Dizel-etanol yakıtlı bir motorun hibrit kullanımında post püskürtmenin emisyonlara etkilerinin modellenmesi
Modeling of the effects of post spray on emissions in hybrid use of a diesel-ethanol fueled engine
Yazar: HÜSEYİN GÜRBÜZ
Danışman: DOÇ. DR. TARKAN SANDALCI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Etanol, dizel motorlardaki partikül madde emisyonlarını azaltmak için önemli bir potansiyel sunmaktadır; çünkü etanol, dizel yakıttan daha düşük karbon içeriğine sahiptir ve oksijenlidir. Dünyada aktif, arazide çalışan yaklaşık 30 milyon, Türkiye'de ise yaklaşık 2 milyon traktör vardır. Bu traktörlerin yaydığı zararlı kirletici miktarını azaltmak için, oluşturulan emülsiyonlar, deneylerde kullanılan motorun yakıt sisteminde herhangi bir değişiklik olmaksızın doğrudan kendi enjektör sistemi ile silindire püskürtülmüştür. Ayrıca Emülsiyon yöntemi kullanılarak yapılan deneyler sonrasında motorun yakıt siteminde değişikliğe gidilmiş ve emme manifoldu içine benzin enjektörü ile etanol püskürtülerek fumigasyon yöntemi kullanılarak ikinci bir dizi deneyler yapılmıştır. Benzin enjektörü Arduino destekli RISC işlemcili yazılımı tarafımızdan geliştirilen elektronik kontrol ünitesi (EKU) ile kontrol edilmiştir. Bu çalışmada, test edilen yakıtlar dizel yakıt (E0), % 5 (v / v) etanol / dizel yakıt karışımı (E5) ve % 10 (hacim / hacim) etanol / dizel yakıt (E10) karışımlarıdır. İlk olarak emülsiyon
yöntemi kullanılarak yapılan deneyler kullanılacak karışım yakıtların hazırlanması ve kullanılabilirliğini araştırmak için, etanol ve dizelin çözünürlüğü ve emülsiyonlar üzerinde 30 oC ila 50 oC arasındaki sıcaklığın etkisi araştırılmıştır. Ayrıca karışım yakıtlar 7 derece sıcaklıkta incelenmiş ve davranışları gözlemlenmiştir. Fumigasyon yönteminde, yakıtlar özel olarak tasarlanmış aparat içine yerleştirilen enjektör ile emme manifolduna % 5 (EP5) ve % 10 (EP10) etanol enjekte edildi. Yapılan bütün deneylerde Silindir içi basıncı motor torku, özgül yakıt tüketimi, egzoz gazı sıcaklığı, motor soğutma suyu sıcaklığı yakıt sıcaklıkları ve son olarak egzoz emisyonları ölçüldü. Tez çalışmasında ikinci aşama olan, tek boyutlu termodinamik motor simülasyon programı olan AVL BOOST 16v programı ile deney motor modeli oluşturulmuştur. Bu simülasyon motoru deney motorunun deney verileri kullanılarak deney çalışma noktalarında elde edilmiş silindir içi basınç diyagramı doğrulacak şekilde kalibre edilmiştir.
Simülasyon programı ile E0, E5, E10, EP10 yakıtları deney çalışama motor devirleri için ayrı ayrı modellenmiştir. Deney sonuçları Simülasyon model sonuçları ile doğrulanmıştır. Daha sonra AVL BOOST programında E10 yakıtı ve saf etanol kullanılarak Post püskürme stratejilerinin emisyonlara olan etkileri incelenmiştir. Yapılan deney çalışmalarında emülsiyon yöntemi ile karbon monoksit (CO), hidrokarbon (HC) ve azot oksit (NOX) emisyonlarının yüksek devirlerde azaldığı gözlenmiştir. Simülasyon model ile yapılan çalışmalarda her bir yakıt için deney motoru ile elde edilen motor gücü verileri model ile de elde edilerek NOx ve İs emisyonları değişimleri değerlendirilmiştir. Sadece Etanol püskürtülen post püskürtme ile is emisyonunda ortalama olarak %95.5 oranında azalmalar meydana gelmiştir. E10 yakıtı ile yapılan iki post püskürtme ile is emisyonunda sırasıyla %60.5 ve %60.3 oranında azalma, NOx emisyonunda ise hafif bir artış meydana gelmiştir.

Abstract:
Ethanol offers significant potential to reduce particle emissions in diesel engines; because ethanol has a lower carbon content than diesel fuel and is oxygenated. Active in the world, working in the field of about 30 million, has about 2 million tractors in Turkey. In order to reduce the harmful emissions emitted by these tractors, the emulsions were sprayed directly into the cylinder with their own injector system without any change in the fuel system of the engine used in the experiments. In addition, after the experiments using the emulsion method, the fuel system of the engine was changed and a second series of experiments were made for fumigation method by spraying ethanol into the intake manifold with a gasoline injector. Fuel injector RICS-based software developed by our injector has been checked. Arduino card was used to develop electronic control unit (ECU). In this study, the fuels tested are mixtures of diesel fuel (E0), 5% (v / v) ethanol / diesel fuel (E5) and 10% (v / v) ethanol / diesel fuel (E10). In order to investigate the preparation and usability of the mixture fuels to be used in the experiments using emulsion method, the effect of the temperature between 300C and 500C on the solubility of ethanol and diesel and on the emulsions was investigated. Also, the mixture fuels were examined at 7 degrees temperature and their behaviors were observed. In the fumigation method, fuels were injected with 5% (EP5) and 10% (EP10) ethanol to the intake manifold with the injector placed in the specially designed apparatus. In the all experiments, Cylinder pressure, Motor tourque, specific fuel consumption, exhaust gas temperature, cooling water temperature, fuel temperatures, and finally exhaust emissions were measured. In the second stage of the thesis, the experimental engine model was created with the AVL BOOST 16v program which is a one-dimensional thermodynamic motor simulation program. This simulation engine is calibrated to verify the in-cylinder pressure diagram obtained at the test operating points using the test data of the test engine. With the simulation program, E0, E5, E10, EP10 fuels are modeled separately for the engine speeds.
Carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) and nitrogen oxide (NOX) emissions were observed to decrease at high speeds. In particular, experiments with fumigation using electronically controlled fuel injection have resulted in improvements in HC and work emissions.
In the experiments, it was observed that carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) and nitrous oxide (NOX) emissions decreased at high speeds by the emulsion method. In the studies carried out with the simulation model, the engine power data obtained with the test engine for each fuel was obtained with the model and the changes in the NOx and soot emissions were evaluated. With only post-spray sprayed with ethanol, there was an average reduction of 95.5% in the soot emission. With two post ejections made with E10 fuel, the emission of smoke decreased 60.5% and 60.3% respectively, while NOx emission increased.