Metanol-dizel yakıtları  kullanılan common-rail bir RCCI motorda metanol içeriğinin yanma karakteristiklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of methanol content on combustion characteristics in a common-rail RCCI engine used with methanol-diesel fuels
Yazar: MUSTAFA TEMÜR
Danışman: PROF. DR. CENK SAYIN ; DOÇ. DR. İLKER TURGUT YILMAZ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Taşıt motorları = Vehicle engines ; Yanma = Combustion

Özet:
Dünyada insan nüfusunun ve taşıt sayısının artmasına bağlı olarak artan emisyon kirliliği insan sağlığını ve doğayı olumsuz etkilemektedir. Bu kirletici emisyonlar, atmosferde sera gazı ve partiküllerin birikmesine neden olur. Bu da günümüzde, başta iklim değişikliği ve hava kirliliği olmak üzere birçok soruna yol açmaktadır. Dizel ve benzin motorlarının avantajlarını birleştiren RCCI motorlar, daha verimli ve temiz bir yanma sağlayan yenilikçi bir düşük sıcaklıkta yanma konseptidir. Bu konseptte, yüksek reaktiviteli ve düşük reaktiviteli olmak üzere en az iki farklı türde yakıt kullanılmaktadır. 
Bu yapılan çalışmada, düşük sıcak yakıtı olarak, yüksek oktan sayısı ile bilinen bir alkol yakıtı olan metanol ile geleneksel dizel yakıtı kullanılmıştır. Dört silindirli, turboşarjlı, su soğutmalı, common-rail yakıt enjeksiyon sistemine sahip bir dizel motor, emme manifolduna metanol yakıtı püskürtecek yeni bir enjektör eklenmesiyle birlikte RCCI yanma konseptine dönüştürülmüştür. Deneyler 1750 d/d sabit hızda ve dört farklı motor yükünde (40 Nm, 60 Nm, 80 Nm ve 100 Nm) gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada kullanılan metanol, 12,19 ve 26 g/d (M12, M19 ve M26) olmak üzere üç farklı kütlesel debide motora gönderilmiş, elde edilen sonuçlar dizel yakıtı ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.  
Yapılan deneysel çalışmada, geleneksel sıkıştırma ile ateşlemeli motorun emme manifolduna bir benzin enjektörü takılarak, düşük reaktiviteli yakıt olan metanol püskürtülmüş ve RCCI yanma moduna dönüştürülmüştür. Deneylerde, emme havasına metanol püskürtmenin yanma özellikleri (silindir basıncı, ısı dağılım oranı, kümülatif ısı dağılımı, basınç artış oranı, tutuşma gecikmesi, yanma süresi), motor performans parametreleri (özgül yakıt tüketimi, özgül enerji tüketimi, volümetrik verim) ve emisyonlar (HC, NOx, CO2, O2 ve is) üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Deneyler sonucunda, kullanılan metanol oranının artmasıyla birlikte basınç artış oranı değerinin vuruntu limitini geçtiği tespit edilmiştir ve özgül yakıt tüketimi artmıştır. Motor yükü arttıkça maksimum silindir basınçlarının ve basınç artış oranlarının arttığı, maksimum ısı dağılım oranının ise azaldığı görülmektedir. Minimum tutuşma gecikmesi M12 yakıtı ile 40 Nm'de, 5,63 krank mili açısında meydana gelirken, maksimum tutuşma gecikmesi M26 yakıtı ile 80 Nm'de 15,12 krank mili açısında meydana gelmiş olup motor yükü arttıkça artan bir eğilim göstermektedir. En yüksek yanma süresi M26 yakıtıyla 100 Nm torkta elde edilirken, en düşük yanma süresi aynı yakıtla 40 Nm'de elde edilmiştir. Genel olarak artan yükle azalma eğilimi gösteren özgül yakıt tüketimi için minimum değer geleneksel dizel yakıtı için 100 Nm'de 231,11 g/kWh olurken, en yüksek değeri M21 yakıtı ile 40 Nm'de 350,49 g/kWh olmuştur. Özgül enerji tüketimi minimum değere 100 Nm'de geleneksel dizel yakıtı ile 9,82 MJ/kWh ile elde edilirken, en yüksek değere ise 40 Nm'de M26 yakıtı ile 12,54 MJ/kWh değeri hesaplanmıştır. Metanol oranı arttıkça NOx ve CO2 emisyonlarında önemli iyileşmeler gözlenirken, HC ve O2 emisyonlarında artış görülmüştür. İs emisyonu ise düşük yüklerde azalırken, yüksek yüklerde artma eğilimi göstermiştir.

Abstract:
The increase in human population and the number of vehicles worldwide has led to a rise in emission pollution, negatively impacting human health and the environment. These pollutant emissions cause the accumulation of greenhouse gases and particulates in the atmosphere, contributing to critical issues such as climate change and air pollution. RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) engines, which combine the advantages of diesel and gasoline engines, represent an innovative low-temperature combustion concept that provides cleaner and more efficient combustion. This concept involves the use of at least two different types of fuels: one with high reactivity and the other with low reactivity.
In this study, methanol, an alcohol fuel known for its high octane rating, was used as the low-reactivity fuel alongside conventional diesel fuel. A four-cylinder, turbocharged, water-cooled diesel engine equipped with a common-rail fuel injection system was modified to incorporate a new injector in the intake manifold for methanol fuel injection, thereby converting it to the RCCI combustion concept. Experiments were conducted at a constant engine speed of 1750 rpm and four different engine loads (40 Nm, 60 Nm, 80 Nm, and 100 Nm). Methanol was supplied to the engine at three different mass flow rates (12, 19, and 26 g/s, labeled as M12, M19, and M26), and the results were compared with those obtained using diesel fuel.
In the experimental setup, the conventional compression ignition engine was modified by installing a gasoline injector in the intake manifold to inject methanol, a low-reactivity fuel, thus achieving RCCI combustion mode. The effects of methanol injection into the intake air on combustion characteristics (cylinder pressure, heat release rate, cumulative heat release, pressure rise rate, ignition delay, and combustion duration), engine performance parameters (brake specific fuel consumption, brake specific energy consumption, and volumetric efficiency), and emissions (HC, NOx, CO2, O2, and smoke) were examined.
The experimental results indicated that increasing the methanol ratio caused the pressure rise rate to exceed the knock limit and increased brake specific fuel consumption. As engine load increased, maximum cylinder pressures and pressure rise rates also increased, while the maximum heat release rate decreased. The minimum ignition delay was observed with M12 fuel at 40 Nm (5.63 crank angle degrees), while the maximum ignition delay occurred with M26 fuel at 80 Nm (15.12 crank angle degrees), showing a trend of increasing ignition delay with higher engine loads. The longest combustion duration was observed with M26 fuel at 100 Nm, whereas the shortest was recorded with the same fuel at 40 Nm. For brake specific fuel consumption, the minimum value was 231.11 g/kWh at 100 Nm with conventional diesel fuel, while the maximum value was 350.49 g/kWh at 40 Nm with M21 fuel. For brake specific energy consumption, the minimum value was 9.82 MJ/kWh at 100 Nm with conventional diesel fuel, while the maximum value was 12.54 MJ/kWh at 40 Nm with M26 fuel.
As the methanol ratio increased, significant improvements were observed in NOx and CO2 emissions, while HC and O2 emissions increased. Smoke emissions decreased at low loads but tended to increase at higher loads.