Bir gemi dizel motorunda dizayn ve işletme parametrelerinin performans ve emisyon değerleri üzerindeki etkilerinin sayısal olarak incelenmesi

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.