Bir gemi dizel motorunda dizayn ve işletme parametrelerinin performans ve emisyon değerleri üzerindeki etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
A numerical investigation on the effects of design and operation parameters on the performance and emissions of a marine diesel engine
Yazar: FERHAT EKİN
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Çevre kirliliğinin önlenmesi, varolan ekolojik dengenin devamı açısından çok önemlidir. Gelecek nesillerin sağlıklı bir şekilde hayat sürmeleri, ancak bu dengenin korunup ileriye taşınmasıyla mümkün olacaktır. Ne yazık ki günümüzde artan nüfus, ihtiyacı olan bu enerjiyi karşılamak için fosil yakıtlardan yararlanmış ve çevreyi kirletmiştir. Bu enerji ihtiyacı, geçmişten günümüze sürekli olarak karşılanmış ve günümüzden geleceğe de karşılanacaktır. Isınma, ulaşım, elektrik üretimi, sanayi ve hatta eğlence gibi çeşitli nedenlerden dolayı atmosfere zararlı yanma ürünleri sürekli olarak salınmıştır. Dünya üzerinde aktif çevre kirleticilerden biride, içten yanmalı motorlardır. Ulaşım ve taşımacılıkta kullanılan; gemi, uçak, lokomotif ve motorlu taşıtlar egzozlarından çıkan gazlar sebebiyle kirliliğe neden olmaktadır. Egzoz gazlarından salınan bu gazlar ''emisyonlar'' olarak adlandırılmaktadır. NOx, SOx, PM (is), CO, HC ve CO2 egzoz gazında bulunan emisyonlardır. Bir takım doğal felaketler, zararlı olan bu emisyonların sebep olduğu etkilerden kaynaklanmaktadır. NOx ve SOx asit yağmurlarına neden olurken, CO2 atmosferin aşırı ısınmasına neden olan sera etkisini tetiklemektedir. Aşırı ısınan atmosfer, küresel ısınmaya yol açmış ve buzullarda erimelere neden olmuştur. Asit yağmurları sebebiyle toprak yapısı bozulmuş, bitkiler ve hayvanlar bu durumdan olumsuz etkilenmiştir. Bu zararlı gazlar doğal felaketlere yol açtığı gibi insan sağlığı açısından da çeşitli rahatsızlıklara neden olmaktadır. Kanser türevi hastalıklar, solunum rahatsızlıkları ve cilt hastalıkları emisyonların neden olduğu ciddi problemlerdir. Tüm bu olumsuzlukların önüne geçmek adına uluslararası ve ulusal olarak birçok kararlar alınmıştır. Özellikle gemilerin ve motorlu taşıtların egzozlarından çıkan emisyonlara yönelik belli standartlar getirilmiştir. IMO gemilerden yayılan azot oksit (NOx) emisyonları için MARPOL Ek VI (Gemilerden kaynaklı hava kirliliği) ile Seviye I (Tier I), Seviye II (Tier II) ve Seviye III (Tier III) gibi standartları, kükürtoksit (SOx) emisyonları içinde yıllara göre yakıt içeriğindeki kükürt oranı değerlerini belirlemiştir. Bu standartlardan NOx emisyonları için olanları gemilerin inşa yılları ve devir sayılarına göre belirlenirken SOx emisyonları için gemi inşa yılları baz alınmıştır. Bu kurallar kademeli olarak yıllara göre yürürlüğe girmiştir.
Çalışma kapsamında bir gemi dizel motorundaki yanma bir HAD programı yardımıyla sayısal olarak modellenmiş ve püskürtme açısı, döngü oranı, püskürtme avansı, püskürtme koniklik açısı ve enjektör nozul delik çapı gibi değişik parametrelerin motorun performans ve emisyon değerlerine olan etkileri incelenmiştir. Performans değerleri olarak özgül yakıt sarfiyatı, silindir içi ortalama basınç, güç, tork, silindir içi ortalama efektif basınç ve egzoz gazı sıcaklığı hesaplanırken emisyon değerlerinden NOx, PM, HC, CO2 ve CO için sayısal sonuçlar elde edilmiştir. Parametrelerin motorun performans ve emisyon değerlerine olan etkileri detaylı olarak açıklanmıştır. Sayısal sonuçların ve kullanılan matematik modelin doğruluğu, sonuçların bu motor için mevcut olan deneysel sonuçlarla karşılaştırılmasıyla gösterilmiştir.
