Egzoz atık ısı enerjisi destekli oksihidrojen alev jetinin motor yanma-performans ve emisyonlara etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of exhaust waste heat energy assisted oxyhydrogen flame jet on engine combustion-performance and emissions
Yazar: HÜSAMEDDİN AKÇAY
Danışman: DOÇ. DR. HABİB GÜRBÜZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Alkali su = Alkaline water ; Ateşleme sistemleri = Ignition systems ; Atık ısı = Waste heat ; Egzoz = Exhaust   ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Çevre faktörleri = Environmental factors

Özet:
Bu tez çalışmasında, iki silindirli, su soğutmalı, propan yakıtlı buji ateşlemeli bir motorun egzoz atık ısı enerjisinden termoelektrik jeneratör (TEJ) yardımıyla DC elektrik enerjisi üretilmesi, DC elektrik enerjisi ile alkali su elektroliz ünitesinde oksihidrojen (HHO) gazının üretilmesi ve HHO gazı kullanılarak motorun buji yuvasına yerleştirilen ön yanma odası içerisinde oluşturulan alev jeti ile ana yanma odası içerisinde sağlanan yanma başlangıcının; silindir içi yanma parametreleri (yanma sıcaklık ve basıncı, yanmış kütle oranı), indike ve efektif motor performansı (güç, tork, özgül yakıt tüketimi), egzoz emisyonları ve çevresel faktörlere etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. 24 adet termoelektrik modülün kullanıldığı üç katmanlı, propan girişli TEJ ile motorun 1500–5000 d/d aralığında gerçekleştirilen deneylerde; TEJ'de motor devrine bağlı olarak 10–90 W aralığında üretilen DC elektrik enerjisi ile alkali su elektroliz hücresinde 12,9–942 mL/d aralığında HHO gazı üretilmiştir. TEJ'de 4500 d/d motor devri ile maksimum %3,02 enerji dönüşüm verimi elde edilmiştir. Ön yanma odasında HHO gazı ile oluşturulan alev jeti ile ana yanma odasında yanma başlangıcının sağlandığı deneylerde; 2300 d/d sabit motor devri, ½ gaz kelebeği açıklığı ile çalışılan tüm hava fazlalık katsayısında [HFK(λ)=0,9–1,4] değerleri ve HHO miktarları (0,4–1,0 L/d) için alev jeti ile yanma başlangıcının, indike ve efektif motor parametrelerinde iyileşme, CO ve HC emisyonlarında azalma, CO2 ve NOx emisyonlarında artış ve çevresel faktörlerde iyileşme sağladığı tespit edilmiştir. Tüm HFK'larda alev jeti ile yanma başlangıcının silindir içi yanma parametreleri ve çevrimler arası farkta dikkate değer oranda iyileşme sağladığı görülmüştür. Bununla birlikte, HHO miktarının artışı ile silindir içi yanma, indike ve efektif motor parametreleri, egzoz emisyonları ve çevresel faktörlerdeki iyileşmelerde dikkate değer oranda artış gözlenmiştir. Son olarak, alev jeti ile yanma başlangıcının etkisinin λ=0,9'dan λ=1,4'e doğru arttığı, özellikle λ=1,3 ve λ=1,4'te alev jeti ile yanma başlangıcının daha etkili olduğu tespit edilmiştir. Ancak, tüm HFK'larda HHO miktarının 0,7 L/d'den 1,0 L/d'ya çıkartılması ile alev jeti ile yanma başlangıcının etkisi azalmıştır.

Abstract:
In this thesis, firstly, the generation of DC electrical energy from the exhaust waste heat energy of a two-cylinder, water-cooled, propane-fueled spark-ignition engine with the help of a thermoelectric generator (TEJ); secondly, the production of oxyhydrogen (HHO) gas in the alkaline water electrolysis unit with DC electrical energy; and thirdly, the combustion initiation is provided in the main combustion chamber with the flame jet created by HHO gas in the pre-combustion chamber placed instead of the spark plug. Finally, the effects of this newly created advanced ignition system on in-cylinder combustion parameters (combustion temperature and pressure, mass fraction burned), indicated and effective engine performance (power, torque, specific fuel consumption), exhaust emissions, and environmental factors were experimentally investigated. In experiments with a three-layer, propane-input TEG using 24 thermoelectric modules in the engine speed range of 1500–5000 rpm; with DC electrical energy produced in the range of 10–90 W depending on the engine speed by the TEG, HHO gas was produced in the range of 12.9–942 mL/min in the alkaline water electrolysis cell. In TEG, a maximum energy conversion efficiency of 3.02% was reached at 4500 rpm. In the experiments in which the combustion initiation is provided in the main combustion chamber with the flame jet created with HHO gas in the pre-combustion chamber, for 2300 rpm constant engine speed, ½ throttle opening, all excess air ratio (λ=0.9–1.4) values and HHO amounts (0.4–1.0 L/min), it has been determined that combustion initiation with a flame jet provides an improvement in indicated and effective engine parameters; a reduction in CO and HC; an increase in CO2 and NOx; and improvements in environmental factors. In all λ values, it was observed that the combustion initiation with the flame jet provided a remarkable improvement in the in-cylinder combustion parameters and the cyclic variation. On the other hand, with the increase in the amount of HHO, a remarkable increase was observed in the improvements in in-cylinder combustion, indicated and effective engine parameters, exhaust emissions, and environmental factors. Finally, it has been determined that when λ increases from 0.9 to 1.4, the combustion initiation effect with the flame jet increases, the flame jet combustion initiation is more effective, especially at λ=1.3 and λ=1.4. However, by increasing the amount of HHO from 0.7 L/min to 1.0 L/min in all λ values, the effect of combustion initiation by flame jet has decreased.