Direkt enjeksiyonlu bir HCCI motorda farklı yanma odası tasarımı ve alkol benzin karışımlarının yanma ve emisyon karakteristikleri üzerindeki etkisinin CFD ile incelenmesi
CFD investigation of the effect different combustion chamber design and alcohol gasoline mixture on combustion and emission characteristics in a direct injection HCCI engine
Yazar: KUDRET KÖSE
Danışman: DOÇ. DR. ALİ TÜRKCAN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Alkoller = Alcohols ; Benzin = Gasoline ; Benzin-alkol karışımı = Gasoline-alcohol mixture ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Piston = Piston ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu tez çalışmasında, yanma odası tasarımının ve alkol-benzin karışımlarının HCCI yanma ve emisyonları üzerindeki etkileri hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD-computational fluid dynamics (CFD)) yöntemi ile gerçekleştirilen analizler kullanılarak incelenmiştir. Yapılan analizlerde sıkıştırma oranı ve yanma odası hacmi sabit tutularak farklı piston tasarımları ve farklı oranlarda alkol-benzin karışımları kullanılmıştır.

HCCI yanmanın modellenmesinde CFD yazılımı olan AVL Fire kullanılmıştır. Yanma ve türbülans modellemesi için ECFM-3Z yanma modeli ve standart k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Analiz sonuçlarından piston tasarımının ve alkol-benzin karışımlarının HCCI yanma verimini ve egzoz emisyonlarını önemli ölçüde etkilediği görülmüştür. Piston yüzeyine verilen ikinci bir kademenin türbülans oluşumunu artırarak yanmamış HC oranını azalttığı tespit edilmiştir. Piston çanağı geometrilerinin tamamında yakıt karışımlarındaki etanol ve metanol oranı arttıkça silindir gaz basıncı ve sıcaklığı azalmıştır. 

Silindir içi sıcaklık dağılımı görüntüleri ile piston tasarımının HCCI yanma üzerindeki etkileri daha detaylı olarak incelenmiştir. Görsellerden piston tasarımının silindir içi sıcaklık dağılımını ve bunun bir sonucu olarak NOx emisyonunu büyük ölçüde etkilediği görülmüştür. Aynı zamanda piston tasarımı ve farklı oranlardaki alkol katkısının yakıtın yanma sürecini önemli ölçüde etkilediği ve HCCI yanmanın kontrolünde kullanılabileceği görsel verilerle de doğrulanmıştır.

Abstract:
In this thesis, the effects of combustion chamber design and alcohol-gasoline mixtures on HCCI combustion and emissions were investigated using computational fluid dynamics (CFD) analysis. In the analysis, different piston designs and alcohol-gasoline mixtures at different rates were used by keeping the compression ratio and combustion chamber volume constant.

CFD software AVL Fire was used to model HCCI combustion. ECFM-3Z combustion model and standard k-ε turbulence model were used for combustion and turbulence modeling. From the results of the analysis, it was seen that the piston design and alcohol-gasoline mixtures significantly affect the HCCI combustion efficiency and exhaust emissions. It has been determined that a second stage applied to the piston surface increases the turbulence formation and decreases the unburned HC ratio. Cylinder gas pressure and temperature decreased as the ratio of ethanol and methanol in the fuel mixtures increased in all piston bowl geometries. 

In-cylinder temperature distribution images and the effects of piston design on HCCI combustion were examined in more detail. From the visuals, it was seen that the piston design greatly affects the in-cylinder temperature distribution and consequently NOx emissions. At the same time, it has been confirmed by visual data that the piston design and alcohol additives in different ratios significantly affect the combustion process of the fuel and that HCCI can be used in the control of combustion.