Simulating Combustion

1. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
SIMULATING COMBUSTION
“YANMA SİMÜLASYONU”
06066024 Açelya USLU
06062047 Kerem EYUPOĞLU
07066017 Melek HATĠPOĞLU
06065508 Filiz TUNAVELĠOĞLU
OTOMOTİV ANABİLİM DALINDA HAZIRLANAN
MAKİNE TASARIMI
III
Proje Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Tarkan SANDALCI
ĠSTANBUL, 2011

2. i

3. ii

4. iii

5. FilizTUNAVELİOĞLU |1
4. MOTORDA YANMA
4.1 Buji Ateşlemeli Motor
4.1.1 Karışım teşkili
Esaslar
Klasik buji ateşlemeli motorda (SI),daha eski motorlarda, yöntem olarak, yakıt, yanma
odasının dışında karbüratör vasıtasıyla hava ile kaıştırılır ve daha yeni motorlarda ise emme
subabından önce emme monifolduna püskürtülür. Motorun yük değişimleri sayısal olarak
ortaya çıkar, örneğin; hava ve yakıt hep bilinen aynı orandadır(stikoyometrik); gaz kelebeği
vasıtasıyla karışımın ayarlaması yükün ayarlanmasını sağlar. Direkt yakıt püskürtmelilerde,
yakıt yanma odasına direkt olarak püskürtülür. Bu konudaki yük değişimleri hem miktar
olarak hem de kalite açısından açığa çıkar, örneğin, hava ve yakıt arasındaki karışım
oranı.Motor performansı, yüke bağlı olarak, hava kütlesi kadar yakıt miktarı ile ayarlanır.
Karışım teşkili sürecinde söz konusu yanma durumu için optimum karışım dağılımını
yaratılır, örneğin, normal yanma prosesi için mümkün olan en homojen karışım ve fakir
yanma prosesi için tabakalı karışım halinin olması.
Çok Noktadan Püskürtme
Dıştan karışımlı şekliyle klasik methotta,ki tek ya da çok noktadan püskürtme yakıtın ilavesi
için kullanılır,kısaca çalışma prensibi ilerde tanımlanacaktır.Şekil 4.1, uygun bir karışım
teşkili için her silindiri ayrı bir püskürtme ile donatılmış,çok noktalı püskürtme prensibini
gösteriyor.Elektrik kontrol ünitesi ile tayin edilen yakıt miktarı,emme manifoldu önünde 7 bar
mutlak basınca kadar sabit basınçla emme monifolduna püskürtülür.Yakıtın mümkün
olduğunca çabuk buharlaşabilmesi için ve sıvı yağ filmi oluşumunu engelleyebilmek için,
püskürtme direkt olarak kızgın emme subabına yapılır. Zaten zamanın büyük bir bölümü yakıt
yanma odasına karışmadan önce yakıtın buhaşması için harcanır. In induction pipe-
synchronous injection,girişim açık emme manifolduna direkt püskürtme için yapılır. Yakıtın
hızlı buharlaşması ve yanma odasında tutuşma zamanlamasına kadar mümkün olduğunca
çabuk hava ile karışması benzin motorları için önemli bir ihtiyaçtır ki ayarlanamayarak
meydana gelebilecek en kötü durum ise vuruntu ve yanlış ateşlemedir (bölüm 4.1.3 ve
4.1.4).Bunun yanında püskürtme prosesinde, yanma odasından emme manifolduna emme
akışı karışım teşkilinin kalitesi açısından yadsınamayacak ölçüde önemlidir. Yanma
odasındaki karışım teşkili şu noktalara göre gelişir;
- Emme stroğu esnasında, yakıtın hava ile dışardaki karışımı, 20 μm (ve daha küçük)
lik küçük damlaların buharlaşması sayesinde gerçekleşir.
- Sıkıştırma stroğunda,şiddetli,küçük ölçekli karışım meydana gelir, yaklaşık 200 μm
çaplı büyük damlaların buharlaşması da meydana gelir.
- Tutuşma esnasında,aslında daha fazla damla olmaz,hala homojensizlik vardır.Yanma
odasındaki yakıt konsantrasyonunun değişimi % 10-15 arasındadır.

6. FilizTUNAVELİOĞLU |2
Prensipte, emme prosesi esnasındaki yüksek hızda akış ve yüksek değerlerdeki turbulans,
küçük dairesel akışlardan aşırı bir harekete yol açar. Bu durumdan faydalanılabilir,örneğin,
çeşitli kam mili düzenlemeleri ya da subap ayarlamalarındaki çeşitlilik kısmi yüklerde daha
küçük bir akış kesiti olur ve bu yüzden havanın akışı hızlanır.
Direkt Püskürtme
SI motorlarında yakıt tüketimindeki farkedilir azalma, içten karışım teşkili ile yanma
prosesinin geliştiğini gösterir.Örneğin; yanma odasına direkt püskürtme. Direkt püskürtmenin
başlıca avantajı SI motorlarının karbüratörlü klasik yöntemine karşılık gaz kelebeğiyle yük
ayarlamasının yerine buna denk yük düzenlemelerinin uygulanmasına olanak
sağlamasıdır.Böylece motor devir değişim sırasında neredeyse kısılma kayıpları olmaksızın
havayı alır.Yanma için gerekli olan fakir hava oranı(L<1) yüzünden, batarya tabakalaşması
olarak da adlandırılır yanma odasında farkedilmelidir, ki bu durum yeterli zengin ve bu
yüzden de tutuşabilir karışımı, ateşleme avansında, buji kısmında güvenceye almış olur. Bu
prosedürler şekil 4.2 de gösterilmektedir.

7. FilizTUNAVELİOĞLU |3
Duvar referanslı şekilde,enjektör memesinden çıkan karışım bulutu, piston içerisinde buji
boyunca ona karşılık gelen deformasyona (çıkıntı) yönlendirilir. Hava referanslı proseste,
enjeksiyon püskürtmesine doğru bir düşüşle bu işlem tamamlanır. Bu düşüş yanma odasına
emme kanalında içe akışın oldugu esnada bu geometriye bağlı olarak yaratılmalıdır. Son
olarak püskürtme referanslı methotta; emme manifoldu ve buji birbirlerine oldukça yakın
olarak konumlanmıştır ve karışım teşkilinin ve bujideki tutuşabilir karışım eldesinin kontrolü
püskürtme karşısında özellikle sonuç verebilir. Bu açıkca gösteriyor ki yanma odasındaki akış
durumu, motor hızı ve yüküyle bariz farklılıklar gösteriyor.Diğre taraftan püskürtme esaslı
enjeksiyonlar hem yakıt tüketiminin ve emisyonlarının azalmasında referans olurken hem de
motor planında şarj kademelenmesinin genişlemesinde potensiyel teşkil eder.
Şekil 4.3 Püskürtme esaslı yanma için şarj kademelenmesindeki genişlemeyi gösterir
Fröhlich ve diğerlerine bağlı olarak püskürtme referanslı yanma prosesi için şarj
kademelerinin genişlemesini gösterir(2003). Buna takiben; direkt enjeksiyonlu buji tutuşmalı
motorun kademeli şarj modunda girişi hız ve yük haritası kullanılamaz. Yüksek hız ve yükler

8. FilizTUNAVELİOĞLU |4
mevcut olduğunda karışım bulutu çok zengin olur, bu yüzden de yüksek partiküllü emisyonlar
ortaya çıkar. Diğer taraftan, yüksek motor hızlarında, karışım teşkilindeki belirli miktardaki
yakıt kalitesini sağlayabilmek için ayrılan zaman oldukça kısa olur. Yüksek verimliliğin
yanında; DISI motoru, yanma odasına yakıtın direkt püskürtülmesinin (ısı emilmesi ile
buharlaşma) direkt tutuşmanın sonucu olarak vuruntu olma tehlikesi olana kadar, yüksek
sıkıştırma oranlarına ayarlanabilir. Ayrıca iç soğutmanın sonucu olarak daha fazla miktarda
dolgu alınabilir. Bölüm ikide de anlatıldığı gibi motorun termal verimi, sıkıştırma oranı ile
artar.
Burada avantajları tanımlanan DISI motorunun Yeni Avrupa Sürüş Döngüsü için sonuçları
gösterdi, ki kuralları avrupa tarafından belirlendi, potansiyel tüketimi yaklaşık %15 olan SI
motoru, çok noktalı püskürtme ile karşılaşıtırıldı. En önemli sıkıntı kirletici emisyonların
azalması için egzos gazlarının iyileştirme yöntemidir.Kademeli şarj durumlarında ki fakir
yakıt fazlalık katsayısı yüzünden, fazla etkili ve nispeten pahallı olmayan 3 yollu katalitik
konverterden DISI motorlarında faydalanılamaz. Nitrik oksitin azalması için bu katalitik
konvertörün kullanımı yerine , motor kısa aralıklarla rejenere edilmelidir (zengin hava-yakıt
karışımı), bu şekilde yakıt tüketimi olumsuz etkilenir. Bu konu ile ilgili yakıtın içeriği sülfür
de önem kazanıyor, çünkü sülfirik bileşenler katalizörün fonksiyonunu bozuyor. Bir yandan;
bu sülfür bileşenleri NOx in depo yerlerini kapatıyor katalitik konvertede, bu sebeple daha
kısa aralıklarda konverterin yakıt tüketimindeki aşırı yenilenme ortaya çıkıyor. Ayrıca
bileşenler konverterin yüzeyine bir bütün olarak zarar veriyor,bu yüzden çalışmaz olabiliyor,
ve yakıtta yüksek sülfür içerikleri olunca konvertörün servis ömrü ciddi bir biçimde azalıyor.
Bu bölümde konvertörün zehirlemesinden bahsettik. Bu sebeple direkt püskürtmeli SI
motorunun çalışmasında sülfürün düşük miktarda bulunduğu yakıtlar piyasada mevcuttur(batı
avrupa). Amerikada, bu hala böyle değil, bu yüzden kademeli şarj konseptli DISI motorundan
faydalanmada öne çıkan konu günümüzde bu değil.
4.1.2 Tutuşma
Klasik SI motoru konu olduğunda; bujinin elektrodları ile buji deşarjı ile üst ölü noktadan
önce hava yakıt karışımının tutuşması meydana gelir. Karışıma buji deşarjından yeterli enerji
aktarılmalıdır bu durum ısıl patlama olarak adlandırılır. Semenov tarafından ısıl patlama
teorik olarak açıklamıştır(1935).
Tutuşma başlangıcında, tutuşabilir karışım bujide hazır olmalıdır. Karışım çok zengin ya da
çok fakir olursa tutuşmaz. Benzinli yakıt için, tutuşma sınırları 0.6≤λ≤1.6 arasındadır ki λ
hava fazlalık katsayısının Ф tersidir(mesela λ=1/Ф). Ateşleme bujisi alanında, karışımın
tutuşma sıcaklığına ulaşması gerekmektedir. Deneysel sonuçlar da gösteriyor ki bu sıcaklık
3000K≤T≤6000K arasında olmasıdır.
Yanma gecikmesi tutuşma zamanı ile yanma başlangıcı arasındaki zaman periyodudur, bu
gecikme vasıtasıyla diğerine %5 yakıt kütlesi dönüşümü ile tanımlanır. Yanma gecikmesi
yaklaşık 1 milisaniye civarındadır. Güvenli bir tutuşma başlangıcı için belirtilen şartların
sağlanması gerekir: Tutuşma voltajı yaklaşık 15kV (normal) ya da 25kV (ilk çalıştırma),
tutuşma enerjisi 30-50 mJ arasında, ve tutuşma anı da 0.3-1 ms. arasında gerçekleşiyor.
Tutuşma sistemleri prensipte ikiye ayrılabilir. Bunlar bataryalı tutuşma ve magneto tutuşma
sistemleri olarak adlandırılır. Bataryalı tutuşma sistemi günümüzde SI motorları için hala
standarttır. Magneto tutuşma sistemi yalnızca küçük, tasarruf sağlayan motorlarda
itesibulunmakla birlikte pillerin bakımı garanti edilemez. Yanma zamanı(veya açısı)
elektronik olarak motor hızı, gücü, soğutması, vs., e bağlı olarak motor tarafından kontrol
edilir(bakınız Şekil 4.4) .

9. FilizTUNAVELİOĞLU |5
Şekil 4.4: Tutuşma açısı haritası
Günümüzde, statiğin konusu- elektronik olarak düzenlenmiş- yüksek- voltaj dağıtımı,
herhangi hareketli parçaların (ör: dağıtıcılar,şalterler) kullanılmadığı durumlardır. Tutuşma
zamanı sabit bir değer değildir,fakat motor işlemlerinin ayarlanması için yanma prosesinin en
iyi şekilde ayarlanması gerekmektedir ve özellikle yanma merkezi iyice ayarlanmalıdır.
Örneğin tam yük altında bu imkansızsa detonation sensörü vuruntu algıladığı sürece erken
tutuşma yerine geç tutuşmaya ayarlanır. Belli miktarda (yaklaşık 6 derece KA) tutuşma
gecikmesi ayarlanır ve proses patlama sınırlarına yaklaşamaya bir kez daha başlar. Bu
yüzden, tüm elektronik tutuşmayla, çeşitli yakıtlar için ve çeşitli sınır koşullarında
(sıcaklık,emme havası basıncı) tüketim-optimal değerlerinde yapılması mümkündür. Daha
geniş bir açıklama için Stiesch incelenebilir(2003).
4.1.3 Yanma prosesi
SI motorlarının homojen olarak çalışmasında, tutuşma kıvılcımı sayesinde,yukarıda da
anlatıldığı üzere, enerjinin aktarımı sayesinde alev başlatılır. Bundan sonra ön karışım alevi
cephesi yayılmaya başlar, ki bu da tüm yanma odası boyunca bujilerin pozisyonundan
kaynaklanır. Şekil 4.5 te farklı zamanlardaki alev cephesinin, merkezde buji olan 4 subaplı
modern bir motor için örneği gösterilmektedir. Bu gösterim yanma odasının kuşbakışına
karşılık gelmektedir, ortadaki küçük alan bujiyi temsil etmektedir, büyük daireler emme
subabını gösteriyor ve iki ara dairede egzos valfini gösteriyor.

