HCCI (homojen şarjlı sıkıştırma ile ateşlemeli) bir motorda yanma analizi
The combustion analysis on HCCI (homogen charge compression ignition engine)
Yazar: ŞÜKRÜ AYHAN BAYDIR
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SERDAR YÜCESU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı / Zihinsel Engelliler Öğretmenliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Açık kaynaklı yazılım = Open source software ; Detaylı yanma kinetiği = Comprehensive combustion kinetics ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Türbülanslı yanma = Turbulent combustion ; Yanma = Combustion ; Yanma modelleri = Combustion models ; Yanma özellikleri = Combustion properties ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
İçten Yanmalı Motorlarda tasarım ve ürün geliştirmek amacı ile yapılan deneysel çalışmalar hem çok yüksek maliyetlere ulaşmakta, hem de çok zaman almaktadır. Bu çalışmada içten yanmalı motorların modellenmesinde kullanılan açık kaynak kodlu, çok boyutlu sayısal modelleme araçları açıklanmıştır. Farklı programlama dillerinde yazılmış, farklı sayısal modeller/yaklaşımlar içeren KIVA4 ve OpenFOAM kod sistemleri karşılaştırılmıştır.Caterpillar marka 3401E motor için ilk olarak çok boyutlu model kullanılmıştır. CFD koduyla elde edilen verilerin başlangıç değer olarak kullanıldığı tek bölgeli sayısal modelde yanma sürecinin modellemesi 29 bileşen ve 52 reaksiyon içeren n-heptan (RON0) mekanizmasının kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Yanma aşamaları incelendikten sonra farklı eşdeğerlilik oranlarındaki (0,01-0,5) çalışma sonucunda silindir içi sıcaklık ve emisyon değerine göre 0,3 eşdeğerlilik oranı optimum değer olarak tespit edilmiştir. 0,3 eşdeğerlilik oranında farklı EGR oranlarının (%0-%35) yanma sürecine etkisi incelenmiştir. EGR oranındaki artışa bağlı olarak yanma reaksiyonlarının süresinin uzadığı, silindir içi basınç ve sıcaklık değerlerinin azaldığı tespit edilmiş dolayısıyla sıcaklığa bağlı NOx emisyonlarının azaltılmasında olumlu bir etki elde edileceği sonucuna varılmıştır.RON0, RON20, RON40 ve RON60 yakıtlarıyla elde edilmiş olan modelleme ve deneysel verilerle karşılaştırma yapılmıştır. Deneyler, 2200 1/min motor hızında, beş farklı yükte (4, 8, 12, 16 ve 20 Nm) yapılmıştır. Ana referans yakıtlarının (PRF) yanma sürecinin modellenmesi için 6 farklı reaksiyon mekanizması kullanılmıştır. Motor modelleme yöntemlerinden tek bölgeli ve CFD modelleri kullanılmıştır. Tek bölgeli modelleme aracı olarak Chemkin yazılımı, 3 boyutlu geometrinin kullanıldığı CFD modelleme aracı olarak OpenFOAM kodları kullanılmıştır. Ayrıca farklı çalışma parametrelerinin homojen şarjlı sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) bir motordaki yanma sürecine etkileri nümerik modeller yardımıyla incelenmiştir.

Abstract:
Experimental researches on internal combustion engine for design and product development both cost high and take up long time. In this study, open source multi dimensional modeling tools which are used on internal combustion engine modeling is explaned. KIVA4 and OpenFOAM codes including different numerical models/approaches and written with different programming languages were comparedFirstly, a multi-dimensional model was used for Caterpillar 3401E engine. Modeling of combustion process was performed by being used n-heptane (RON0) reaction mechanism which includes 29 species and 52 reactions in a single-zone numerical model in which is used for data being obtained by CFD code as an initial value. After the process of combustion was investigated, 0.3 equivalence ratio was determined as an optimum value, in a consequence of studies were performed at the different equivalence ratios (0.01.-0.5) according to in-cylinder temperature and emission values. The effect of different EGR rates (%0-%35) on combustion process was investigated at 0.3 equivalence ratio. It is confirmed while the combustion reactions took up longer time depending on the rise in ERG ratio, in-cylinder pressure and temperature values were reduced. Consequently, as a conclusion a positive effect will be obtained on reducing of NOx emission depending on temperature.The comparison was performed between data were obtained by the experiments and modeling with used RON0, RON20, RON40 and RON60 fuels. The experiments were performed at 2200 rpm engine speed and five different engine loads (4, 8, 12, 16 and 20 Nm). The 6 different reaction mechanisms were used to model combustion process of primary reference fuels (PRF). The single-zone numerical model and CFD models were used from among of engine modeling methods. Chemkin software was used as a the single-zone numerical model tool and OpenFOAM codes were used as a CFD modeling tool which is used three dimensional geometry. Besides, the effects of the different working parameters on combustion of homogeneous charged compression ignition (HCCI) engine were examined by means of numerical models