Toluen referans yakıtı kullanılan bir HCCI motorun CFD simülasyonunda kullanılmak üzere uygun kimyasal kinetik modelin tespiti
Determination of the proper kinetic model for a CFD simulation of HCCI combustion engine with toluene reference fuel
Yazar: GÜLTEN GİZEM KÜÇÜK
Danışman: DOÇ. DR. ERMAN ASLAN ; DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli (İng. HCCI) veya kontrollü otomatik ateşleme (KOA), çok yüksek sıkıştırma oranları nedeniyle homojen bir karışımın yanmasının aynı anda tüm yanma odasında gerçekleştiği bir motor konseptidir. İçten yanmalı motor teknolojisi alanında kullanılan ilk modeller, yakıtın oksidasyon kimyasının ayrıntılı bir açıklamasını değil, sadece ilk reaktantları ve nihai ürünleri hesaba katan genel bir reaksiyon dengesini içermekteydi. Bununla birlikte, günümüzde içten yanmalı motorları geliştirmek gittikçe zorlaşmaktadır ve bu nedenle çok hassas modellere ihtiyaç duyulmaktadır. Günümüzde hem akışkanlar mekaniği denklemlerini hem de reaksiyon kimyasını çözmek için en popüler metodoloji, indirgenmiş kinetik mekanizmaların kullanılmasıdır. Kapsamlı bir kinetik mekanizma, yakıtın yanması sırasında olası tüm kimyasal yolları içerecektir. Bu tez kapsamında % 79 tolüen ve% 21 n-heptandan oluşan tolüen referans yakıt (TRF) kullanılarak farklı HCCI yanma çıktıları üzerindeki etkilerini gözlemlemek için farklı kinetik indirgeme mekanizmaları karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, deneysel bir tolüen yanmasını simüle etmek için farklı araştırmacılar tarafından önerilen dört farklı kimyasal indirgeme mekanizması kullanılmıştır (λ = 3.5). Deneysel ve sayısal verileri karşılaştırmak için yanma odasındaki basınç gelişimi, ısı salınım oranı ve emisyonlar izlenmiştir. Sonuçlar, Wang ve ark. ve Chen ve diğ. mekanizmaları için belirtilen başlangıç koşullarındaki deneysel verilerle çok daha iyi uyumluluk göstermektedir (CR: 14.04, Tin: 440 K, Pin: 2.905 bar). Özellikle, Chen ve diğ. mekanizması sıcak yanma bölgesinde kabul edilebilir bir davranış sergilemektedir. Bu nedenle, yakınsama amacıyla bu mekanizma ile emme sıcaklığının etkisi hakkında parametrik bir çalışma da yapılmıştır.

Abstract:
Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) or Controlled Auto Ignition (CAI) is the concept for an engine in which the combustion of a homogeneous mixture takes place simultaneously in the entire combustion chamber due to very high compression rates. Early models used in the field of ICE technology did not include a detailed explanation of the fuel's oxidation chemistry but a general reaction equilibrium which only takes the initial reactants and the final products into the account. However, it is becoming more and more difficult to improve the current ICE's, and accordingly very precise models are needed. Today, most popular methodology to solve both fluid dynamics equations and the reaction chemistry is the utilization of reduced kinetic mechanisms. A comprehensive kinetic mechanism would involve any possible chemical path during the combustion of a fuel, except taking the importance of a reaction in circumstances being modelled into the account. In the scope of this study, different kinetic reduction mechanisms are compared in order to observe their effects on different HCCI combustion outputs using toluene reference fuel (TRF) which is composed by %79 toluene and %21 n-heptane. Mainly four different chemical reduction mechanisms, which were proposed by different researchers, used in this study in order to simulate an experimental toluene combustion (λ=3.5). Pressure development in combustion chamber, heat release rate and emissions are monitored in order to compare experimental and numerical data. Results show that two mechanisms that are proposed from Wang et al. and Chen et al. show far better compatibility with experimental data at specified initial conditions (CR: 14.04, Tin: 440 K, Pin:2.905 bar). Particularly, Chen et al. mechanism demonstrates an acceptable behaviour in hot combustion region. Thus, a parametric study about the effect of intake temperature was also conducted with this mechanism for the sake of convergence.