Çalışma yedi bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde; gemilerin hava kirliliğine etkisinden ve alınan uluslararası kararlardan söz edilmektedir. Emisyon ve performans değerlerine yönelik literatürde yapılan çalışmalar hakkında bilgi verilmiştir.
İkinci bölümde; içten yanmalı motorlar hakkında genel bilgilere yer verilmiştir. Motorların sınıflandırılması ve teorik çevrimleri gibi bilgiler verildikten sonra dizel motor çalışma şartlarında egzoz gazından çıkan emisyonların, canlı sağlığına etkileri ve oluşum nedenleri detaylı bir biçimde anlatılmıştır. Bazı parametrelerin performans ve emisyon değerlerine etkileri hakkında bilgilere yer verilmiştir.
Üçüncü bölümde; akışkanlar dinamiğinin temelini oluşturan korunum denklemleri ile yanma ve türbülans modellerinden bahsedilmiş sonrasında damlacık parçalanma ve yakıt buharlaşma modelleri ile ilgili bilgiler verilmiştir. Azotoksit (NOx) ve PM emisyonlarının hesaplanmasında kullanılan sayısal modeller hakkında bilgilere yer verilmiştir. Son olarak kullanılan HAD programı hakkında (AVL FIRE) bilgilere yer verilmiştir.
Dördüncü bölümde; gemi dizel motorunun sayısal olarak modellenmesi sunulmuştur. Gemi dizel motorunun boyutları ile başlangıç ve sınır koşulları, kullanılan HAD programına girildikten sonra ağ sayısından bağımsız çözümün elde edilmesi anlatılmıştır.
Beşinci bölüm; çalışmanın en önemli bölümlerinden biridir. Bu bölümde sayısal olarak modellenen yanma, çeşitli parametrelerin değiştirilmesi suretiyle incelenerek performans ve emisyon değerleri elde edilmiştir. Püskürtme açısı, döngü oranı, püskürtme avansı, püskürtme koniklik açısı ve enjektör nozul delik çapı üzerinde sayısal analizlerin yapıldığı parametrelerdir. Püskürtme açısının; 120, 125, 130, 135, 140, 145 ve 150 derecelik değerleri, döngü oranının; 1, 1.5, 2, 2.4, 3, 3.5 ve 4 değerleri, püskürtme avansının; 700, 701, 702, 703, 704, 705 ve 706 derecelik değerleri, püskürtme koniklik açısının; 4, 5, 6, 7, 8, 9 ve 10 derecelik değerleri ve enjektör nozul delik çapının; 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 ve 0.45 mm değerleri incelenmiştir. Tüm püskürtme açıları ve döngü oranları için analizler yapılmış (7x7) bu parametrelerin tüm ikili kombinasyonları elde edilmiştir. Bu analizler yapılırken püskürtme avansı değeri 702 derece, püskürtme koniklik açısı 6 derece ve nozul delik çapı 0.3 mm olarak alınmıştır. Püskürtme avansı için yapılan analizlerde, püskürtme açısı 135 derece ile sabit tutulmuş tüm döngü oranları ve püskürtme avansı değerlerinin (7x7) ikili kombinasyonları elde edilmiştir. Püskürtme avansı analizleri yapılırken de nozul delik çapı ve püskürtme koniklik açısı değerleri önceki analizlerde olduğu gibi aynı alınmıştır. Püskürtme koniklik açısının etkisinin incelendiği analizlerde; püskürtme açısı 135 derece, döngü oranı 2.4, püskürtme avansı 702 derece ve nozul delik çapı 0.3 mm olarak alınmış olup bu şartlarda yapılan sayısal analizlerle (7x1) tüm koniklik açılarının etkisi incelenmiştir. Son olarak, nozul delik çaplarının etkileri üzerine analizler yapılmıştır. Püskürtme açısının 135 derece, döngü oranının 2.4, püskürtme avnsının 702 derece ve püskürtme koniklik açısının 6 derece alınması suretiyle tüm nozul delik çaplarının (7x1) etkileri incelenmiştir. Toplamda 112 farklı sayısal analiz yapılmış ve sonuçları elde edilmiştir. Sonuçlar; performans ve emisyon değerleri açısından hesaplanarak nedenleri hakkında detaylı açıklamalar yapılmıştır. Oluşan etkilerin daha ayrıntılı incelenebilmesi için farklı grafikler üzerinde detaylı bilgiler verilmiş ve nedenleri açıklanmıştır. Son olarak, yapılmış olan 112 analizin sonuçlarından yola çıkarak performans ve emisyonlar açısından en uygun durumun hangi koşullarda olabileceği hakkında fikir verilmiştir.