10. FilizTUNAVELİOĞLU |6
Laminar ve Türbülanslı Alev Hızı
Geçici enerji serbestisi oranı için ve ayrıca yanmadan kaynaklanan silindirdeki basınç artışı
için ön karışım alev cephesinin yayılma hızı –alev hızı olarak adlandırılır- özellikle önemlidir.
Biz böylelikle laminar alev hızını ve turbulans alev hızını sl ve turbulans hızını st olarak
gösterebiliriz. Statik hava yakıt karışımında ön karışımlı alev cephesi laminar alev hızını
belirler. Kinetik reaksiyonun yanında , o, alev içinde ısı iletken ve difüzyon süreçlere bağlı
olup aynı zamanda yakıtın fonksiyonu,hava yakıt karışımının fonksiyonu olarak basınç ve
sıcaklıklarla da belirlenebilir. Metghalci ve Keck tarafından tanımlanan ilişki kullanılır.
frg kalan gazın kütle kesrini, T0 ve po 298K ve 101.3 kPa durumunda referans alınan değerler.
α ve βsembolleri ve alev hızının atmosferik koşullar altındaki değeri sl,o yakıta bağlı olarak
değişir.
Propan, izooktan ve metanol için şu bağıntılar geçerlidir.

11. FilizTUNAVELİOĞLU |7
4.4
Λm hava yakıt oranını gösterir. Sl,o maksimum değerine Bm değerinde ulaşır. 4.4 teki
parametreler aşağıda özetlenmiştir.
Ancak normal yanma koşullarında yanma hızı laminar değil alev cephesinin yayılımı oldukça
tü ile türbülanslıdır. Türbülans dalgalarının yayılımı sayesinde düz laminar durum kıvrılmaya
başlar.Bu yüzden de yüzey alanı Al büyür. Fakar yerel olarak alev hala laminar hızda
yanmaktadır. Türbülanslı alev dalgalarının genişlmesş yanma hızının artışına katkıda bulunur.
Biz türbülanslı alev hızını St ile gösteriyoruz bu Sl ile hesaplanıyor ve u‟ türbülans
hareketlerine bağlı ortalama yerel türbülans değeri,9.1.2 bunu daha iyi açıklıyor.
Damköhler bağıntısı temel bir yaklaşım getiriyor.
(4.5)
Bu eşitlik turbulansın yüksek değerlerinde alev hızının artışını açıkca gösteriyor. Benzinli
motorun dizele göre daha yüksek hızlara çıkmasının sebebi de budur aslında. Yüksek

12. FilizTUNAVELİOĞLU |8
devirlerde kısa zamanda karışım dönüştürülebilir olmasına karşın, alev hızlarının artmasından
dolayı yanma odasında türbülans seviyesinin çok artması ancak böyle mümkün olur.
Ortalama basınç ve yakıt tüketimi
Daha önce gösterildiği gibi, λ hava yakıt fazlalık oranıdır ve ciddi şekilde yanma hızına etkisi
vardır.λ>1.1 için yanma, yavaşlayan alev hızının sonucu olarak ve artan havanın ısısı
tarafından düşen yanma sıcaklığı yüzünden yanma daha fazla sürüklenmeye başlar. λ=1.1
civarında yakıt tüketimi minimuma ulaşır. Λ=0.9-0.85 değerine kadar yanma hızı yüksektir,
maximum basınç burda oluşur. Optimum hava fazlalık katsayısı 0.85 ile 1.1 arasındadır. Şekil
4.6 da gösterildiği üzere balık oltası şeklinde ortalama efektif basınca bağlı mep yakıt
tüketimini be gösteriyor, sabit hızda farklı havafazlalık katsayıları var SI motoru için ve sabit
gaz kelebeği durumu için. Hava yakıt oranının etkilerine bağlı olarak kirlilik durumları bölüm
6 da açıklanacaktır.

13. FilizTUNAVELİOĞLU |9
Çevrimsel Değişimler
Çevrimden çevrime olan büyük basınç değişimleri, çevrimsel değişimler diye adlandırılıyor,
SI motorlarının tipik özelliklerindendi. Yanma odasındaki bu geçici ve yerel değişimler
turbulans hızından ve karışım teşkilinden kaynaklanır. Tutuşma gecikmesi bu sebepten
kaynaklanır. Bunlar aynı zamanda alev yaylımının daha fazla yanmasını ya da daha az
yanmasını sağlar. Şekil 4.7 de başında methanolün yanmasının çevrimsel değişimlerinin
etkileri, altta basınç rotası üzerindeki tutuşma açısı görünüyor. İki grafikte ayarlamalarla
küçük etkilerin oluşumunu gösteriyor. SI motorlarındaki çevrimsel değişimlerin azalması
karışım teşkiline,tutuşmaya ve alev cephesi yayılma durumlarına bağlıdır ve bunlar yakıt
tüketiminde de etki yapar.

14. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 10
4.1.4 Düzensiz Yanma
Öncesinde yanma hızı 25m/s olan normal yanmadan bahsedildi. Buna karşılık olarak
vuruntulu yanma da ciddi anlamda basınç değişimleri olur. Bu konuda yanmamış karışımın
sıkıştırma stroğu esnasında kimyasal ön hazırlığı hızlanıyor. Tutuşmanın etkisiyle başlayan
yanma,daha kanmamış karışıma ulaşmadan yayılan alev cephesi tarafından sıkıştırılır. Artan
sıcaklıkla beraber tutşma sınırları genişler, spontane tutuşma başlar,şekil 4.8 e bakın. Bu da
vuruntuyu ve gürültülü çalışmayı ortaya çıkarır.

15. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 11
Yüzeyde tutuşma da bir diğer istenmeyen yanma durumudur. Yanm odasındaki sıcak
bölgelerden etkileniyor ve kızgın noktalar diye adlandırılıyor,ki buralarda sıcaklık 1200K‟le
normal tutuşma seviyesinin üstündedir. Yanmadan kalan en çok kızgın noktalar, duvarlara
yerleşiyor. Vuruntulu yanma şekil 4.9 da vuruntulu yanma başlangıcı ve yüzeydeki tutuşma
ile gösteriliyor. Bujinin yanma başlangıcın yüzey tutuşması adı verilen şekilde ateşlemesi ile
vuruntulu yanma kendini gösterir. Basınç dalgaları ile vuruntulu yanma başlayabileceği gibi
aynı zamanda mekanik malzemeler,piston ve silindir kafasındaki ısıl yükün artması da buna
sebep verebilir.

16. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 12
Daha detaylı anlatım için Warnatz ve dahasına bakılabilir. Vuruntulu yanma ve yüzeysel
tutuşma ile örtüşen proseslerde olduğu kadar yüzey tutuşmasının çeşitliliği de Urlaub
tarafından tanımlanmıştır(1994). Yanma odasının geometrisinin vuruntu üzerinde etkisi
vardır.
4.1.5 Konrollü Tutuşma
Son zamanlarda, benzinli yakıtların otomatik tutuşmasıyla ciddi anlamda homojen yanma
olabilmesi için araştırmalar yoğunlaştırıldı. SI ve dizel motoru arasında sınır prosesleri
bulanıklaşır ve sistemler birbirine yaklaşır. Dizel motorlarında, homojen şarj
kompresyonu(HCCI) diye adlandırırız,4.2.5 te görmek mümkündür. Diğer yandan SI motoru
için aynı olay kontrollü otomatik tutuşma(CAI) olarak adlandırılır. İki method da aynı amaca
hizmet eder.Son konuda extra bir egzos maliyeti olmaksızın nitric oksidi azaltmaktır.,bölüm
6.5 e bakın. Buji ile yanma da düşük alev hızları alevin yok olmasına sebep olabilir. Bunun
sonucu olarak yanma sürüklemeli yanma olarak devam eder. Eğer karışım –yanma odasındaki
idealde sonsuz sayıda- kendini tutuşturmayı becerirse, tüm karışım alevle kaplanır. Henüz
değişen hız ve yük altında otomatik ateşlme zamanlamasının kontrolu merkezi bir sorun teşkil
etmektedir. Çok erken ve çok geç ateşleme ya da aleş alamama sınırı çok dardır. Bu nedenle
homojenize yanma prosesleri araştırma konusu değildir.

17. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 13
Benzinli yakıt dizele göre düşük sıcaklıkta buharlaşmasıyla daha fazla avantaja sahiptir.
Böyle olunca daha homojen karışım söz konusu olur. Ancak benzin tutuşmaya karşı
dirençlidir bu yüzden de otomatik ateşleme 1000ve 1200 °C, yaptırılır.Bu sıcaklık tutuşma
sonu sıcaklığıdır. Emme havasının ve kızgın egzos gazının ön ısıtmasının ortalamasıyla tam
yükte vuruntunun olma tehlikesine bağlı olarak motorun sıkıştırma oranı artamaz. Şekil 4.10
sabit sınır şartları altında karşılaştırma yapıyor: sıkıştırma oranı (ε=11.5) art gaz sıcaklığı
(Trg=500°C) ve egzos gaz resirkülasyon oranı (EGR=40%). Emme havası sıcaklığı 20 °C,
taze havanın homojen karışımı ve alt ölü noktada 210 °C sıcaklık vardır ve sıkıştırma sonu
sıcaklığı yaklaşık 850 °C dir. Fakat bu otomatik ateşleme için düşük bir değerdir. Otomatik
ateşleme için sıkıştırma sonu sıcaklığına 1200 C de ulaşılır ki taze hava ve kalan egzost
gazıyla,alt ölü nokta sıcaklığı 290 °C olur.Sabit EGR oranında ve art gaz sıcaklığında, emme
havası sıcaklığı 150 °C olur anlamına gelmektedir. Benzer şekilde sıkıştırma sonu sıcaklığı
artışı emme havası , eger art egzos gazları taze havayla homojen olarak karışmazsa kısmen
karışmasından ve kızgın gazların biraraya gelmesinden ziyade ön ısıtmaya maruz
kalmamasıyla olabilir. Egzos gazı resirkülasyonunun gerçekleşebilmesi için, valf kontrol
çeşitleri yeni teknolojiler ortaya koyar. Özellikle değişen yük ve hızların geçici motor
operasyonu kadar emme ve egzos subaplarında kontrolun değişkenliği için de gereklidir.
4.2 Dizel Motorları
Dizel motoru yanma şartları ilerleyen özelliklerde karakterize edilir.Yakıt sıkıştırma sonunda
yüksek basınç altına enjekte edilir,kural olarak, ölü üst noktadan önce, asıl yanma odasının
içine(direkt püsk.) ya da eski motorlarda ön yanma odasına. Püskürtülen yakıt bu proseste
buharlaşır, sıkışan hava ile karışır ve kendi kendine tutuşur. SI motoruna karşılık olarak, dizel
motorları yakıt hava karışımının oluşması için az zamana sahiptir. Hızlı enjeksiyon ve yakıtın
atomize edilmesi hızlı ve iyi karışım için ön koşullardır.

18. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 14
Şekil 4.11 : Dizel motorlarında yanma ve karışım teşkilinin alt süreci
Şekil 4.11 dizel motorlarında yanma ve karışım teşkili alt süreçlerin işleyişini gösterir. Belirli
alt süreçler eş zamanlı olarak ilerler. Dizel motorundaki yanmanın modeli oldukça
karmaşıktır.
4.2.1 Enjeksiyon Methodu ve Sistemleri
Enjeksiyon Methodları
Eskiden kullanılan ön yanma odalı yanma odalarına karşılık direkt püskürtme sistemi
bugünlerde çok daha fazla kullanılmaktadır. Yakıt çok fazla delikten enjekte edilir. Yüksek
basınç ve birçok küçük delikten püskürtme ile iyi bir karışım oluşturulur, bu da aynı zamanda

19. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 15
yanma odasında girdaplarla desteklenir. Püskürtülen yakıt eğer mümkünse soğuk piston
duvarları ile çarpmaması isteinr, çünkü bu şekilde buharlaşma ve karışım teşkilinin
duraklaması ve HC emisyonunun şekilleri kabul edilir. Direkt püskürtmelilerde yakıt tüketimi
daha azdır. Yüksek basınç hızları yüzünden yanmanın başlangıcıda, fakat, daha yüksek hızda
çalışır. Hava ve yakıtın karışması için toplam enerji yanma odasına enjekte edilen kısım için
yüksek enjektör basıncı gereklidir. Yaklaşık 400 barlık basınç ön yanma odalı motor için
yeterli, direkt püskürtmelilerde ise 1200 ve 2000 bar arası olmak zorundadır. Dizel
motorlarında, yüksek enjeksiyon basınçları hala tartışılmaktadır.
Enjeksiyon Sistemleri
Enjeksiyon sistemleri, klasik kam-operasyonlarında, hizalı tek ve distribitör enjeksiyon
pompalı, birim pompalı ve enjektörlü sistemler arasında common rail sistemi son zamanlarda
geliştiriliyor. Kam-operasyonlu enjeksiyon sistemlerinde basınç artıyor ve yakıt kontrolu
mekanik olarak eşleştirilir. Kam enjektör pompasının subabına kadar hareket eder, bu da yakıt
hacminin bir parçasıdır. Yükselen basınç subabı açar ve nozıldan püskürtme yapılır. Dönüş
yolunda da basınç düşer iğne kapatılır,subap kapatılır ve püskürtme sona erer. Buna karşılık
basınç artışı ve yakıt kontrolu common rail sisteminde tamammen ayrılmıştır. Bu da mekanik
ve elektrik yoluyla yüksek basınç pompasının kontrol edildiğini, yakıtın yüksek basınçla
dağıtıldığını gösterir. Elektronik kontrollü enjektörde, yakıt common railden alınır ve yanma
odasına püskürtülür.
Aşağıdaki durumda; distiribitörlü enjeksiyon pompası,birim pompası ve birim enjektör
sistemi common railin özetlendiği gibi anlatılacak. Daha fazla detay için Basshuysen ve
Schäfer (2003) incelenebilir.
Distiribitörlü Enjeksiyon Pompası
Bu sistemde tüm silindirler için sadece bir pompa vardır. Bir motor döngüsü esnasında, DIP
piston birçok strok tamamlar (2 stroklu motor) ya da daha çok (4 strok), yakıt tek enjeksiyon
borusuna eklenir.

20. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 16
Şekil 4.13 distribütörlü pompanın önemli yapıları gösterdiği gibi nasıl çalıştığını da
göstermektedir. Küçük motorlar için DIP daha ucuzdur. Klasik enjenksiyon sistemleriyle
yolcu taşıtlarında şimdiki durumu gösterir. Modern distribitörlü pompalar 800 ve 1000 barlık
basınç yaratabilir. Ancak yeterince anlamlı bir fayda sağlayabilmek için basınç mem
orifisinde 1500 bar olmalıdır.
Birim Pompa Sistemi (UPS)
Enjeksiyon pompasını içeren yüksek basınç durumları için, kısa yüksek basınç borusu ve
enjektör meme kombinasyonundan oluşur,şekil 4.14 e bakınız. Enjeksiyon başlar ve selonoid
valfinin ortalaması ile her silindir için ölçülür.Solenoid valfin açılması kapanması dengeleyici
hacim oluşturur.

21. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 17
Birim Enjektör Sistemi (UIS)
Enjeksiyon pompası ve enjeksiyon memesi her silindir için ayrı ayrıdır. Selonoid valfi ile
enjeksiyon başlangıç ve bitişi kontrol edilir. Bu başalangıç bitiş durum sinyalleri elektronik
kontrol birimi ile ayarlanır. Enjeksiyonun izleyeceyi yol bu birimde yüklüdür.

22. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 18
UIS sisteminde enjeksiyon basıncı 2000 bar a kadar ulaşabilir. Bu da yakıt tüketimini ve
emisyonları azaltır. Şekil 4.15 UIS nin çalışma diyagramını göstermektedir.UIS aynı zamanda
Volkswagen‟in TDI binek taşıtlarında kullanılır.
Common Rail Sistem (CR)
Bu zamana kadar artan basınç ve miktar düzenlemesi için enjeksiyon sistemleri birleştirildi.
Bu sistemler common railde tamamen ayrılmıştır. Elektronik kontrollü common rail
sisteminde yüksek basınçlı olarak 1200<p<2000 bar civarında boruda sürüklenir.Burada yakıt
ayarlanır ve her silindire burdan yollanır. Şekil 4.16 CR enjeksiyon sisteminin çalışma
prensibini gösteriyor.

23. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 19

24. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 20
Common rail enjeksiyon sistemiyle, hemen hemen her enjeksiyon mevcut solenoid valfi/piezo
valfi elektronik kontrolü ile ayarlanır,Meyer e daha ayrıntılı bilgi için bakılabilir(2002).Şekil
4.17 direkt aktive olan piezo common rail kesitini gösteriyor. Kam-uygulamalı enjeksiyon
sistemine karşılık, yüksek basınçlı pompanın çalışma hızı motor hızıyla sıkı sıkıya eşleşmek
zorunda değildir. Çünkü commom rail sistemin basınç üretim sistemi ile kontrol fonksiyonları
ayrıdır. Bundan dolayı daha yüksek basınçlı enjeksiyonlar küçük motor hızlarında
gerçekleşebilir. Bu da daha iyi karışım teşkilinin oluşmasını sağlar ve emisyonda iyileştirme
yapar. Common rail kirliliğe getirdi iyileştirme ,konstrüktif yapısı ve 2000 bar lık çalışma
basınçları ile yakın zamanda fazlasıyla başarılı bir sistem olmayı başarmalıdır.
Enjektör Memeleri
Meme kesitinden yakıt yanma odasına püskürtülür.Püskürtme esnasında, yakıt en yüksek
derecede atomize edilmelidir ki iyi bir hava yakıt karışımı oluşabilsin.

25. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 21
Çeşitli yanma prosesleri ve yakıtları için, değişik meme dizaynlarından faydalanılır, şekil 4.18
e bakılabilir.
Kısıcılı memeler ön yanma odalı ve girdaplı yanma odalarda kullanılır.
-Çok-delikli orifis memeleri direkt püskürtmeli dizel motorlarında kullanılır-bu tip klasik
püskürtmeli sistemlerde ve common rail sistemi için mini delikler uygundur.

26. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 22
Enjektör memesi, enjektörle birleştirilir, silindir içine yapıda varolacak şekilde vidalanır.
Şekil 4.19, iki enjektör anlatılıyor, soldaki standart sağdaki iki yaylı enjektör ön
püskürtmeliyle direkt püskürtmeli dizel motorları içindir.İkincisinde, değişken yaylı sabitleri
iki yaylı kullanılır. Püskürtme başlangıcında, zayıf yay iğnenin kalkışını sınırlar ve bu da
sınırlı bir dağılım hızı sağlar. Sadece püskürtme basıncı yay basıncını yendiğinde ikinci yay
iğnenin tamamının kalkmasını sağlar ve maksimum püskürtme olur. Yakıtın daha az miktarda
ön püskürtme olmasıyla, basınç yanma odasında yumuşak bi şekilde artmaya başlar ve
böylece gürültü daha düşük seviyelere iner.
4.2.2 Karışım Teşkili
Fenomoloji
Enjektör memesinden ve sıkışan havanın yüksek hızları ve pükürtmedeki türbülans ayarları
ile püskürtülen yakıt damlalara ayrılır. Yanma alanına etkisiyle, bu damlacıklar küçük
zerreciklere parçalanır.Şekil 4.20 enjektör memsinden yakıt püskürtülmesini miktar olarak
gösterir.

27. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 23
Püskürtme dağılımı ve karışım şekli, yanma odasında püskürtme parametreleri ve akış alanı
ile ilgilidir. Püskürtmenin kinetik enerjisi, fakat, püskürtme yavaşladığında,püskürtmenin
sonlarına doğru silindirdeki akış belli olsun diye, daha belirgin olur. Bu fazda, ikinci atomize
olması dolayısıyla, püskürtmenin sonlarına doğru klasik birim pompalı sistemin püskürtme
basıncı azaltılır,püskürtmenin sonuna kadar common rail sisteminde basınç böylece kalır,bu
da çok iyi bir ayrışma sağlar. Yakıt damlaları sıcak havayla yanma odasında karışır.Bu
şekilde damlaların sıcaklığı yükselir, yanma odasının çeperlerinden radyasyonla ısı geçişi olur
ve yakıt buharlaşmaya başlar. Sıcaklığın yanında, bahralaşan damla oranı yakıtın dağılımı ile
belirlenir. Dizel motorlarında, karışım şekli püskürtmenin dağılımından bağımsız anlatılamaz.
Püskürtmenin dağılımı,karışım teşkili ve yanmanın gerçekleşmesi eş zamanlı olarak olur.
Püskürtülen yakıtın küçük bir parçası tutuşma gecikmesi esnasında hava ile yanma odasında
homojen bir biçimde karışır. Tutuşmada, bu miktar hemen yanar(önkarışım-tepesi). Buna
takiben, karışım şekli ve ilerlemesi eş zamanlıdır ve yanma difüzyon belirleyici süreçlerle
kontrol edilir. Püskütmenin dağılımı ve karışımı bugunlerde en azından nitel olarak anlaşıldı,
daha fazlası için Baumgarten ve Stiesch e bakılabilir.
4.2.3 Otomatik tutuşma
Püskürtme başlangıcı ile yanma arasındaki zaman tutuşma gecikmesi olarak tanımlanır.
Fiziksel ve kimyasal prosesler bu aşamada oldukça karmaşıktır. Fiziksel prosesin önemi
yakıtın atomize olması, buharlaşması ve havayla karışarak karışım tutuşabilir hale gelmesidir.
Kimyasal prosesler otomatik tutuşmaya olan hazırlaklardır, aşağıda tanımlanır ve hava
fazlalık katsayısı 0.5<λ<0.7 arasındadır. CxHy nin oksidasyonu dallanmış bir işlem olarak
algılanabilir,işlemler ardıardına gerçekleşir. Oksidasyon yüzlerce ara evreden meydana gelir.
Reaksiyon işlemi ya da yolu sıcaklığa bağlıdır ve sıcaklık oranlarına bağlı bölgeler aşağıda
gösteriliyor.
T>1100 K sıcaklıklarında, dallanma hakim oluyor.

28. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 24
Bu reaksiyon düşük sıcaklıklarda önemini yitirir. Orta sıcaklıkta 900<T<1100K, ek dallanma
daha önemli olur.
Düşük sıcaklık oranında, T<900K, H2O2 yavaştır ve dejenere dallanma daha önemlidir,
zincir dallanmanın yüksek sıcaklıklarda ayrışması ile karakterize edilir. Bu yolla, reaksiyon
oranları ters bir sıcaklığa sebep olur, bu durum 2. mekanik adım olarak tanımlanır. Bu 2. adım
mekanizması, SI motorlarında vuruntulu yanmayı tamalamak için geliştirilmiştir, kalan
moleküller isomeric bir yapı olana kadar, genişleyen reaksiyon diyagramına varır. Yanlız n-
C16H34 nün oksidasyonu ve 2000 çeşitle 6000 yalın reaksiyon gerçekleşir. Otomatik
tutuşmayı simule etmek birçok çeşit model için oluşturulabilir. Bunlardan biri Fieweger ve
Ciezki nin modeli, çeşitli basınçlarda n-heptan hava karışımının stokiyometrik olarak
hesaplanmasına olanak sağlar. Bu modelin doğruluğu kanıtlanmıştır, şekil 4.21 e bakın.
Halstead‟ın Shell modeli, iki zincir kopma reaksiyonu kadar, zinci ürünlerin dallanma şekli
için 2 reaksiyon yoluyla dejenere dallanma işlemini de içerir. Arrhenius şeklinin ya da ayrı
reaksiyonların kombinasyonlarında reaksiyon katsayısı ki dir.
Reaksiyon oranı xi

29. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 25
Otomatik tutuşma 26 reaksiyon paramateresinin adaptasyonu ihtiyacı duyar. Kullanılır, Fuch
tarafından Yanma kodunda detaylı tanımlanır. Geniş bir tartışma ve değişik otomatik tutuşma
modelleri ile ilgili kıyaslamalar Klaiß‟de bulunabilir(2003).Dizel motorlarında yüksek
sıcaklıklardaki uygulamalar için, yukarda tanımlanan komplex modellere gerek yoktur, sabit
modellerin düzenlenmesine ihtiyaç duyulur. Bu yüzden tek-eşitlikli model iyi sonuçlar elde
edildiğinden kullanılır, ki Arrhenius eşitliğinin yardımıyla tutuşma gecikmesini basınca,
sıcaklığa ve hava fazlalık katsayısına bağlı olarak da tanımlar.

30. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 26
Özetle, şekil 4.22 püskürtme sonrası yerel tutuşma bölgelerini ve 3 farklı ölçü için nozzledan
uzaklıkları gösterir. Yarım mili saniyeden sonra karışım tutuşur ve tutuşma bölgesi nozle
orifisine doğru yakındır.
4.2.4 Yanma
Dizel motorlarda yanma, kabaca anlatılırsa, üç faza ayrılabilir, şekil 4.23.
Faz I: Ön karışımın yanması
Yanma odasındaki havayla tutuşma gecikmesi esnasında yakıt enjekte edilir ve homojen bir
form alır. Tutuşma gecikmesi periyodu sonrasında, ki orası kimyasal ve fiziksel kontrol edilir,
bu karışım çok hızlı yanar(zayıf yanma). Bu ön yanma bu sebeple SI motorundaki yanmaya
benzer. Yanma başlangıcında dp/dФ yüksek basınçla artan hız dizel motorunun tipik sesini
oluşturur. Bu basınç püskürtme zamanından etkilenebilir, en başta sert sonra yumuşak yanma
olur. Bunun arkasından, yanma gürültüsü pilot püskürtme ile azaltılabilir, önce %5 miktarında
püskürtme olur önce ve sonra oto tutşma asıl püskürtmeyi başlatır.

31. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 27
Faz II: Yanma yayılması
Asıl yanma fazında karışım şekli, kirlilik durumunu olduğu kadar yanma durumunu da etkiler.
Bu fazın kimyası oldukça hızlıdır; yanma prosesi karışım oranı tarafından kontrol edilir. Bu
yüzden biz yanma yayılmasını karışım-kontrollu yayılma olarak da adlandırabiliriz. Asıl
yanma fazının sonu yanma odasındaki maksimum sıcaklığına erişilmesi ile karakterize edilir.
Faz III: Art yanma
Karışım prosesi ile eş zamanlı olarak sıkıştırma, yanmanın sonuna doğru, alev cephesinin
basınç ve sıcaklığı kimyasal reaksiyonlar yavaşlayana kadar yavaşlar. Yanma yayılması
giderek kinetik reaksiyonlar tarafından kontrol edilmeye başlanır. Henüz yanmamış yakıt
dönüşmesinin yanında ,ki sonlara doğru ciddi anlamda azalır, art yanma esnasında kalan
ürünler de okside olur. Bu son yanma fazı is oksidasyonu için önemlidir. Bu fazda yüzde
doksandan fazla toplam is üretimi bozulur. Yanma prosesinin toplamı ve sanılan termal enerji
belirleyicidir.
Bu enerji hava-yakıt karışımının sıcaklığını arttırır ve bu yüzden sıcaklık ve basınç artar.
Örneğin şekil 4.25 basınç artışını ve sıcaklık serbestisi oranını ve yüksek hızda gecikmeli
püskürtmenin kısmi yük durumu görülüyor.

32. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 28
4.2.5 Homojen Yanma
Nitrit oksit ve isin bileşenlerinin meydana getireceği kirliliğe engel olmak için, ki bu durum
dizel motorunda baskındır, yeni homojen şarj sıkıştırma tutuşması olarak adlandırılan yanma
prosesi bunun için geliştirilmektedir. Genelde 2000 K üzerine çıkıldığında NOx teşkili
görülür,is oluşumu ise zaengin karışım söz konusu olduğunda ve sıcaklık 1400K nin altında
olduğu durumlarda oluşur. Bu bölgeler aşağıdaki şekilde gösterlimiştir.

33. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 29
Dizel de homojen yanmada, yakıt çoktan yanma odasına klasik dizel prosesi gerçekleşmesine
karşılık yakıt erkenden püskürtülür. Bu yanma odasında birçok noktada eş zamanlı ideal
tutuşmayı sağlar ve bu yüzden çabucak yanma olur. Fakir yanma yüzünden, yerel sıcaklık
düşüşü meydana gelir, ve bu yüzden NO oluşumu engellenir ve zengin bir karışım söz konusu
olmadığından is oluşumu da meydana gelmez.
Şekil 4.27 klasik ve HCCI methodları için krank açısına bağlı püskürtme ve ısı yayılım
oranını gösteriyor. HCCI methodunda, ardı ardına püskürtmeler sıralanır, sıcaklık serbestisi
TDC bölgesinde çok hızlı bir şekilde gerçekleşir. Ayrı püskürtme durumu common rail de
anlatılabilir.
HCCI prosesinin kontrolü için, egzos gaz resirkülasyon oranını kullanmak mantıklı olur. Çok
düşük yanma sıcaklığı ve yüksek şarj azalması sonucu olarak, CO ve HC emisyonları artar.
Bu iki kirlilik yaratan maddelerin azaltılabilmesi için de katalitik konverter kullanılır.

34. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 30
4.3 Pressure trace analysis
Optik ölçüm yöntemlerindeki gelişmeye rağmen, günümüzde silindir basıncı analizi içten
yanmalı motor tasarımında hesaba katılır. Öncelikle, silindir basıncının değişimi bir test
sırasında vuruntunun göstergesi olarak kabul edilebilecek en önemli çıktıdır. Dahası,
termodinamik analiz kullanılarak yanmayı (yanma gecikmesi ve ısıl mekanizmalar ve ısı
üretim hızı gibi parametreleri) ve kayıp dağılımlarını anlamak mümkündür. Ayrıca basınç izi,
verilmiş olan maksimum basınca uyma, indike iş, motorun dolgu değişim karakteri ve yanma
odasında kalan gazlar hakkında bilgi sağlar.
4.3.1 Determination of the heat release rate
Pressure signal acquisition
Günümüzde silindir basıncının bulunmasında piezo elektrik ölçüm esasına göre çalışan su
soğutmalı transdüserler kullanılmaktadır. Bu algılayıcılar küşük yapısal hacme ve çok yüksek
çözünürlükle birlikte yüksek dayanıma sahiptir. Basınç transdüseri yanma odasından, basınca
bağlı olarak üzerine bir kuvvet etkiyenbir diyaframla ayrılır. Proceeding from the cylinder
pressure, Basınç alıcısı yük amplifikatöründe bulunan yükle orantılı bir voltaja dönüştürülen
bir yük oluşturur. Bu yük bir analog-dijital dönüştürücüye gönderilebilir ve bu yolla silindir
basıncı termodinamik hesaplar için elde edilmiş olur.
Termodinamik hesaplamalar için 1 ° krank açısı hassasiyet ve çözünürlük yeterlidir.
Buji ateşlemeli motorlarda bujiye yakın bölgelerde dolgunun hopmojen oluşmaması, yanma
farklılıklarına yol açmaktadır. Çevrimden çevrime oluşan bu farklılıklar termodinamik
hesaplamalardsa kullanılırken çok sayıda çevrimin ortalaması alınarak azaltılmaktadır. Buji
ateşlemeli bir motor için 250 çevrim uygundur, see Fig. 4.9.
Kendiliğinden yanma nedeniyle, dizel motorlarında bu farklılıklar daha azdır, bu nedenle de
genelde 50 çevrim yeterlidir.
others.
In summary, one can say that for a thermodynamically correct evaluation, a high precision in
pressure indication and determination of all measured quantities is necessary. If all these
prerequisites are fulfilled, then it is possible to determine not only the indicated mean
effective
pressure, but also the temporal release of heat release rate as a decisive requirement for
an efficient simulation.

35. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 31
4.3.2 Kayıp Dağıtım
Potansiyellerine göre çeşitli yanma proseslerini belirlemek için, bundan yararlanmak için
kayıp dağıtımı kullanacağız.Tek kayıp dağıtımları ilerleyen iyi motor prosesinden ve yeniden
yapılanıp hesaplanır. İyi bir motor prosesi sabit hacim prosesine benzer, üst ölü noktada
toplam enerji eklenir ve kalkar. Fakat mükemmel bir yanma için, tahminlerde birçok sapma,
aşağıda tanımlandığı şekilde olur.
-gerçek fiziksel karakterler ve ideal gazla hesaplamadan dolayı,
-gerçek proseste yakıt fazlalık katsayısı,
-ayrışma sebebiyle yanma prosesinde kimyasal dengesi,
-ısı yayılım oranının idealize edilmesi
-sınırlardaki ısı kayıpları yok
-sürtünem yok
-akış kayıpları yok
-üst ve alt ölü noktalarda valf kontrol zamanlaması
-sıkıştırma başlangıcında basınç ve sıcaklık
-sıkışmanın başlangıcında basınç ve sıcaklık sabitlenir
-gerçek proseste olduğu gibi şarj kütlesi aynıdır
-gerçek prosesteki art gaz miktarı eşittir

36. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 32
Şekil 4.30: Pischinger e göre hava fazlalık katsayısı ve sıkıştırma oranına bağlı teorik verimi
gösteriyor(1989).
Gerçek proses teoriden kayıplarla, yanma kayıpları, ısı kayıpları, sürtünme kayıpları ile
ayrılır. Bu kayıpları belirleyebilmek için, çevrim kayıpların sebepleri ile farkları ile
değerlendirilmelidir.
Tamamlanmamış/Eksik Yanma
Eksik yanmadaki kayıplar stikoyometrik yanma durumlarına bağlı olarak baş gösterir.-
örneğin yetersiz oksijen. Bu kayıplar tam yanmada dikkate alınır, yakıtın kimyasal dönüşümü
de göz önüne alınırdı. Yanmanın baş göstermesi ile kimyasal dönüşüme uğrayana kadar
kayıplar oluşur. Bu eksik yanmadan, CO,H2, HC ve is gibi art gaz bileşikleri meydana gelir.
Yanma kayıpları ısıyı azaltır.
Böylece, toplam kayıp ve tam yanma için, bu formül egzos analizi adına kullanılabilir,

37. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 33
ile
Tamamlanmamış yanma durumu için ileriki formül kullanılabilir
Yanma Kayıpları
Yanma kayıpları ile ısının açığa çıkma şekli gerçek proseslerde krank açısının derecelerine de
bağlıdır. TDC öncesinde ısı miktarı yanmaya karşı rol oynarken, genişleme esnasında TDC
nin daha fazla bir etkisi yoktur. Bu kayıp iki çevrimde hesaplanabilir- ilkinde isochoric ısı
temin edilir ve gerçek yanmadan temin edilir.Bir şekilde yanma kayıplarının azaltılması
gerçek motor prosesinde cidarlardan ısı kaybının artması ile tanımlanır.
Cidar Isı Kayıpları
Cidar ısı kayıplarını hesaplamada iki prosesin hesabı gereklidir. Bu sebeple cidar ısı kayıpları
bilinen bağıntılarla hesaplanır.Örenğin Woschi ya da Bargende ye göre (bölüm 7.1)
Şarj Değişim Kayıpları
Mükemmel motor yanması, tanımına bağlı olarak, şarj değişim kaybı yok, ısı çekişiyle
birlikte BDC den BDC ye işlem kontroluyle gerçekleşir. Witt‟e bağlı olarak şarj değişim
kayıpları için, genişleme ve sıkışma kayıpları altında BDC-BDC ye bağlı bir tanımı
seçilmelidir. Açık egzos manifolduna bağı olarak düşen ani basınçla p,v diyagramının çalşma
yüzeyindeki azalma BDC den önce dikkate alınır. Aynı zamanda TDC den sonra bu konu
emme manifoldunun sonu olur. Buna karşılık gelen kayıplar hesaplanmalıdır. Bu kayıplar
ciddi boyutta oldugundan şarj kayıplanrına eklenir. Sızıntı gibi kayıplar marjinal bir şekilde
kayıp dağılımını etkiler.
4.3.3 Çeşitli Yanma Proseslerinin Isı Yayılım Oranlarının Karşılaştırılması
Şekil 4.31 de bu konu ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Otomatik tutuşmalı kontrolleri için ısı
yayılımı oranları ile sıkışmadaki kelebekli ve kelebeksiz operasyonların arasındaki ısı yayılım
farklılıkları marjinaldir. Otomatik tutuşma esnası yaklaşık 10-16 krank açısı ile tanımlanır,
stokiyometrik yanma ile birçok noktadan enjektörle yaklaşık 3 kat daha küçük olarak
tanımlanır. Bunun sebebi de birçok tutuşma noktasının yakın olmasıdır, pratikte karışım eş
zamanlı yanar.

38. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 34
DISIpüskürtme li yanma prosesi nispeten erken yanma pozisyonuna sahiptir. En az emisyonla ve
tutuşma gecikmesini optimize edecek şekilde tanımlanır.
Hidrojenli motorlar çok noktalı püskürtmede oldugu gibi benzer yanma zamanlarına
sahiptir,bu da hidrojenin yüksek hızlarda yanma prensibinden dolayı ortaya çıkar ve diğer
taraftanfakir karışımlarda da yanma hızının azalmasından meydana gelir.
Çeşitli yanma sistemlerinin kayıp dağıtımının karşılaştırılması
Şekil 4.32 de çalışma şartlarındaki kayıp dağılımlar gösteriliyor.

39. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 35
Emme valfi ile kontrollu WH ın yanma prosesi, daha fazla art gaz kapasitesi sayesinde MPI
motordan daha çok verimlidir. Fakat iyi olmayan yanmadan meydana gelen kayıpların
yanında şarj değişimlerinden kaynaklanan kayıplar göz ardı edilir. Püskürtme esaslı DI
motoru (DISIpüskürtme) %57 nin üzerindeki mükemmel yanmanın en yüksek potansiyele sahip
olur, kademeli şarjda çalıştığından dolayı tanımlanan çalışma noktasında hava fazlalık
katsayısı yüksektir. 10.5 e karşılık olarak 12 daha yüksek bir sıkıştırma oranıdır ve diğer
yanma proseslerinde de temel alınan budur. Bu çalışma şartında mükemmel olamyan
yanmaya göre küçük kayıpları tanımlayabiliriz. Erken merkezi noktadan doğru, yanma
kayıpları vardır, fakat, çok noktalı enjektörlerde daha fazladır. Bu etkiler yüksek potansiyelle
telafi edilebilir ve büyük gelişimler gösterir. Azalan şarj değişim kayıpları, toplamda yaklaşık
%7 gibi bir değer alırlar, verime etki ederler. Bu da yakıt tüketiminin yaklaşık %20 civarında
sıkışma prosesinde çeşitli valflerle çalışma şartında kontrol edilebileceği anlamına gelir.
Burda çok alakalı değil ancak; egzos gazından olan kaçaklarda ölçülmelidir.
Phenomenological yanma modelleri
Motor yanma proseslerinin hesaplanması için , detay seviyeleri farkları ve ayrıca hesaplama
zamanı ihtiyaçları bakımından ayrılan çeşitli kategoriler ortaya çıkarılabilir.Hesaplama
modelleri şansa bağlı olarak gerçekleşen sprey saçılmaları , ateşleme reaksiyon hareketleri
gibi önemli fiziksel ve kimyasal phenemoların üzerindeki yanıcı ve kirletici formasyonları
hesaplayabilen phenemolojikal modeller şeklinde dizayn edilmiştir.Çünkü çeşitli
sıcaklıkların alanındaki yanma uzayının uzaysal altbölümleri ve kompozitleri çoğu zaman
gereklidir ve modeller quasidimensional modellere dayanır.
Phenomenological (or quasidimensional) modeller sadece bir bakımdan zerodimensional
modellerden ayrılır bu da empirikal yaklaşıma dayanan yanma oranlarında ve her noktadaki
ideal karışımlarda yanma odalarını basitleştirmesidir. Bunun örnekleri e VIBE and the
polygon-hyperbola sıcaklık oranlarıdır.(Bkz bölüm 7.1). Bununla beraber hesaplama zamanını
azaltmak için 3 boyutlu akış alanını çeviren açıklayıcı bir sonucu elde edememizden dolayı
phenomenological yanma modelleri CRFD kodlarından bu konuda farklılık gösterir.Bu
sebeple CRFD kodlarında saatler almasına karşı, bir motor devrimi için hesaplama zamanı,
phenomenological modellerdeki saniyenin bölgelerinde yatmaktadır.Makalenin devamında
phenomenological yanma modellerinin literatürde bilinenlerinden birkaç tanesi
tanıtılacaktır.Öncelikli amaç bu modellerden her birinin herhangi bir basınca ihtiyacı olmayan
fiziksel ve kimyasal maddelerin yüksek oranda üzerlerine salınan ısının hesaplanmasını
göstgermektir.Ayrıca,raporlarda eğer kirletici formasyonlar üzerine yapılmalıysa, çeşitli
sıcaklık ve kompozitlerin içinde gerçekleşen altuzayların yanmaları uygulanmaları
gerekmektedir.Bu olay silindir sıcaklığının aritmetik ortalamasının kendisine yetmediğini
göstermek amacıyla genelde artış gösteren ciddi oranda kirletici bir formasyonun kimyasal
reaksiyon oranları yüzünden gerçekleşmektedir.Bkz bölüm 6
Bazı phenementolojik yanma modelleri çeşitli sıcaklık ve kompozitlerde otomotaik olarak
gerçekleşen altuzayların bir uygulaması şeklinde tanımlanmıştır çünkü benzer kirletici
formasyon modelleri direkt olarak birleştirilebilir.Örneğin, altuzayının henüz tamamiyle
kirlenmediğini gösteren alansal phenemonoljik yaklaşıma karşı paket modeller 5.1.3. bölümde
tanımlanmıştır.Bu yüzden daha sonra bu yaklaşım sadece yanma oranlarının hesaplanmasında
değil ayrıca kirletici emisyonların hesaplanmasında da kullanılmak amacıyla tamamlanmak
zorundandır.Bunun için bizler bölüm 7.2 de tanımlanan iki-alanlı silindir modelinden
yararlanabiliriz.

40. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 36
5. PHENOMENOLOGİCAL COMBUSTİON MODELS
5.1 Dizel motor yanması
5.1.1 Sıfır-boyutlu ısı salınımı fonksiyonu
Nispeten kolaydır ve böylece Chemela tarafından öne sürülen dizel motorda ısı salınımında
etkili hesaplama zamanı modelidir.(1988)Bu model ve quasidimensional altuzayı
uygulamayarak zeromensionel ve phenemon arasına bir sınır koyar.Ancak bununla beraber
empirik olarak bir ısı salınımı vermez örneğin VIBE ile ama birkaç etkili karakteristikleri olan
ortalama önemdekilerle birleşir.Bu parametreler her noktadaki zamanda yakıt yığınına
uygunluk sağlar. Bu sebeple hava ve yakıtın karışım hızı için örnek olan özel çevrim kinetik
enerjisi gibi enjekte edilmiş ve yanmış olan yığın yakıtı birbirinden ayırt edebilir.
Tablo 5.1 bir ürünün yanma oranlarında olduğu gibi bu iki değerin tipik bir sıcaklık gelişim
oranlarını göstermektedir.dm ve d% yakıntın geçici enjeksiyon gelişimi bu yüzden şartların
sınırları olarak verilmiştir ve özel türbülans kinetik enerji birkaç ilişkinin yardımıyla kolayca
hesaplanabilir.(Bkz Chmela 1998)
Aşırı derecede kısa hesaplama zamanı ve basit bir uygulama, tıpkı enjeksiyon sisteminden
dolayı sıcaklık oranın artmasında düzgün ve kesin olduğu gibi avantajlı bir yaklaşımdır.Öte
yandan hem ateşleme gecikmelerinde hem de dizel motor yanmalarının tipik fraksiyon
karışımlarında gecikme yaşanan bir model olarak tanımlanır.Her iki phnemomena esasen
yakıtın buharlaşma hızından etkilenmektedir ve diğer kaygılar modelin daha yüksek
hesaplama zamanları ihtiyacından ileri gelmektedir.
5.1.2.Değişmeyen gaz jeti
Daha kapsamlı model yaklaşımı olan abrahamovicin jet yakıtı teorisine dayanarak model
Neef(1987) ve Hohlbaum(1992) tarafından DI dizel motordaki sıcaklık salınımlarını
hesaplamak amacıyla seçilmiştir. Varsayımlara göre buharlaşma gelişimleri hızlı bir şekilde
karışık formasyona karşı durur ve enjeksiyon ideal olarak tanımlanmış katı gövdeli rasyonel
akışlardaki quasi ststionary jet gazı olarak tanımlanır.Bkz Fig.5.2.Yanma oranı karışık
formasyon oranın direkt fonksiyonu olarak daha sonrasında hesaplanır ve böylece de yakıt
buharının ve havanın bir karışımı meydana gelir.
Püskürtme ön yayılma hızı aynı zamanda püskürtülen kütle ve momentum
dengelerinin yük hareketi üzerindeki doğrultu değişikliklerinin analitik sonuçları, merkez
eksenini düşürmüştür. Şekil 5.2 „e uygun olarak, momentum radyal dengeleri, teğet ve dikey
yöndeki silindirik koordinat sistemi şunlardır:
formüleri sayesinde dmjet püskürtme-disk kütlesi ile dx kalınlığı belirlenir. dFr ve dFt
büyüklükleri
radyal ve teğetsel kuvvetler olup püskürtme-diskini etkiler ve içindeki yanmamış hava
çevreleyen püskürtmeyi belirler.

41. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 37
Ve yaklaşıl olarak teğetsel kuvvet;
b = b (x) ile dairesel püskürtme diskin o konum durumundaki yarıçapı bulunur. Üst çizgi, tüm
püskürtme kesiti üzerinden ortalama kütle değerini belirler.
Şek.5.2. Katı bir cismin dönme akış alanındaki yarı sabit gaz jet modeli
Yukarıdaki bahsedilen bağıntıların yardımıyla, püskürtme önündeki üç silindirli
koordinatlarının hareket denklemleri alıyoruz.
Püskürtme hızı x ve yayılma derinliği S
Püskürtme açısı ve püskürtme ekseni püskürtme yarıçapı boyunca yakıt püskürtmesinin hava
sıkıştırma oranı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Hiç ya da sadece az miktarda hava girdabı
bulunan yanma prosesleri için, standart değer;

42. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 38
tavsiye edilir. Ancak bu etkilenen değerin gerçek püskürtme açısını göstermesi gerekirse
ayarlanması gerekir. Örneğin, enjeksiyon basıncı, nozzle geometrisi, ya da hava ve yakıt
fiziksel özelliklerine göre. İşaretli girdap akımı ile yanma prosesleri için, de Neef (1987)
sprey açısı için aşağıdaki düzeltmeyi verir.
ile
ve
Püskürtme içindeki karışım dağılımını tespit edebilmek için, yakıt kütle oranı c püskürme
kesiti x püskürtme koordinatı boyunca ilk hesaplanan kütle korunumu yardımıyla
hesaplanmıştır.
Cm yakıt kütle kesrine karşılık geliyor.
Neef (1987) modelinde yakıt kütlesinin yanma oranında sınırlandırıldıgı farz edilir. Bu miktar
aşağıda belirtildiği gibi belirlenir. Püskürtmedeki her pozisyonda yakıt kütle oranı bilinene
kadar, hava fazlalık katsayısı şekil 5.2 de gösterilmektedir. Boyutsuz radyus y/b hava fazlalık
katsayısı λv püskürtmenin eksenel pozisyonunda;

43. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 39
Enjektör püskürtmesi durgun olduğu varsayılır,λ püskürtmeyle gelen dağıtım zamana bağlı
oalrak değişmez. Zamanındaki her sayısal zaman ∆t, ∆x in kalınlığını yalnızca püskürtmeye
ekler, şekil 5.2 ye bakılabilir. Kütle dönüşümüne bağlı olarak, yakıt kütlesi içinde enjektörden
çıkan değerle artırılır (minj.λt). Bu yüzden yakıt kütlesi hava fazlalık katsayısının sabit olduğu
yere bir adımda gider, yakıt ve pükürtülen yakıt kütlesi arasında eşitlik farkı
olmalıdır.Böylece zengin karışım olur.
Havayla stikiyometrik karışımda olan püskürtme yakıt kütlesini belirlemek için kullanılır.λr
ve λ=1 arasında integre edilmelidir. Şu bağıntıyı alıyoruz;
Basitleştirirsek, püskürtme bittikten sonra püskürtmenin yapıldıgı alan nozzlelara yakın alan
yok farzedilir, ki hala orda püskürtülen yakıttan tortular olmasına ragmen böle kabul edilir.
Bu durum ikinci püskürtme belli bir yere kadar düşünülmelidir, enjeksiyon bittiği zaman
hesaplanabilir, orjinal püskürtmeden hesaplanabilir. Yanma oranı quasi-kinetik yaklaşımı ile
de tanımlanır bu da yakıt kütlesinin stokiyometrik olarak hesaplandığı kısımı ifade eder.
Arrhenius bağlantısına göre,
Bunda, Tjet ve ρjet giriş püskürtmeye bağlı ortalama sıcaklık ve yoğunluk
oranlarıdır.Arrhenius un bağlantısıda sabitler A,β ve EA gerçek motor için yanma oranlarını
anlatabilmek için deneysel olarak ayarlanmalıdır. Durgun gaz püskürtmesinin modeliyle yakıt
atomizesi de damlacık buharlaşması da açıkca tanımlanmaz, tutuşma gecikmesini
modellemek zordur.Şekil 5.3 ısı yayılım oranları içinde dizel motorun zayıf karışımının
çabucak dönüşmesi sağlanır.

44. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 40
Bu yanma modelinde püskürtme açısını gözlemlemek gerekir, deneysel olarak yapılmalıdır bu
işlem,oldukça önemli bir parametredir, yakıt yanma hızını ve yanma oranına etki eder. Bunun
arkasından yanma odasında cidarlara püskürtmenin çarpması ile durgun gaz durumu daha
fazla kabul edilemez. Bu sebeple büyük motorları tanımlarken hava girdaplarından farklı
tanımlamak daha uygun olacaktır.
5.1.3 Paket Modelleri
Şekil 5.4 te gösterilen paket modeli olarak adlandırılan dizel motorlarında yanma da
modellemede sık sık başvurulan yollardan biridir.Bu yaklaşımla enjektör memesi küçük
bölgelere ayrılır, girişteki püskürtme hattı ile açıklanır. Bu püskürma paketleri ayrı ayrı
termodinamik kanotrol hacmi olarak düşünülür, kütle ve enerji dengeleri çözülür. Bu
sınırlarda damlacık buharlaşması ya da yanma ve kirlilik oranları gibi ikinci alt işle olan
hesaplar yapılır(şekil 4.11). Bu sonuçlardan her paketin için sıcaklık ve bileşim öyküsü
çıkartılır. Her paket için hesaplama yapılarak bütüne ulaşılır.

45. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 41
Stiesch in fenemolojik yanma modelinde, daha sonra daha ayrıntılı anlatılacak, Hiroyasu nun
yaklaşımı temel alınır. Sıkıştırma stroğunda sadece bir bölge vardır, yanma odası girişinde
genişler ve ideal karışım olarak adlandırlır.Taze şarj havası ve egzos gazının dönüşümü
yanma ürünleri bu bölegede bulunur.Enjeksiyon esnasında, püskürtme paketi oluşur, hem
eksenel hem de radyal yönde ayrılır ve püskürtmenin şekli tekrar oluşur. Nozzle çapından,
sayısından bağımsız olarak, sadece tek yakıt püskürtülmesi izlenir, püskürtme çeşitlerinin
etkileşimleri bu yüzden göz önüne alınmaz. Püskürtme periyodu esnasında, her hesap
adımında yeni eksenel disk paketleri üretilir, bunun vasıtasıyla her paket radyal bölünmeleri
sebebiyle dairesel görünür. Üretim anında pakette sadece sıvı yakıt bulunur. Karakteristik
zamanın gelişmesinden sonra, sıvı yakıt küçük damlalara ayrılır. Damlacıklr sıcak gazlar
tarafından ısınır paketin içine girer e buharlaşır. Tutuşma gecikmesinin ardından karışım
yanar bu da karışımın sıcaklığının tekrar arttığı ve NO ve is oluşumu başlar.Yakıtın hem
atomizesi hem de buharlaşması tutuşma ve yanma kadar devam eder ve bu yüzden her tek
paket için ayrı ayrı hesaplanması gerekir. Yanma başladıktan sonra, paketlerde yalnızca sıvı
yakıt ve hava bulunmaz aynı zamanda yakıt buharı ve yanma ürünleri de içerebilir,şekil 5.5 e
bakın. Çeşitli püskürtme paketleri arasında karışım veya enerji dönüşümü gerçekleşmez.
Püskürtme içinde hava davranışı ve cidar ısı transferiyle, tüm taşınım prosesleri paket
sınırlarında gerçekleşir.

46. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 42
Kütle ve enerji dengeleri yardımıyla, sıcaklık ve haci değişiklikleri her paket için
hesaplanabilir. Diğer yandan basınç konumdan bağımsız olarak zamanın fonksiyonu olarak
hesaplanır. Bu yaklaşım yanma esnasında yüksek basınçtan kaynaklanan gürültüyü de
açıklamaktadır.
Püskürtme Gelişmesi ve Karışım Teşkili
Püskürtme başladıktan sonra, bir püskürtme paketi yanma odasının içine sabit hızda hareket
eder.
Daha sonra atomize olmaya başlar.
Karakteristik bir süre geçtikten sonra, sıvı çok küçük damlacıklara parçalanır. Püskürtme
ekseni üzerinde geçen bu parçalanma süresi,
Yakıt ve havanın püskürtme sınırındaki etkileşimleri püskürtme ekseninde daha belirgin
olduğundan, dış kısımdaki püskürtülen paketlerin parçalanmasının biraz daha erken olmasına
ilişkin,

47. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 43
bu formül püskürtme yarıçapı içinde parçalanma zamanı doğrusal bir azalma alınırsa
geçerlidir. Gazların taze hava bölgesinden püskürtülen paketlere kadar akışı sırasında,
paketlerin hızı düşer. Püskürtme ekseninde püskürtme paketleri için,
Formülü geçerlidir.daha dış kısımlardaki paketler için,hız püskürtme sınırının bağlandığı yere
doğru katlanarak azalır.
Beş püskürtme paketi radyal olarak göründüğünde ( kmax  5 ), dış paketciğin hızının yaklaşık
olarak daha fazla olduğu varsayılabilir. Eksendeki hızın %55‟inde Crad sabit sonucu için değer
0.374 dür. “The injection process itself also changes the flow pattern in the
combustion chamber decisively”. Püskürtmenin kinetik enerjisi üzerinde aşağı yukarı etkili
olan büyüklükler başlangıç anında, sıkıştırma ve türbülanstır. Bunun sonucunda, gaz
tarafından yavaşlatılan damlacıklardan, ilk püskürtülen paketler,enjeksiyon sonuna doğru
oluşturulanlardan çok daha zor yavaşlar, which move as it were in the "wind shadow".
Paketlerin parçalanmasından sonra püskürtme paketlerinin hızı şuna göre düzeltilir,
İlk oluşturulan pakette i=1 ve son oluşturulanda i= imax olarak belirlenir. Sabit C1 değeri, 1‟
den biraz daha yüksektir, C2 nin yaklaşık değeri 0,5 dir, C3 , ilk ve son püskürtme paketlerinin
mutlak hız farkı olarak açıklanır.
Havanın sürüklenme hızı oranı, damlacık paketlerindeki impulsun korunumu prensibiyle
hesaplanır.
Damla Dağılım Spektrumu
Püskürtme zamanından sonra, püskürtme paketindeki sıvı yakıt çok küçük damlalara ayrılır,
toplam karakteristik Sauter ortalama çapı ile tanımlanır. Sauter ortalama çapı temsili bir
damla çapıdır, which has the same volume to surface area ratio as all drops integrated over the
entire spray. Bunun için bulunan bağıntı,
 ‟ nin birimi [ m 2 /s],  ‟ nun birimi [kg/ m3 ], basınç farkı p ‟ nin birimi [kPa] alınırsa
SMD‟ nin birimi [m] olur. Bir paketteki yakıt damlacıklarının hepsinin aynı büyüklükte
olduğu varsıyımıyla, bir paketteki yakıt damlacıkları sayısı,

48. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 44
Atomizasyonun ve bunun sayesindeki buharlaşma sürecinin daha ayrıntılı bir açıklaması için,
damla boyutu dağılım fonksiyonu,
En sık görülen damlada yarıçap için yararlanılabilir formül,
Damlanın buharlaşması
Buharlaşma açıklanırken, içindeki damlanın izotermik olduğu varsayılan karıştırma modeli
sıklıkla kullanılır. Yakıtı karşılaştırma olarak, gerçek dizel yakıtla benzer özelliklere sahip
saf tetradekan ( C14 H30 ) kullanılacaktır. İki bileşenli karşılaştırma yakıtları için, örneğin
karışım hacminin %70 i n-Dekan ( C10 H 22 ) ve % 30 oranda α -metil naftalin ( C11H20 ),bkz.
Stiesch (1999).
Bununla birlikte, Nusselt sayısı yardımıyla gaz fazından sıvı fazına taşınımla ısı transferini
elde ederiz.
Bu denklemde z boyutsuz düzeltme faktörüdür.
Kütle transferi yardımıyla buharlaşan miktarı hesaplıyoruz;
Sherrwood ve Nusselt sayıları;
Burda Reynold sayısı önceden hesaplanmış olur.
Sıcaklık değiim de enerji dengesinden hesaplanır.

49. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 45
Kütle düşüşü;
Tutuşma Gecikmesi
Arhennius bağıntısından ortalama olarak hesaplanır.
Isı Yayılımı
Basitçe, tutuşma gecikmesinden sonra, yakıt tamamen C2O ve H2O ya dönüşür. Detaylı
bakıldıgında ilk olarak buharlaşn yakıtın zamana oranıdır.
Model Gerçekleme
Şekil 5.6 ve 5.7 ölçülen ve hesaplanan yanma basınç değerlerini 3.96 ltre deplasmanla,165
mm piston çağı ve 1500 rpm değerinde karşılaştırmasını yapıyor. Çalışma noktası şekil 5.6 da
gösteriliyor ve modelin referans noktası olarak seçiliyor.

50. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 46
Ön Püskürtmenin Tanımı
Thoma ve diğerleri dizel motorlarunda ön püskürtmeli prosesi tanımlamak yerine paket
modelle açıkladılar. Ancak, püskürtme penetresyon eğrisi sadece sürekli enjekte edilen
püskürtmeler için geçerlidir ve küçük miktarlar için geçerli değilidir. Dahası ana püskürtme
başladığı an ön püskürtme paketleri ön püskürtme bölgeleri olarak adlandırılan yerlere sıkışır.
Çünkü ön püskürtme çabucak yavaşlar, ana yanma paketi bu ön püskürtme bölgelerine girer,
bu yüzden taze hava yerine ön püskürtme gazları ana yanma karışmına katılır. Bu da ana
yanma için tutuşma gecikmesini azaltıcı yönde etki yapar. Şekil 5.9 da bu durumun
modellenmiş halini görüyoruz.

51. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 47
5.1.4 Zaman Birimi Modelleri
Weisser ve Boulouhos(1995) dizel motorunda ısı yayılımı için fenemolojik bir model
geliştirdiler, karakteristik zaman skalasına dayalı, eddy breakup modeline benzer ki oda CFD
koduyla kullanılır. Bu konuda iki faklı zaman skalası önkarışmalı ve yayılmalı yanma için
düşünülür, önkarışımlı yanma yakıt buharlaşması ve hareket kinetiğinden etkilenir. Yakıtın
atomizasyonu ve buharlaşması aşağıda gösterildiği gibi paket modeli ile modellenmiştir.
Nacak püskürtme sadece eksenel yönde aykırılaşır ve püskürtme peetrasyonu Dent‟in eşitliği
ile hesaplanır(1971).

52. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 48
İlk tutuşma ön karışımlı yanmaya dönmeden önce yakıt kesrinin buharlaştığı farzedilir, yakıt
yayılan yanmaya dönmesi türbülanslı karşımla kontrol edilir. Tutuşma gecikmesi Arrhenius
eşitliği temeline dayanır,ona benzerdir. Hareketi-kinetik olarak kontrol edilen ön karışımlı
yanma zaman birim karakteristiği tutuşma gecikmesi ζID ile orantılırdır.
Burda mprem,av ön karışımlı yanmaya katılan kütle miktarını gösterir.
Yayılan yanmanın dönüşüm oranı analoji de formule edilirse (5.46)
Fenemolojik yaklaşımla turbulans zaman skalasını ζt açıklamak CFD kodunda tanımlanamaz.
Turbulans karışım sıklığı- türbülans zaman skalasının değeri- türbülant viskozite oranı ile
yaklaşılır ve problemn lineer skalada çözülmesi için bakılır.
Yanma odasında türbülant viskozitesini tahmin etmek yerine u‟lı, türbülansın iki durumu için
basitleştirilmiş bir model tercih edilir. İlk kaynak şarj havasının türbülans geriliminin u2
piston hızına oranı için ve lineer skalanın ağırlaga oranıdır. İkinci kaynak türbülans
püskürtmesi, büyüklüğü u2 dir vr Heywood eşitlikleri yardımıyla çözülebilir (1988). Nozzle
çağı ve enjeksiyon hızından giriş değerleri çıkar.
Karşılk gelen türbülans viskozitesi büyüklüğü;
geçerlidir. Türbülanslı yayılmanın lineer skala karakteristiği için buhar ve yakıt arası anlık
silindir hacmi üzerine belirlenir, global hava oranı ve nozzle orifis sayısı

53. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 49
Son olarak yakıt kütlesi buharlaşma ve yanma oranından belirlenir.
5.2 SI Motorunda Yanma
SI motorunda ısı yayılımını,davranış modeli, Blizard ve Keck ve Tabaczinsky
(1980)geliştirmiştir, ilerde özetle anlatılacak.
Bu modelde, ısı ve ön alev cephesi yayılımı iki adımda analiz edilir. İlk adım türbülans
yüzünen alevin penetrasyonunu henüz yanmamış karışım oladan tanımlar. Penetrasyon hızı ek
olarak türbülanslı değişen hız u2 ve laminar hız ve sl ile gösterilir,
İkinci adım taze gazların oluşturduğu girdapla laminar hızıyla tanımlar.
Aşağıda karakteristik yanma zaman skalası;
Alev bölgesinde kütle dönüşüm;
Tutuşma zamanında türbülans kuvveti piston hızına orantılı olarak;

54. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 50
Ve yanma esnasında yoğunluk değişimlerine karşılık gelen hali;
Bu integral genişleyen girdap yapısını tanımlar ve yanma odası ağırlığına oranı farzedilir.
Bu davranış modeli gelişmiş alev cephesi olarak farzedilir. Bu yüzden hacime yanma
başlangıç değeri verilir,bu da toplam kütlenin %1 ine denk gelir. Tutuşma zamanını
belirlerken, tutuşma ile %1 lik kütle dönüşümü arasındaki zaman, alevlenme zamanı olarak
adlandırılır, hesaplanmalıdır.
Şu şekilde ayarlarız;
Tutuşma Modeli
SI motorunda; bujideki çakma ile tanımlanır. Sabit adyabatik ve izotropik durum oldugu
varsayılır ve tutuşma sınırları ile karakterize edilir.
Şekil 5.10 karakteristik kütle dönüşümlerini basınca bağlı ve davarnış modelinden
hesaplanmış şekilde gösteriyor. Ct=0.6 da turbulans yoğunluğu sabitlenir ve integral skalası
cı=0.35 de olur, kütle dönüşümüyle basınç bölgesi analiz degerleri arasında sabitlenir.
Yanmanın başlangıcının hassas derecelerde yanma durumunda yüklerde tekrar çeşitli üretimle
sabit oldugu varsayılır.

55. F i l i z T U N A V E L İ O Ğ L U | 51

56. A ç e l y a U S L U | 52
6. ZARARLI MADDE OLUŞUMU
6.1 Egzoz Gazı Bileşimi
Yalnızca C ve H atomlarından oluşan CxHy gibi bir yakıtın tam yanmasında, egzoz gazı,
oksijen ( O2 ), nitrojen ( N2 ), karbon dioksit ( CO2 ) ve buhar ( H2O ) bileşenlerini içerir.
Gerçekte, yani tamamlanmamış yanmada, yukarıdaki bileşenlere ek olarak, karbon monoksit
( CO ), yanmamış hidrokarbonlar ( HC ), nitrojen oksit ( NOx ) ve partiküller de ortaya çıkar.
İnsan hayatına zararlı olan bu maddelere karşı olarak, sera etkisinden kısmen sorumlu
diyebileceğimiz CO2, zararlı madde olarak görülmez. Çünkü CO2 direkt sağlığa zararlı bir
davranış sergilemez ve bir hidrokarbonun her tam oksidasyonuna ait son ürün olarak ortaya
çıkar. Egzoz gazında bulunan CO2 de bir azalma, ya tüketimde bir düşüş ile ya da ısıtma
değeri ile ilişkili daha az miktarda karbon içeren bir yakıt ile gerçekleştirilebilir.
Şekil 6.1: Denge oranına bağlı zararlı madde oluşumu
CO, HC ve NOX oluşumu aslında hava-yakıt dengesi oranı λ‟ ya bağlıdır ve yanma ısısı
bununla ilişkilidir, Şekil 6.1 „ e bakınız. CO ve HC, yoğun bir karışımdaki ( λ < 1.0 )
tamamlanmamış yanmanın ürünleri olarak yükselirken, NOX oluşumu yeterli oksijen
seviyelerinde ( λ ≈ 1.1 ) yüksek bir ısı ile desteklenmektedir. Seyreltik bir karışım ile birlikte
( λ > 1.2 ), yanma ısısı düşer, bu yüzden NOX emisyonu azalır ve HC emisyonu artar.
Şekil 6.2‟ de benzinli ve dizel motorlara ait egzoz gazı bileşimleri (katalitik konvertörsüz)
gösterilmiştir. Buradan da zararlı madde miktarının, enerji bakımından, motor prosesinde
öneminin olmadığı fakat insan sağlığını ve çevreyi tehlikeye atması açısından oldukça önemli
olduğu görülmektedir. Dizel motor, benzinli motorun yaydığı miktarın yalnızca beşte biri
oranında zararlı madde yaymasına rağmen, mutlak NOX konsantrasyonları çok farklı değildir.

