Dört zamanlı türbaşarj direk püskürtmeli bir dizel motorunun bilgisayar ile sümülasyonu

Abstract

ÖZET DÖRT-ZAMANLI TÛRBOŞARJ DİREK POSKORTMELî BÎR DİZEL MOTORUNUN BİLGİSAYAR İLE SİMOLASYONU Mustafa BALCI Doktora Tezi Gazi üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü 1986 Bu tez, dört zamanlı, direk püskürtmeli, türboşarj bir dizel motoru termodinamik çevrimi ve performansının bilgisayar yardımı ile simülasyonu hakkında yapılan teorik bir çalışmadır. Yeni bir dizel motoru tasarımının ilk safhalarında, geleneksel olarak, basit termodinamik kavramlar ile tecrübe kombinasyonu üzeri ne temel parametreler kurulur, daha sonra motorun tasarımı, tasarla nan motorun prototip imali ve prototipin denenmesi yapılır. Değişken motor parameter! erinden, arzu edilen optimum değerleri tespit etmek ve prototipten en mükemmel sonucu almak, çok önemli, oldukça yorucu ve zaman alan bir araştırma ve geliştirme işidir. Bu tezin amacs, orjinal tasarımda daha doğru temel parametre ler üretmek için kullanılabilecek ve motorda deneme ile ölçülerek ?nı-tespit edilen muhtemel modifikasyonlara kılavuzluk edebilecek bir metodu detaylı olarak göstermektir. Manifold ve silindirdeki, gaz basınç ve sıcaklıkları ile motor dan akan hava debisini de içine alan termodinamik çevrim hesapları, bu değişkenlerin performans, güç ve değişik parçaların mekaniki ve termal yüklerine olan etkisinin de değerlendirilmesine esas teşkil eder. Genel olarak, bu hesaplamalar oldukça basit temel termodinamik prensiplere ve tecrübi değerlere göre, fakat bilgisayar program man tığı ile yapılmış ve çevrimin değişik kısımları, yeterli detayı ge rekli hassasiyetle verebilecek şekilde ayarlanmış ve bu kısımlar bir leştirilerek, değerli bir motor tasarım düzeni elde edilmiştir. Hazır lanan simülasyon programı halen mevcut bir motora uygulanmış ve deney sonucu bulunan gerçek değerlere oldukça yaklaşık değerler elde edil miştir. Teorik ve pratik çevrim analizleri için iki ayrı simülasyon programı hazırlanmıştır. Programların başında, gerekli başlangıç nok talarını temin için, bulunması arzu edilen değişkenlerin ilk tahmini yapılmaktadır. Bu değişkenlerin arasında, ortalama efektif basınç ola rak hedeflenen çıkış torku, temel motor ölçüleri, (silindir çapı, bi yel kolu uzunluğu, supap çapı) püskürtme avansı, motor hızı ve türbo- kompresör basınç oram bulunabilir. Bunlara göre emme manifold basın cı ve sıcaklığı hesaplanmaktadır. Buradan da, emme supabının kapanma sından egzoz supabının açılmasına kadar, sıkıştırma yanma ve genişle me periyotlarında, silindir içindeki gazın basınç ve sıcaklık değerle rini hesaplamak için bir başlangıç noktası tespit edilmektedir. Çevri min geri kalan kısmında, silindir basınç değişimi, egzoz supabından -iv-dışarıya ve emme supabından silindir içine olan gaz akışları adım adım hesaplanmaktadır. Çevrimin bu her iki kısmı birleştirilerek, indike ortalama efektif basıncın hesaplanabileceği, krank açısı ile değişen basınç değerleri elde edilmektedir. Şayet, gerçek değerlere daha yakın bir ortalama efektif basıncın bulunması arzu edilirse, tecrübeye dayalı daha gerçekçi bir sürtünme ortalama efektif basınç veya mekanik ve rim hesaplanmalıdır. Gerçek simülasyon modelinde, silindirde meydana gelen yanma olayının tanımlanmasına ağırlık verilmiştir. Yakıt zerrelerinin bu harlaşması, yanma odasında ortalama zerre çapı esas alınarak hesap lanmıştır. Yanma hızı, yanmaya elverişli karışım elementlerinin tu tuşmasına bağlı olarak tayin edilmiş ve bu yanma hızı termodinamik çevrim içerisinde kullanılarak silindirdeki basınç ve sıcaklık deği şimi elde edilmiştir. Yanma ürünleri arasında kimyasal denge varsayılarak, içten yan malı motorlara özgü, yüksek sıcaklık ve basınçlarda meydana gelen yan ma ürünlerinin ayrışması da modele dahil edilmiştir. Emme ve egzoz işlemleri, gazların durgunluk durumu esas alına rak analiz edilmiştir. Silindirden egzoz manifolduna doğru olan akış, manifolddaki gaz basıncına bağlı olduğundan, hesaplamanın başında ma nifold basıncı için bir tahmin yapılmaktadır. Çevrimin tamamlanmasın dan sonra, egzoz geri basıncı (manifold basıncı), yanma ürünleri ile egzoz manifolduna giren süpürme havası değerlerinden yeniden hesap lanmaktadır. Şayet, bulunan değer tahmin edilen ilk değerden farklı -v-ise, gaz akış hesaplan yeni bulunan değere göre tekrar edilmektedir. Emme supabının kapandığı andaki silindir basıncı, bu hesaplamadan el de edilmekte, ve yine başlangıçta bu basınç için yapılan tahmin hata lı ise, çevrimi, yeni bulunan değere göre itere edilmektedir. Bu yol ile, başarılı iterasyonlar sonucunda, çevrimin tamamı kararlı bir şe kilde analiz edilmektedir. Tasarımcıya kılavuz olmak üzere, motorlar denendikçe, motor performansı için daha gerçekçi tahminler yapılabileceği aşikardır. Bu tezde, hazırlanan simülasyon programları ile elde edilen, silindir basınç ve sıcaklık değerleri, egzoz gazı sıcaklıkları, yakıt tüketi mi, hava debisi, ısı ve sürtünme kayıpları ile motor çıkış gücü, de neylerle elde edilen değerlere oldukça yaklaşık olarak bulunmuştur. Bu tekniği kullanarak, optimum tasarım için, motor değişkenle rinin çeşitli kombinasyonları denenip, tasarımcı ve geliştirme..mühen disinin, pratik tecrübe ve teknik bilgisi ile, oldukça zor görülen mekaniki ve yanma problemlerini çözüp, motorun geliştirilmesine kon santre olması sağlanabilir. -vı-

