Metan katkılı bir dizel motorunun performans ve emisyon karakteristiklerinin tek boyutlu modellenmesi
One-dimensional modeling of performance and emission characteristics of a methane additive diesel engine
Yazar: MEHMET FATİH YAŞAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN ERGEN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Dizel yakıtlar = Diesel fuels

Özet:
Yüksek performansları, düşük yakıt tüketimleri ve maliyetleri gibi özellikleri nedeniyle dikkat çeken dizel motorlar araştırmaların odak noktası arasında yer almaktadır. Özellikle alternatif yakıt araştırmalarının da yoğunlaştığı çalışmalarda bilgisayar modellerinin kullanımının da yaygınlaştığı görülmektedir. 

Özellikle motor tasarımı ve optimizasyonunda bilgisayar modellerinin kullanılması, araştırmacıları önemli bir maliyetten kurtarmakta ve araştırmacıların amaçlarına daha hızlı bir şekilde ulaşmalarını sağlamaktadır. 

Günümüzde AVL-Boost, Ricardo-WAVE, GT-Power gibi pek çok farklı yazılım kullanılmakta olup her biri kendi içerisinde farklı özellikler taşımaktadır. 

Bu çalışmada tek silindirli bir dizel motoru bilgisayar optimizasyonu yapılarak sanal ortamda modellenmiştir. Bu sayede yapılacak alternatif yakıt çalışmalarında gereksiz vakit ve maliyet kaybının önüne geçilmesi hedeflenmiştir. Aynı zamanda alternatif yakıt katkısı da eklenerek etkilerin deney yapılmadan incelenebilmesi sağlamıştır.

Çalışmada kullanıcı dostu ara yüzü farklı parametrelere kolayca kontrol edebilme gibi özelliklerinden dolayı ve yaygın kullanımı nedeniyle AVL-Boost yazılımı seçilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, daha önceden yapılan çalışmalar ışığında, standart bir dizel motorun model kapsamında optimizasyonu sağlanmış, ikinci aşamasında ise alternatif yakıt olarak metan gazı kullanımının etkileri model çerçevesinde teorik olarak analiz edilmiştir. 

Alternatif Yakıt olarak rezervlerinin yeterli olması, yakıt özellikleri ve düşük fiyatı nedeniyle dizel motorlarında kullanımı uygun görülen Doğalgazın büyük çoğunluğunu ihtiva eden Metan gazı seçilmiştir. 
Metan (CH4) gazı motorine %20, %40, %60 ve %80 oranına ilave edilmiş ve etkileri incelenmiştir. 

Test biçimlerine göre iki farklı değerlendirme metodu uygulanmıştır. Birinci metotta her yakıt katkısı için silindir içerisine aynı miktarda yakıt girdisi sağlanarak elde edilen değişim, diğerinde ise yakıt miktarı değişimi ile sabit güç ve sabit tork değerlerinde elde edilen değişim incelenmiştir.  Sabit yakıt miktarı ile maksimum basınç, güç, tork artarken ÖYT düştüğü, CO emisyonlarında ise azalma, NOx emisyonlarında da artma gözlemlenmiştir. Yakıt miktarının her yakıt miktarı değişimi ele alınan kısım için ise maksimum basınç düşük devirlerde farklılık gösterse de yüksek devirlerde motorin kullanımına göre aynı kalmış, güç ve tork ise sabit olarak hesaplanmış ve NOx ve CO emisyonlarında belirgin bir azalma tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçların, benzer parametreler ile yapılan deneysel çalışmalar ile örtüştüğü gözlemlenmiştir.

Abstract:
Diesel engines, which stand out due to their high performance, low fuel consumption, and cost, are among the focus of research. It is seen that the use of computer models has become widespread, especially in studies where alternative fuel research is also concentrated.

The use of computer models, especially in engine design and optimization, saves researchers a significant cost and enables researchers to reach their goals faster.

Today, much different software such as AVL-Boost, Ricardo-WAVE, GT-Power are used and each has different features in itself.

In this study, a single-cylinder diesel engine is modeled in a virtual environment by computer optimization. In this way, it is aimed to prevent unnecessary time and cost loss in alternative fuel studies. At the same time, by adding alternative fuel additives, it has been made possible to examine the effects without testing.

In the study, AVL-Boost software was chosen due to its features such as its user-friendly interface to control different parameters easily and its widespread use. In the first stage of the study, in the light of previous studies, a standard diesel engine was optimized within the scope of the model, and in the second stage, the effects of using methane gas as an alternative fuel were analyzed theoretically within the framework of the model.

Methane gas, which contains the majority of natural gas, was chosen as an alternative fuel due to its sufficient reserves, fuel properties, and low price.
Methane (CH4) gas was added 20%, 40%, 60%, and 80% to the diesel, and its effects were examined.

Two different evaluation methods were applied according to the test styles. In the first method, the change obtained by providing the same amount of fuel input into the cylinder for each fuel additive, and in the other, the change obtained in constant power and constant torque values ​​with the change of fuel amount was examined. As the maximum pressure, power, and torque increased with the amount of fixed fuel, IAT decreased, CO emissions decreased, and NOx emissions increased. For each part of the fuel amount change in the amount of fuel, although the maximum pressure differs at low revs, it remained the same at high revs compared to the use of diesel, and the power and torque were calculated as constant and a significant reduction in NOx and CO emissions was detected. It has been observed that the results obtained coincide with experimental studies conducted with similar parameters.