SAYISAL SİMÜLASYONLA DİZEL MOTORDA KİRLETİCİ OLUŞUM TAHMİNİ

Benzer belgeler
Bölüm 3 Motor Çalışma Koşullarının Emisyonlara Etkisi

DOĞAL GAZ YAKITLI BİR YANMA ODASINDA HAVA VE YAKIT SICAKLIKLARININ SICAKLIK, ENTALPİ VE ENTROPİ ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

Karbonmonoksit (CO) Oluşumu

Bölüm 2 Kirletici Maddelerin Oluşumu

LPG Yakıtlı Motorda Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin Açık Kaynak Kodlu Modelleme Aracı ile İncelenmesi

İÇERİK. Amaç Yanma Dizel motorlardan kaynaklanan emisyonlar Dizel motor kaynaklı emisyonların insan ve çevre sağlığına etkileri Sonuç

Bölüm 6 Emisyonların Kontrolu

YANMA. Derlenmiş Notlar. Mustafa Eyriboyun ZKÜ

Diesel Motorlarında Doldurma Basıncının ve Egzoz Gazı Resirkülasyonunun Azot Oksit ve Partikül Madde Emisyonlarına Etkisi.

Bir HCCI motorun 0-boyutlu yanma analizi. Zero dimensional combustion analysis of an HCCI engine

BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVAR DERSİ. Yakıt Püskürtme Sistemleri Deneyi

E = U + KE + KP = (kj) U = iç enerji, KE = kinetik enerji, KP = potansiyel enerji, m = kütle, V = hız, g = yerçekimi ivmesi, z = yükseklik

Akışkanların Dinamiği

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

BENZİN MOTORLARINDA TÜRBÜLANSLI YANMANIN TERMODİNAMİK MODELLENMESİ

İÇTEN YANMALI MOTORLAR 2. BÖLÜM EK DERS NOTLARI

MOTORLAR-5 HAFTA GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ

Investigation of Performance Combustion Simulation Software for Modelling HCCI Engine

BİR OFİS İÇİN TERMAL KONFOR ANALİZİNİN HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ YÖNTEMİ İLE MODELLENMESİ VE SAYISAL ÇÖZÜMÜ

YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI MÜHENDİSLİK MODELLEMESİ

İÇTEN YANMALI BİR MOTORDA ALTERNATİF YAKIT OLARAK DOĞALGAZIN YANMA ANALİZİ

Bölüm 3 SAF MADDENİN ÖZELLİKLERİ

ÇEV-220 Hidrolik. Çukurova Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Yrd. Doç. Dr. Demet KALAT

Dizel Motorlarda Yakıta Hidrojen Katkısının Yanma, Performans ve Emisyonlar Üzerine Etkilerinin İncelenmesi

Dizel Motorlarında Enjeksiyon Basıncı ve Maksimum Yakıt Miktarının Motor Performansı ve Duman Emisyonlarına Etkilerinin İncelenmesi

Egzoz Gazına H 2 O 2 Eklenmesinin Yanmamış Hidrokarbon (UHC) Emisyonuna Etkisinin Kimyasal Kinetikler ve Reaktif Akış Modelleme ile İncelenmesi

MAKİNE VE MOTOR DERS NOTLARI 4.HAFTA

İçten yanmalı motorlarda temel kavramlarının açıklanması Benzinli ve dizel motorların çalışma prensiplerinin anlatılması

ANOVA MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ.

GAZ PATLAMALARININ OLASI SONUÇLARINI ANALİZ ETMEK İÇİN KULLANILAN SİMÜLASYON MODELLERİ ÜZERİNE KAPSAMLI BİR DEĞERLENDİRME

İÇTEN YANMALI MOTORLARDA SOĞUTMA SUYU SICAKLIĞININ MOTOR PERFORMANSINA ETKİLERİ ÜZERİNE DENEYSEL BİR ARAŞTIRMA

KLİMA SANTRALLERİNDEKİ BOŞ HÜCRELER İÇİN TASARLANAN BİR ANEMOSTAT TİP DİFÜZÖRÜN AKIŞ ANALİZİ

SIKIŞTIRMA ORANININ BİR DİZEL MOTORUN PERFORMANS VE EMİSYONLARINA ETKİLERİ

Dört stroklu diesel motor

KANOLA YAĞI METİL ESTERİ VE KARIŞIMLARININ MOTOR PERFORMANS VE EGZOZ EMİSYONLARINA OLAN ETKİLERİ

Hava Kirleticilerin Atmosferde Dağılımı ve Hava Kalitesi Modellemesi P R O F. D R. A B D U R R A H M A N B A Y R A M

