İçten Yanmalı Motorlarda Farklı Yanma Modlarının Sad Yaklaşımı Kullanarak Karşılaştırılması

Abstract

Içten yanmalı motorlar temel olarak buji ateşlemeli ve sıkıştırmalı ateşlemeli motorlar olarak iki gruba ayrılmaktadır. Uzun bir tarihsel geçmişe sahip olan bu motorların günümüzde hala teknolojik olarak geliştirilmesine yönelik birçok çalışma yapılmaktadır. Ancak içten yanmalı motorları geliştirmek, yeni teknolojiler üretmek adına yapılan tasarım geliştirme ve test çalışmaları uzun vakitler alan, yüksek maliyet ve işçilik gerektiren zahmetli çalışmalardır. Bu zahmetli çalışmaların bir ön adımı olması ve doğabilecek sorunları önceden tahmin etmek amacıyla gerçeğe yakın fiziksel ve matematiksel modeller oluşturulmakta ve bu modeller her geçen gün gelişmeye devam etmektedir. ˙Içten yanmalı motorlarda sonlu hacimler yöntemini kullanan bu modeller hesaplamalı akışkanlar dinamiğine, yanma fiziği ve kimyasına dayanmaktadır. Yanma odası sonlu hacimlere bölünerek kütlenin, momentumun ve enerjinin korunum denklemleri bu küçük hacimlere uygulanmaktadır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) için geliştirilmiş yazılımlar son zamanlarda içten yanmalı motorlardaki akış, ısı transferi, yanma ve emisyon problemlerinin çözümü için matematiksel modelleme sırasında sıklıkla kullanılmaktadır. Böylece daha tasarım aşamasındayken problemler sebepleriyle beraber görülerek deneme yanılma sürecine girilmeden çözümler geliştirilip tasarım süreci kısaltılmakta ve optimize edilmiş ürünler piyasaya sürülerek rekabet şansı artırılmaktadır. Bu çalışma kapsamındaki simülasyonlar AVL FIRE CFD programı kullanılarak, ESE Diesel adlı alt programıyla ağ yapısı oluşturulduktan sonra Workflow Manager yazılımıyla çözülmüştür. Hücre sayılarının kabadan hassasa doğru değişmesiyle simülasyon sonuçlarının çok değiştiği görülmektedir. Seçilen hücre sayısı çözümu etkilemeyeck şekilde olduğu tespit edildikten sonra, bilgisayar gücü ve çözüm süreleri göz önünde bulundurularak 56000 civarındaki hücre sayılarıyla asıl simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, öncelikli olarak 9,1 sıkıştırma oranındaki yanma odasına sahip bir buji ateşlemeli motorun deneysel ve simülasyon sonuçlarının farklı motor hızlarında örtüşmesi amaçlanmıştır. Model doğrulandıktan sonra EGR, hava fazlalık katsayısı ve ateşleme avansi parametrelerinin motor performansı ve kirletici emisyonlara olan etkisi incelenmiştir. AVL FIRE yazılımı ile krank açısına bağlı olarak silindir içindeki basınç, maksimum basınçlar, ortalama ve maksimum sıcaklılar, yakıt tüketimi, yakıt miktarındaki değişim, ısı açığa çıkışı, güç, ortalama efektif basınç, oluşan HC, is, CO ve NOx miktarları incelenmiştir. 3 boyutlu grafikler için ESE Diesel programı kullanılmıştır. Kalibrasyon amaçlı simülasyonlar sonucunda yanma hızları ve ateşleme avanslarının da ayarlanması gerektiği görülmüştür ve farklı avans değerleri uygulanarak ayarlama yapılmıştır. Ayrıca simülasyon ve deneylerdeki tutuşma gecikmesi sürelerinin farklı olduğu görülerek simülasyonlarda, deneylerdeki ateşleme avansları yerine güncelleştirilmiş değerler kullanılmıştır. GR sisteminin amacı, motora giren taze havanın belirli oranlarda yanma ürünleri ile karıştırılması sonucu alev sıcaklığının düşürülmesidir. Böylece NOx emisyonları azaltılmaktadır. Bu çalışmada farklı EGR miktarları % 0, 5, 10, 13, 15, 18, 20 uygulanarak, egzoz gaz resirkülasyonunun güç, yakıt tüketimi ve egzoz emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Motorlarda en ekonomik çalışma fakir karışımla sağlanmaktadır. Maksimum güç için ise zengin karışıma ihtiyaç vardır. Motorun değişik çalışma koşullarında hava-yakıt oranının iyi bir şekilde sağlanması, değişimin minimum düzeyde kalması gerekmektedir. Bu çalışmada hava yakıt oranı değiştirilerek, farklı karışımlarda motor performansı ve kirletici emisyonları incelenmiştir. Ulaşım sektörü için alternatif yakıtlar aramanın başlıca nedenleri; süratle tükenmekte olan petrol rezervleri, sınırlı sayıdaki petrol üreticilerine bağımlılığın azaltılması ve çevrenin korunması şeklinde özetlenebilir. Son yıllarda artış gösteren taşıt sayısı ile birlikte etkin hale gelen hava kirliliği de, daha temiz bir yanma sağlayabilecek alternatif yakıt arayışlarındaki diğer bir faktördür. Alternatif yakıtların; kaynak ve potansiyel yakıt temini, emniyet, zehirlilik ve sağlığa zararlılık, motor performansı ve emisyonları ve tekrar yakıt temini gibi kriterler açısından incelenmesi gerekir. Doğal gaz, bu kriterler bakımından olumlu ve motor yakıtı olarak kullanılabilecek en önemli alternatif yakıtlardan birisidir. Bolluk, düşük maliyet ve temiz yanma karakteristikleri ve dağıtım sistemlerinin var oluşuna ek olarak daha düşük araç emisyonlarına imkan vermesi, doğal gazı son derece elverişli bir alternatif yakıt yapmaktadır. Doğal gaz hacimsel olarak 80–95% metan (CH4) gazından oluşmaktadır. Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), gelecekte taşıtların enerji ihtiyacını daha büyük oranda karşılayabilecek olan çevreci ve önemli bir alternatif yakıt olarak görülmektedir. Deneysel çalışmalar, doğal gazın hem buji ile ateşlemeli hem de sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda önemli modifikasyonları gerektirmeksizin ve dikkate değer performans kaybına yol açmaksızın kullanılabileceğini göstermektedir. Bu tezde, doğal gaza dönüştürülen buji ile ateşlemeli bir motorunda, doğal gazın güç, yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları bakımından etkisi değerlendirilmiştir. Yapılan araştırmada, benzin motorunun doğal gazla çalıştırılmasının moment ve güç değerlerinin bir miktar azalttığı görülmektedir. Homojen-karışımlı sıkıştırmalı ateşlemeli (HCCI) motorlar, geleneksel buji ile ateşlemeli ve sıkıştırma ile ateşlemeli motorlardan tamamen farklıdır. Bu yeni yanma teknolojisine göre çalışan motorlar, her iki geleneksel motorun avantajlarına aynı anda sahip olabilmektedir. Silindir içerisinde ya da dışında homojen ve seyreltilmiş olarak hazırlanan dolgu, herhangi bir kısılma işlemine tabi olmadan silindire alınır. Ön-karışımlı homojen dolgunun sıkıştırılması sonucunda, alev gelişimi olmaksızın yanma odasında birden fazla bölgede eşzamanlı ve ani olarak gerçekleşen yanma olayında NOx oluşumuna yeterli zaman tanınmadığı ve ön-karışımlı yanma gerçekleştiği için de partiküllerinin oluşumu önlendiği için emisyonlar bakımından avantaj sağlar. Çalışmada ilk aşamanın son bölümünde doğal gaz yakıtlı bir HCCI motorun AVL FIRE yazılımı kullanılarak modellemesi yapılarak, simülasyon sonuçları benzin ve doğal gaz yakıtlı geleneksel buji ile ateşlemeli motorun simülasyon sonuçları ile karşılaştırılarak, bu yeni yanma teknolojisinin avantajları ve dezavantajları incelenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise, dört zamanlı, tek silindirli, doğal emişli, direkt püskürtmeli ve tam yükte çalışan bir dizel motorunun yanma, performans ve emisyon analizi için AVL FIRE programında bir simülasyon gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonucunda; bu motor referans alınarak krank mili açısına bağlı olarak 1500 [devir/dakika] motor dönme sayısında, farklı hava fazlalık katsayılarında (1.2 , 2.0 ve 3.0) ve farklı EGR oranlarında (% 5, 10, 20), silindir basıncı, sıcaklık ve motor performans eğrileri elde edildikten sonra yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları bakımından karşılaştırılması yapılmıştır. Daha sonra yapısal değişiklik yapılmayan dizel motorda toplam yakıt kütlesi sabit kalacak şekilde ana püskürtmeye ek olarak ilk püskürtme de yapılmıştır. Çift püskürtme yöntemi ile yapılan bu çalışmada ilk püskürtme süresi sabit tutularak (35 KMA), ilk püskürtülen yakıt miktarının performans ve emisyon değerlerine olan etkileri araştırılmıştır. ˙Ilk püskürtülen yakıt miktarları toplam yakıt miktarlarının sırası ile % 20 ,30 ve 40’ı olacak şekilde yapılmış ve yine bu koşularda sırası ile %5, %10, %13, %15, %18 ve %20 EGR uygulanmıştır. Bununla birlikte, ilk püskürtmenin süresi gibi püskürtme sistemi parametrelerinin; yanma olayı, performans ve emisyonlar üzerine olan etkisi incelemiştir. Sonuçlara göre ilk püskürtülen yakıt yüzdesi çoğaldıkça bu yöntemın avantajları azalmakta ve NOx emisiyonlarinın artışı ile birlikte güç kaybı da gorülmektedir, bu nedenle ilk püskürtülen yakıtın kütleleri sabit tutularak, püskürtme süreleri sırası ile 35, 40, 45, 50, 55 KMA arasında değiştirilerek ve %5 ve %10 EGR kullanılarak püskürtme süresi ve EGR nin birleşik etkisi motor performansından ödün vermeden emisyonlara olan etkisi incelenmiştir. Yapılan koşu sonuçlarına dayanarak yakıt miktarı arttıkça püskürtme süresini uzatarak istenilen sonuçları elde etmek mümkündür. Yapılan tüm koşular tek püskürtmeli koşuların sonuçları ile karşılaştırılmıştır ve buna göre optimum yakıt yüzdesi, ilk püskürtme süresi ve EGR miktarlarını seçerek performans ve emisyonlarda iyileşme sağlanmıştır.

