İçten yanmalı motor egzoz manifoldunun sayısal modellenmesi ve incelenmesi
Numerical modeling and investigation of the internal combustion engine exhaust manifold
Yazar: GÖRKEM BENEK
Danışman: PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Egzoz = Exhaust   ; Egzoz gazları = Exhaust gases ; Egzoz sistemleri = Exhaust systems

Özet:
Dünya ticaret hacmini oluşturan insan ve yük taşımacılığında kullanılan araçların büyük çoğunluğunda içten yanmalı motorlar kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorların geniş bir kullanım alanına sahip olmasının nedeni olarak bu motorlardan geniş bir yelpazede güç elde edilmesi ve performanslarının yüksek olması gösterilebilir. 
İçten yanmalı motorlarda alt ısıl değeri yüksek olan fosil yakıtlar, biyodizeller ve hidrojen bazlı yakıtlar kullanılabilir. Fakat tedarik zinciri ve üretim maliyetleri ele alındığından içten yanmalı motorlarda en fazla fosil yakıtlar kullanılmaktadır. 
İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtlar ele alındığında, bu motorlar karbon başta olmak üzere yüksek emisyon oranlarına sahiptir. İçten yanmalı motorlardan kaynaklanan emisyonlar sera gazı etkisine neden olmakta ve küresel ısınmanın en önemli etkenlerinden biri sayılmaktadır. Günümüzde yakıt verimliliğinin artması dolayısıyla yakıt tüketiminin azalması oldukça büyük önem kazanmıştır. 
Çevreye verilen zararların azaltılması için, hem hidrojen tabanlı yakıtlar üzerine çalışmalar hem de içten yanmalı motorların ısıl ve mekanik verimlerini yükseltmeye yönelik çalışmalar güncel şekilde devam etmektedir. 
Gelişen bilgisayar teknolojisi ile içten yanmalı motorların enerji verimliliğini arttırmaya yönelik çalışmalar, bilgisayar ortamında model oluşturularak yapılmaya başlanmıştır. Bu sayede yapılan geliştirme çalışmaların, hızlı, pratik, ucuz ve çevreye verdikleri zararın minimum olması amaçlana gelmiştir. 
İçten yanmalı motorların çalışma çevriminde gaz akışı ve yanma olayları gerçekleşmektedir. Basit bir şekilde anlatılacak olursa motorun giriş kısmından hava emilir, emilen havanın silindir içerisinde yakıt ile karışmasıyla yanma olayı gerçekleşir. Yanma olayından elde edilen enerji silindir vasıtasıyla hareket enerjisine dönüştürülür. Yanma sonrasında açığa çıkan egzoz gazları da içten yanmalı motorun dışına egzoz sistemi yardımıyla atılır.
İçten yanmalı motorlar bilgisayar ortamında modellenirken akış ve yanma olayları modellenmektedir. Bu motorların çalışma çevrimi karışık olduğundan emme, yanma ve egzoz adımlarının ayrı ayrı incelenmesi modelleme çalışmalarına hız ve pratiklik getirmektedir. 
İçten yanmalı motor içindeki gaz akışı modellenirken akış, sıkıştırılabilir akış olarak kabul edilir. Sıkıştırılabilir akış modellenirken Navier Stokes denklemleri kullanılır. Fakat kullanılan bu denklemler analitik olarak çözülemeyen veya çözülmesi zor olan diferansiyel denklemlerdir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellerinde bu denklemleri çözmek için farklı yaklaşımlar ve basitleştirmeler kullanılır. Akış koşulları ve sınır şartları belirlenerek oluşturulan model bu çalışmada sonlu hacimler yöntemi kullanarak çözülmüştür. Sonlu hacimler yöntemi kapsamında oluşturulan model çok küçük hacimlere bölünmüş ve bu hacimlerde Navier Stokes denklemleri çözülmüştür.
Bilgisayar ortamında oluşturulan akış probleminin çözümünde çeşitli paket programlar kullanılmaktadır. Genel olarak bu paket programlara, kullanıcı dostu olması açısından müdahale imkanı kısıtlıdır. Bu programlarda model oluşturulur, sınır şartları girilir. Programa tanımlanmış olan çözüm yöntemlerinin içinden uygun olan seçilerek programdan sonuçlar elde edilir. Bu çalışma da ise OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) programı kullanılmıştır. Bu program açık kaynaklı olup isteyen herkesin ulaşımına açık bir programdır. Bu program kapsamında belirli bir algoritma oluşturulmuş ve programın kodları herkesin paylaşımına açılmıştır. Modele ait geometri ve sınır şartlarınının yanı sıra çözüm yöntemleri de dahil olmak üzere her koda müdahale imkanı verilmiştir. Uygun sınır koşullarını veya çözüm yöntemlerini programın içine aktararak kendi probleminize ait düzenlemeleri rahatlıkla uygulama imkanı sunmaktadır. Programın bu imkanları ve açık kaynak olması ele alındığında bu tez çalışmasında kullanılması uygun görülmüştür.
