Biıodiesel ile çalışan diesel motorunda ECFM-3Z (extended coherent flame model- 3 zones) modelinin performans ve emisyon simülasyonuna yaklaşımı
Approach of extended coherent flame model-3 zones (ECFM-3Z) model to the performance and emissions of a diesel engine running with biodiesel
Yazar: ŞEYMA KARAHAN
Danışman: PROF. DR. HAKAN KALELİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Biyodizel = Biodiesel ; Dizel yakıtlar = Diesel fuels ; Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Yanma modelleri = Combustion models

Özet:
Diesel motorlar ulaştırma sektöründe önemli role sahiptir. Diesel motorlarda kullanılan petrol kökenli yakıtlar yüksek miktarda aromatik bileşik ve kükürt içermekte, bunlarda çevre kirliliğine neden olmaktadır. Bu nedenle Diesel motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonları çevre kirliliğini önemli derece etkilemektedir. Avrupa Birliği (AB) komisyonu Diesel motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarını sınırlamak için 70/220/ EEC ana direktifini yayınlamıştır. Bu direktife bağlı Euro 5/6 için 2007/715/EC yönetmeliğini yayınlamıştır. Motor üreticileri bu emisyon değerlerini karşılayabilmek için yüksek performanslı ve düşük emisyonlu Diesel motorlar geliştirmeye yönelmiştir.Emisyon seviyelerinin düşmesi büyük ölçüde silindir içi karışım oluşumuna ve yanmya bağlıdır. Püskürtme süresi, püskürtme basıncı, püskürtme avansı ve damlacık sayısı gibi püskürtme sistemi parametreleri karışım oluşumunu ve yanma prosesini etkilemektedir. Bu nedenle atomizasyon, püskürtme parametreleri yakıt kalitesi emisyonlarda değişiklere sebep olur.Diesel motorlarda yanmanının matematiksel modellenmesi, ısı transferi, tutuşma, emisyon oluşumu, sprey dinamiği gibi fiziksel ve kimyasal proseslerin daha iyi anlaşılmasında çok önemlidir. Modelleme çalışması, aynı zamanda motor tasarımı esnasında emisyon oluşumu hakkında öngörüm sağlar.Bunlarla birlikte biodiesel, yenilenebilir ve emisyon seviyeleri düşük olduğundan günümüzde kullanılan en önemli alternatif motor yakıtlarından biridir.Bu çalışmada, Diesel motorunda biodiesel yakıtı kullanımı ile performans ve egzoz emisyonları için ECFM-3Z yanma modelinin deney sonuçlarına yaklaşımının irdelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda kanola yağından transesterifikasyon yöntemi ile saf biodiesel üretilmiştir. TS EN14214 standardına göre analizi yapılan saf biodieselin 3 LD 510 tipi direkt püskürtmeli Diesel motorunuda tam yükte ve farklı hız koşullarında performans ve emisyon deneyleri gerçekleştirilmiştir.Deneysel çalışmadan sonra, saf biodiesel yanmasının simülasyonu için STAR-CD/ES-ICE programı kullanılarak Extended Coherent Flame Model?3 Zones/Genişletilmiş Tutarlı Alev Modeli-3 Bölgeli (ECFM-3Z) yanma modeli uygulanmıştır. Simülasyon çalışmalarında farklı motor hızlarında püskürtme avansı, püskürtme süresi ve damlacık sayısı değiştirilmiştir. Emisyon ve performans simülasyon sonuçları deney sonuçları ile karşılaştırılarak Diesel motorunda biodiesel yakıtı kullanımı ile performans ve egzoz emisyonları için ECFM-3Z yanma modelinin deney sonuçlarına yaklaşımı belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Biodiesel, ECFM-3Z yanma modeli, Diesel yakıtı, alternatif motor yakıtları, hesaplamalı akışkanlar dinamiği, egzoz emisyonları

Abstract:
Diesel engines play an important role in the transportation sector.As petroleum fuels used in Diesel engines include high amount of aramatic compounds and sulphur, the impact of Diesel engine exhaust emissons on air pollution is very high. Thus, 70/220/ EEC Directive was published by European Union to limit the exhaust emissions emitted from Diesel engines. According to this directive, 2007/715/EC regulation is also published for Euro 5/6.Because of emision limitations, engine manufacturers aims to develop high performance and low emission Diesel engines to meet the regulations. Reduction of emissions level strongly depends on the mixture formation and combustion processParameters such as injection duration, injection pressure, start injection advance and droplet number effect the mixture formation and combustion process. So, changes in exhaust emissions are related to atomisation, injection parameters and fuel quality.Mathematical modeling of combustion in Diesel engines is very important for underlying physical and chemical processes such as heat transfer, ignition, emission formation, spray dynamics etc. It also helps to predict pollutant formation during the stage of engine design.In addition to these, biodiesel is one of the most prominent alternative motor fuel because of its ability to be renewable and low emissions.In this study, it is aimed to investigate the approach of ECFM-3Z Combustion Model to the performance and emissions of Diesel Engine running with Biodiesel.In the scope of this study, pure biodiesel is produced from rapeed oil via transesterification process. The pure biodiesel, which is analyzed according to the TS EN14214 standard, has been expiremented on type 3 LD 510 direct injection Diesel engine on full load and different speed conditions for performance and emission.After experimenatal study, 3 Zones Extendend Coherent Flame Model (ECFM-3Z) is applided to STAR-CD/ES-ICE programme for computing the combustion of biodiesel. Injection advance, injection duration and droplet number has been changed at different engine speeds for simulation studies.Emission and performance simulation results have been compared against the experiment results to investigate the approach of ECFM-3Z Combustion Model to the performance and emissions of Diesel Engine running with Biodiesel.Key words: Biodiesel, ECFM-3Z combustion model, Diesel fuel, alternative motor fuels, computational fluid dynamics, exhaust emissons