroke, methane-diesel common rail dual fuel engine were experimentally investigated. The study was carried out in three stages: optimum injection timing, fuel mixture ratio, and combustion chamber geometry. In the first stage, the optimum diesel injection timing was determined to provide the most suitable operating condition for the single cylinder, air-cooled common rail diesel engine in terms of combustion, performance, and emissions. In the second stage, the effect of different fuel mixture ratios (methane's contribution to the total fuel energy is 0%, 25% and 50%) has been studied to minimize the high NO and smoke emissions, which are the main problems of diesel mode, and to reduce the dependence on diesel fuel. And then the applicable methane energy ratio was determined. In the third stage, TCC and TRCC geometries, which are the high-performance combustion chamber geometries of the traditional diesel mode, were used against the original combustion chamber geometry to reduce the high HC and CO emissions, which are the main problems of the methane-diesel dual fuel mode, and to improve the combustion stability. All experiments were performed at constant engine speed (1850 rpm) and five different engine loads (3 Nm, 4.5 Nm, 6 Nm, 7.5 Nm and 9 Nm). The experimental results are as follows: In the optimum diesel injection time experiments, the lowest coefficient of variance (COVIMEP), ignition delay, and combustion period were obtained with 11oCA bTDC injection timing. In addition, the lowest exhaust emission and better engine performance values were obtained with 11oCA bTDC injection timing. When the fuel mixture ratio experiments were examined, HC and CO emissions showed a remarkable increase with the increase in the methane energy fraction, especially at low loads. In addition, the combustion pressure decreased, the ignition delay period and the combustion duration were prolonged. In the methane-diesel study, although the cyclic difference was observed to increase especially at low loads, COVIMEP values were obtained below 5% under medium and high load conditions. Despite all these negativities, at high methane energy ratio (M50), NO emissions showed an improvement of up to 67%, while smoke emissions showed an improvement of up to 78%. In addition, specific fuel consumption and thermal efficiency were improved. When the combustion chamber experiments were examined, despite the disadvantages of high methane substitution, the TRCC geometry showed better combustion stability (on average 11% compared to the original combustion chamber geometry) compared to the original combustion chamber geometry. In addition, the combustion pressure decreased with the addition of methane and the long ignition delay period were also improved with the use of TRCC geometry. On the other hand, TRCC M50 operation in dual fuel mode improved smoke, HC and CO emissions by an average of 18.78%, 10.6% and 3.3%, respectively, under all load conditions compared to the engine's original combustion chamber geometry (OCC M50). However, due to the higher combustion stability, NO emissions were on average 2.5% higher for the TRCC geometry than for the OCC geometry. As a result, the application of TRCC geometry in dual fuel mode has shown to be an effective way to achieve more complete and stable combustion, improve performance and reduce emissions.