Experimental and numerical investigation of cooling and lubrication systems in hydrogen fueled internal combustion engines

Hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorlarda soğutma ve yağlama sistemlerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

PDF İndir

Tez No: 1019123
Yazar: RAMAZAN AYDIN
Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
Tez Türü: Doktora
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: Buji ateşlemeli motorlar, Enerji dengesi, Isı geçişi, Yağlama, İçten yanmalı motorlar, Spark ignition engines, Energy balance, Heat transfer, Lubrication, Internal combustion engines
Yıl: 2026
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorlar, karbon içermeyen yanma karakteristikleri ve mevcut motor teknolojileriyle uyumlulukları nedeniyle geleceğin sürdürülebilir güç aktarma sistemleri arasında önemli bir potansiyel sunmaktadır. Ancak hidrojenin yüksek alev hızı, düşük sönme mesafesi ve farklı ısıl özellikleri, motor içi ısı transfer mekanizmalarını ve dolayısıyla soğutma ve yağlama sistemleri üzerindeki termal yükleri benzinli motorlara kıyasla belirgin şekilde değiştirmektedir. Bu nedenle hidrojenle çalışan motorlarda soğutma ve yağlama sistemlerinin davranışının deneysel ve sayısal olarak detaylı biçimde incelenmesi, hem verimli hem de güvenli motor tasarımı açısından kritik öneme sahiptir. Bu doktora tezinde, hidrojen ve benzin yakıtlı tek silindirli bir kıvılcım ateşlemeli içten yanmalı motorun soğutma ve yağlama sistemleri, deneysel testler ve doğrulanmış bir boyutlu (1-B) sayısal model yardımıyla kapsamlı olarak incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, hidrojen yakıtının motor içi yanma ve ısı salınım karakteristiklerini nicel olarak ortaya koymak, bu değişimlerin soğutma ve yağlama devrelerine aktarılan ısıl yükler üzerindeki etkilerini belirlemek ve benzinle çalışan konvansiyonel motorlarla doğrudan karşılaştırmalı bir enerji dengesi analizi sunmaktır. Bu bağlamda tez, hidrojen yakıtlı motorlarda termal yönetim sistemlerinin yeniden değerlendirilmesine ve optimize edilmesine yönelik deneysel verilere dayalı mühendislik çıkarımları sağlamayı hedeflemektedir. Deneysel çalışmalar, TÜBİTAK RUTE bünyesinde bulunan AVL 5405 port enjeksiyonlu tek silindirli araştırma motoru üzerinde gerçekleştirilmiştir. Motor, hem benzin hem de hidrojen yakıtıyla çalışabilecek şekilde mekanik, termal ve güvenlik açısından kapsamlı modifikasyonlardan geçirilmiştir. Hidrojen yakıtlı çalışmaya geçiş sürecinde, yakıt besleme sistemi, enjektör altyapısı ve test hücresi güvenlik sistemleri yeniden yapılandırılmıştır. Soğutma ve yağlama sistemlerinin termal davranışını ayrıntılı biçimde izleyebilmek amacıyla motor bloğu, silindir kapağı, yağ galerileri ve soğutma devresi giriş–çıkış noktalarına ilave sıcaklık ve basınç sensörleri yerleştirilmiştir. Ayrıca yağ ve soğutma sıvısı debileri türbin tipi debimetreler yardımıyla sürekli olarak ölçülmüş ve elde edilen deneysel veri setinin doğruluğu ve tekrarlanabilirliği artırılmıştır. Tüm testler, aynı motor, aynı dinamometre ve aynı ölçüm altyapısı kullanılarak gerçekleştirilmiş, böylece yakıt türüne bağlı etkilerin diğer parametrelerden izole edilmesi sağlanmıştır. Deneyler, 3-6 bar gösterge ortalama efektif basınç (IMEP) seviyelerinde ve 1000–5000 dev/dak motor hızı aralığında yürütülmüştür. Karşılaştırılabilirlik sağlamak amacıyla hidrojen ve benzin testleri, aynı IMEP ve motor hızı koşullarında benzer efektif güç çıkışı verecek şekilde düzenlenmiştir. Soğutma ve yağlama devrelerinin giriş sıcaklıkları ve debileri testler boyunca sabit tutulmuş, bu sayede ölçülen ısı transferi farklarının doğrudan yakıt özelliklerinden kaynaklanması amaçlanmıştır. Deneysel çalışmalara paralel olarak, test motorunu temsil eden ayrıntılı bir 1-B sayısal model GT-SUITE yazılımı kullanılarak geliştirilmiştir. Model; emme, yanma, egzoz, soğutma ve yağlama devrelerini bütünleşik biçimde içerecek şekilde oluşturulmuş ve deneysel verilerle kalibre edilmiştir. Yanma modeli, silindir içi basınç verilerine dayalı olarak ayarlanmış; ısı transferi hesaplamalarında Woschni temelli korelasyonlar kullanılmıştır. Sayısal modelin doğruluğu, efektif güç, IMEP, egzoz gazı sıcaklığı ve soğutma suyu çıkış sıcaklığı gibi temel parametreler üzerinden değerlendirilmiş ve her iki yakıt türü için ortalama sapmaların %3'ün altında kaldığı gösterilmiştir. Bu sonuçlar, geliştirilen modelin enerji dengesi ve parametre duyarlılık analizleri için güvenilir bir araç olduğunu ortaya koymuştur. Enerji dengesi analizleri, yakıtın kimyasal enerjisinin efektif işe, soğutma sistemi kayıplarına, yağlama sistemi üzerinden taşınan ısıya, egzoz entalpisi yoluyla