Altıncı bölümde sayısal modelin validasyonu yapılmıştır. Elde edilen sayısal sonuçlar mevcut deneysel sonuçlarla karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Ayrıca, bu bölümde daha önceki bölümde sunulan emisyon ve performans değerleri de karşılaştırılmıştır.
Yedinci bölüm; çalışmanın son bölümünü oluşturmaktadır. Yapılan analizlerin sonuçları bu bölümde değerlendirilmiştir. Çalışmanın ileride yapılacak olan çalışmalara hangi açıdan ışık tutabileceğinden bahsedilmiştir.
Performans değerleri açısından püskürtme açısı için elde edilen sonuçlara göre yüksek püskürtme açılarının yanmayı iyileştirdiği görülmüştür. Ayrıca güç değerlerinde yaklaşık %10 oranında iyileşmelere neden olmuştur. Ancak emisyon değerleri açısından yapılan değerlendirmeler sonucu, özellikle HC ve CO emisyonlarının daha fazla etkilendikleri görülmüştür. HC emisyonları yaklaşık %80 oranında, CO gazı emisyonları ise yaklaşık %50 oranında düşmüştür. Püskürtme açısının arttırılması, silindir içi bölgesel maksimum sıcaklıkları arttırması sebebiyle azotoksit (NOx) emisyonlarının da artmasına neden olmuştur. Püskürtme açısının 120 dereceden 150 dereceye kadar belli aralıklarla arttırılması sonucu tüm döngü oranlarında güç değerleri farklı oranlarda artarken emisyon değerlerinde de farklılıklar söz konusu olmuştur. Örneğin azotoksit (NOx) emisyonları artarken, PM emisyonları düşmüştür.
Döngü oranı silindir içi hava ve yakıt karışımının sağlanması için yapılmaktadır. Bu oranın aşırı arttırılması, hava-yakıt karışımının oluşmasından çok yanma kalitesini düşürmüştür. Döngü oranı değerinin arttırılması, silindir içi akış kayıplarını ve bölgesel alev sönme bölgelerinin oranını arttırmıştır. Dolayısıyla, performans değerleri özellikle güç ve tork değerleri yaklaşık %20 oranında düşmüştür. Emisyon değerleri açısından döngü oranının etkisi incelendiğinde PM, CO ve HC emisyonlarının en fazla etkilendiği görülmüştür. Döngü oranının arttırılması PM, HC ve CO emisyonlarını arttırmıştır. Püskürtme açısının ve döngü oranının birlikte kombine edilmesiyle hangi açı ve döngü oranı birlikteliğinin uygun olduğunu bulmak yanma kalitesi ve emisyonlar için büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada, hem performans değerleri hem de emisyon değerleri açısından yüksek püskürtme açılarında düşük döngü oranları koşullarının uygun olduğu görülmüştür. Ancak, bu şartlarda azotoksit (NOx) emisyonları değeri için aynı durum geçerli değildir. Çünkü, bu şartlarda azotoksit emisyonlarının yüksek oranlarda olduğu görülmüştür.
Püskürtme avansının etkisi performans değerleri üzerinde yaklaşık %5 oranında etkili olmuştur. Avansın düşürülmesi sonucu yanma süresi uzamış ve güç değerleri artmıştır. Emisyonların durumu için bakıldığında avansın düşürülmesi özellikle yüksek döngü oranlarında PM, CO ve HC emisyonlarını arttırırken, azotoksit (NOx) emisyonlarını düşürmüştür.
Püskürtme koniklik açısı büyüdükçe performans değerlerinin düştüğü görülmüştür. Ancak, küçük değerlerde kalması emisyonlar açısından uygun olmamıştır. Güç değerlerinin yaklaşık %5 oranında düşmesine neden olurken, azotoksit (NOx), CO ve HC emisyonlarının artmasına sebep olmuştur.
