Hidrojen Kullanılan Ortak Hat Yakıt Püskürtme Sistemli Bir Dizel Motorda Çevrimsel Yanma Değişimlerinin Araştırılması

Öz

Bu çalışmada, yüksek basınçlı yakıt püskürtme teknolojisine sahip dört silindirli bir dizel motorda hidrojen gazı emme kanalından fumigasyon yöntemiyle silindirlere verilerek sabit devirde (1750 d/dak) iki farklı motor yükünde (60 Nm ve 100 Nm) test edilmiştir. Hidrojen debisi, dakikada 10 litreden (H10) 50 litreye (H50) kadar 10 l/dak’lık artışlarla değiştirilmiştir. Yapılan yanma analizinde 200 çevrim için standart sapma ve çevrimsel değişim katsayıları incelendiğinde; 100 Nm’de krank açısına bağlı olarak silindir basıncında en az çevrimsel değişim H30 ve H40 oranlarında elde edilmiştir. Test motoru, düşük yükte çalıştırıldığında artan hidrojen miktarıyla birlikte maksimum silindir basıncının ve maksimum yanma sıcaklığının tüm çevrimlerde daha erken oluştuğu belirlenmiştir. 60 Nm’de en yüksek silindir basıncı H50 ile 365o krank açısında 82,97 bar, 100 Nm’de dizel ile 374o krank açısında 109,32 bar olarak belirlenmiştir. Düşük motor torkunda, H20 ile 375o krank açısında 38,01 J/o olarak elde edilen ısı dağılım oranı, yüksek torkta H50 ile 377o krank açısında 70,39 J/o olarak elde edilmiştir. Maksimum ısı dağılımı oranı değerleri tüm çevrimler için düşük yükte 371-377o krank açısı aralığında değişirken, tork artışıyla birlikte değerler daha geniş bir krank açısı aralığında (370-379o krank açısı) elde edilmiştir. En yüksek yanma sıcaklıkları, düşük yükte H20 ile 390o krank açısında 1571 K değerinde elde edilirken, yüksek torkta 392o krank açısında H50 ile 2449 K değerinde elde edilmiştir. Aynı zamanda, 200 çevrim boyunca en yüksek sıcaklıklar düşük yükte 388-392o krank açısı aralığında değişirken, yüksek yükte daha geniş krank açısı aralığında (386-393o krank açısı) değişmiştir. Ortalama indike basınç ve maksimum silindir basıncı için çevrimsel değişim katsayıları 100 Nm’de H50 çalışması haricinde tüm çalışma koşulları için %3’ün altında kalmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, belirli çalışma şartları altında hidrojenin ortak hatlı dizel motorda çevrimsel değişimlerin azalmasına katkı sağladığı tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Hidrojen
• Çevrimsel değişim
• Yanma
• Dizel

Kaynakça

1. [1] V. Chintala and K.A. Subramanian, “A comprehensive review on utilization of hydrogen in a compression ignition engine under dual fuel mode,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol.70, pp. 472-491, 2017.
2. [2] M. Akçay, İ.T. Yılmaz, A. Feyzioğlu, ve S. Özer, “Sıkıştırma ile ateşlemeli bir motora hidrojen ilavesinin egzoz emisyonlarına etkisi,” Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Sayı. 34(3), ss. 21-34, 2019.
3. [3] J. Kim, K.M. Chun, S. Song, H.K. Baek, and S. W. Lee, “Hydrogen effects on the combustion stability, performance and emissions of a turbo gasoline direct injection engine in various air/fuel ratios,” Applied Energy, vol. 228, pp. 1353-1361, 2018.
4. [4] İ. T. Yilmaz, “The effect of hydrogen on the thermal efficiency and combustion process of the low compression ratio CI engine,” Applied Thermal Engineering, Vol. 197, 117381, 2021.
5. [5] L.M. Das, “Fuel induction techniques for a hydrogen operated engine,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 15 no.11, pp. 833-842, 1990.
6. [6] M.S. Kumar, “Use of hydrogen to enhance the performance of a vegetable oil fuelled compression ignition engine.” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 28, 1143-1154, 2003.
7. [7] P. Kyrtatos, C. Brückner, and K. Boulouchos, Cycle-to-cycle variations in diesel engines, Applied Energy, vol. 171, pp. 120-132, 2016.
8. [8] M.Y.E. Selim, “Effect of engine parameters and gaseous fuel type on the cyclic variability of dual fuel engines,” Fuel, vol. 84 no7-8, pp. 961-71, 2005.

9. [9] Y. Wang, F. Xiao, Y. Zhao, D. Li, and X. Lei, “Study on cycle-by-cycle variations in a diesel engine with dimethyl ether as port premixing fuel,” Applied Energy, vol. 143, pp. 58-70, 2015.
10. [10] M.A. Ceviz and F. Yüksel, “Effects of ethanol-unleaded gasoline blends on cyclic variability and emissions in an SI engine,” Applied Thermal Engineering, vol. 25, pp. 917-925, 2005.
11. [11] Q. Wang, B. Wang, C. Yao, M. Liu, T. Wu, H. Wei, and Z. Dou, “Study on cyclic variability of dual fuel combustion in a methanol fumigated diesel engine,” Fuel, vol. 164, pp. 99-106, 2016.
12. [12] Z. Wang, X. Fu, D. Wang, Y. Xu, G. Du, and J. You, “A multilevel study on the influence of natural gas substitution rate on combustion mode and cyclic variation in a diesel/natural gas dual fuel engine,” Fuel, vol. 294, 120499, 2021.
13. [13] N. Saleem, S.K. Gugulothu, R.V. Reddy, B. Bhasker, and J.K. Panda, “Exploration of engine characteristics in a CRDI diesel engine enriched with hydrogen in dual fuel mode using toroidal combustion chamber,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 47, no.26, pp. 13157-13167, 2022.
14. [14] W.B. Santoso, R.A. Bakar, S. Ariyono, and N. Cholis, “Study of cyclic variability in diesel-hydrogen dual fuel engine combustion,” International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, vol. 12, no.4, pp. 52-56, 2012.
15. [15] G.K. Lilik, H. Zhang, J. M. Herreros, D.C. Haworth, and A.L. Boehman, “Hydrogen assisted diesel combustion,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 35, no.9, pp. 4382-4398, 2010.
16. [16] J.H. Zhou, C.S. Cheung, W.Z. Zhao, and C.W. Leung, “Diesel-hydrogen dual-fuel combustion and its impact on unregulated gaseous emissions and particulate emissions under different engine loads and engine speeds,” Energy, vol.94, pp. 110-123, 2016.
17. [17] S.K. Gupta and M. Mittal, “Effect of compression ratio on the performance and emission characteristics, and cycle-to-cycle combustion variations of a spark-ignition engine fuelled with bio-methane surrogate,” Applied Thermal Engineering, vol. 148, pp. 1440-1453, 2019.
18. [18] T. Tsujimura and Y. Suzuki, “The utilization of hydrogen in hydrogen/diesel dual fuel engine,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, no.19, pp. 14019-14029, 2017.
19. [19] G.X. Li and B.F. Yao. Nonlinear dynamics of cycle-to-cycle combustion variations in a lean-burn natural gas engine. Applied Thermal Engineering, vol. 28, pp. 611-620, 2008.
20. [20] S. Nag, A. Dhar, and A. Gupta. “Hydrogen-diesel co-combustion characteristics, vibro-acoustics and regulated emissions in EGR assisted dual fuel engine,” Fuel, vol. 307, 121925, 2022.