Ozon gazının dört zamanlı motorlarda güç ve yakıt verimine etkisi

Tezin Adı
: Ozon gazının dört zamanlı motorlarda güç ve yakıt verimine etkisi / The
effects of ozone gas on power and fuel efficiency of four stroke engines
Yazarı
: Samet ŞAHİN
Yılı
: 2011
Danışman Adı-Soyadı: Doç.Dr.Murat KÖKSAL/Prof.Dr.Abdurrahman TANYOLAÇ
Öz
: Bu tez çalışmasında, ozonun dört zamanlı içten yanmalı benzinli ve dizel
motorlara beslenerek, etkin güç, etkin özgül yakıt tüketimi ve özgül emisyon parametrelerine
olan etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Ozonun seçilen motorların karakteristik özelliklerine olan etkisini incelemek için değişken iki
ana parametre belirlenmiştir. Bu parametreler; motor girişinde hava ile beslenen ozonun
kütlesel akış hızı (g/saat) ile motorun devir hızıdır (devir/dakika). Bu parametrelere
dayanılarak, ozon besleme aralığı 0-25 g/saat, motorların çalışma aralıkları ise 2200-2800
devir/dakika sınır değerlerinde seçilmiş ve belirlenen her bir devir hızı için ozonsuz ve beş farklı
ozon besleme akış hızı kullanılarak deney setleri hazırlanmıştır. Hazırlanan deney setleri ile
birim hacimde (18.08 cm3) yakıtın tükenme süresi (s), tork (N.m), egzoz gazı emisyonları (CO,
CO2, HC, Lamda), egzoz çıkış sıcaklığı (K), yakıt sıcaklığı (K), silindir içi basınç (bar), ozon
besleme akış hızı (gram/saat), atmosferik sıcaklık (°C) ve basınç (bar) değerleri ölçülerek,
kütlesel yakıt akış hızı (kg/s), toplam kütlesel hava akış hızı (kg/s), etkin güç (W), ortalama etkin
basınç (kPa), hacimsel verim, termal verim, yakıt/hava oranı ve ısı kaybı (kW) hesaplanmıştır.
Deney sonuçlarının daha iyi değerlendirilmesi açısından her noktada deneyler üçer, üç boyutlu
grafiklerin çizilmesi amacıyla kullanılan Desing-Expert 8.0.4 (Deneme Sürümü) programı için
analiz yönteminin gerekliliği olarak benzinli motorda 2500 devir/dakika da gerçekleştirilen tüm
deneyler ise beşer kez tekrarlanmıştır.
Motor ısındıktan sonra ilk olarak motor girişine hiç ozon beslemeden (ozon üretim
sisteminden kuru hava geçiyor iken) deney yapılmış daha sonra ozon miktarı kademeli olarak
değiştirilip sisteme beslenerek deneyler gerçekleştirilmiştir. Motorun hava girişine beslenen
ozonun besleme akış hızı kütlesel akış metre kullanılarak kaydedilmiştir.
Motorlar için tork, egzoz çıkış ve yakıt sıcaklık verileri motor test sistemi üzerinde bulunan
dinamometre motoru sayesinde ölçülmüş, silindir içi basınç değerleri ise motora bağlı basınç
algılayıcısı tarafından kaydedilmiştir. Yakıt tüketimi, yakıt ölçüm tüpü kullanılarak birim
hacimde tükenen yakıt miktarının zamana karşı kaydedilmesi ile ölçülmüştür. Egzoz gazı
emisyonları gaz analizörü tarafından diğer tüm verilerle eş zamanlı olarak ölçülerek motorun
performans parametreleri ile emisyon değerlerinin eşit şartlarda yorumlanması
amaçlanmıştır.
Benzinli motor %50 kelebek açıklığında çalışırken gerçekleşen deneyler sonucunda ozonun,
yakıt üzerinde meydana getirdiği değişiklikle yanma verimini arttırdığı ancak tam yükte
çalışırken ozon beslendiğinde motorun birçok noktasında vuruntuya neden olduğundan motor
parametreleri üzerinde olumlu bir etki yapmadığı görülmüştür.