Enjektör nozul delik çapı, tüm bu parametreler içinde emisyon ve performans değerlerinin etkilendiği en önemli parametre olmuştur. Nozul delik çapının arttırılması güç değerinde yaklaşık %40 mertebelerinde kayıplara yol açmıştır. Emisyonlar açısından bakıldığında tüm emisyon türlerini (NOx, PM, CO2, HC ve CO) ciddi oranlarda etkilemiştir. Enjektör nozul delik çapının arttırılması, azotoksit emisyonlarında düşüşlere neden olurken diğer tüm emisyonları arttırmıştır.
Genel olarak tüm parametrelerin etkileri incelendiğinde hem emisyon değerlerinin düşük düzeylerde olduğu hem de performans değerlerinin yüksek olduğu durumun ortaya çıkarılması gerekmektedir. Elde edilen sonuçların yardımıyla püskürtme açısı için 135-145 derece, döngü oranı için 1.5-2.4, püskürtme avansı için 702-703 derece, püskürtme koniklik açısı için 4-6 derece ve enjektör nozul delik çapı için 0.25-0.3 mm aralığı önerilmektedir. Bu şartlarda çalıştırılan gemi dizel motorunda performans ve emisyon değerlerinin daha uygun aralıklarda olacağı öngörülmüştür.

Abstract:
Prevention of environmental pollution is very important in terms of ecological balance. Healthy life for next generation is only possible that ecological balance is protected. The human has to produce energy to survive and fossil fuels are used to generate the energy by the human. Unfortunately, environmental pollution has been increasing day by day owing to fossil fuels which are used. Energy generally obtains for purpose of heat, transportation, electricity generation, industrial production and even entertainment. All of them causes that harmful gases spread to atmosphere. Internal combustion engines emits harmful exhaust gases to air a lot. Ships and vehicles used for transportation have internal combustion engines and they contribute to air pollution. Gases caused to air pollution are named as ''emission'' and have several varieties. These emissions are nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), carbon monoxide (CO), soot, carbon dioxide (CO2) and hydro carbons (HC). Emissions have caused many natural catastrophes lately. Nitrogen oxides and sulfur oxides trigger acid rains and give rise to be negatively affected the soil. Carbon dioxide (CO2) going out from the exhaust gases due to in-cylinder combustion causes overheating in atmosphere. Overheating is named as ''Greenhouse Effect''. This effect is a very important risk in terms of global warming. Global warming which are sparked by overheated air has been increasing the melting of glaciers recently. Emissions damage human health vitaly too and cause some diseases. These are cancer-derived illness, respiratory diseases and skin diseases. Many international and national decisions have been come into force in order to prevent this negative effects. International Maritime Organization (IMO) determines some limits for NOx and SOx emissions within the ship exhaust gases. These are Tier I, Tier II and Tier III limits for NOx emissions. NOx emission standards are determined according to shipbuilding year and revolutions per minute (rpm) of engine. SOx emission limit values have been gradually reduced over the years.
Within the scope of this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to model in-cylinder combustion, and emission and performance values of the marine diesel engine were obtained. Emission and performance values are investigated by changing some parameters which in-cylinder combustion chamber affects. These parameters are spray angle, swirl ratio, spray advance, injector nozzle diameter and spray cone angle. Power, torque, BMEP, in-cylinder mean pressure, exhaust gas temperature and BSFC are investigated as performance values. The emission values which were examined are nitrogen oxides (NOx), PM, carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), and hydro carbons (HC). Numerical results were compared with the available experimental results in order to verify the results.
This study is composed from seven chapters. In the first part, ship air pollution and emission regulations are presented. Studies which investigate the emission and performance parameters for internal combustion engines in the literature are deeply explained.
In the second part, general information such as classification of engines and their cycles for the internal combustion engines are presented. It is extensively presented that exhaust emissions which are from marine diesel engine are detrimental for life and environment. Besides, emission formation is described in detail, the effects of parameters on the emission and performance values of the engines are presented.
In the third part, conservation equations, combustion models, turbulance models, fuel droplet evaporation models, droblet fragmentation models, nitrogen oxide (NOx) and PM emissions generation models are clearly introduced.