Entropi tünelinden çıkmanın tek yolu ekserji iksirini içmektir! (A. Midilli)

Experimental and Numerical Air Flow and Spray Dynamics Investigation in Internal Combustion Engines. Proje No: 104M355

Akışkanların Dinamiği

Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ

T.C. KIRIKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI DOKTORA TEZİ

Atık Kızartma Yağı Metil Esterinin Bir Dizel Motorunda, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Araştırılması

Buji ile Ateşlemeli Bir Motorda Çalışma Parametrelerinin Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Đçten Yanmalı Motor Tasarımı

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)

BENZİN MOTORLARI. (Ref. e_makaleleri, Rafineri Prosesleri)

ÇEV207 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ KİNEMATİK-1. Y. Doç. Dr. Güray Doğan

EŞANJÖR (ISI DEĞİŞTİRİCİSİ) DENEYİ FÖYÜ

Yanma Kaynaklı Kirleticiler

Buji ile ateşlemeli motorlar için teorik çevrimin (Hava Standart OTTO çevrimi) Sıkıştırma ile ateşlemeli motorlar için teorik çevrimin (Dizel Teorik

Dizel Motorlarında Yanma Odası İçerisine Su Püskürtmenin Egzoz Emisyonlarına Etkisi

14th International Combustion Symposium (INCOS2018) April 2018

İnstagram:kimyaci_glcn_hoca GAZLAR-1.

DOĞALGAZ YANMALARINDA NOx OLUŞUMU

AKIŞKANLAR MEKANİĞİ. Doç. Dr. Tahsin Engin. Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

Endüstriyel Kaynaklı Hava Kirliliği

Egzoz gazında bulunan ve havayı kirleten bileşenler egzoz emisyonları diye adlandırılır. Bu bileşenlerden bazıları şunlardır:

Soru 5) Pistonun, silindir içersinde iki ölü nokta arasında yaptığı tek bir harekete ne denir? a) Çevrim b) Vakum c) Basma d) Zaman

BİR OFİS ODASINDAKİ TERMAL AKIŞIN KIŞ ŞARTLARINDA SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

YATAY VE DİKEY OLARAK KONUMLANDIRILMIŞ KRANK-BİYEL MEKANİZMASININ BİLGİSAYAR DESTEKLİ ANALİZİ

ATEŞLEME AVANSININ MOTOR PERFORMANSINA VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

KİNETİK GAZ KURAMI. Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE Kimya Bölümü Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi 1

Entropi tünelinden çıkmanın tek yolu ekserji iksirini içmektir! (A. Midilli)

BUJİ ATEŞLEMELİ MOTORLARDA TÜRBÜLANSLI YANMA MEKANİZMASI KULLANILARAK AZOT OKSİT EMİSYONLARININ BELİRLENMESİ

Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü Karabük TÜRKİYE ÖZET

ÇEV207 AKIŞKANLAR MEKANİĞİ KİNEMATİK-1. Y. Doç. Dr. Güray Doğan

DEĞİŞİK HAVA HIZI DEĞERLERİ KULLANILARAK YERDEN ISITMA YAPILAN VE TAZE HAVA VERİLEN BİR OFİS İÇERİSİNDEKİ KONFOR KOŞULLARININ SAYISAL ANALİZİ

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

taze beton işlenebilirlik

Kişilik, enerjiyi yönetebilme ve verimli kullanabilme kabiliyetinin bir göstergesidir. (A. Midilli)

Sıfır ve üç boyutlu yanma simulasyonu yazılımlarının HCCI motorunun yüksek hava fazlalık oranı için modellenmesindeki performanslarının incelenmesi

GAZLAR GAZ KARIŞIMLARI

Motor kullanıcısı açısından seçimi etkileyen faktörler:

Soru No Program Çıktısı 3, ,10 8,10

3. KİRLETİCİ MADDELERİN MOTORLARDAKİ OLUŞUM MEKANİZMALARI. 3.1 Giriş

Bilinen en eski yöntemdir. Bu alanda verim yükseltme çalışmaları sürdürülmektedir.