Dizel motor tam yükte çalışırken gerçekleştirilen deneylerde, motor performans
parametrelerine bakılmış ve ozon miktarının dizel motor üzerinde negatif yönde etki ettiği
görülmüştür. Ozonun dizel motorlarda yarattığı etkinin benzinli motorlara göre farklılık
göstermesi dizel motorun çalışma prensibi ile ilişkilendirilmiştir.
Dört zamanlı içten yanmalı benzinli ve dizel motorlarda ozonun doğrudan yanma reaksiyonuna
katılımından ziyade, eylemsiz yakıt üzerinde meydana getirdiği değişiklikler, performans artışı,
yakıt verimi ile emisyon iyileştirmelerinin incelediği bu çalışma, özellikle benzinli motorlarda
ozon uygulamasının doğru ölçeklendirilmesi ve yüksek enerji verimli ozon jeneratörlerinin
uygulamaya adapte edilebilmesi ile hedeflenen amaca ulaşılabileceğini göstermektedir.
Abstract
: In this research, it is aimed to study the effects of ozone when fed into
four-stroke internal combustion gasoline and diesel engines on the break power, break
specific fuel consumption and on the specific emission parameters.
Two main parameters are specified to examine the effects of ozone gas on characteristic
features of the chosen engines. These parameters are: the mass flow rate of ozone fed with
air at the inlet of the engine (g/h) and the speed of the engine (rev/min). Based on these
parameters, the minimum and maximum ozone feed flow rate was chosen as 0-25 g/h and
the minimum and maximum operating range of the engine was chosen as 2200-2800 rev/min.
Sets of experiments were prepared for each and every speed; one without using any ozone
and five by using different feed mass flow rate of ozone. By using these sets of experiments ,
the time of combustion of the fuel per unit volume (18.08 cm3) (s), torque (Nm), exhaust gas
emissions (CO, CO2, HC, lambda), exhaust gas temperature (K), fuel temperature (K), incylinder pressure (bar), the mass flow rate of ozone (g/h), atmospheric temperature (°C) and
pressure (bar) are measured and by using these the parameters of the mass fuel flow rate
(kg/s), the total mass air flow rate (kg/s), brake power (W), mean effective pressure (kPa),
volumetric efficiency, thermal efficiency, fuel/air ratio, and heat loss (kW) were calculated.
For a better evaluation of the experimental results, the experiment was repeated three times
at each point and the all experiments required for the analysis method of Desing-Expert 8.0.4
(Trial) program which is used to draw three-dimensional graphics done by using the gasoline
engine at 2500 rpm were repeated five times.
After the engine warmed up at first it is experimented without feeding any ozone to the engine
inlet (while dry air was passing through ozone production system). Then the experiments were
conducted by gradually changing the amount of ozone fed to the system. The ozone mass flow
rates fed to the engine inlet were recorded by using a mass flow meter.
For the engines the torque, exhaust emission and fuel temperature data are measured with
the dynamometer which was placed on the engine test counter, and the values of in cylinder
pressure is recorded by the pressure sensor connected to the motor. Fuel consumption is
measured by using a fuel gauge recording the time and the depleted amount of fuel per unit
volume. By measuring the exhaust gas emissions data simultaneously with all the others using
a gas analyzer, the engine performance parameters and the emission values are aimed to be
interpreted on equal terms.
It was observed that when the gasoline engine is running with 50% throttle opening, the ozone
improves the fuel and increase the efficiency of the fuel combustion. However; if the ozone
was fed while the gasoline engine was running at full load, it was observed that it caused
knocks at multiple points of the engine, therefore did not have a positive effect on engine
parameters.
Experiments carried out on diesel engine while running at full load, the engine performance
parameters were evaluated and observed that the feed flow rate of ozone affected the diesel
engine in a negative way. The cause of different effects of ozone on gasoline engines and
diesel engines was associated with the diesel engine operating principles.
This research not only studies the direct feeding of the ozone into combustion reaction at
four-stroke internal gasoline and diesel engines but also examines the changes in the inertial
fuel, increase in performance, fuel efficiency and also studies emissions improvements. This
research shows that especially in gasoline engines if the correct scaling of application of ozone
can be done and high energy-efficient ozone generators can be adapted to the application is
possible to attain to the aimed benefits.