In the fourth chapter, Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling is presented for in-cylinder combustion process of marine diesel engine. Marine diesel engine properties, initial and boundary conditions are introduced to CFD program, AVL FIRE. Independent result from mesh number is obtained for 30000, 40000, 50000 and 70000 mesh sizes. It is seen that results do not change for more intensive mesh number than 40000 meshes.
Fifth chapter is the most important part for this study. Emission and performance values are investigated by changing the parameters which in-cylinder combustion chamber affects in this chapter. These parameters are spray angle, swirl ratio, spray advance, injector nozzle diameter and spray cone angle. While 120, 125, 130, 135, 140, 145 and 150 degrees are analyzed for spray angle; 1, 1.5, 2, 2.4, 3, 3.5 and 4 values are examined for swirl ratio. Later, spray advance parameter is investigated for 700, 701, 702, 703, 704, 705 and 706 degrees. Besides, for spray cone angle; 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 degrees are considered. Finally, injector nozzle diameters of 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 and 0.45 mm are studied for their effects on the emission and performance values. Different combinations of spray angle and swirl ratio (7x7) are studied. Some parameters are taken as constant. These are 702 degree is for spray advance, 6 degree is for spray cone angle and 0.3 mm is for injector nozzle diameter. Spray angle, injector nozzle diameter and spray cone angle are accepted as a constant value for spray advance and swirl ratio analyzes too. Spray angle is 135 degree, injector nozzle diameter and spray cone angle values are the same which are used for spray angle and swirl ratio analyzes. And combinations are established for all of these situations (7x7). Spray angle is taken as 135 degree, spray advance is 702 degree, swirl ratio is 2.4 value and injector nozzle diameter is 0.3 mm for spray cone angle analysis. The analyzes are arranged in all spray cone angle for this conditions (7x1). Finally, injector nozzle diameters are investigated. During this analysis, spray angle, spray advance, swirl ratio and spray cone angle values are respectively taken as 135 degree, 702 degree, 2.4 ratio and 6 degree. All combinations of nozzle diameters are used to obtain the emission and performance values (7x1). Throughout the study, numerical results are obtained for a total of 112 cases. The results are presented and compared in different figures to be able to investigate all the cases considered deeply. Also, in this part; the most suitable case in terms of emission and performance values is defined and presented clearly.
In the sixth chapter; validation is made by comparing numerical results with the available experimental values in this section.
The seventh chapter is the last chapter in this study. In this chapter, the effects of parameters such as spray angle, swirl ratio, spray advance, spray cone angle and injector nozzle diameter on the performance and emissions of the marine diesel engine are presented and discussed. The new knowledge on the in-cylinder combustion for internal combustion engines are presented.
The results show that when the spray angle values are increased, the performance values of the engine increase too. For instance; the engine power increases about 10 %. But, emission values have some different characteristics. The Hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions affected more than other emissions. Nitrogen oxides (NOx) increase due to the fact that the local temperature values raise.
According to the results with different swirl ratios, Extreme high swirl ratios decrease effectively the performance owing to rising of the ratios of the flow loses and the regional flame damping. For example; power and torque values decrease about 20 percent. Hydro carbon (HC), carbon monoxide (CO) and particulate matter are the most affected in terms of emissions.
According to the results obtained for different spray advance values, performance parameters are increased about 5%. The combustion time and engine power are increased for the low spray advance values. While the PM, CO and HC emissions increase, the NOx emissions decrease for the high swirl ratios.
The results for different spray cone angle values show that the performance values decrease as the spray cone angle increases. While the NOx, HC and CO emissions increase, the engine power and torque values decrease by about 5%.
According to the results found for different injector nozzle diameters, the injector nozzle diameter is found to be the most important parameter which performance and emission values are affected. The engine power decreased by about 40% when the nozzle diameter increased by about three times. All emissions (NOx, PM, CO2, HC and CO) are strongly affected by the injector nozzle diameter parameter. The NOx emissions decrease, the rest of the emissions increase due to the increasing injector nozzle diameter.
The results of the study show that the spray angle values between 135 to 145 degrees, the swirl ratio values between 1.5 to 2.4, the spray angle values between 702 to 703 degrees, the spray cone angle values between 4 to 6 degrees and the injector nozzle diameter values between 0.25 to 0.3 mm are suitable range for both the performance and emission values. Finally, it is believed that the study will help to improve the numerical models of internal combustion engines and contribute to the thermal and environmental science.