Bölüm 7 ENTROPİ. Bölüm 7: Entropi

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 4

Gerçek ve ideal çevrimler, Carnot çevrimi, hava standardı kabulleri, pistonlu motolar

KİNETİK MODEL PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİNDE KULLANILAN OPTİMİZASYON TEKNİKLERİNİN KIYASLANMASI

Konvansiyonel ve Çatı Tipi Yanma Odalarında Akış ve Isı Transferinin Dinamik Ağ Yapısı Kullanılarak Analizi

BÖLÜM 14 Kimyasal Kinetik

İnşaat Mühendisleri Odası Ankara Şubesi Hidrolik Mühendisliğinde Sayısal Modelleme ve Yazılım Kullanımı

Otto ve Dizel Çevrimlerinin Termodinamik Analizi. Bölüm 9: Gaz Akışkanlı Güç Çevrimleri

EDUCATIONAL MATERIALS

Mekanik Karıştırıcıların Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği ile Sayısal Modellenmesi

TOP NAMLU AĞIZ BASKISI TASARIMININ HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE İNCELENMESİ

Termodinamik Termodinamik Süreçlerde İŞ ve ISI

TAŞINIMIN FİZİKSEL MEKANİZMASI

Gazların Özellikler Barometre Basıncı Basit Gaz Yasaları

Numerical Investigation of the Effect of Needle Tilting Angle on Irrigant Flow Inside the Tooth Root Canal

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Kullanılarak Bir HCCI Motorunun Yanma Analizi

Bölüm 4 KAPALI SİSTEMLERİN ENERJİ ANALİZİ. Bölüm 4: Kapalı Sistemlerin Enerji Analizi

BÖLÜM 9 - DİFÜZYON. Difüzyon nasıl oluşur? Neden önemlidir? Difüzyon hızı nasıl tahmin edilebilir?

Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Buca/İZMİR. Yanma. Prof.Dr. Abdurrahman BAYRAM

Gaz hali genel olarak molekül ve atomların birbirinden uzak olduğu ve çok hızlı hareket ettiği bir haldir.

NOHUT SAMANI HIZLI PİROLİZİNİN DENEY TASARIMI İLE MODELLENMESİ

POLİMER KİMYASI -9. Prof. Dr. Saadet K. Pabuccuoğlu

2-Emisyon Ölçüm Raporu Formatı

Akış kanalı genişliğinin pem tipi yakıt hücresi performansına etkisinin incelenmesi

Transkript:

Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University Cilt 28, No 1, 167-172, 201 Vol 28, No 1, 167-172, 201 SAYISAL SİMÜLASYONLA DİZEL MOTORDA KİRLETİCİ OLUŞUM TAHMİNİ Altin Dorri Tirana Polytechnic University, Sheshi Nene Tereza, Nr. 4, Tirana, Albania adorri@fim.edu.al (Geliş/Received: 08.10.2012; Kabul/Accepted: 25.01.201) ÖZET Bu çalışmada Dizel bir motorun yanma odasındaki termo-akışkan dinamiği alanını (hız, basınç, sıcaklık) araştırmak amacıyla Hesaplamalı Akışkan Dinamiği (HAD) kodları sayesinde sayısal teknik kullanıldı. Diğer bir önemli amaç, bu motorların yanma prosesindeki kirletici oluşumunun tahmin edilmesi ve modellenmesinin olabilirliğinin belirlenmesidir. Matematiksel model; kütle, momentum ve enerjinin korunumu denklemlerine dayanır (Favre-Averaged Navier-Stokes denklemleri). Bu denklem takımlarını yaklaştırmak için, ayrıca hal bağıntı denklemleri, Yeniden Normalleştirilmiş Grup Teorisi (RNG), k-epsilon türbülans modeli ve sprey mekanizması modeli eklenmiştir. Bu Diesel motordaki prosesler termo-akışkan doğasının yanı sıra kimyayı da içermesinden dolayı, hem kimyasal tepki simülasyonu hem de kirleticilerin kimyasal modeli için özel bir ilgi söz konusudur. NO x oluşumu Zeldovich mekanizmasıyla tahmin edilir. İs oluşumu; çekirdeklenme, yüzey büyümesi, koagülasyon ve oksitlenme prosesine bağlıdır. Simülasyon sonuçları gösteriyor ki; is oluşumu yakıt bakımından zengin ve nispeten düşük sıcaklığa sahip bölgelerde görülüyorken, termal NO x yüksek sıcaklıklarda stokiyometrik karışım oranında görülür. Anahtar Kelimeler Dizel motor, HAD, kirletici, modelleme, türbülans. PREDICTION OF POLLUTANT FORMATION IN DIESEL ENGINE THROUGH NUMERICAL SIMULATION ABSTRACT In this paper numerical technique through Computational Fluid Dynamics (CFD) codes was used in order to investigate thermo-fluid-dynamics field (velocity, pressure, temperature) in the combustion chamber of a Diesel engine. Another important objective was the possibility of modelling and prediction of pollutant formation during the combustion process in these engines. Mathematical model was based on the conservation equations of mass, momentum and energy (Favre-averaged Navier-Stokes equations). To close these equations system was add also: state relations equations, Renormalized Group Theory (RNG) k-epsilon turbulence model and spray mechanism model. Since processes in Diesel engine have not only thermo-fluid nature but also chemistry, a special attention was for chemistry models for both chemical reaction simulation and for the chemistry models of pollutants. Formation of NO x is predicted by Zeldovich mechanism. Soot formation relies on the nucleation, surface growth, coagulation and oxidation process. Result of simulation shown that thermal NO x is seen at stoichiometric mixture fraction at high temperatures, while soot formation is seen fuel-rich and relatively lowtemperature regions. Keywords: Diesel engine, CFD, pollutant, modelling, turbulence. 1.GİRİŞ (INTRODUCTION) Avrupa da Dizel motor, yüksek ısıl verimi, düşük işletme maliyeti ve dayanıklılığı nedeniyle otomotiv endüstrisinde itici güç kaynağı olarak kullanılır. Bununla birlikte, pazar istekleri içinde adapte edilme ihtiyacıyla birlikte ağır emisyon kısıtlamaları bu motor için yeni bir tasarım fikrine yol açtı [6]. Petrol fiyatları ve emisyon düzenlemelerindeki istikrarsızlıklar NO x, is partikülü ve yanmamış hidrokarbonu düşük olan verimli motorlar üretmeye, şirketleri zorluyor. Bu bağlamda, geleneksel yakma sistemlerinin egzoz gazlarına ait daha etkili son işlem sistemleriyle (DeNOx katalizörleri) uyarlanması olası bir çözümdür.

