İçten yanmalı motorlarda silindir içi hava akımının yanma performansı ve eksoz emisyonları üzerine etkilerinin teorik olarak incelenmesi
Theoritical investigation of in-cylinder air flow effects on combustion performance and exhaust emissions in internal combustion engines
Yazar: MAHMUT KAPLAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZBEY
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dizel motorlarda tutuşmanın neredeyse yakıt püskürtülür püskürtülmez gerçekleşmesi yakıtın eşit derecede yayılmasını engellediğinden oksijenin zengin olduğu kısımlarda NOx ve yakıtın zengin olduğu kısımlarda is partikülleri oluşmaktadır. Sıkı emisyon düzenlemeleri nedeniyle özellikle dizel motorlarda yanma verimini artırmak ve egzoz gazı kirleticilerini azaltmak için son yıllarda deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmaktadır. İçten yanmalı motorlarda yanma verimini artırmanın bir yolu emme portu, emme supabı ve yanma odası geometrisinde değişiklikler yaparak silindir içinde swirl, tumble ve squish gibi düzenlenmiş akımlar üretmektir. Bu yöntemlerde silindir içinde üretilen akımlar sıkıştırma stroku sonunda küçük ölçekli çevrilere dönüşerek türbülans şiddetini artırdığından hava-yakıt karışımının homojenliğini ve yanma hızının iyileşmesini sağlarken silindir içindeki yanma emisyonunu azaltmaktadır. Bu çalışmada direkt püskürtmeli (DP) dizel motorda bir çevrim boyunca silindir içindeki düzenlenmiş akışların yanmaya ve emisyona etkisi ANSYS WORKBENCH programı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleriyle araştırılmıştır. Emme ve egzoz portları ve supabları, silindir ve piston gibi parçalar üretilmesi ve bu parçaların montajı SOLIDWORKS programıyla yapılmıştır. ANSYS WORKBENCH platformundaki dinamik sayısal ağ yöntemleriyle supab ve piston gibi parçaların hareketi sağlanmıştır. Türlerin taşınımı ve kimyasal reaksiyonların türbülansla etkileşimini sağlayan girdap-sönümlenme (eddy-dissipation) modelleri birlikte uygulanarak yanma modellenmiştir. Yakıt damlacıklarının birincil ve ikincil parçalanmasında sırasıyla katı koni (solid cone) enjeksiyon tipi ve Kelvin-Helmhotz Rayleigh-Taylor modeli kullanılmıştır. Yanma odasındaki NOx ve is emisyonlarının oluşumu sırasıyla genişletilmiş Zeldovich Mekanizması ve bir adımlı Khan ve Greeves modeliyle analiz edilmiştir. RNG k-ɛ türbülans modeliyle motorun yanma ve emisyon analizi yapılmıştır. Silindir içindeki akışı iyileştirmek için emme kanalı geometrisini değiştirme, emme kanalına helisel türbülatör yerleştirme ve piston oyuğunu şekillendirme olmak üzere üç farklı yöntem uygulanmıştır. Bu çalışmadaki üretilen tüm konfigürasyonların sıkıştırma oranları modellenen motorla aynıdır. Sayısal sonuçlar standart konfigürasyonla 1,3 olarak elde edilen swirl oranının 9,6 olarak 3/4 adım uzunluğundaki (PL) helisel türbülatörde (HT) en fazla arttığını göstermiştir. 3/4 PL helisel türbülatör 79 bar olarak yanma odasındaki basıncı da standart konfigürasyona göre % 7 artırmıştır. Fakat 3/4 PL helisel türbülatörüyle sıkıştırma strokunda üretilen negatif iş, net işi azalttığından 3/4 PL-HT konfigürasyonu indike termal verimi iyileştirmede etkili olamamıştır. Buna karşın 3/4 PL helisel türbülatörü emme strokunda silindir içine giren oksijen miktarını düşürdüğünden egzoz subapı açıldığında bu türbülatördeki NO emisyonu standart konfigürasyona göre % 3 azalmıştır. Bu çalışmada türbülans kinetik enerji en fazla 43,50 m2/s2 olarak emme kanalının saat yönünün tersi yönde 30º bükülmesiyle (-30B) üretilen konfigürasyonda elde edilmiştir. Bu nedenle standart konfigürasyona göre -30B konfigürasyonunda indike termal verim % 2,3 artmıştır. -30B konfigürasyonu is oksidasyonunda da etkili olmuştur ve egzoz supabı açıldığı anda is emisyonu 1,62 ppm olarak standart konfigürasyona göre % 75 azalmıştır. Bu çalışmadaki üretilen tüm konfigürasyonlara göre indike termal verim en fazla y ekseni yönünde iki yarım küreli (2YK-Y) piston oyuğu konfigürasyonunda elde edilmiştir. 2YK-Y piston oyuğunda indike termal verim standart konfigürasyona göre % 2,9 artmıştır. Diğer yandan, 2YK-Y konfigürasyonu silindir içi maksimum sıcaklığı standart konfigürasyona göre % 2,1 artırdığı için egzoz supabı açıldığı anda NO emisyonu % 10 artarken is emisyonu % 68 azalmıştır.

