A Numerical Study for Different Humidity Ratios of Intake Air in A CNG Engine about the Effects on the Performance and Emission Values.


Ekin F. , Özsoysal O. A.

INTERNATIONAL CONGRESS ON ENGINEERING AND LIFE SCIENCE, Kastamonu, Türkiye, 11 - 14 Nisan 2019, ss.1-11

  • Basıldığı Şehir: Kastamonu
  • Basıldığı Ülke: Türkiye
  • Sayfa Sayıları: ss.1-11

Özet

Son zamanlarda dünya üzerinde mevcut akaryakıt rezervlerinde ki düşüş ve maliyetlerinin artması sonucu bilim insanları benzin ve dizel yakıtlarına alternatifler bulmaya çalışmışlardır. Bu alternatif yakıtların en önemlisi şüphesiz doğalgaz yakıtıdır. Hem dünya üzerinde rezervinin fazla olması hem de ekonomik olması doğalgazı cazip hale getirmiştir. Ayrıca çevreci bir yakıt olması ile de daralan emisyon standartlarını karşılamasından dolayı son derece önem kazanmıştır. Bu çalışma, İstanbul Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi Motorlar Laboratuvarında mevcut olan ve üzerinde deneysel çalışmalar yapılmış dört silindirli turbo şarjlı dört zamanlı bir dizel motorunun, otto çevrim prensibiyle tamamen doğalgaz yakıt ile çalışan bir gaz motoruna dönüştürülmesini içermektedir. Dizel motoru bir HAD (AVL Fire) programı yardımıyla sayısal olarak modellenmiş ve elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırılarak modelin doğrulama çalışması yapılmıştır. Daha sonra dizel motoru ile çalışma koşullarında dizel yakıtının sahip olduğu bağ enerjisine karşılık gelen doğalgaz yakıt miktarı hesaplanarak farklı sıkıştırma oranlarında (10, 11, 12, 13, 14, 15 ve 16) kuru emme havası ve motorun doğal emişli olarak kabulüyle motor dönüşümü yapılmıştır. Farklı sıkıştırma oranlarında gerçekleşen analizlerde belli referans ateşleme avanslarında (20 CA, 25 CA ve 30 CA BTDC) en fazla performans değerine sahip olan durum belirlenmiş ve vuruntu eğilimleri yazılan bir Python kodu ile kontrol edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre sıkıştırma oranının 16 değerinde hem yüksek performans değeri görülmüş hem de vuruntu probleminin olmadığı saptanmıştır. Bu aşamadan sonra emme havasının spesifik nem oranı farklı oranlarda arttırılarak (%1, %3, %5, %7, %10, %15, %20, %25 ve %30) emisyonlar açısından en uygun olan sonuçlar incelenmiştir. Sonuçlara göre sıkıştırma oranının arttırılması termal verimin artmasına, yanma veriminin iyileşmesine neden olurken vuruntu eğilimini de arttırmaktadır. Spesifik nem oranının artışı silindir içi bölgesel sıcaklıkları düşürdüğünden dolayı NOx emisyonları açısından son derece etkili olmuştur. Ancak düşen sıcaklıklar performans değerlerini de düşürmüştür. Nem oranının %25 değerinden sonra arttırılması performans değerlerini büyük ölçüde kötüleştirdiğinden dolayı ideal spesifik nem oranı için bu sınırın aşılmaması gerektiği anlaşılmıştır. Hem performans hem de emisyon değerleri birlikte düşünüldüğünde spesifik nem oranının %20 değeri en optimum sonuçlar vermiştir. Güç değerinde yaklaşık %12.5 değer kaybına karşılık NOx emisyonlarında yaklaşık %92.7 oranında iyileşme sağlamıştır. PM emisyonlarında ise yaklaşık %60.5 oranında daha düşük sonuçlar göstermiştir.

In recent years, as a result of the decrease in fuel reserves in the world and increasing costs, scientists have tried to find alternatives to gasoline and diesel fuels. The most important of these alternative fuels is undoubtedly natural gas fuel. Because of its high global reserve and economic fuel, natural gas has become attractive. In addition, it has become very important because it meets the emission standards that are constantly shrinking due to being a green fuel. This study involves the conversion of a four-cylinder turbocharged four-stroke diesel engine, which is available in the Istanbul Technical University Mechanical Engineering Faculty Laboratory, to a completely natural gas-fueled gas engine that works with Otto-cycle principle. Diesel engine was modeled numerically with the help of a CFD (AVL Fire) program and the results were compared with experimental results and validation study of the model was done. Then, the amount of natural gas fuel corresponding to the bond energy of diesel fuel as energy under diesel engine operating conditions was calculated. At different compression ratios (10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16), engine conversion was made with the acceptance of dry intake air and the engine being considered as natural suction. In the analyzes carried out at different compression ratios, the situation with the highest performance values in certain reference ignition advances (20 CA, 25 CA and 30 CA BTDC) was determined and the knock tendencies were checked with a written Python code. According to the results, at the 16 compression ratio values, both high performance values and no knock problems were observed. After this stage, the specific moisture content of the intake air was increased in different proportions (1%, 3%, 5%, 7%, 10%, 15%, 20%, 25% and 30%) and the most suitable results in terms of emissions were examined. According to the results, increasing the compression ratio rised the thermal efficiency, improved the burning efficiency and triggered the tendency to knock. The increment in specific humidity was highly influential in NOx emissions as it reduced the in-cylinder regional temperatures. However, falling temperatures reduced performance values. Since the increment in humidity ratio upper 25% significantly worsens the performance values, that limit should not be exceeded for the ideal specific humidity ratio. When both performance and emission values were considered together, 20% of the specific humidity rate was optimal. There was a 12.5% depreciation of the power value, while the NOx emissions improved by about 92.7%. In PM emissions, it showed about 60.5% lower results.