kaybedilen enerjiye ve ölçülemeyen artık kayıplara dağılımını kapsamaktadır. Elde edilen sonuçlar, hidrojen yakıtlı çalışmanın benzinli çalışmaya kıyasla enerji dağılımında sistematik ve belirgin farklılıklar yarattığını ortaya koymuştur. Düşük yük koşullarında (IMEP = 3 bar), hidrojen yakıtlı motorun efektif işe dönüştürdüğü enerji oranı benzinli çalışmaya kıyasla mutlak olarak yaklaşık %8–10 daha yüksek bulunmuştur. Bu fark, benzinli çalışmaya göre göreli olarak yaklaşık %45–50 düzeyinde bir verim artışına karşılık gelmektedir. Söz konusu verim artışı özellikle düşük ve orta motor devirlerinde daha belirgin hâle gelmiştir. Aynı çalışma koşullarında hidrojenli çalışmada ölçülemeyen artık kayıpların %20–30 oranında azaldığı hesaplanmıştır. Soğutma sistemi analizleri, hidrojen yakıtlı çalışmada özellikle orta devir aralığında (2000–3000 dev/dak) soğutma suyuna aktarılan enerji oranının benzinli çalışmaya kıyasla yaklaşık %5–10 daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bu durum, hidrojenin yüksek alev hızı ve düşük sönme mesafesi nedeniyle silindir duvarlarına yakın bölgelerde artan yerel ısı transfer katsayılarıyla ilişkilendirilmiştir ve hidrojenli çalışmada toplam yakıt enerjisi girdisinin benzine kıyasla daha düşük olmasıyla birlikte değerlendirilmiştir. Yüksek devirlerde ise benzinli çalışmada mutlak soğutma yüklerinin daha yüksek olduğu, ancak hidrojenli çalışmada toplam yakıt enerjisine oranlandığında soğutma yüklerinin daha baskın hâle geldiği belirlenmiştir. Bu bulgular, hidrojen yakıtlı motorlarda soğutma sisteminin yalnızca toplam ısı kapasitesi açısından değil, yerel sıcaklık piklerini sınırlayacak şekilde tasarlanması gerektiğini göstermektedir. Yağlama sistemi analizleri, hidrojen yakıtlı çalışmada yağ devresi üzerinden taşınan enerji oranının benzinli çalışmaya kıyasla belirgin şekilde arttığını ortaya koymuştur. Özellikle orta ve yüksek devirlerde, hidrojenli çalışmada yağlama sistemi ısı payının %20–50 oranında daha yüksek olduğu hesaplanmıştır. Mutlak yağ ısı kayıpları benzer seviyelerde olmasına rağmen, hidrojenli çalışmada toplam yakıt enerji girdisinin daha düşük olması, bu kayıpların göreli önemini artırmıştır. Ayrıca artan gaz tarafı ısı transferi ile hidrojenin hızlı ısı salımı sonucu yükselen silindir içi sıcaklıklar, sürtünmeye bağlı yerel sıcaklık artışlarıyla birlikte yağ film sıcaklıklarını etkileyerek yağlama sisteminin termal yükünü önemli ölçüde artırmıştır. Bu durum, hidrojenli çalışmada yağlayıcının daha yüksek termal gerilmelere maruz kalmasına ve viskozite kararlılığının daha kritik hâle gelmesine yol açmaktadır. Egzoz enerjisi analizleri, hidrojen yakıtlı çalışmada egzoz gazı sıcaklıklarının benzinli çalışmaya kıyasla daha düşük olduğunu, buna karşın egzoz üzerinden taşınan enerji oranlarının bazı çalışma noktalarında yaklaşık %3–6 oranında daha yüksek değerlere ulaştığını göstermiştir. Bu durum, hidrojenli çalışmada toplam yakıt enerji girdisinin daha düşük olması nedeniyle, benzer veya daha düşük mutlak egzoz enerji değerlerinin toplam enerjiye oranlandığında daha büyük bir pay oluşturmasından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla hidrojen yakıtlı motorlarda egzoz hattındaki enerji dağılımının değerlendirilmesi, mutlak sıcaklıklar kadar bağıl enerji payları dikkate alınarak yapılmalıdır. Genel olarak tez kapsamında elde edilen sonuçlar, hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorların benzinli motorlara kıyasla daha yüksek yanma verimi ve daha düşük açıklanamayan enerji kayıpları sergilediğini; buna karşılık soğutma ve yağlama sistemleri üzerinde farklı ve çoğu durumda daha zorlu termal yükler oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Bu nedenle hidrojen yakıtlı motorların güvenli, dayanıklı ve uzun ömürlü şekilde çalışabilmesi için, soğutma ve yağlama sistemlerinin klasik benzinli motor tasarım yaklaşımlarının ötesine geçecek şekilde yeniden değerlendirilmesi gerekmektedir. Buna ek olarak, yapılan parametre duyarlılık analizleri, soğutma ve yağlama devrelerine ait işletme parametrelerinin genel enerji dengesi ve verim üzerindeki etkilerinin ikincil düzeyde kaldığını; motorun termal davranışını belirleyen temel unsurun yakıt türü olduğunu açıkça ortaya koymuştur. Bu tez, deneysel ve sayısal olarak doğrulanmış kapsamlı bulgularla, hidrojen yakıtlı içten yanmalı motorlarda termal yönetim sistemlerinin geliştirilmesine yönelik bilimsel ve mühendislik temelli bir çerçeve sunmakta; sonuçlar, uygun viskozite sınıfı seçimi, yağ formülasyonu ve gelecekteki hidrojen motorları için termal yönetim stratejilerinin belirlenmesine yönelik önemli mühendislik çıktıları ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

