Hidrojen yakıtlı buji ateşlemeli bir motorda yakıt püskürtme stratejisinin geliştirilmesi ve optimizasyonu
Development and optimization of fuel injectionstrategy in a hydrogen-fueled spark-ignitionengine
- Tez No: 1021708
- Danışmanlar: PROF. DR. MUAMMER ÖZKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Otomotiv Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Automotive Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, hidrojen yakıtlı buji ateşlemeli bir motorda farklı yakıt püskürtme stratejilerinin motor performansı, yanma karakteristiği ve emisyon oluşumu üzerindeki etkileri test çalışmaları ve modelleme yaklaşımıyla kapsamlı şekilde incelenmiştir. Literatürde yer alan çalışmalar birlikte değerlendirildiğinde, mevcut araştırmaların çoğunlukla belirli çalışma noktalarına ve sınırlı parametre varyasyonlarına odaklandığı; özellikle ikili püskürtme sistemlerinde enjeksiyon zamanlaması, ateşleme stratejisi, hava fazlalık katsayısı ve anormal yanma eğilimlerinin birlikte değerlendirildiği çalışmaların sınırlı olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, geri tepme, erken tutuşma ve kararsız yanma gibi hidrojen yakıtlı motorlara özgü kritik yanma problemlerinin geniş bir motor işletme haritası kapsamında sistematik biçimde incelendiği çalışmaların da oldukça kısıtlı olduğu dikkat çekmektedir. Bu doğrultuda, hidrojen yakıtlı motorlarda farklı çalışma koşullarını kapsayan bütüncül yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Çalışma kapsamında, doğal emişli tek silindirli bir araştırma motoru ve test altyapısı hidrojen yakıtına uygun olacak şekilde dönüştürülmüş; porta yakıt püskürtme (PFI), direkt püskürtme (DI) ve ikili PFI+DI konfigürasyonları için geniş bir motor devri ve yük aralığında test verileriyle haritalama çalışmaları gerçekleştirilmiş ve silindir içi yanma süreçleri detaylı olarak analiz edilmiştir. Test çalışmalarının yanı sıra, bir boyutlu termodinamik motor modeli geliştirilmiş, ölçülen silindir içi basınç verileri ile kalibre edilerek doğrulanmıştır. Bu model aracılığıyla farklı püskürtme stratejilerinin indike termal verim, yanma süresi, cidarlara olan ısı transferi kayıpları ve NO emisyonu üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, hidrojen yakıtlı motorlarda püskürtme stratejisinin performans, verim ve emisyon karakteristiği üzerinde belirleyici bir parametre olduğunu göstermiştir. $\mathrm{H_2}$-PFI konfigürasyonu, homojen karışım yapısı ve fakir çalışma kabiliyeti sayesinde düşük yük koşullarında sıfıra yakın NO emisyonları sağlamaktadır. Ancak hidrojenin düşük yoğunluğu nedeniyle emme havasını yer değiştirmesi ve yüksek yüklerde geri tepme eğilimi, bu konfigürasyonun maksimum yük sınırını kısıtlamaktadır. Buna karşılık, $\mathrm{H_2}$-DI konfigürasyonu, volumetrik verim kaybını ortadan kaldırarak daha yüksek yük bölgelerinde çalışabilmekte ve geniş bir operasyonel zarf sunmaktadır. Bununla birlikte, karışım homojenizasyonunun sınırlı olması nedeniyle lokal zengin bölgeler oluşmakta ve bu durum NO oluşumunu artırabilmektedir. $\mathrm{H_2}$-PFI+DI konfigürasyonu ise performans ve emisyon açısından iki uç strateji arasında dengeli bir geçiş karakteristiği sunmaktadır. Maksimum yanma sıcaklığı ve NO emisyonları incelendiğinde, temel belirleyici parametrenin püskürtme stratejisinin oluşturduğu hava-yakıt oranı ($\lambda$) ve buna bağlı termal koşullar olduğu belirlenmiştir. Genel olarak, tek bir püskürtme stratejisinin tüm çalışma aralığı için optimum olmadığı; düşük yüklerde PFI, orta yüklerde PFI+DI ve yüksek yüklerde DI kullanımını içeren çok modlu bir enjeksiyon yaklaşımının daha uygun olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışma, hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorlarda enjeksiyon stratejilerinin değerlendirilmesine yönelik test ve modelleme tabanlı bütüncül bir yaklaşım sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this study, the effects of different fuel injection strategies on engine performance, combustion characteristics, and emission formation in a hydrogen-fueled spark-ignition engine were comprehensively investigated through experimental studies and modeling approaches. A review of the literature indicates that most existing studies focus on specific operating points and limited parameter variations; in particular, studies addressing interacting parameters such as injection timing, ignition strategy, excess air ratio, and abnormal combustion tendencies simultaneously—particularly in dual-injection