Internal combustion engines did not become a practical reality until the 1860s. Because of wide-spreading markets of internal combustion engines, researches and developments of IC engines, maybe less fundamental, have continued ever since to improve engine efficiency and exhaust emissions. In fact, both of SI and CI engines have their own advantages and disadvantages. Although CI engine has higher compression ratio which results in a higher thermal efficiency and better fuel economy than SI engine, diesel engine operates in more limited speed range and produces higher levels of nitrogen oxides (NOx ) and particulate matter (PM) emissions. Nowadays, decreasing of energy resources, high fuel price and environmental protection led the researchers to design the engines which maximize power and fuel economy while minimizing exhaust emissions. In order to achieve these goals some advanced combustion strategies such as Low Temperature Combustion (LTC), Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) and Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) have been introduced. Advanced combustion concepts are receiving increased attention for the reason that they can be a practical solution used in piston engines to meet the increasingly stringent emission regulations. In addition to the need for advanced combustion models to be utilized in future engines, the ability of using alternative fuels such as methane in these concepts is indispensable. Computational Fluid Dynamics (CFD) tools provide a detailed description of the fluid flow and transport phenomena occurring in the system, employing simplified kinetic mechanisms in order to develop current high computational effort. Noticeable advantages of CFD make it a promising way to realize flow patterns that are difficult, expensive or impossible to study using experimental techniques. Indeed, in parallel with novel combustion concepts and alternative fuel usage, 3D computational fluid dynamics simulation of in-cylinder spray formation/propagation, combustion and pollutant formation processes is receiving increasing attention during engine and combustion system development. Nowadays, CFD has been successfully defined for the calculation of fluid flow, mixture formation and combustion in internal combustion engines as a supplementary tool to in-cylinder pressure analysis, combustion diagnostics and optical mixture formation. In this study, commercially available AVL FIREr CFD code is used to perform the simulations. Boundary fitted computational grids are generated by Engine Simulation Environment Diesel (ESE Diesel) tool, then in-cylinder processes are simulated via Workflow Manager tool. The combustion chamber of engine is considered as a closed thermodynamic system and the governing equations for unsteady, compressible, turbulent flow and thermal fields are solved from the intake valve closing (IVC) to exhaust valve opening (EVO). In the first part of current study, simulated SI engine is validated by available experimental test results. To understand the grid sensitivity of multi-dimensional engine CFD, five different grid resolutions are adopted and compared. The selected mesh represents a compromise between computational time and accuracy, but is found to give adequately grid independent results. In favor of assessing the predictive accuracy and reliability of the CFD simulations, it is critical to perform validation studies over various engine operating conditions. In this regard, in-cylinder pressure, heat release rate, specific fuel consumption, brake mean effective pressure, brake power and emissions predictions are compared with the measured experimental results at three different engine speeds of 1500[rpm], 1660 [rpm] and 1800[rpm]. The results of the simulation are in good qualitative and quantitative agreement with the corresponding experimental data. Then a comprehensive parametric study of individual influences of exhaust gas recirculation, equivalence ratio and spark timing on the performance and exhaust emissions of the simulated gasoline engine is investigated at a fixed engine speed of 1500 [rpm]. In order to carry on the study, additional simulations are done by applying the natural gas (methane) as an alternative fuel and the performance and emission characteristics of CNG engine are compared with those of validated gasoline engine. Since the primary focus of this research is the examination of different combustion strategies for reducing NOx and soot emissions along with engine performance improvement, in addition to conventional natural gas fueled SI engine, a low temperature combustion strategy known as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) is developed by using natural gas as fuel. In order to prepare a reasonable comparison, the natural gas fueled HCCI engine is considered to operate under the same load of verified gasoline engine. Additionally in the second part of this research, first a conventional single cylinder diesel engine under full load condition at engine speed of 1500[rpm] is simulated with AVL FIREr CFD code, and then the individual and combined effects of EGR and engine load on combustion and engine-out emissions are studied. Moreover, in order to achieve the partially premixed compression ignition and lower temperature combustion of diesel engine, the effects of multiple injection strategies including injection ratio and first injection duration on performance and exhaust emissions of diesel engine are investigated.