57. A ç e l y a U S L U | 53
Dizel motorda nitrojen oksidin dışında partiküller de kritik bir büyüklük sergilemektedir ve
CO ise benzinli motorda en hakim zararlı madde bileşenidir.
Şekil 6.2: Yüzdesel olarak saf emisyon hacimleri (katalizör olmaksızın). a) Benzinli motor ve
b) dizel motor
6.2 Karbon Monoksit (CO)
Kısmi bir havasızlık altında ( λ < 1.0 ), genellikle CO tamamlanmamış yanmanın bir ürünü
olarak gelişir. CO‟ in oksidasyonu hava-yakıt denkliği oranı λ‟ ya bağlı olarak farklı
biçimlerde ilerler.
Alt stokiyometrik alanda ( λ < 1.0 ), CO oksidasyonu O2‟ sizlikten dolayı H2 oksidasyonu ile
rekabet içinde devam eder.
(1) CO OH CO2 H ve
(2) H2 OH H2 O H ,
hidroksil kökenli ve atomik hidrojen vasıtasıyla zincir üretilir. (2) numaralı reaksiyon
elverişli olarak kimyasal dengede bulunmasına rağmen, (1) numaralı tepkime kinetik olarak
kontrol edilir ve böylece alt stokiyometrik aralıktaki gelişmelerin çok daha yavaş bir şekilde
gerçekleşmesi sağlanır. Hava oranı ve ısıdaki artış ile üst kam mili (OHC)
karalılığının/dengesinin kinetik sapması azalır
d[CO]
( ) (6.1)
d

58. A ç e l y a U S L U | 54
ve böylece artan hava oranı λ ile CO konsantrasyonu azalmış olur.
Stokiyometrik alanda ( λ ≈ 1.0 ), (1) ve (2) numaralı reaksiyonlar çok iyi bir yaklaşımla
toplam reaksiyon olarak su gazı tepkimesi şeklinde ifade edilebilir
(3) CO H2 O CO2 H2 ,
bu durumu düşünürsek reaksiyon dengeye yakın davranır çünkü zincir oluşturucuları olan
ve „ den arta kalan konsantrasyon fazla miktardadır.
Üst stokiyometrik alanda ( λ > 1.0 ), artık CO oksidasyonu H2 oksidasyonu ile rekabet içinde
devam etmeyip aşağıdaki modele uygun şekilde gerçekleşir.
(1) CO OH CO2 H
(4) O2 H OH O .
Bu alanda ve genişleme hareketi boyunca reaksiyon (1)‟ deki dengesizlikten dolayı
‟den nispeten daha fazla oluşur ve CO oksidasyonu yavaş bir şekilde devam
eder.
Aşırı seyreltik bir çözeltide ( λ > 1.0 ), düşük sıcaklıklardan ve yanma odası duvarı
yakınındaki bölgede gerçekleşen tamamlanmamış yanmadan dolayı CO‟ deki artış tekrar
gelişir. Genel olarak, CO oksidasyonu yüksek oranda sıcaklığa bağlıdır, bu yüzden (1)
numaralı tepkime genişlemede dahi gittikçe yavaşlar. Egzoz gazındaki CO konsantrasyonu
1,700 K‟ de yaklaşık olarak denge noktasına benzer bir hal almış olur.
6.3 Yanmamış Hidrokarbonlar (HC)
λ > 1 farz edersek alevin önünde CxHy yakıtının yanmasının ardında ölçülebilir hiç HC
konsantrasyonu gözükmez. Bu nedenle HC, yanmada tam olarak dahil olmamış ya da
yanmaya hiç karışmamış bölgelerde meydana gelir. Dolayısıyla yanmamış hidrokarbonlar
tamamen yanmamış, çoktan kısmi olarak oksitlenmiş veya her iki durumu içeren birkaç farklı
bileşenden oluşur. Bugün hükümetler sadece, genellikle alev iyonizasyon detektörü tarafından
belirlenen tüm HC bileşenlerine sınırlama getirmektedirler. Böylece bu yanmamış
hidrokarbonların bileşimleri ve yapısı hakkında bir rapor veya açıklama yapılmaz.
Zararlılığından emin olunan belirli bileşenler de dikkate alınmaz.
6.3.1 Sınırlanmış zararlı madde bileşenleri
Benzinli motorda soğuk başlatma (elle başlatma) ve hareketlenme safhaları boyunca
yanmamış hidrokarbonların büyük bir bölümü çoktan yayılmış olur. HC gelişimi dolayısıyla
aşağıdaki sorunlara neden olur:
 soğuk bir duvara yaklaşırken alevin sönmesi
 alev yüzünün aşırı soğutmasından dolayı bir boşluğun iç kısmında alev sönmesi
 genişleme esnasında yetersiz alev hızı sonucu alev sönmesi (hızlı sıcaklık düşüşü).

59. A ç e l y a U S L U | 55
Eğer alevin içine duvardaki alevin ısı kaybı için salınan termik enerji oranı, belirli bir
değerden düşük olursa alev söner. Bu kabaca Peclet sayısı ile ifade edilir
P (6.2)
ve bu vasıtayla duvarın ilk iki durumu ve alev sönmesi boşluğu indis 1 ve 2 ile birbirinden
ayrılır. Burada w alev hızını, x1 ve x2 duvar açıklığı ve boşluk genişliğini temsil eder.
Şekil 6.3: HC oluşumunun şematik gösterimi
Pek çok denemeden sonra, kritik Peclet sayı değerleri P ≈ 8 ve P ≈ 40 olarak bulunur.
Böylece x1/x2 = 0.2 ve söndürme mesafesinin aralığı
duvar: 0.02 < x1 < 0.2 mm ,
boşluk: 0.1 < x2 < 1.0 mm
olarak elde edilir.
Diğer taraftan, Nusselt ve Reynolds sayı aralığı göz önünde bulundurulduğunda yanma odası
duvarında ısıl sınır tabakasının kalınlığını δT ≈ 1 mm olarak elde ederiz. Buradan da alevin
gazınkinden çok duvara daha yakın bir sıcaklıkta söndüğünü görüyoruz.

60. A ç e l y a U S L U | 56
Tutuşma başladığında, karışımın % 6‟ sı kadar miktar segman boşluğuna kaçar ve yaklaşık %
2‟ si yanmanın sonuna doğru geri gelir. Bu son zamanda, yanma odası sıcaklıkları çoğu kez
yanma ürünlerini tamamlayacak oksidasyonu sağlayamayacak kadar oldukça düşüktür.
Pistonun yukarıya doğru hareketi sırasında, yanmamış hidrokarbonlar arda kalan yanmış
egzoz gazları ile birlikte atılır, Şekil 6.3‟ e bakınız.
Yanma odası şeklinin HC emisyonu üzerine olan etkisi hakkında daha geniş bir sunum için ek
olarak Borrmeister ve Hübner (1997)‟ ye bakınız.
Benzinli bir motorda gerçekleşen tutuşmada HC oluşum mekanizmalarının farklı yolları Şekil
6.4‟ te gösterilmiştir. Bu şema güncel araştırma sonuçlarını ve bu yüzden şimdiki gelinen bilgi
düzeyini bir parça genelleştirilmiş şekilde özetlemektedir.
Şekil 6.4: Benzinli motorda gerçekleşen yanmada HC oluşum mekanizması
HC gelişmesinin sözüm ona mekanizmaları tamamıyla çok karışıktır ve benzinli motorda HC
emisyonunun sayısal hesabı henüz uygulanabilir değildir. Silindirden kaynaklanan HC
miktarına ait oksidasyon hızının tahmini için çoğu kez aşağıdaki evrensel bağıntı
önerilmektedir.
d[HC]
[HC][O2 ] (6.3)
d
ile E = 156 J/mol, A = 6.7 1021 m3/mols.
Boyutsuz değişken cR deneysel veriler ve değişenlerin daha önce ifade edilen büyük farkların
sonucu olarak yaklaşık olarak 0.1 ve 1.0 arasında ayarlanmasına yardımcı olur.

61. A ç e l y a U S L U | 57
Yanmamış hidrokarbonlar genellikle aşağıdaki gruplara ayrılabilir:
 aromatikler, doymamış bileşikler: % 45
 alkanlar, doymuş bileşikler: % 20
 alkenler: % 30
 aldehitler: % 5
Aromatik bileşikler arasında dizel motorda kurum/is oluşumunda önemi olan PAH denilen
çok halkalı aromatik hidrokarbonlar da bulunur, bölüm 6.4.2‟ ye bakınız.
Şekil 6.5: Kör delik hacmine bağlı HC emisyonu
Dizel motorda, HC oluşum süreci daha komplekstir ve bu yüzden hesaplamalar benzinli
motordakine göre daha problematiktir. HC‟ nin en önemli kaynakları:
 püsküren sıvının (serpintinin) dış sınır çizgisi - karışım bileşimi tutuşturma alanının
dışında durur. (çok seyreltik/zayıf),
 iç püskürtme alanı – karışımın niteliği çok yoğun/zengin,
 difüzyon alevinin ani basınç tarafından söndürülmesi ve genişleme süresince sıcaklık
düşüşü,
 duvara yapışan yakıt, yetersiz sıcaklıklardan dolayı tamamıyla oksitlenmez,
 “enjeksiyon sonrası” nozül enjektörünün açılmasının akıtma bittikten sonra da
tekrarlanması. Bundan dolayı aşırı derecede yavaşça buharlaşan ve yakan yakıt kaybı
olur.

62. A ç e l y a U S L U | 58
Son hususa gelecek olursak, dizel motorda kör delik hacminin HC emisyonu üzerindeki etkisi
Şekil 6.5‟ te gösterilmiştir. Burada HC emisyonunun kör delik hacmi ile gerçekte doğrusal
olarak tırmandığı fark edilir.
6.3.2 Sınırlanmamış zararlı madde bileşenleri
Günümüzde henüz açık bir şekilde sınırlandırılmamış ve bilhassa sağlığa zarar potansiyeli
yönüyle önemli olan yanmamış hidrokarbonların toplam kitlesi içerisinde değişik maddeler
bulunur.
 Karbonil bileşikleri
Karbonil bileşikleri direkt olarak ya da atmosferde yan ürün biçiminde etki ederek insan
organizmasına zarar verir. Örneğin, nitrojen oksit ile uyum içinde yer hizasında ozon
oluşumuna (fotokimyasal dumanlı sis) katkıda bulunurlar.
Şekil 6.6: Hidrokarbon oksidasyon diyagramından seçilmiş parça
Karbonil bileşiklerini, yerleşimlerinde her biri en az bir karakteristik karbonil grubuna sahip,
aldehitler ve ketonlar olarak sayabiliriz. Bunlar, tam oksidasyonu zamanından önce durmuş
kısmen yanmış yanma bileşenleri olarak meydana gelirler.
Şekil 6.6‟ da hidrokarbon oksidasyon sisteminin bir özeti nitel olarak oksidasyonun son
safhasında ortaya çıkan R-CHO aldehitinin yanı sıra HCHO formaldehiti ile gösterilmiştir.
Bu gösterim aynı zamanda CxHy oksidasyonunun altında yatan oksidasyon sisteminin ne denli
karmaşık olduğu fikrini taşır.

63. A ç e l y a U S L U | 59
Buna ek olarak, Şekil 6.7‟ de günümüzde saptanabilir karbonil bileşikleri ve Şekil 6.8‟ de
ticari bir taşıta ait dizel motorda egzoz gazındaki karbonil bileşiklerinin dağılımı ifade
edilmiştir, Lange (1996)‟ ya bakınız.
Şekil 6.7: Saptanabilir karbonil bileşikleri
Şekil 6.8: Kamyona ait bir dizel motorda egzoz gazındaki karbonil bileşiklerinin dağılımı

64. A ç e l y a U S L U | 60
 Dioksinler ve furanlar
Dioksinler tamamıyla toksik olmamakla birlikte son derece zehirli bileşenleri olan aromatik
hidrokarbonlardır. Tanım çoğunlukla kimyasal ve toksikolojik olarak furan sınıfını içerir.
Seveso kentinde 1976 yılında olan kazadan son derece zehirli olan 2.3.7.8-Tetraklordibenzo-
p-dioksin (“Seveso zehiri”) serbest kalmış ve çevreye yayılmıştır ve sonrasında tüm dioksinler
için temsil olmuştur. Kimyasal yapının izahı için bir kaçı klorlanmış benzen halkasının
yapısal formülü ve çok halkalı aromatik hidrokarbonlar Şekil 6.9‟ da gösterilmiştir, ve Şekil
6.10‟ da heterosiklik aromatik bileşikleri piridini, dioksin ve furanın yanı sıra bu ikisinin
yerine geçen bileşikler de gösterilmiştir.
Şekil 6.9: Çeşitli aromatik hidrokarbonların yapıları
Önceden bahsedilmiş olan dioksinler ve furanlar çok halkalı aromatik hidrokarbonlardır
(PAH), çok halkalı bifeniller (BCB)
Cl Cl
ve poliklorlu terfeniller (PCT)

65. A ç e l y a U S L U | 61
Şekil 6.10: Heterosiklik aromatik hidrokarbonların yapısı
Şekil 6.11‟ de, Seveso zehiri denilen dibenzofuran ve dibenzodioksinin yapısal formülleri ile
birlikte olası türev sayıları verilmiştir.
Şekil 6.11: Dioksin yapıları
Şekil 6.12‟ de içten yanmalı bir motorun egzoz gazında bulunan çeşitli zararlı maddelerin
konsantrasyonuna ait bir ölçek verilmiştir. Benzin ve dizel yakıtın yanı sıra farklı motor
konstrüksiyon yapıları da bir dereceye kadar ölçekte fark yaratmaz. Tüm dioksin ve furanların
konsantrasyonlarının egzoz gazı kilogramı başına 10-9 kg ve adı kötüye çıkmış Seveso
zehirinin konsantrasyonu egzoz gazı kilogramı başına 10-14 kg büyüklük kertesinde yer

66. A ç e l y a U S L U | 62
aldığını fark etmekteyiz, demek ki bugünkü ölçüm teknikleri tolerans bulmada bir hayli
mesafe kat etmiş.
Şekil 6.12: İçten yanmalı motorlara ait egzozda bulunan zararlı madde konsantrasyonları
Daha fazla açıklama için Bühler (1995) ve Bühler ve diğerleri (1997)‟ ne bakınız.
6.4 Dizel Motorda Partikül Emisyonu
6.4.1 Tanıtım
Egzoz gazındaki partiküllerin içeriği, egzoz gazının belirli bir metoda göre seyreltilmesi ve ϑ
< 52 ° C olacak şekilde soğutulmasının ardından belirli bir filtre tarafından yakalanan tüm
madde miktarının gösterilmesi ile ifade edilir. Dizel egzozundaki tüm partiküllerin bileşimi
Şekil 6.13‟ de görülebilir. Buna göre, dizel tanecikleri % 95‟e kadar organik (çok halkalı
aromatik hidrokarbon (PAH) ve kurum) ve % 5‟ e kadar inorganik bileşenden oluşur.