systems—remain limited. In addition, it is noteworthy that studies systematically examining critical combustion-related issues specific to hydrogen-fueled engines, such as backfire, pre-ignition, and unstable combustion behavior, over wide operating maps are also quite scarce. Accordingly, there is a need for holistic approaches encompassing various operating conditions in hydrogen-fueled engines. Within the scope of this study, a naturally aspirated single-cylinder research engine and its test infrastructure were modified to operate with hydrogen fuel. Experimental mapping studies were conducted over a wide range of engine speeds and loads for port fuel injection (PFI), direct injection (DI), and dual PFI+DI configurations, and in-cylinder combustion processes were analyzed in detail. In addition to the experimental work, a one-dimensional thermodynamic engine model was developed and validated using measured in-cylinder pressure data. Using this model, the effects of different injection strategies on indicated thermal efficiency, combustion duration, wall heat transfer losses, and NO emissions were comparatively evaluated. The results demonstrate that the injection strategy is a key parameter influencing performance, efficiency, and emission characteristics in hydrogen-fueled engines. The $\mathrm{H_2}$-PFI configuration enables near-zero NO emissions at low load conditions due to its homogeneous mixture formation and lean operation capability. However, the displacement of intake air caused by the low density of hydrogen and the tendency for backfire at higher loads limit the maximum load of this configuration. In contrast, the $\mathrm{H_2}$-DI configuration eliminates volumetric efficiency losses, enabling operation at higher load regions and providing a wider operational envelope. Nevertheless, limited mixture homogenization leads to locally rich regions, which may increase NO formation. The $\mathrm{H_2}$-PFI+DI configuration provides a balanced transition between these two strategies in terms of performance and emissions. Analysis of peak combustion temperature and NO emissions indicates that the primary governing parameter is the air–fuel ratio ($\lambda$), which is strongly influenced by the injection strategy, and the associated thermal conditions. Overall, no single injection strategy is optimal across the entire operating range; instead, a multi-mode injection approach—employing PFI at low loads, PFI+DI at medium loads, and DI at high loads—is found to be more suitable. This study presents a comprehensive experimental and modeling-based framework for evaluating injection strategies in hydrogen-fueled internal combustion engines.
Benzer Tezler
- Farklı sıkıştırma oranlarındaki buji ateşlemeli bir motorda doğalgaz ve doğalgaz - hidrojen karışımlarının yakıt olarak kullanılmasının araştırılması
Investigation of the use of natural gas and natural gas - hydrogen mixtures as a fuel in a si engine at different compression ratios
SELİM TANGÖZ
Doktora
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAFİZ KAHRAMAN
- Fuzel yağının buji ile ateşlemeli bir motorda yakıt karışımı olarak kullanılmasının motor performansı ve emisyonlara etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of using fusel oil as fuel blend in a spark ignition engine on engine performance and emissions
ALPER CALAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Teknik EğitimGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAKUP İÇİNGÜR
- Buji ile ateşlemeli motorlarda hidrojen yakıtı kullanılmasının motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkisinin deneysel analizi
Experimental analysis of the effect of using hydrogen as a fuel on engine performance and exhaust emissions on spark ignition engines
HACI MUSTAFA YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. İHSAN BATMAZ
- Ağır Hizmet Tipi Araçlar İçin Turboşarjlı Hidrojen Yakıtlı Buji Ateşlemeli Motorun 1-Boyutlu Yanma Modellemesi
1-dimensional combustion modeling of a hydrogen powered turbocharged spark-ignition engine for heavy-duty vehicles
GÖKAY TAVŞANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL ABUŞOĞLU
- İçten yanmalı bir motorda hidrojenle zenginleştirilmiş metanol-benzin karışımlarının performans ve emisyona etkisinin deneysel incelenmesi
Experi̇mental investigation of performance and emissions of hydrogen-enriched metanol-gasoline blends in internal combustion engines
MURAT TAŞTAN
Doktora
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER YILMAZ