Reaktivite kontrollü sıkıştırma ile ateşlemeli (RCCI) bir motorda doğalgaz-hidrojen-dizel kullanımının yanma karakteristiklerinin ve emisyonlara etkisinin sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, Reaktivite Kontrollü Sıkıştırma ile Ateşleme (RCCI) prensibiyle çalışan bir motorda Doğalgaz, Hidrojen ve Dizel yakıt kombinasyonlarının yanma karakteristikleri ve egzoz emisyonları üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmada, tek silindirli Lombardini 3 LD 510 dizel motoru referans alınarak CONVERGE CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yazılımı ile üç boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar, 1800 d/d sabit motor devrinde ve 23.1 Nm tork yükü altında; %100 Dizel, %20 Doğalgaz (NG), %20 Hidrojen (H₂) ve bu yakıtların farklı karışım oranlarını (%5 H₂-%15 NG, %10 H₂-%10 NG, %15 H₂-%5 NG) içeren altı farklı senaryo için yürütülmüştür. Elde edilen simülasyon verilerine göre; porttan enjekte edilen hidrojen oranının artırılması, laminer alev hızını ve yanma verimini artırarak silindir içi tepe basıncını ve maksimum yanma sıcaklığını yükseltmiştir. Basınç analizlerinde, hidrojen katkılı senaryoların saf dizele kıyasla yanma fazlamasını öne çektiği ve yaklaşık 7 MPa tepe basınca ulaştığı görülmüştür. Emisyon sonuçları incelendiğinde; hidrojenin karbon içermeyen yapısı ve yüksek oksidasyon kabiliyeti sayesinde, %20 H₂ senaryosunda İs (Kurum), Karbonmonoksit (CO) ve Karbondioksit (CO₂) emisyonlarında referans dizel senaryosuna göre belirgin bir azalma kaydedilmiştir. Özellikle İs emisyonlarındaki düşüş, RCCI stratejisinin dizel motorlardaki kurum problemini çözme potansiyelini doğrulamıştır. Buna karşılık, hidrojenin neden olduğu yüksek silindir içi sıcaklıklar (2000-2400 K aralığı), termal NOx (Azot Oksit) oluşum mekanizmasını tetikleyerek NOx emisyonlarını artırmıştır. %100 Dizel senaryosu en düşük NOx değerini verirken, en yüksek Türbülans Kinetik Enerjiyi ve CO emisyonunu üretmiştir. Doğalgaz (CNG) katkısı ise yanmayı nispeten yavaşlatarak sıcaklıkları kontrol altında tutmuş, ancak yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonlarında kısmi artışlara neden olmuştur. Sonuç olarak bu çalışma, RCCI modunda hidrojen ve doğalgaz kullanımının motor verimini artırma ve karbon kökenli emisyonları düşürme potansiyelini ortaya koyarken, artan NOx emisyonları için EGR gibi ek kontrol stratejilerinin gerekliliğini sayısal verilerle kanıtlamıştır.In this thesis study, the effects of Natural Gas, Hydrogen, and Diesel fuel combinations on combustion characteristics and exhaust emissions in an engine operating on the Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) principle were numerically investigated. In the study, three-dimensional analyses were performed using CONVERGE CFD (Computational Fluid Dynamics) software, referencing a single-cylinder Lombardini 3 LD 510 diesel engine. Simulations were conducted for six different scenarios containing 100% Diesel, 20% Natural Gas (NG), 20% Hydrogen (H₂), and various mixture ratios of these fuels (5% H₂-15% NG, 10% H₂-10% NG, 15% H₂-5% NG) at a constant engine speed of 1800 rpm and under a torque load of 23.1 Nm. According to the obtained simulation data, increasing the ratio of port-injected hydrogen increased the laminar flame speed and combustion efficiency, thereby raising the peak in-cylinder pressure and maximum combustion temperature. In the pressure analyses, it was observed that hydrogen-enriched scenarios advanced the combustion phasing compared to pure diesel and reached a peak pressure of approximately 7 MPa. When emission results were examined, thanks to hydrogen's carbon-free structure and high oxidation capability, a significant reduction was recorded in Soot, Carbon Monoxide (CO), and Carbon Dioxide (CO₂) emissions in the 20% H₂ scenario compared to the reference diesel scenario. In particular, the decrease in Soot emissions confirmed the potential of the RCCI strategy to solve the soot problem in diesel engines. Conversely, high in-cylinder temperatures (2000-2400 K range) caused by hydrogen triggered the thermal NOx (Nitrogen Oxide) formation mechanism, increasing NOx emissions. The 100% Diesel scenario yielded the lowest NOx value, while producing the highest Turbulent Kinetic Energy and CO emissions. Natural Gas (CNG) addition, on the other hand, relatively slowed down combustion, keeping temperatures under control, but caused partial increases in unburned hydrocarbon (HC) emissions. Consequently, this study numerically demonstrated the potential of using hydrogen and natural gas in RCCI mode to increase engine efficiency and reduce carbon-based emissions, while proving the necessity of additional control strategies such as EGR for increased NOx emissions with numerical data.