Katalitik konvertör öncesinde ısıtmanın konvertör verime etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effects of exhaust gas pre-heating before catalytic converter on converter efficiency
Yazar: FATİH AKTAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NUREDDİN DİNLER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu çalışmada katalitik konvertör öncesi ısıtmanın konvertör verimine etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Katalitik konvertör tek bir kanal içerisindeki akış dikkate alınarak modellenmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda kanal içerisinde akışın laminar olduğu saptanmıştır. Kanal geometrisi olarak hidrolik çaplar sabit tutularak kare kesit, eşkenar üçgen kesit ve dairesel kesitli üç farklı model kullanılmıştır. Ayrıca kanallar modellenirken kanalın sahip olduğu poroz hacim de tanımlanmıştır. Analiz için ticari bir yazılım olan ANSYS FLUENT yazılımı kullanılmıştır. İlk yaklaşım olarak tek denklemli metan-hava hacimsel yanma reaksiyonu çözdürülmüştür. Bu analiz sonrasında verimin çok düşük kaldığı ve sonuçların gerçek sonuçlarla uyumlu olmadığı belirlenmiştir. Daha sonra ise dışarıdan yazılıp yazılıma dâhil edilen dörtlü ve yirmi dörtlü denklemlerden oluşan yüzeysel indirgeme reaksiyonları tanımlanmıştır. Problemin sınır şartları olarak soğuk çalışma koşullarında ön ısıtma sonucunda egzoz gazının ulaşabileceği sıcaklıklar olan 523K, 623K ve 723K giriş sıcaklıkları tanımlanmıştır. Ayrıca duvar sıcaklığı da sistemin soğuk çalışma koşullarında önemli bir değişken olduğundan farklı sıcaklıklar tanımlanarak çözümlemeler yapılmıştır. Bu analizler sonucunda soğuk çalışma koşullarında egzoz gazına uygulanan ön ısıtmayla birlikte katalitik konvertörün metan dönüşüm veriminin arttığı ve %50 verimle çalışma sıcaklığı (light-off temperature) değerine daha hızlı ulaşarak çevreye daha az salınım yaptığı belirlenmiştir. Kullanılan üç farklı kesitte hidrolik çaplar sabit olduğundan dolayı metan tükenim yüzdesi belirgin bir şekilde değişmemiştir. Ayrıca indirgenme reaksiyonlarının tek denklemden yirmi dört denkleme çıkmasıyla birlikte düşük sıcaklıkta bile modelin doğru olarak çalıştığı belirlenmiştir.

Abstract:
In this study the effect of heating before catalytic converter on efficiency of converter is examined numerically. Catalytic converter is modeled taking into account flow in a single channel. After calculations in the channel, it is determined that flow is laminar. As a channel geometry, three different models which are square cross-section, equilateral triangular cross-section and circular cross-section with fixed hydraulic diameters were used. Besides that porous volume possessed by channel is defined while channels are modeled. In the process of analysis, commercial ANSYS FLUENT software was used. Initially, single step methane-air volumetric combustion reaction was solved. After this analysis, it is stated that efficiency is very low and this results are not compatible with real results. Then, composed of four and twenty four step surface reduction reactions which are written outside and imported to software were defined. As boundary conditions of the problem, 523K, 623K and 723K which exhaust gases can reach after pre-heating in cold start condition were defined as inlet temperatures. In addition, since wall temperature is an important variable in the cold working conditions of system, analyses were done defining different temperatures. As a result of this analyses, with applied pre-heating on exhaust gases in cold start of engine, an increment in methane conversion efficiency of catalytic converter and releasing less to the environment with reaching faster to the working temperature with 50% efficiency (light-off temperature) were observed. Because hydraulic diameters are constant in used three different cross sections, methane consumption percentage does not change distinctively. In addition, with increasing of reduction reactions from single step to twenty four step, even at low temperatures, it is seen that model works correctly.