A. Dorri Sayısal Simülasyonla Dizel Motorda Kirletici Oluşum Tahmini Geometri: Rhinoceros Windows Önişlemci: ANSYS ICEM CFD Windows İşlemci: KIVA Vr2 & FLUENT UNIX/Windows Son işlemci: TECPLOT Windows Şekil 1: Yapılan sayısal simülasyonun akış diyagramı (Flowchart of numerical simulation performed) Diğer taraftan, ilgi, is emisyonunu ve NO x i azaltmayı amaçlayan yeni yanma sistemlerini geliştirmeye doğru kaymaktadır, böylece egzoz gazlarına ait karmaşık son işlem sistemlerinin kurulumuna gerek kalmayacaktır. Araştırmacıların, uygun maliyetle gelecekteki emisyon standartlarını kısa vadede karşılayacağı için, ikincisi daha çok ilgisini çekti. Hâlbuki uzun vadeli hedef, nerdeysesıfır kirletici emisyonlu bir motor ULEV (Ultra low Emission Vehicle) gerçekleştirmektir. Çok zaman alan ve pahalı olan deneysel araştırmalara kıyasla bu amaç için günümüzde bilgisayar kabiliyetlerinin artmasıyla HAD (Hesaplamalı Akışkan Dinamiği) simülasyonu daha popüler olmuştur. Bir Diesel motorda yanmanın hesaplamalı modellenmesi kolay bir konu değildir. Çünkü bu işlem motor akışı, yakıt püskürtmesi, karışım oluşumu, kimyasal reaksiyon, türbülanslı kimyasal etkileşim ve kirletici oluşumuyla ilgilidir. Bu amaçla, aşağıdaki gibi birçok yanma modeli geliştirildi: Coherent Flamelet, Classical Flamelet, β PDF (Probability Density Function) model, Representative Flamelet [4]. Bunların hepsi, Arrhenius bağıntılarına dayanan indirgenmiş veya global kimya modeli kullanır. Yanma modellenmesi için bir alternatif Intrinsic Low Dimensional Manifold (ILDM) dir. Bu modelde kimyasal reaksiyon şeması iki ilerleme değişkeni CO 2 and H 2 O ile temsil edilir []. Bu çalışmada bir Diesel motordaki yanma işlemi HAD yazılı sayesinde simüle edildi. Homojen reaksiyonlar ve ILDM kimya modeli sırasıyla, düşük ve yüksek sıcaklık bölgesinde çalışmak için ayarlandı. Zeldovich [9] NO x ve is oluşum mekanizması NO x ve is oluşum parçacıklarının uzaysal dağılımı için kullanıldı. Sayısal simülasyona ait çalışma Şekil 1 deki akış diyagramına göre düzenlendi. Önce geometri ve sonra hesaplama ağı oluşturuldu. Sonraki adımlar, HAD yazılımı sayesinde simülasyon ve sonuçların analizidir. 1.1.Sayısal modelleme (Computational modelling) Matematiksel model; kütlenin, momentumun ve enerjinin korunumuna dayanır. Favre ortalama alma işlemini kullanarak (yoğunluk ağırlıklı zaman ortalaması) korunum denklemleri aşağıdaki gibi yazılabilir [1] Toplam kütle balans denklemi, t.( u ) (1) Momentum denklemi, l u uu u u 2.( ).( " ") p ( k F s g ). t (2) Enerji denklemi şöyle verilir, l.( ). : c ul p u u J Q Q t s l () Hal denklemi için, ideal gaz karışımı kabul edildi. R T 0 (4) M Burada ρ yoğunluk, p basınç, u hız, T sıcaklık, I iç enerji, R 0 üniversal gaz sabiti, M moleküler ağırlık, j ısı akı vektörü, F püskürtmeden dolayı s momentum akış hızı, yer çekimi ivmesi, Qc Q s kimyasal kaynak ve püskürme terimleri, ε türbülans kinetik enerjisi k nın kayıp hızı, gerilme tensörüdür. Bu ortalamalı denklem 2 de ilave bir terim Reynolds gerilmeleri u "u " göründüğünden yanma işlemini simüle etmek için matematiksel gereksinime (bağıntıya) ihtiyaç duyulur. Bu amaç için türbülans viskozite hipotezi (Boussinesq hypothesis) kullanılarak Reynolds gerilmesini sağlayan türbülans modelleri kullanılır. Birkaç türbülans modeli vardır, fakat Diesel motorlardaki akışlar pistonun hareketinden, yakıt enjeksiyonundan ve yanma işleminden dolayı geçicidir. Bunlar Yeniden Normalleştirilmiş Gruplar modeli (RNG) ile analiz edilebilir [8]. Ayrıca karmaşık bir problem olan yakıt sprey parçacıklarının gaz ile etkileşimini tanımlayan modellere gerek vardır. Damlacık olasılık dağılım fonksiyonunun matematiksel bir fonksiyonu bu fiziksel işlemi temsil eder ve o, Monte Carlo parçacık tekniğine dayanır [2]. Püskürtme modellemesi şu dört s. 168 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 201

