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
- Tez No: 1016370
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞEGÜL ABUŞOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Ulusal ve uluslararası düzeyde daha disiplinli ve sıkı yasal kontrol mekanizmalarıyla desteklenen iklim politikaları ve buna bağlı olarak ağır hizmet taşımacılığında artan karbonsuzlaşma baskısı, diesel motorlara dayalı geleneksel çözümlerden düşük veya neredeyse sıfır emisyonlu motorlara geçişi zorunlu kılmaktadır. Bataryalı elektrikli araçlar ve yakıt pilli sistemler orta ve uzun vadede önemli birer potansiyel sunmakla birlikte, altyapı gereksinimleri, ilk yatırım maliyetleri, enerji depolama kapasiteleri, dolum ve şarj süreleri ile operasyonel esneklik bakımından özellikle ağır hizmet tipi araç segmentinde önemli kısıtlamalar içermektedir. Bu çerçevede hidrojenle çalışan içten yanmalı motorlar, mevcut araç platformları ve üretim altyapısıyla uyumluluğu, yüksek güç ve menzil kabiliyeti, hidrojen altyapısının kademeli gelişimine uyum sağlayabilmesi ve görece düşük dönüşüm maliyeti ile enerji geçişi döneminde köprü teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Ancak, hidrojenin yüksek laminer alev hızı, geniş tutuşma sınırları, düşük yoğunluğu, yüksek difüzyon kabiliyeti ve kendine özgü ısıl özelikleri, hidrojenli buji ateşlemeli motorların kalibrasyon sürecinde güvenilir yanma modellerine duyulan ihtiyacı önemli ölçüde artırmaktadır. Bu nedenle, deneysel çalışmalarla desteklenen, kestirimsel ve sayısal olarak güvenilir yanma modellerinin geliştirilmesi hem otomotiv sanayi hem de bilimsel araştırmalar için kritik bir gereksinim haline gelmiştir. Bu tez kapsamında, ağır hizmet tipi bir taşıtta kullanılan turboşarjlı, buji ateşlemeli bir hidrojen motoru için GT-SUITE ortamında bir boyutlu motor modeli oluşturulmuş ve yanma sürecinin öngörülmesi amacıyla SITurb yanma modelinin geliştirilip kalibre edilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada öncelikle iklim rejimi, Avrupa Birliği ağır hizmet tipi araçlarda CO2 düzenlemeleri ve sera gazı azaltım hedefleri özetlenmiş; hidrojenin enerji sistemi içindeki rolü, farklı üretim yöntemleri, yaşam döngüsü emisyon karakteristikleri ve hidrojenli içten yanmalı motorların ağır hizmet taşımacılığının karbonsuzlaşmasındaki yeri ele alınmıştır. Ayrıca, hidrojenin depolama yöntemleri ve H2ICE teknolojisinin bataryalı elektrikli araçlar ve yakıt pilli sistemler gibi diğer güç aktarma yöntemleriyle teknik ve operasyonel bakımdan karşılaştırılması sunulmuştur. Metodoloji bölümünde kütle, momentum ve enerji korunum denklemleri ile bir boyutlu motor modellemesinin matematiksel altyapısı sunulmuştur. Duyulur ısı salınımı, ısı geçişi ve yanma karakteristiğinin belirlenmesine yönelik temel ilişkiler verilmiş; hidrojenli motorların modellenmesinde kritik parametreler değerlendirilmiştir. Silindir içi basınç verilerinden duyulur ısı salınım oranlarının elde edilmesine yönelik yaklaşım ve ısı geçişi korelasyonları açıklanmıştır. Böylece, GT-SUITE içerisinde kullanılan alt modellerin fiziksel temeli ile tez kapsamında yapılan kalibrasyon adımları arasında tutarlı bir çerçeve oluşturulmuştur. GT-SUITE