Ağır Hizmet Dizel Motorlarında Tüm Çevrim Zamanlarının Modellenmesi

Abstract

Bu çalışmada, 4 zamanlı, yüksek basınçlı aşırı doldurma oranlarında çalışan bir ağır hizmet dizel motorunun tüm çevrim zamanlarının simülasyonu KIVA-4 araştırma yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Yanma odası, emme ve egzoz supapları ve manifoldların dahil edildiği motorun ağ sistemi yapısal olmayan O-Grid blokları kullanılarak hazırlanmıştır. KIVA-4 ağ yapısı oluşturmak içinse STAR-CD ve CFX sonuçlarından yararlanılarak bir ağ yapısı dönüşüm programı yazılmıştır. Yakıt demeti atomizasyon ve damlacık dinamiği modeli orijinal ERC modeli üzerinde modifiye edilerek oluşturulan hibrit KH-RT modeli ile tanımlanmıştır. Damlacıkların çarpışmasını temsil eden model ise mevcut KIVA modelinin yakıt demetinin ağ yapısına olan bağımlılığını azaltmak için damlacık yörüngelerini esas alan bir algoritma ile yeniden düzenlenmiştir. KIVA-4 yazılımındaki çok bileşenli buharlaşma modeli kullanılan temsili dizel mekanizmasının yapısı düşünülerek tek bileşenli buharlaşma modeline dönüştürülmüştür. Diesel yakıtının kimyasal yapısı heptan (70%) ve tolüen (30%) karışımı ile temsil edilmiştir. Temsili mekanizma 71 bileşen ve 321 reaksiyon içermektedir. Türbülanslı yanma modeli ise EDC (Eddy Dissipation Concept) modeli tabanlı kısmi karışımlı reaktör modeli ile ele alınmıştır. İs oluşumu öncül bileşen A2R5 kullanılarak, NOx oluşumu ise Zel’dovich reaksiyonları ile tanımlanmıştır. KIVA-3V kodu kullanılarak yapılan sektörel ağ yapısı üzerindeki yanma koşularında iyi sonuçlar alınmış, tüm geometriyi kapsayan ağ üzerindeki sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Tüm geometriyi kapsayan ağın kullanıldığı koşularda motorun tüm zamanları başarılı bir şekilde modellenmiştir. Sonuçlar deneysel silindir içi basınç ve ısı açığa çıkma hızları esas alınarak karşılaştırılmıştır. Geliştirilen tüm çevrim modelinin uygulaması olarak mevcut motorun çift yakıtlı sisteme dönüştürülmesi incelenmiştir.

In this study, a full cycle simulation of a 4-stroke HD Diesel engine represented by a highly boosted research IF (Isotta Fraschini) engine was performed using the KIVA-4 research code. The engine mesh including the combustion chamber, intake and exhaust valves and helical manifolds was constructed using optional O-Grids catching a complex geometry of the engine parts. The KIVA-4 mesh input was obtained by a homemade mesh converter which can read STAR-CD and CFX outputs. The spray atomization and droplet dynamics models were described by the KH-RT hybrid model which is a modified replica of the ERC model; the droplet collisions were modeled by the droplet trajectory based method with a reduced grid dependency. The original KIVA-4 droplet evaporation model was replaced by the KIVA-3V model. Chemical kinetics (71 species, 321 reactions) was based on the mechanism for diesel oil surrogate represented by a blend of n-heptane (70%) and toluene (30%) coupled with the EDC model to simulate turbulent combustion. The emission (soot and NOx) formations were described in terms of sub-models based on the evolution of soot precursors, A2R5, and the extended Zel’dovich mechanism, respectively. All stages of the engine cycle were successfully calculated. Predictions were successfully compared with experimental data on the in-cylinder pressure and RoHR (rate of heat release) histories. Comparisons of the predictions produced on the full and sector meshes were also made. To demonstrate the capabilities of the new full cycle model, the engine operations were set to work on dual-fuel diesel mode.