Sayısal Simülasyonla Dizel Motorda Kirletici Oluşum Tahmini A. Dorri işleme dayanır: Atomizasyon, çarpışma, parçalanma ve buharlaşmadır. Bu modeller nitrojen oksitlerin ve isin oluşumunu içerir. Her ikisi de solunum ve sağlık problemlerini doğurur. Her ikisi de NO x olarak bilinen NO ve NO 2, dört farklı mekanizmayla oluşturulur. Termal, hızlandırma (prompt), N 2 O ve yakıt bağlı nitrojen mekanizmasıdır. Bu çalışmada Zeldovich [9] tarafından teklif edilen NO x oluşumunun termal mekanizması kullanıldı [9]. Termal NO az (fakir) yakıtlı yüksek sıcaklık bölgelerinde oluştu. Bu mekanizma üç elemanter reaksiyonla verilir: Simülasyonlar 500 dev/dk da 150 kw çıkış güçlü.2 litrelik bir motorda yapılmıştır. Motorun ana özellikleri Tablo 1'de verilmiştir. Hesaplama geometrisi silindir duvarları, piston başı ve silindir kapağı arasındaki bölgeyi içine alır. Hesaplama ağı Şekil 2 üzerinde gösterildi. İç silindir meşi (çözüm ağı) 16452 hücreden ve 17419 köşe noktasından (vertices) oluşur. Sıkıştırma (klirıns) bölgesinde 29 hücre dizisi ve piston oyuğunda düşey yönde 17 hücre dizisi vardır. 1 k O+N 2 N k 1 =1.8x10 14 1 exp 18 kj. mol cm ( )( ) (5) RT mol. s 2 k N+O 2 27 kj. mol ( RT 1 NO+O cm )( ) mol. s k 2 =0.9x10 9 exp(- (6) N+OH k NO+H k =2.8x10 1 cm ( ) mol. s (7) İs veya katı karbon parçacığı Diesel motorlarında eksik yanma sırasında ortaya çıkan bir diğer başlıca kirleticidir. İs oluşmasının tahmini işlemin karmaşıklığı yüzünden başlıca bir sorun olarak durmaktadır [5]. Zengin yakıtlı karışımlarda C 2 H 2, C H, vb. termal ayrışma ürünleri C 6 H 6 oluşturur. Daha sonra, polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH) C 6 H 6 ve daha ağır moleküllerden oluşturulur. PAH en muhtemel is belirtisidir. Sonunda, PAH, grafitize yapıları oluşturur. İs oluşumu genellikle üç prosesle tanmlanır: çekirdeklenme, yüzey büyümesi ve oksitlenmedir. Tablo 1: Motor özellikleri (Engine specification) Adı Değer Birim Strok hacmi 68 cm Çap 89.9 mm Strok 100.7 mm Biyel kolu 220 mm Sıkıştırma oranı 17.5 --- Yanma işleminde diğer bir sorun türbülanslı kimyasal etkileşimlerdir. Bu amaçla yanma işlemini açıklamak için bir kaç yanma modeli geliştirildi. Bu makalede yanma prosesi iki yanma modeli ile tanımlanmıştır. Önce homojen reaksiyon mekanizması karışımı otomatik ateşleme için kullanılmıştır. Sonra ILDM kimyası kullanıldı (T> 1200 K olduğu zaman) [7]. Şekil 2: Hesaplama ağı (Computational grid) 2.SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSIONS) Daha önce de bahsettiğimiz gibi simülasyonun hedeflerinden biri hız, basınç ve sıcaklık gibi termoakışkan dinamiği alanlarının incelenmesiydi. Bu simülasyon buharlaşma etkilerini karışım oranı dalgalanmaları ve türbülans ölçeğini vb. uygun bir şekilde hesaba katar. Şekil 'te farklı krank açıları yatay ve düşey kesit düzlemleri için silindir içindeki hız alanları gösterilmiştir. Hız piston üst ölü noktaya (ÜÖN) yaklaşırken artar ve en yüksek değeri hareketli parça olan pistona yakındır. Şekildeki türbülansın etkinliğini daha iyi anlamak için akım çizgileri de gösterilmiştir. Yanma meydana gelmeden önce hava yakıt karışma işlemine başlıca katkıyı yapan girdap hareketidir. Şekil 4, değişik krank açılarında basınç değişimini gösterir. En yüksek değer, girdap hareketi ve cidar sıcaklığının en yüksek değeri nedeniyle silindir cidarına yakın ortaya çıkar, ve daha sonra ÜÖN yakınlarında basınç dağılımı daha üniform olur. Yanma başladığı zaman, basınç özellikle merkezi bölgede hızla artar. Alev yayılmasını ve yanmayı daha iyi anlamak için sıcaklık alan dağılımı Şekil 5'te sunulmuştur. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 201 169