Hydrogen-fueled spark-ignition (SI) engines are widely regarded as a promising near-term solution for decarbonizing internal combustion engine technologies. However, the fundamentally different combustion characteristics of hydrogen—such as its high laminar flame speed, wide flammability limits, low volumetric energy density, and short quenching distance—lead to markedly different thermal loading patterns compared to conventional gasoline operation. In particular, the implications of hydrogen combustion for engine cooling and lubrication systems, as well as the resulting energy balance and thermal efficiency, remain insufficiently quantified under controlled, fuel-comparable conditions. This thesis addresses this gap through an integrated experimental and numerical investigation of cooling and lubrication systems in a hydrogen-fuelled single-cylinder internal combustion engine, with direct comparison to gasoline operation at identical operating points. The experimental study was conducted on an AVL 5405 single-cylinder spark-ignition research engine installed in an engine dynamometer test cell at TÜBİTAK RUTE. The engine and test infrastructure were extensively modified to enable safe and reliable hydrogen operation, including the installation of hydrogen supply systems, flame arrestors, additional pressure and temperature sensors, and turbine-type flow meters for both coolant and lubricating oil circuits. Particular emphasis was placed on accurately measuring inlet and outlet temperatures, mass and volume flow rates, and exhaust gas temperatures to enable a detailed first-law energy balance. All experiments were conducted under controlled operating conditions at indicated mean effective pressures (IMEP) of 3-6 bar over an engine speed range of 1000–5000 rpm. Gasoline and hydrogen tests were performed at identical IMEP and engine speed points, ensuring comparable effective power outputs and enabling a rigorous, fuel-independent assessment of thermal behavior. To complement the experimental work, a detailed one-dimensional (1-D) numerical model of the engine, cooling system, and lubrication system was developed using GT-SUITE. The model incorporated detailed representations of the combustion chamber, intake and exhaust systems, coolant and oil circuits, and thermal masses associated with the engine blocks, cylinder head and oil pan. Combustion parameters were calibrated using measured in-cylinder pressure traces, while heat transfer was modeled using the Woschni correlation with fuel-specific calibration multipliers. The numerical model was validated against experimental measurements, showing average deviations below 3% for key performance and thermal parameters, confirming the model's suitability for extended parametric analyses. Following validation, a comprehensive energy balance analysis was performed for gasoline and hydrogen fuels. The chemical energy input from the fuel was partitioned into effective power, coolant heat rejection, oil heat rejection, exhaust enthalpy, and unaccounted losses. At low load (IMEP = 3 bar), hydrogen operation consistently exhibited higher brake thermal efficiency (BTE) than gasoline. For example, at 1000 rpm, hydrogen converted approximately 25% of the fuel energy into useful work, compared to about 17% for gasoline, representing a relative increase of nearly 47%. This efficiency advantage persisted across the engine speed range, with hydrogen maintaining higher proportional energy utilization despite lower absolute fuel energy input. Gasoline, by contrast, exhibited larger absolute heat losses to the coolant and exhaust due to its higher fuel mass flow rate. Coolant heat rejection showed distinct fuel-dependent trends. At mid-range speeds (2000–3000 rpm), hydrogen rejected a higher fraction of its input energy to the coolant (approximately 30%) compared to gasoline (around 24%), reflecting intensified near-wall heat transfer caused by hydrogen's faster combustion and shorter quenching distance. At higher engine speeds, however, gasoline dominated in terms of absolute coolant heat rejection, reaching values up to 5.6 kW at 5000 rpm, compared to approximately 3.4 kW for hydrogen. Exhaust-side losses followed a complementary pattern: hydrogen produced lower exhaust gas temperatures—typically 30–50% lower than gasoline—yet exhibited higher exhaust energy fractions (by approximately 3–6% under certain operating conditions) due to its lower fuel energy input. At medium load (IMEP = 5 bar), both fuels delivered nearly identical effective power outputs across most of the speed range, but their energy distribution pathways diverged significantly. Hydrogen consistently achieved higher brake thermal efficiency, reaching approximately 27% at 4000 rpm compared to 21% for gasoline. Unaccounted losses were systematically lower for hydrogen, particularly at low engine speeds, indicating more complete combustion and reduced residual heat losses. Lubrication-related heat losses remained relatively small for both fuels (<7% of total fuel energy) but were consistently higher in fractional terms for hydrogen, primarily due to its lower fuel power input under matched IMEP conditions rather than increased absolute oil heating. Despite their relatively small contribution to the overall energy balance, hydrogen operation imposed higher thermal stress on the lubricant due to intensified near-wall heat transfer, highlighting lubrication robustness as a non-negligible design constraint under hydrogen operation. The combined experimental–numerical framework developed in this thesis demonstrates that hydrogen fueling fundamentally alters the distribution of thermal losses within the engine. While hydrogen reduces overall unaccounted losses and improves proportional energy conversion efficiency, it simultaneously intensifies localized heat transfer to combustion chamber walls, increasing the thermal demands on cooling and lubrication systems. These findings highlight the necessity of fuel-specific thermal management strategies, particularly enhanced cooling capacity and targeted thermal control near exhaust-side hot spots, to ensure reliable and efficient hydrogen engine operation. Parametric analyses further indicated that variations in coolant flow rate exerted only a secondary influence on overall efficiency and heat-loss distribution, whereas the fuel type remained the dominant factor governing the engine energy balance across all investigated operating conditions. The results clearly demonstrate that, while coolant- and lubrication-system parameters influence local heat-transfer pathways, the choice of fuel remains the primary driver of overall thermal behavior and efficiency in hydrogen-fueled SI engines. Overall, this thesis provides a quantitative, fuel-comparable assessment of cooling and lubrication system behavior in hydrogen-fueled SI engines. By integrating validated experiments with high-fidelity 1-D simulations, the study establishes a robust methodological framework for evaluating thermal losses and efficiency in alternative-fuel engines and offers practical guidance for the design and optimization of future hydrogen engine thermal management systems, including considerations related to lubricant selection and viscosity-grade optimization.

