Bir dizel motorda hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak özgül yakıt tüketimi ve emisyonlar açısından piston çanak geometrisinin optimizasyonu
Optimization of piston bowl geometry in terms of fuelconsumption and emissions using computational fluiddynamics in a diesel engine
Yazar: CANER AKKUŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Püskürtülü yanma = Spray combustion ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu tez çalışmasında, bir dizel motorun piston çanak geometrisi özgül yakıt tüketimi açısından Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak optimize edilmiştir. Bir boyutlu gaz değişim analizi yardımıyla motor performans karakteristiği incelenmiştir. AVL Boost programı, bir boyutlu gaz değişim analizi ve motor performans karakteristiklerini belirlemek için kullanılmıştır. HAD analizlerinde öncelikle hava akış karakteristiği incelenmiştir. İki emme portuna sahip motorun döngü analizleri çalışılmıştır. Ticari HAD programı STAR-CD döngü analizleri için kullanılmıştır. Öncelikle, döngü analizleri kötü, orta ve iyi ağ yapılarında çalışılmıştır. Orta ve iyi ağ sonuçları birbirine oldukça yakın çıktığından, geri kalan HAD simülasyonları orta ağ yapısında gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelinin döngü sayısı üzerindeki etkilerini görmek için Standard k-e, Realizable k-e ve RNG k-e türbülans modelleri kullanılmıştır. Motor valf hareketleri ve silindir bölgesindeki pistonun yukarı ve aşağı hareketi sonucu hücrelerin, katmanların eklendiği ve silindiği piston olayları için STAR-CD alt modülü olan ES-ICE programı kullanılmıştır. Reaktif Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (RHAD) simülasyonları, periyodik sınır
koşulu kullanan ve bir yakıt enjektör deliğine karşılık gelen 45 derecelik sektör geometrisinde gerçekleşmiştir. Hesaplamalar, emme ve egzoz valfleri kapalı olduğu 600-800° krank açıları (KA) arasında 200° KA süresince gerçekleştirilmiştir. ECFM-3Z, Extenden Coherent Flame Model -3 Zone, yanma modeli olarak kullanılmıştır.
Sıvı Dizel yakıtın iki fazlı modeli için Lagrangian yaklaşımı kullanılmıştır. Sprey oluşum ve atomizasyonunu simüle etmek için Bag Break-Up ve Stripping Break-Up modellerinin oluşturduğu Reitz ve Diwakar ayrışma modeli kullanılmıştır.
Uzaysal ve zamansal ayrıştırma ve türbülans modelleme etkileri dikkatle incelenmiştir. Sonuçların doğruluğu, HAD tahminleri ile ölçüm verileri silindir içi basınç ve açığa çıkan ısı yayılımı karşılaştırılarak gösterilmiştir. 0.1° krank açısına karşılık gelen zaman adımı ile orta hesaplama ağ yapısını kullanan reaktif HAD tahminleri, ölçülen verilere kıyasla %2.3'lik bir tutarsızlık göstermektedir.
Tahminlerin doğruluğu gösterildikten sonra, optimizasyon çalışması için piston çanak geometri parametreleri belirlenmiştir. Seçilen 9 parametre HEEDs programının SHERPA algoritması kullanılarak, Özgül Yakıt Tüketimini (ÖYT) göre optimize edilmiştir. 92 farklı geometrinin analizi sonucunda güç açısından %5.8, özgül yakıt tüketimi açısından %5.5 oranında iyileşme sağlanmıştır.
Fakat optimize edilmiş yeni piston çanak geometrisinin mevcut tasarıma göre NOx emisyonunda %15 artışa sebep olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the piston of a Diesel engine has been optimized using Computational Fluid Dynamics (CFD) with respect to Specific Fuel Consumption. With the help of one-dimensional gas exchange analysis, the engine performance characteristic was examined. The AVL BOOST program was used for one dimensional gas exchange analysis and to identify the engine performance characteristics. Swirl analysis of the engine with double suction manifold was studied. The commercial CFD software STAR-CD was used for engine swirl investigations. First, a detailed coarse, medium and fine mesh study were carried out for the swirl computations. It was observed that the results of fine and medium mesh were quite similar such that the rest of the CFD simulations could be carried out on the medium computational mesh. Standard k-e, Realizable k-e and RNG k-e turbulence models were used to see the effects of turbulence modelling on the engine swirl number. A sub module of STAR-CD, ES-
ICE is used for the engine moving valve and piston events where cell-layer addition and deletion is employed in the cylinder domain while piston moves down and up respectively. Reacting Computational Fluid Dynamics (RCFD) simulations have been
vii
performed for a 45 degree sector geometry that corresponds to one fuel injector hole making use of the periodicity boundary condition. Computations are carried out for the duration of 200° crank angle (CA) between 600° – 800° CA while the intake and exhaust valves are closed. ECFM-3Z, Extended Coherent Flame Model - 3 Zone is used as combustion model.
A lagrangian approach is used for two phase modelling of the liquid Diesel fuel. Reitz and Diwakar primary break-up modelling coupled with either Bag Break-Up or Stripping Break-Up modelling are used to simulate the spray formation and atomization.
Spatial and temporal discretization and turbulence modelling effects have been carefully studied. The CFD predictions of the in-cylinder pressure and Apparent Heat Release are compared with the measurement data to validate the fidelity of the results. The reactive CFD predictions using the medium computational mesh with the temporal time step that corresponds to 0.1° Crank Angle shows a discrepancy of 2.3% compared to the measured data.
After the validation of the predictions the geometrical parameters of the piston bowl were determined for optimization study. The SHERPA algorithm of the HEEDs program was used to optimize the chosen 9 geometrical parameters with respect to Specific Fuel Consumption (SFC). As a result of the analysis of 92 different geometries, an improvement of 5.8% in terms of power and 5.5% in terms of specific fuel consumption was achieved.
However, there was one penalty of the optimized geometry in terms of NOx emission that the optimized newly designed piston bowl geometry yields a 15% increase in NOx emissions compared to the current baseline geometry.