A. Dorri Sayısal Simülasyonla Dizel Motorda Kirletici Oluşum Tahmini oyuğu bölgesi içine yayılır, böylece alevin çoğu yanma odasının üst tarafı üzerinde kalır. Şekil : Farklı krank açıları için hız alanları ve akım çizgileri (Velocity fields and streamlines for different crank angels) Şekil 5: Farklı krank açıları için sıcaklık alanları (Temperature fields for different crank angels) Uygulanan CFD modeli doğruluğunu değerlendirmek için, ortalama basınç değeri için sayısal sonuçları üst ölü nokta (TDC) için mevcut deneysel veriler ile karşılaştırıldı ve Şekil 6 'de gösterilmiştir [12]. Şekil 4: Farklı krank açıları için basınç alanları (Pressure fields for different crank angels) Basınç gibi ilk en yüksek değer silindir cidarına yakındır (59 K hava giriş sıcaklığına göre 659 K sınır şartı ayarlandı). Fiziksel şartlar karşılandığı zaman ateşlemenin karışma oranının stokiyometrik değeri yakınında başladığı gösterildi. Ateşlemeden sonra alev yayılması yüzey boyunca ilerledi ve sıcaklık 800 K den 600 K'e arttı. Yüksek eğim sprey açısından (76 ) dolayı alevin küçük bir kısmı piston Şekil 6: Simülasyon sonuçlarının deneysel sonuçlarla karşılaştırılması (Comparison of numerical and experimental results for pressure) Öncelikle, yanma sonrası simülasyon değerleri uyumunu artırmak ve TDC simülasyon sonra 7 C de basıncı azalır. Daha sonra, simülasyon sonuçları deneysel değere uyuşmaktadır. Simülasyon ve deneyler arasındaki farklar: nümerik model, giriş ve sınır koşulu, türbülans seviyesi, vb gibidir. [12,1] Bu motorun simülasyonunda sadece akışkan dinamiği parametrelerine değil aynı zamanda kirleticilerin oluşmasına özel önem verildi. NO ve is, ana kirletici 170 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 201

Sayısal Simülasyonla Dizel Motorda Kirletici Oluşum Tahmini A. Dorri olarak belirlendi. Termal NO Zeldovich mekanizması tahmin edildi ve is, fenomenolojik model kullanılarak tahmin edildi. Şekil 7 farklı krank açıları için NO kütle yüzdesini göstermektedir. yüksek sıcaklık bölgelerinde is üretimi çok sınırlıdır. Üstelik, yüksek NO konsantrasyon bölgelerinde is konsantrasyonunun çok düşük olduğu görüldü. NO nun oluşumu ateşleme spotlarının olduğu yerde başlar ve o, büyük ölçüde O-atom konsantrasyonu ve stokiometrik bölge yakınında olan en yüksek sıcaklığa göre yönetilir. NO konsantrasyonu yanma başladıktan sonra aniden hızla artar. NO oluşumu daima stokiometrik bölgede ve yüksek sıcaklıkta ortaya çıktı ve o, silindir basıncı arttıkça ve yanma ilerledikçe artar. Genişlemeden dolayı ve soğutucu havayla yüksek sıcaklıklı gazın karışmasından dolayı sıcaklığın azalması NO oluşumunu durdurur ve NO konsantrasyonu nispeten sabit kalır. Yakıt püskürtme yönünde veya yakıtça zengin bölgeler üzerinde NO nun ortaya çıkmadığı gözlenebilir. [10,11] Şekil 8: Farklı krank açıları için is hacim oranı dağılımı (Soot volume fraction distribution for different crank angels).sonuç (CONCLUSION) Şekil 7: Farklı krank açılarında NO kütle oranı dağılımı (NO mass fraction distribution for different crank angels) Diğer taraftan, is konsantrasyonu farklı bir seyir gösterir. Çekirdeklenme, koagülasyon ve OH oksidasyonun azalmasıyla is, üretilir. OH konsantrasyonu ateşleme ile ve yüksek yanma sıcaklığı ile artırılır [8]. O, yanmadan sonra hızlıca artar ve daha sonra koagülasyon ve oksidasyon nedeniyle azalır. Böylece, daha zengin bölgelerde oksidasyon oluşturacak kadar yüksek olmayan sıcaklıklarda, is oluşumunun etkin olduğu görüldü. Şekil 8'de gösterildiği gibi 2500-2800 K den daha düşük sıcaklıklarda ve zengin yakıtlı bölgelerde is oluşumu ortaya çıkar. İs konsantrasyonu fakir yakıt konsantrasyonu ortaya çıktıktan sonra artmaya başlar. Sıcaklık ve is oluşum alanı karşılaştırıldığında, Bu çalışmanın amacı, Dizel motorda kirletici oluşumunun tahmini ve termo-akışkan dinamik davranışının her ikisinin simülasyonu için yanma modeli geliştirmektir. Farklı akış parametreleri (hız, basınç, sıcaklık) için sonuçların analizi gösterdi ki, girdap hareketi hava yakıt karışımının hazırlanmasında ve tutuşmanın başlamasında çok önemli rol oynar. Basınç sonuçlarının validasyonu mevcut verilerle karşılaştırlmıştır. Bu karşılaştırma uyuşmanın varlığını göstermiştir. Homojen reaksiyon ve ILDM kimyası kimyasal reaksiyonu yönetmek ve aynı zamanda kirleticilerin konsantrasyonunu tahmin etmek için Navier-Stokes denklemiyle birlikte kullanıldı. Zeldovich mekanizmasıyla NO için ve indirgenmiş is modeli ile is oluşumu için tahmin yapıldı. NO oluşumu, esas olarak, yüksek sıcaklıkta ve stokiometrik bölgeye yakınken gözlendi. Zeldovich mekanizmasında daha önce bahsedildiği gibi hız kontrol etmeli reaksiyonun büyük aktivasyon enerjisi nedeniyle, termal NO oluşumu sıcaklığa aşırı derecede duyarlıdır. İs oluşumu modelde tarif edildiği gibi zengin ve düşük sıcaklıklı oksidasyonun oluşmadığı bölgede meydana gelir. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 201 171