Benzer Tezler

Tez No
921939
Sıcak metal şekillendirmede proses kaynaklı kusurların proses performansına etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of process-induced defects on process performance in hot metal forming
ALİ CEM GÖÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KIRCA
Tez No
496419
Wankel motoru ve çevrim atlatma sisteminin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the Wankel engine and skip cycle system
ÖMER CİHAN
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
Tez No
1001842
Cfd-based design and experimental assessment of a gerotor pump for aircraft applications
Havacılık uygulamaları için bir gerotor pompanın cfd tabanlı tasarımı ve deneysel değerlendirilmesi
YUNUS HÖÇÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Uçak Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEHER EKEN
Tez No
866249
Experimental and numerical study of the effects of graphite and copper vegetable based nanofluids in surface integrity of aisi 1045 steel in minimum quantity lubrication grinding process
Bitkisel kaynaklı grafen ve bakır nanosıvılarının, AISI 1045 çeliğinin yüzey bütünlüğü üzerinde minimum miktar yağlama ile taşlama işlemi sırasında olan etkilerinin deneysel ve sayısal incelemesi
MIRSADEGH SEYEDZAVVAR
Doktora
Farsça
2024
Makine Mühendisliği Unıversıty Of Tabrız
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MOHAMMADREZA SHABGARD
Tez No
152
Buğdayda farklı melezleme teknikleri kullanarak tohum tutma oranının saptanılması
Başlık çevirisi yok
İSMAİL TÜZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Ziraat Uludağ Üniversitesi
Tarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİS RUHİ EKİNGEN

Geri Dön