Bu tez çalışmasında gemi dizel motorunun egzoz manifold içindeki egzoz gazlarının hız ve basınç dağılımları ve türbülans karakteristikleri incelenmiştir. Gemi dizel motorunun egzoz valfleri ve manifoldu içindeki değerleri kullanılarak manifold içindeki gaz akışı modellenmiştir. 
Bu çalışmada 3.96 litre hacminde 16 silindire sahip V tipi gemi dizel motorunun egzoz manifoldu kullanılmıştır. Gemi dizel motoru dört stroklu olup türboşarjlıdır. İncelenmek için seçilen motor bloğundaki ateşleme sırası 5-2-8-3-4-6-1-7 şeklindedir. Manifold içindeki akış modellenirken, egzoz valflerinden manifolda doğru giren egzoz gaz akışı sırası ve zamanlaması bu ateşleme sırasına göre oluşturulmuştur.
Gemi dizel motorunun manifoldu modellenirken 1:1 ölçek kullanılmıştır. Manifoldun geometrisi, egzoz gazlarının hız ve basınç değerleri, egzoz valflerinin açılma zamanlaması ve ısı transferi ele alındığında egzoz manifoldu modellenirken belirli bir ölçek kullanarak boyutların küçülmesi sağlanamamıştır.  
Modellenen egzoz manifoldu 1820 mm uzunluğunda, 130 mm çapındadır. Egzoz valfi ile manifold arasındaki bağlantı borularının uzunluğu 145 mm'dir. Bağlantı borularının egzoz valfi tarafındaki çapı 80 mm, manifolda bağlandığı noktalardaki çapı 50 mmdir. Manifoldun boyutlarını ölçeklendirerek küçültemediğimizden sonlu hacimler metodunu uygulamak için oluşturulan hücre sayılarında yüksek adetlere çıkılmak zorunda kalınmıştır. 
Oluşturulan modelin hücre sayısından bağımsızlığını gösterebilmek için model ağ örgüsü kaba (coarse), orta (medium) ve sık (fine) olmak üzere üç farklı sıklıkta hücre sayısına bölünmüştür. Bunlardan kaba olan ağ örgüsü 1.3 milyon hücre, orta olan ağ örgüsü 1.8 milyon hücre ve sık olan ağ örgüsü 2.3 milyon hücreden oluşmaktadır. Oluşturulan problemde çözülecek olan denklem sayısının fazlalığı, zamana bağlı değişimler ve hücre sayısı göz önünde bulundurulduğunda çözüm süresinin uzun olduğu bilinmektedir.
Egzoz manifold modeli uygun denklemler ve sınır şartları kullanılarak zamana bağlı olarak çözüldüğünde elde edilen verilerin, gerçek gemi dizel motoru üzerinden alınan değerlerle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde manifold içinde türbülansın ve basınç dalgalanmalarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Oluşan bu basınç dalgalanmasının, manifold çıkışında bulunan türbine akışın lineer girememesi ve türbin veriminin düşmesine neden olduğu görülmüştür. Ayrıca egzoz valflerinin açılması esnasında valf civarında yüksek basınç oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu durum manifold içinde basınç kayıplarına yol açmakta ve süpürme veriminin düşmesine yol açmaktadır. 
Egzoz manifoldu içindeki basınç kayıplarını, türbülansı ve basınç dalgalanmasını azaltmak için manifoldun kapalı ucuna kör boru eklenmiştir. Kör boru eklenmesi ile oluşan yeni egzoz manifold modeli çözülerek manifold içindeki basınç dağılımı ve türbülans değerleri incelenmiştir. 
Eklenen bu hacim özellikle kör uca yakın bulunan silindir bağlantı borularındaki basınç değerlerini azaltarak egzoz manifoldu içindeki basınç dağılımının düzenlenmesini önemli ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Ayrıca duvarlardan gelen basınç dalgalarını yansıtarak akışı zayıflatarak manifold ve ara bağlantı boruları boyunca daha yumuşak basınç değişimlerine neden olduğu ve özellikle kör uç tarafında türbülansın azaltılmasına yardımcı olduğu görülmüştür.
Sonuç olarak manifold içindeki basınç dağılımı ve türbülans değerlerinde kayıpların azaldığı yönünde değişimler görülmüştür. Bu çalışmanın devamında optimize edilmiş herhangi bir ek hacim geometrinin, silindirlerin performans özelliklerini daha da iyileştireceği düşünülmektedir.

Abstract:
Internal combustion engines are used in the vast majority of vehicles used in human and freight transportation, which make up the world trade volume. The reason why internal combustion engines have a wide range of use can be shown to be that they get a wide range of power and their performance is high.
Fossil fuels, biodiesel and hydrogen-based fuels which has high lower calorific value can be used in internal combustion engines. However, as the supply chain and production costs are considered, the most fossil fuels are used in internal combustion engines.
Considering the fuels used in internal combustion engines, these engines have high emission rates, especially carbon. Emissions from internal combustion engines cause greenhouse gas effects and are considered to be one of the most important factors of global warming. Nowadays, the decrease in fuel consumption has gained great importance due to the increase in fuel efficiency.
In order to reduce the damage to the environment, both studies on hydrogen-based fuels and efforts to increase the thermal and mechanical efficiency of internal combustion engines are continuing .