A. Dorri Sayısal Simülasyonla Dizel Motorda Kirletici Oluşum Tahmini KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Amsden, A. A., O'Rourke, P. J. and Butler T. D., KIVA II: A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays. Los Alamos National Laboratory Report, LA-11560-MS. Los Alamos, NM, USA. 1989. 2. Bracco, F.V., Modeling of Engine Spray, SAE Trans., 94, 144-167., 1985.. Correa, C., Combustion Simulations Diesel Engines Using Reduced Reaction Mechanism. PhD Thesis, University of Heidelberg, Heidelberg. 2000. 4. Merker, G., Schwarz, Ch., Stiesch G. and Otto, F., Simulating Combustion and pollutant formation, Springer, Germany. 2006. 5. Naydenova, I. I., Soot Formation Modeling During Hydrocarbon Pyrolysis and Oxidation Behind Shock Wave. PhD. Thesis, University of Heidelberg, Heidelberg. 2007. 6. Ogink, R., Computer Modelling of HCCI Combustion, Ph.D. Thesis, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden. 2004. 7. Ravi, A., CFD Simulation of Combustion Using Automatically Reduced Reaction Mechanisms: A Case for Diesel Engine. PhD Thesis, University of Heidelberg, Heidelberg. 2007. 8. Yakhot, V. and Orzag, S. A., Renormalization Group Analysis of Turbulence. I. Basic Theory, Journal of Scientific Computing, 1,. 1986. 9. Zeldovich, Y. B., The oxidation of nitrogen in combustion and explosions, Acta Physiochimica, 21, 577-628., 1946. 10. Özsezen, A.N. and Çanakcı, M., Performance and combustion in a direct injection diesel engine fuelled with waste palm and canola oil methyl esters. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Vol 24, No 2, 275-284, 2009. 11. Karel, A., Exhaust emission behaviours at diesel engines. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Vol 12, No 1, 71-90, 1997. 12. Dorri, A., Numerical simulation of thermo-fluid dynamics fiels and prediction of pollutants formation in Diesel engines through CFD software. PhD Thesis, Polytechnic University of Tirana, Tirana. 2010. 1. Labs, J. E. and Parker, T. E., A Comparison of Single Shot Diesel Spray Combustion Emissions with Trends Predicted by a Conceptual Model, Combustion Science and Technology, 179,1159-1182, 2007. 172 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 201