Dizel motorlarında emme havasına su eklenmesinin motor performansı, yanma ve eksoz emisyonları üzerindeki etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effects of adding water to the intake air on engine performance, combustion and exhaust emissions in diesel engines
Yazar: MUSTAFA TUTİ
Danışman: PROF. DR. ZEHRA ŞAHİN
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Azot dioksit = Nitrogen dioxide ; Dizel motorlar = Diesel engines ; Termodinamik model = Thermodynamical model ; Termodinamik çevrim = Thermodynamic cycle ; Yakıtlar = Fuels ; Yanma olayı = Combustion process

Özet:
Bu çalışmada dizel motorlarında emme havasının içerisine su eklenmesinin (EHSE) motor performansı, yanma ve eksoz emisyonları üzerindeki etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada; bir otomotiv dizel motorunda farklı oranlarda suyun emme havasına eklenmesinin etkileri, farklı yükler ve motor devir sayıları altında incelenmiştir. Deneysel sonuçlardan, seçilen su oranlarında (SO'nda) özgül yakıt tüketiminin (ÖYT) 2000 d/d'de genel olarak azaldığı, ancak 4000 d/d'de arttığı belirlenmiştir. EHSE, azot oksit (NOx) emisyonlarını da tüm devirlerde önemli ölçüde azaltmıştır. Ayrıca, EHSE genellikle silindir basınçlarını arttırmış, ancak silindir sıcaklıklarını, açığa çıkan ısı  oranlarını (HRR) ve yanma sürelerini (YS) azaltmıştır. Bu çalışmada ayrıca, deneysel HRR değerleri kullanılarak, YS'leri için ampirik bir bağıntı geliştirilmiştir.
Sayısal çalışmada; dizel motorları çevriminin hesaplanmasında, Ferguson'un termodinamik modeli kullanılmış ve yeni varsayımlarla uyarlanarak geliştirilmiştir. Öncelikle, modelin SDY ve EHSE için güvenilirliği, literatürdeki deneysel ve sayısal sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edilmiştir. Daha sonra, model, test motoru için denenmemiş 2250 d/d'da % (5 ve 7.5) SO için uygulanmıştır. İlgili SO'nda efektif gücün (EG) azaldığı, ÖYT'nin arttığı ve NOx emisyonlarının önemli ölçüde azaldığı belirlenmiştir. Ayrıca; geliştirilen model, 2021 Renault Talisman'da kullanılan dizel motoru için, 4000 d/d'de % (3, 6 ve 9) SO için uygulanmıştır. Söz konusu çalışma sonunda, % (3 ve 6) SO için, ÖYT'de önemli bir kötüleşme olmadan EG'nin arttığı ve NOx emisyonlarının önemli ölçüde azaldığı belirlenmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Dizel motoru, Termodinamik model, Emme havasına su  ekleme, Açığa çıkan ısı oranı, Yanma süresi, NOx emisyonları

Abstract:
In this study, the effect of the water addition into the intake air (WAIA) on engine performance, combustion and exhaust emissions in diesel engines have been investigated experimentally and numerically. In the experimental study, different ratios of WAIA have been studied in an automotive diesel engine under different loads and engine speeds. It is determined from experimental results that brake specific fuel consumption (BSFC) generally decreases at 2000 rpm, but BSFC increases at 4000 rpm for selected water ratios (WRs). Also, WAIA reduces nitrogen oxides (NOx) emissions significantly at all speeds.  Besides, WAIA generally increases cylinder pressures, but it mostly decreases cylinder temperatures, heat release rates (HRR) and combustion durations (CDs). Also, an empirical correlation has been developed for estimating CDs using the experimentally HRR values.
In the numerical study, Ferguson's thermodynamic model has been used and adapted with new assumptions to compute the diesel engine cycle. Firstly, the reliability of the model for NDF and WAIA has been controlled by comparing the experimental and numerical results with that of studies in the literature. The model has been applied in the test engine at untested 2250 rpm and (5 and 7.5) % WRs condition. It has been found that the effective power (EP) decreases, the BSFC increases and NOx emissions significantly decrease for these WRs. Also, the model has been applied to a diesel engine, which is used in 2021 Renault Talisman, for (3, 6 and 9) % WRs at 4000 rpm. It is determined that for (3-6) % WRs, EP increase, and NOx emissions reduce significantly without much deterioration in the BSFC at 4000 rpm.     

Key Words: Diesel engine, Thermodynamic model, Water addition into the intake air,   Heat release rate, Combustion duration, NO emissions