ortamında modelleme aşamasında, emme ve egzoz hatları, turboşarj bileşenleri, ara soğutucu, silindir içi ısı geçişi, mekanik kayıplar ve sınır koşulları ayrıntılı olarak temsil edilmiştir. Farklı hız ve yük noktalarında çok silindirli hidrojen motoru üzerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalar referans alınmış; bu kapsamda ölçülen silindir içi basınç, emme ve egzoz portu basınçları ile hava ve yakıt debileri temel veri seti olarak kullanılmıştır. Silindir içi basınç ile emme ve egzoz portu basınç ölçümleri kullanılarak Üç Basınç Analizi yöntemi (Three Pressure Analysis, TPA) uygulanmış ve her çalışma noktası için duyulur ısı salınım oranı, gaz değişim süreçlerine ilişkin büyüklükler ve çevrim temelli yanma karakteristikleri elde edilmiştir. TPA sonuçları, SITurb yanma modelinin hedef ısı salınım eğrilerinin tanımlanmasında temel veri seti olarak kullanılmıştır. Böylece kalibrasyon süreci ölçüme dayalı fiziksel çıktılar üzerinden yürütülmüştür. SITurb modeline ait yanma parametreleri, GT-SUITE yazılımının optimizasyon aracı kullanılarak farklı çalışma noktalarında toplam hata fonksiyonunu minimize edecek parametre kümesi elde edilmeye çalışılmıştır. Ayrıca, daha önce oluşturulmuş ampirik SIWiebe yanma modeli de kalibre edilerek, iki yanma modelinin motor performansını tahmin etme kabiliyetleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Böylece, hidrojenli ağır hizmet motorlarında yalnızca ampirik modellerle değil, kestirimsel bir yanma modeliyle çalışmanın sağladığı ek faydalar da ortaya konulmuştur. Elde edilen sonuçlar, oluşturulan bir boyutlu (1D) modelin temel performansı ve ısıl büyüklükleri deneysel verilerle yüksek oranda uyum göstererek tahmin edebildiğini ortaya koymaktadır. SIWiebe ve SITurb yanma modelleri, ortalama tork ve verim tahminlerinde benzer doğruluk düzeyi sunarken, SITurb modelinin özellikle maksimum silindir basıncı, duyulur ısı salınım eğrisinin şekli ve turboşarj hattındaki sıcaklık seviyelerini test sonuçlarına daha yakın öngörebildiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasıyla hidrojenle çalışan ağır hizmet tipi bir motor için GT-SUITE ortamında kalibre edilmiş, TPA tabanlı bir boyutlu motor modeli ve kestirimsel SITurb yanma modeli geliştirilmiş; bu modelin ampirik SIWiebe yaklaşımına göre sağladığı avantajlar kapsamlı biçimde ortaya konulmuştur. Geliştirilen model, hidrojenli motorlarda kalibrasyon süresinin kısaltılması, farklı çalışma noktalarındaki yanma davranışının hızlıca değerlendirilmesi, sınır koşullarındaki değişimlere duyarlılığın incelenmesi ve gelecekte yapılacak turboşarj, egzoz gazı geriçevrimi ve optimizasyon çalışmalarına sayısal bir temel sunması açısından önemli bir mühendislik aracı niteliği taşımaktadır. Bu tez çalışmasında ortaya konan metodolojinin, metan, amonyak ve e-yakıt gibi alternatif yakıtlarla çalışan içten yanmalı motorların sayısal modellemesi için de uygulanabilir bir çerçeve sunması, ağır hizmet taşımacılığının karbonsuzlaşmasına yönelik simülasyon tabanlı geliştirme çalışmalarına rehberlik etmesi, sanayi ve akademi iş birliklerine ve gelecekte yapılacak çok yakıtlı, hibrit güç aktarma organı araştırmalarına katkı sağlaması umulmaktadır.