With the developing computer technology, studies to increase the energy efficiency of internal combustion engines have begun to be made by creating a model in computer environment. In this way, it has been tried to ensure that the development works carried out are fast, practical, cheap and the damage they cause to the environment is at a minimum level.
Gas flow and combustion occur in the operating cycle of internal combustion engines. In simple terms, air is sucked in from the inlet of the engine, and the combustion occurs when the aspirated air mixes with the fuel in the cylinder. The energy obtained from combustion is converted into motion energy by means of the cylinder. In addition, the exhaust gases released after combustion are discharged from the internal combustion engine with the help of the exhaust system.
While internal combustion engines are modeled in computer environment, flow and combustion phenomena are modeled. Since the working cycle of these engines is complex, examining the intake, combustion and exhaust steps separately brings speed and practicality to the modeling studies.
When modeling the gas flow within the internal combustion engine, the flow is considered to be compressible flow. Navier Stokes equations are used when modeling compressible flow. However, the differential equations that cannot be solved analytically or are difficult to solve are used in these problems. Computational fluid dynamics models use different approaches and simplifications to solve these equations. In this study, the model created by determining the flow conditions and boundary conditions has been solved by using the finite volume method. The model created within the scope of finite volume method was divided into very small volumes and Navier Stokes equations were solved in these volumes.
Various commercial CFD programs are used to solve the flow problem which is generated in the computer environment. In general, the opportunity to interfere with these commercial programs is limited in terms of user-friendliness. In these programs, a model is created and boundary conditions are entered. The results are obtained from the program by choosing the appropriate solution among the solution methods defined in the program. In this study, OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) program is used. This program is open source and accessible to anyone who wants to. Within the scope of this program, a specific algorithm has been created and the codes of the program are made available to everyone. In addition to the geometry and boundary conditions of the model, it is possible to intervene in every code, including solution methods. By editing the appropriate boundary conditions or solution methods into the program code, it provides the opportunity to easily apply the regulations of your own problem. Considering these possibilities of the program and its open source code, it was deemed appropriate to be used in this thesis study.
In this thesis, the turbulence characteristics and the velocity and pressure distribution of the exhaust gases in the exhaust manifold of the vessel diesel engine have been investigated. The gas flow in the manifold was modeled using the values around the exhaust valves and in the manifold of the ship's diesel engine.
In this study, the exhaust manifold of a 3.96 liter V-type 16 cylinders vessel diesel engine was used. The ship's diesel engine has four strokes and is turbocharged. The firing order in the engine block selected for inspection is 5-2-8-3-4-6-1-7. When modeling the flow through the manifold, the sequence and timing of the exhaust gas flow entering the manifold through the exhaust valves was established according to this firing sequence.
1:1 scale was used when modeling the manifold of vessel diesel engine. Considering the geometry of the manifold, the velocity and pressure values of the exhaust gases, the opening timing of the exhaust valves and the heat transfer, the size of the exhaust manifold could not be reduced by using a certain scale .
The modeled exhaust manifold is 1820 mm long, 130 mm in diameter. The length of the connection pipes between the exhaust valve and the manifold is 145 mm. The diameter of the connection pipes on the exhaust valve side is 80 mm, and the diameters at the areas where they are connected to the manifold are 50 mm. We had to increase the number of cells generated in order to apply the finite volume method, as we could not scale down the dimensions of the manifold.
In order to show the independence of the model created from the number of cells, the model mesh is divided into three different cell numbers as coarse, medium and fine. Of these, the coarse mesh consists of 1.3 million cells, the medium mesh consists of 1.8 million cells, and the fine mesh consists of 2.3 million cells. It is known that the solution time is long considering the excess number of equations to be solved in the created problem, time-dependent changes and the number of cells.
When the exhaust manifold model is solved depending on time using appropriate equations and boundary conditions, it has been observed that the data obtained are compatible with the values obtained from the real vessel diesel engine. When the results obtained were examined, it was observed that turbulence and pressure fluctuations occurred in the manifold. It has been observed that this pressure fluctuation caused the turbine flow at the outlet of the manifold to not enter linearly and the turbine efficiency to decrease. It has also been observed that during the opening of the exhaust valves, high pressure is generated around the exhaust valve. This situation causes pressure losses in the manifold and leads to a decrease in scavenging efficiency.
A dead end has been added to the closed end of the manifold to reduce pressure losses, turbulence and pressure fluctuation within the exhaust manifold. The pressure distribution and turbulence values in the manifold have been investigated by solving the new exhaust manifold model formed by adding a dead end.
It has been observed that this added volume significantly affects the regulation of the pressure distribution in the exhaust manifold by decreasing the pressure values in the cylinder connection pipes located close to the blind end. In addition, it has been observed that by reflecting the pressure waves coming from the walls, it causes smoother pressure changes along the manifold and interconnection pipes by weakening the flow and helps to reduce turbulence, especially at the blind end.
As a result, changes in the direction of decrease in pressure distribution and turbulence values in the manifold were observed. In the continuation of this work, it is thought that any additional optimized volume geometry will further improve the performance characteristics of the cylinders.