Anahtar Kelimeler: Swirl, Tumble, Türbülans kinetik enerji, Yanma, Emisyon, HAD, ANSYS

Abstract:
In the diesel engine, since ignition occurs almost as soon as fuel is injected, there is not enough time for dispersing fuel evenly and so oxygen-rich regions form NOx and fuel-rich regions form soot particulates. Due to recent emission regulations, many researchers have focused on the studies related to reduce exhaust emissions and improve combustion efficiency in diesel engines. One way to enhance combustion efficiency and reduce pollutant emission is generating in-cylinder flows such as swirl, tumble and squish by modifying geometry of intake port, intake valve and combustion chamber. In this method, the breakdown of the organized flows into small scale eddies end of the compression stroke augments turbulence intensity. Amplifying turbulence kinetic energy results in increasing homogeneity of air-fuel mixture and burn rate and decreasing amount of emission in the cylinder. In this study, the effect of the organized flow structures on combustion and exhaust emissios in a direct ignition (DI) diesel engine were investigated numerically through a full cycle by using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques in ANSYS WORKBENCH. The parts of geometry including ports and valves for the intake and exhaust, the cylinder and piston were produced and assembled using SOLIDWORKS. The necessary motion for valve and pistons was taked place by using dynamic mesh methods in ANSYS WORKBENCH platform. Species transport model in combination with eddy-dissipation model for turbulence-chemistry interaction was applied to simulate the combustion. Solid cone injection type and Kelvin-Helmhotz Rayleigh-Taylor model were used to describe primary and secondary break-up, respectively. NOx and soot formation in combustion chamber was analyzed by Extended Zeldovich Mechanisms and one-step Khan and Greeves model, respectively. RNG k-ɛ turbulent model was used for combustion and emission analysis. Mainly three methods such as changing the intake port geometry, shaping the piston bowl and fitting a helical turbulator inside the intake port were applied to amplify in-cylinder flow. In this study, compression ratios of all configurations were the same as the standart configuration. According to numerical results, for all configurations, 3/4 pitch length (PL) helical turbulator (HT) produced the maximum swirl ratio of 9,6 compared to 1,3 with the standart configuration at the end of the compression stroke. The maximum peak pressure in the combustion chamber of 79 bar was also achieved by 3/4 PL helical turbulator configuration which was about 7% over the standart configuration. But compared to standart configuration, the indicated thermal efficiency was not improved by 3/4 PL-HT configuration owing to the negative work produced by compression stroke decreasing the net work. However, 3/4 PL helical turbulator reduced NO emission of 3% compared with standart configuration when exhaust valve opened due to this turbulator decreasing amount of oxygen entering into the combustion chamber during intake stroke. In this work, the maximum turbulent kinetic energy of 43,5 m2/s2 was obtained in the first part of intake stroke by the configuration generated with bending of intake port 30º counter clockwise direction (-30B). As a result, -30B configuration increased the indicated thermal efficiency of 2,3% compared to standart configuration. -30B configuration was also efficient for soot oxidation and produced soot of 1,62 ppm with reducing of 75% compared to standart configuration at the moment exhaust valve opened. On the other hand, for all configurations, the highest indicated thermal efficiency was obtained by piston bowl with two hemispheres located y direction (2YK-Y) and 2YK-Y configuration increased the indicated thermal efficiency of 2,9 compared to standart configuration. Additionally, thanks to elevating the cylinder temperature of 2,1%, 2YK-Y piston bowl increased NO emission of 10% and diminished soot emission of 68% compared to standart configuration at the time exhaust valve opened.

Swirl, Tumble, Turbulent kinetic energy, Combustion, Emission, CFD, ANSYS