Özet (Çeviri)
Stricter climate policies and legal controls at national and international levels are increasing pressure to decarbonize heavy-duty transportation. This shift requires moving from traditional diesel engines to low- or near-zero-emission alternatives. Although battery-electric vehicles and fuel cell systems show promise for the future, they face challenges in the heavy-duty sector, including infrastructure requirements, high initial costs, limited energy storage, longer refuelling and charging times, and reduced operational flexibility. Hydrogen-powered internal combustion engines offer a practical bridge during the energy transition. They are compatible with current vehicle platforms and production systems, provide high power and range, can adapt to evolving hydrogen infrastructure, and involve relatively low conversion costs. However, hydrogen's combustion characteristics create a greater need for reliable combustion models in calibrating hydrogen spark-ignition engines. As a result, developing predictive, robust combustion models supported by experimental research is now essential for both the automotive industry and the scientific community. This thesis develops a one-dimensional engine model in the GT-SUITE environment for a turbocharged, spark-ignition hydrogen engine intended for heavy-duty vehicles, and calibrates the SITurb combustion model to predict the combustion process. The study first reviews the climate regime, European Union CO2 regulations for heavy duty vehicles, and greenhouse gas reduction targets. It then examines the role of hydrogen in the energy system, various production methods, life cycle emission characteristics, and the position of hydrogen internal combustion engines in the decarbonization of heavy-duty transportation. Additionally, hydrogen storage methods are analyzed, and a technical and operational comparison of H2ICE technology with other powertrain systems, such as battery electric vehicles and fuel cell systems, is provided. The methodology section outlines the mathematical foundation for one-dimensional engine modelling based on mass, momentum, and energy conservation equations. It details the key relationships for calculating sensible heat release, heat transfer, and combustion characteristics, and evaluates critical parameters in hydrogen engine modelling. The process for deriving sensible heat release rates from in-cylinder pressure data and applying heat transfer correlations is described. This establishes a consistent framework linking the physical basis of the GT-SUITE sub-models with the calibration steps used in this thesis. Within the GT-SUITE environment, the modelling phase includes detailed representations of intake and exhaust lines, turbocharger components, intercooler, in-cylinder heat transfer, mechanical losses, and boundary conditions. Experimental studies on a multi-cylinder hydrogen engine operating at various speeds and loads served as references. In-cylinder pressure, intake and exhaust port pressures, and measured air and fuel flow rates constitute the primary dataset. The Three Pressure Analysis (TPA) method is applied to these pressure measurements, enabling the determination of sensible heat release rates, gas-exchange process quantities, and cycle-based combustion characteristics at each operating point. The TPA results are subsequently used to define the target heat-release curves for the SITurb combustion model. The combustion parameters of the SITurb model are optimized using the GT-SUITE software optimization tool to identify a parameter set that minimizes the total error function across various operating points. The previously developed empirical SIWiebe combustion model is also calibrated, and the predictive capabilities of both combustion models for engine performance are comparatively evaluated. These results highlight the advantages of employing a predictive combustion model in conjunction with empirical models for hydrogen-powered heavy-duty engines. The results show that the generated one-dimensional model can predict basic performance and thermal quantities with high agreement with experimental data. While the SIWiebe and SITurb combustion models offer similar accuracy in predicting average torque and efficiency, it is determined that the SITurb model better predicted the shape of the maximum cylinder pressure sensible heat release curve and the temperature levels in the turbocharger line, more closely matching the test results. In summary, this thesis presents a one-dimensional engine model based on TPA and a predictive SITurb combustion model, calibrated within the GT-SUITE environment for a heavy-duty hydrogen-powered engine. The model's advantages over the empirical SIWiebe approach are comprehensively demonstrated. The developed model serves as a valuable engineering tool for reducing calibration time in hydrogen engines, enabling rapid evaluation of combustion behavior across various operating points, assessing sensitivity to boundary condition changes, and providing a numerical foundation for future studies on turbocharging, exhaust gas recirculation, and optimization. The methodology established in this thesis offers a robust framework for the numerical modeling of internal combustion engines utilizing alternative fuels such as methane, ammonia, and e-fuels. Furthermore, it is expected to guide simulation-based development for the decarbonization of heavy-duty transportation and to support industry-academia collaborations and future research on multi-fuel and hybrid powertrains.
Benzer Tezler
- 1985-1986 yıllarında Polatlı Devlet Hastanesine kaza nedeniyle başvuranların incelenmesi
Başlık çevirisi yok
FERHAN ŞENOL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
İlk ve Acil YardımGazi ÜniversitesiKazaların Çevresel ve Teknik Araştırması Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. HİKMET PEKCAN
- Sürücülerde kandaki alkol miktarı ile trafik kazası arası ilişki
Başlık çevirisi yok
Z.SEMRA GÜMRÜKÇÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
UlaşımGazi ÜniversitesiKazaların Çevresel ve Teknik Araştırması Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. RIDVAN EGE
- İsmayıl Hakkı Baltacıoğlu'nun kültür ve eğitim kavramı üzerine bir inceleme
An Examination of the concepts of culture and education of Ismayıl Hakkı Baltacıoğlu
ABDULLAH DİKİCİ
Doktora
Türkçe
1986
Eğitim ve ÖğretimUludağ ÜniversitesiEğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SUAT ANAR
- Izgara ve altlık üstünde barındırılan ile de france X kıvırcık (Fl) ve merinos kuzularının entansif besideki performansları
Başlık çevirisi yok
ÜMRAN ŞAHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Veteriner HekimliğiUludağ ÜniversitesiZootekni Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDOĞAN TUNCEL