67. A ç e l y a U S L U | 63
Şekil 6.13: Dizel taneciklerinin bileşimi
Kurum moleküllerinin meydana gelmesinde ortaya çıkan fiziksel ve kimyasal prosesler aşağı
yukarı bellidir ama birçok ayrıntı hala yetersizdir. Kurum oluşumunun modelini yapma bu
yüzden oldukça problemlidir. Moleküllerin meydana gelmesi halihazırdaki bilgiye göre
takriben aşağıdaki düzene göre ilerler:
 Yakıt moleküllerinin etin (asetilen, C2H2) ve C3H3 iyonlarına kimyasal dönüşümü,
birinci benzen halkasının oluşumu,
 Halkaların polimerizasyonu ve ilerleyen dehidrasyon yolu ile çok halkalı aromatik
hidrokarbonların oluşumu, ayrıca C atomlarının orantılı artması,
 Yoğuşma ve 1 – 2 nm boyutlarında kurum özlerinin (çekirdeklenme) oluşumu,
 Yaklaşık 20 – 30 nm çapında birincil kurum moleküllerinin (yüzey ürünleri) oluşması
ve sonrasında çeşitli maddelerin katılması için kurum özlerinin birleşmesi,
 Birincil kurum moleküllerinin uzun zincir yapılarına (yığın) birleşmesi,
 O2 molekülleri ve OH radikalleri ile oksidasyon üzerinden orta seviyede ortak
özellikleri olan türlerin ve kurum moleküllerinin bozulması.

68. A ç e l y a U S L U | 64
6.4.2 Çok halkalı aromatik hidrokarbonlar (PAH)
İlk aromatik hidrokarbon (benzen) zincirinin oluşması, asetilen ve iyon kuramları olmak üzere
iki hipotez tarafından açıklanabilir.
Asetilen hipotezi, yoğun yanmada meydana gelen etinin (Asetilen, C2H2) birkaç farklı
molekülünün ilavesi ve H2 parçalanması ile birinci benzen halkasına eklendiğini varsayar.
Bu durumda, yerel sıcaklığa bağlı olarak Şekil 6.14‟ de gösterilen iki farklı reaksiyon yolunun
oluşması olasıdır.
Şekil 6.14: Benzen halkalarının oluşumunda reaksiyon yolu, Frenklach ve Wang (1994)
İyon hipotezi ise aksine, etin moleküllerinin kendilerini başlangıçta, yakıt-yoğun karışımında
bulunan C3H3 iyonlarını oluşturan CH- ve CH2 grupları ile birleştirdiğini ifade eder. Sonra,
böyle iki C3H3 iyonu bir halkanın meydana gelmesini sağlayan iki H atomunun yeniden
düzenlenmesinde birleşir, Şekil 6.15‟ e bakınız.
Şekil 6.15: Benzen halkalarının gelişmesi, Warnatz ve diğerleri (1997)
HACA denilen mekanizma (H ayırma,C2H2 ilavesi), H ayrılmasının devam etmesi ve C2H2
ilavesi yoluyla, PAH halkaları meydana gelir. Fakat, benzen halkaları direkt olarak
birleşebilirler, bu yüzden kompleks halka bileşikleri kurulabilir, Şekil 6.16 b‟ ye bakınız.

69. A ç e l y a U S L U | 65
Şekil 6.16: PAH gelişmesi, Frenklach ve Wang (1994)
6.4.3 Kurum gelişimi
Çok halkalı aromatik hidrokarbonlar, giderek büyüyen bir yapı sergilerler. Alışıldığı gibi,
PAHların artık düzlemde olmadığı aksine üç boyutlu bir obje yapısını sergilediği kurum
tanecikleri hakkında bahsedeceğiz. Şekil 6.17 önceden karışmış alevlerde kurum oluşumunun
ana taslağını gösterir, Bockhorn (1994).
Toplam kurum hacmi aşağıdaki eşitlik ile verilebilir.
VP ( ) ( )[ ∑ ] (6.4)
Bu eşitlikte, ( ) kurum taneciklerinin büyüklük dağılımını ya da tanecik spektrumunu
temsil eder. Tanecik büyüklüğü 10 < < 150 nm gibi geniş bir aralığı kapsar. Fakat 10 μm
boyutlarına kadar olan tanecikler de oluşturulabilir ama maksimum dağılım 100 nm‟e kadar
uzanır. Kurum taneciklerinin yoğunluğu yaklaşık olarak 2,000 kg/m3 dolaylarındadır.
Yüzey/kütle oranı ise 20 ile 200 m2/g arasındadır.

70. A ç e l y a U S L U | 66
Şekil 6.17: Kurum oluşumunun ana taslağı, Bockhorn (1994)
Kurum oluşumunda sıcaklığın etkisi hala tartışmalıdır. Çünkü, yüksek bir sıcaklık hem
yapıma (piroliz) hem de oksidasyona yardım eder. 1,500 < T < 1,900 sıcaklık penceresi
kurum oluşumu için kritiktir. Bu Şekil 6.18‟den açık bir şekilde görülebilir. Kurum veriminin
yüzdesi hava-yakıt denklik oranına ve sıcaklığa bağlı olarak ifade edilmiştir. Kritik sıcaklık
aralığını 1500 < T < 1,900 ve kurum emisyonunda aşırı derecede bir artışı da λ < 0.6 olarak
tanımlarız.
Piroliz-oksidasyon problemi Şekil 6.19‟ da aydınlığa kavuşturulmuştur. Burada kurum
kütlesinin kesrini dizel motorunda krank açısının bir fonksiyonu olarak tanımladık. Yanmanın
başlangıcında, nispeten daha büyük miktarlarda ama ana ve yanma sonrası fazlarda genellikle
yeniden oksitlenen kurum üretileceği çok rahat fark edilebilir. Taneciklerin miktarı egzoz
gazında ölçülür, böylece maksimum şekilli taneciklerin (yaklaşık olarak % 0.1 den % 1‟ e)
kesrinin ölçülmesi sağlanır. Bu pek çok problemin anlaşılmasını ve kurum oluşmasında hakim
olan kimyasal ve fiziksel proseslerin kapsamını sağlar.

71. A ç e l y a U S L U | 67
Şekil 6.18: Denklik oranı ve sıcaklığın fonksiyonu olarak kurum verimi
Şekil 6.19: DI dizel motorunda zamana bağlı kurum ilerlemesi
6.4.4 Tanecik emisyon modeli
Kurum gelişmesinin modellenmesi ve oksidasyonu hala başlangıç aşamasındadır. Genellikle,
yerel sıcaklık, yakıt buharı ve oksijen konsantrasyonları sırasıyla reaksiyon hızını etkileyen
faktörler olarak kabul edilir. Bu yüzden yapım ve oksidasyonun her birinin tek bir deneysel
eşitlik olarak tanımlandığı, basit 2 eşitlik modelinden yararlanırız. Kurum kütlesindeki net
değişim bu niceliklerin farklılığından ileri gelir, Nishida ve Hiroyasu (1989)‟ ya bakınız.

72. A ç e l y a U S L U | 68
Bu basit model ile kurum oluşumu hakkındaki eğilim ifadeleri elde edilebilir fakat sayısal
olarak güvenilir sonuçlara ulaşılamaz. Bu yüzden daha ileri geliştiriliyor. Örneğin Belardini
ve diğerleri (1994) veya Fusco ve diğerleri (1994). Etin (Asetilen C2H2) gibi ara türleri de
düşünmüşlerdir. Ara türler ve son kurum taneciklerinin her ikisi de yanma esnasında yeniden
bozulur. Böylece yukarıda bahsi geçen iki eşitliğin yerine, baştan sona sekiz diferansiyel
denklemli tek bir model olur. Gerçek şartlara daha yakın bir yaklaşımla, dizel motorunda
yanmada hayli önem kazanmış O2 moleküllerinin oksidasyonuna ek olarak, OH radikalleri ile
bir oksidasyon da modelde göz önünde bulundurulabilir, Nagle ve Strickland-Constable
(1962)‟ye bakınız. İlgili okurlar bu noktada alıntı yapılan literatüre ve özellikle de Bockhom
ve diğerleri (2003)‟ne bakabilirler.
Yerel sıcaklıklara ve kimyasal reaksiyonlar için uygun zamanlara ilave olarak, reaksiyon
bölgesindeki yeterli konsantrasyondaki oksidantlar ( O , O2, ) kurum oksidasyonunun
ilerlemesi için belirleyicidir. Tüm şartlar altında bir elimizdeki oksidantlar ve diğerindeki
tanecikler arasında yeterince hızlı karıştırma varsayımı bir ham petrol basitleştirilmesidir.
Karışım kalitesi aslında türbülanslı akım sahasına bağlıdır. Güncel araştırmalar tanecik
oksidasyonunun oksidantlar ile akış bölgesindeki türbülans elementlerinin ölçülebilir
derecede küçük karıştırılmasının gerekli olduğunu varsayar. Bu sayede kimyasal reaksiyon
moleküler seviyede olası hale gelir. Bununla birlikte, kurum oksidasyonunun seyri akış
bölgesinde oluşan en küçük girdapların karakteristik devir zamanı veya türbülanslı karışma
frekansı 1/tK olan, Kolmogorov zamanı ile belirlenir.
Kuvvetli türbülansta kurum emisyonunda çökme gösteren çok sayıda denemeler, bu göz
önünde bulundurmaları doğrulamıştır.
Tanecik yapım ve oksidasyonunda yeterli kapsama getirebilmek için, son günlerdeki
gelişmelere rağmen hatırı sayılır ölçüde çaba sarf edilmesi gerekmektedir.

73. A ç e l y a U S L U | 69
6.5 Nitrojen Oksitler
Troposferde, nitrojen oksitler (NOX) yeryüzüne yakın yerlerde ozon ve fotokimyasal sis
oluşmasına katkıda bulunurlar. Motordaki yanmada genellikle, atmosferik şartlarda uzun
zaman periyotlarında tamamen nitrojen dioksite (NO2) dönüşen, nitrojen monoksit (NO)
gelişir. Yanmada, NO üç farklı yolla oluşabilir. Öyleyse bunlar; yüksek sıcaklıklarda
atmosferik nitrojenden Zeldovich mekanizmasına göre yanma ürünleri arasında oluşan termal
NO, alev yüzeyinde hava nitrojeninden Fenimore mekanizması yoluyla çoktan gelişen hazır
NO ve son olarak yakıttaki nitrojen parçalarından üretilen yakıt NO‟dur.
6.5.1 Termal NO
İlk kez Zeldovich (1946) tarafından tanımlanan termal NO oluşumu yanmış gaz bölgesinde
alev yüzeyinde “arkada” ilerler. Zeldovich tarafından sağlanan basit reaksiyon mekanizmasını
sonraları Baulch ve diğerleri (1991) geliştirmiştir. Bu genişletilmiş Zeldovich mekanizması
deneysel yöntemlerle belirlenmiş hız sabitleri ki‟ler ile üç temel reaksiyondan oluşur.
Zeldovich mekanizmasına göre termal NO oluşumu, tüm reaksiyon mekanizmaları arasında
en çok araştırılanlardan biri olmasına rağmen, hız sabitlerinin seçilmesi konusunda hala bir
belirsizlik vardır. Literatürde bunun için, bir kısmı Tablo 6.1‟de özetlenen sapma değerleri
önerilir.
Kimyasal dengenin olağanüstü durumunda, ileri (indeks r) ve geri reaksiyonların (indeks l)
her biri eşit olarak hızlı ilerler. Örneğin;
ya da aynı durumun yerini tutan yeni formülasyon:
Her iki hız sabitleri k1,r ve k1,l „ in yanı sıra kimyasal denge sabiti KC de sadece sıcaklığa
bağlıdır fiilen mevcut olan konsantrasyonlara değil. Aşağıdaki ilişki genel olarak geçerlidir,
bölüm 3.2‟ ye bakınız.

74. A ç e l y a U S L U | 70
Denge sabiti KC termodinamik bilgilerden belirlenir, örneğin, NIST (1993). Bu yüzden geri
tepkime için hız sabiti kl kolaylıkla 6.11 eşitliğinden hesaplanabilir.
NO oluşum oranını reaksiyon eşitlikleri (1) ve (3)‟ ten elde ederiz.
ve nitrojen atom konsantrasyonunun zamana bağlı değişimi için aşağıdaki eşitliği kullanırız.
Eğer geçici NO konsantrasyonu eş sıcaklıktaki denge konsantrasyonunun altındaysa,
motordaki yanmanın genişleyen segmentlerinde söz konusudur bu durum, ileri reaksiyon
toplam çevrimde belirleyici bir etkiye sahiptir. Yalnızca geçici NO eş sıcaklıktaki denge
konsantrasyonunun üzerinde olduğu durumlarda toplam çevrim büyük ölçüde geri reaksiyon
ile belirlenir. Fakat motorda, bu durum genişleme stroğunun sonunda, sıcaklık çoktan
düştüğünde en fazla görülür.

75. A ç e l y a U S L U | 71
Tablo 6.1: Zeldoch mekanizmasının ileri reaksiyonu için hız katsayıları
İleri tepkimeler için hız katsayılarını bildiğimizden, reaksiyon (1) yoluyla NO oluşumu,
reaksiyon (2) ve (3) yoluyla NO oluşumuna göre çok daha yavaştır diyebiliriz. T=1,800 K
olduğu sıcaklık için, örneğin,
elde ederiz.
İlk reaksiyon kararlı üçlü N2 bağından dolayı yüksek aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu
yüzden sadece yüksek sıcaklıklarda yeterli derecede hızlı ilerler. Bundan dolayı “termal”
olarak adlandırılır. Bu yüzden bu oran-sınırlama adımıdır. Yukarıdaki sayısal değerler 1,800
K‟ de birinci reaksiyonun ikinci ve üçüncüye göre ondalık yedi sekiz kuvvet üstü daha yavaş
ilerlediğini gösterir. Şekil 6.20 hız katsayıları k1,r „nin [g/(mol s)] sıcaklık T „ye bağlı
gidişatını gösterir.