Doğalgaz - dizel çift yakıtlı yanma konseptinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of natural gas – diesel dual fuel combustion concept
Yazar: MUSTAFA DENİZ ALTINKURT
Danışman: DOÇ. DR. ALİ TÜRKCAN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Çift yakıtlı yanma konseptiyle doğal gaz gibi yüksek oktan ve düşük karbon sayısına sahip yakıtlar yüksek verimli dizel motorlarda kullanılabilir. Ayrıca bu konsept, yüksek ısıl verim ve düşük kirletici emisyon potansiyeline sahiptir. Fakat özellikle düşük motor yüklerinde yanma verimi düşmekte, çevrimsel farklılıklar ve yanmamış HC emisyonları artmaktadır. Dizel enjeksiyon stratejileri ile bu parametreler etkili bir şekilde kontrol edilebilmektedir. Bu tez çalışmasında dizel enjeksiyon parametrelerinin, çift yakıtlı doğal gaz-dizel yanma ve emisyon karakteristiklerine etkileri deneysel ve teorik olarak incelenmiştir.

Deneysel çalışmada doğal gaz-dizel çift yakıtlı orta devirli ağır hizmet tipi bir dizel motorda testler gerçekleştirilmiştir. Doğal gaz emme manifolduna, dizel ise doğrudan silindir içerisine toplam yakıt miktarları sabit tutularak püskürtülmüştür. Farklı dizel enjeksiyon zamanları ve kütle oranlarında tek ve çift enjeksiyon modunda testler gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma sonucunda enjeksiyon zamanının yanma fazının kontrolünde doğrudan etkili olduğu görülmüştür. Erken enjeksiyonlar ile yanma gecikerek kinetik kontrollü olmuş, silindir gaz basıncı ve ısı dağılım oranı azaltılmıştır. Yeterince erken I. enjeksiyon, uygun seçilen II. enjeksiyon zamanı ve enjeksiyon kütle oranı (EO); NOx, HC ve CO emisyonları, çevrimsel farklılıklar ve vuruntu parametrelerini aynı anda azaltabilmiştir. Motor çalışma sınırları içerisinde çift enjeksiyon stratejileriyle tek enjeksiyonla karşılaştırılabilir çevrimsel farklılıklar, HC emisyonları ve yanma veriminin yanında daha düşük NOx emisyonları elde edilmiştir.

Nümerik çalışmada, enjeksiyon zamanı ve EO'nun yanma ve emisyon oluşumuna etkileri 3-B HAD simülasyonları ile incelenmiştir. Simülasyonlar sonucunda, erken enjeksiyon zamanlarının silindir içerisinde homojen sıcaklık dağılımı sağlayarak NOx oluşumunu azalttığı, ayrıca artan EO'nun daha iyi metan oksidasyonu sağladığı görülmüştür. Deneylerden daha yüksek EO'da gerçekleştirilen simülasyonlarda NOx ve HC emisyonlarının %66,1 ve %32,6'ya kadar azaltılabildiği görülmüştür. HC emisyonlarının çoğunluğunun doğal gaz kaynaklı olduğu, artan EO'larda üst segman boşluklarında kalan metanın önemli ölçüde azaldığı, dizelin ise bir miktar arttığı görülmüştür.

Abstract:
With the dual-fuel combustion concept, high-octane and low-carbon fuels such as natural gas can be used in high-efficiency diesel engines. In addition, this concept has potential of high thermal efficiency and low pollutant emissions. However, especially at low engine loads, combustion efficiency decreases, cycle-to-cycle variations and unburned hydrocarbon (uHC) emissions increase. These parameters can be effectively controlled with diesel injection strategies. In this thesis, the effects of diesel injection parameters on dual-fuel natural gas-diesel combustion and emission characteristics were investigated experimentally and theoretically.

In the experimental study, engine tests were carried out on a natural gas-diesel dual fuel medium speed diesel engine. Natural gas was injected into the intake manifold and diesel was injected directly into the cylinder, keeping the total fuel amounts constant. Tests were carried out in single and double injection mode at different diesel injection timings and mass split ratios. As a result of the experimental study, it was seen that the injection timing was directly effective in combustion phasing control. With early injections, combustion was delayed and kinetically controlled, maximum cylinder gas pressure and heat release rate were reduced. By performing sufficiently early first injections, appropriately selected second injection timing and injection mass ratio (IR); it was possible to simultaneously reduce NOx, HC and CO emissions, cycle-to-cycle variations and knock parameters. Within the engine operating limits, cycle-to-cycle variations, HC emissions and combustion efficiency were comparable to single injection, as well as lower NOx emissions were obtained with double injection strategies.

In the numerical study, the effects of injection timing and IR on combustion and emission formation were investigated with 3-D CFD simulations. As a result of the simulations, it was observed that early injection timings reduce NOx formation by providing homogeneous temperature distribution in the cylinder, and increased IR provides better methane oxidation. Simulations performed at higher IR than the experiments show that NOx and HC emissions can be reduced up to 66,1% and 32,6%, respectively. It was observed that the majority of HC emissions originate from natural gas, methane remaining in top land crevices decreased significantly with increasing IRs, while diesel increased slightly.