Hidrojen Zenginleştirilmesinin Benzinli Motorlar Üzerindeki Etkilerinin Sayısal Analizi

Abstract

ANSYS Fluent 2024 R1'de dört zamanlı kıvılcım ateşlemeli bir motorun iki boyutlu bir kesitine entegre bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve kimyasal kinetik çerçevesi uygulanarak, 2000 dakikadaki devir sayısında (rpm) 360o –1080o krank açısı (KA) döngüsü boyunca silindir içi yanma ve emisyonlar üzerinde hidrojen zenginleştirmesinin (%0, %5, %10, %20, %30 hacimce) silindir içi yanma ve emisyonlar üzerindeki etkilerini araştırmak için uygulanmıştır. Yakıt olarak tanımlanan 54 tür ve 269 reaksiyondan oluşan bir CHEMKIN mekanizması benzin yerine ikame yakıt olarak n-heptan karakterize edilmiştir. Türbülans (k-ε ve k-ω) ve radyasyon modelleri (P1 ve Rosseland) karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, hidrojen içeriğindeki artışın, silindir içi sıcaklıkların zirve değerlerinde ve hız zirvelerinde karşılık gelen bir artışa neden olduğunu göstermektedir. CO ve kurum emisyonları sırasıyla %70 ve %43'ün üzerinde azalırken, yüksek yanma sıcaklıkları nedeniyle termal NOₓ emisyonlarında yaklaşık %85 artış görülmüştür. K-ε ve Rosseland modeli, incelenen koşullar altında türbülanslı karışma ve radyasyon kayıplarını en iyi şekilde temsil ettiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ayrıca, %20 H2 karışımının CO ve kurumda neredeyse optimal bir azalma sağlarken, NOₓ'da kabul edilebilir bir artışa neden olduğunu ve bunun yanma verimliliğindeki artış ile emisyon dezavantajları arasında iyi bir denge sağladığını göstermektedir. Bu tezin sonuçları, motorlarda H2 benzin çift yakıt stratejileri için nicel göstergeler sunmakta ve ayrıca hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tahminleri için doğru fiziksel modellerin seçimini ortaya koymaktadır.

An integrated computational fluid dynamic (CFD) and chemical kinetics framework is applied to a two dimensional section of a four stroke spark ignition (SI) engine in ANSYS Fluent 2024 R1 to investigate the effects of H₂ enrichment (0 %, 5 %, 10 %, 20 %, 30 % by volume) on in-cylinder combustion and emissions over a full 360o –1080o crank angle (CA) cycle at 2000 revolutions per minute (rpm). A CHEMKIN mechanism of 57 species and 269 reactions defined as fuel, characterizes gasoline as a surrogate fuel. Turbulence closures (k-ε & k-ω) and radiation treatments (P1 & Rosseland) are compared. The results obtained demonstrate that an increase in H2 content results in a corresponding increase in peak in cylinder temperatures and velocity peaks. The CO and soot emissions are reduced by over 70% and 43%, respectively, while there is an approximate 85% increase in thermal NOₓ emissions due to elevated combustion temperatures. The k-ε model and the Rosseland approximation are determined to best represent turbulent mixing and radiative losses under the studied conditions. The results also show that a 20% H₂ blend results in almost optimal reduction of CO and soot with an acceptable increase in NOₓ that is a good balance of the combustion efficiency improvement and emission disadvantages. The results of this thesis give quantitative indications for H₂ gasoline dual fuel strategies in engines and also reveal the choosing the correct physical models for accurate CFD predictions.