ABSTRACT COMPUTER AIDED SIMULATION OF A FOUR-STROKE TURBOCHARGED DIRECT-INJECTION DIESEL ENGINE Mustafa BALCI Ph. D. Thesis GAZÎ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCES 1986 This thesis is a theoretical investigation about the computer aided simulation (CAS) of the thermodynamic cycle and performance of a four-stroke, turbocharged, direct injection, diesel engine. In the early stages of the design of a new diesel engine, it has been customary to establish the basic parameters on a combination of experience and simple thermodynamic assumptions followed by the design, production and testing of a prototype engine. To get the best from the prototype and establish what changes are desirable is a development task of considerable magnitude. The aim of this thesis is to show a detailed method that may be used to produce a more accurate basis for the original design and -V1Vprovide a guide to possible modifications that should be tested experimentally. The calculation of the engine thermodynamic cycle covers manifold and cylinder gas pressures, temperatures and mass flows, which provide the basis for evaluation of their effect on performance, on power output and on the thermal and mechanical loading of various parts. In general, these calculations are quite simply based upon well-known fundamental considerations, but by means of modern digital computing the calculations have been carried out and the various parts of the cycle linked together in sufficient detail and with sufficient accuracy to prove a valuable design tool. The method have been applied to an existing engine and close correlations between calculated results and experimental evidence has been obtained. For both theoretical and practical analysis, two engine.. simulation programs have been prepared. At the begining of the programs, an initial estimate of requirements was made, to provide a necessary starting point. This may include the target output, in b.m.e.p., basic engine measurements such as bore, stroke, connecting- rod length, valve dimensions, timing, engine speed and the turbo blower pressure ratio. The air manifold pressure and temperature would then be calculated. This gives the starting point for a calculation of the gas pressures and temperatures during compression, combustion and expansion, from inlet valve closes to exhaust valve opens. The remainder of the engine cycle, covering cylinder pressure, gas flow from the cylinder through the exhaust valves and air flow -VI 11-into the cylinder through the inlet valves is covered by further step- by-step calculations. These two sections together give a complete picture of the variation of cylinder pressure with crank angle, from which the indicated mean effective pressure for this condition may be obtained. If the commercially more desirable b.m.e.p. is required, a reasonable f.m.e.p., or mechanical efficiency is assumed, based on known practice. In the real simulation model, it was emphasized to describe the combustion phenomena occuring in the cylinder. The evaporation of fuel droplets was predicted using the knowledge concerning an avarage single droplet diameter in the combustion chamber. The burning rate was based on the ignition of the combustible mixture elements formed and this was used in a thermodynamic cycle calculation to obtain the variation of cylinder pressure and temperature. The dissociation of gases at high temperatures and pressures encountered in internal combustion engines have also been included in the model, assuming chemical equilibrium among the combustion products. The intake and exhaust processes were analyzed on a quasi- steady basis. As the flow through the exhaust valve depends upon the pressure existing in the exhaust manifold an estimate of the pressure has to be made at the commencement of the calculation. On completion of the two parts of the work, described above, the back pressure may be re-estimated from the known quantities of combustion products and ?ix-of scavenge air, if any, entering the exhaust manifold. When a revised value for the exhaust back pressure has been obtained the gas flow calculation may be repeated if the original estimate was insufficiently accurate. The pressure in the cylinder at inlet valve closing is obtained from this calculation, and again a further iteration on the indicator diagram may be made if the original estimate of trapping pressure was erroneous. In this way by successive iterations, the whole cycle may be made consistent. As engines become more highly rated the value of more accurate early estimates of engine performance, as a guide to the designer, becomes more obvious. In this thesis, it is demonstrated that the cylinder pressures and temperatures, exhaust gas temperatures, fuel consumption, air flow, heat losses, friction losses and engine output so calculated, correlate very well with experimental results. Using this technique, different combinations of engine variables can be `tested` by computation to reduce the range of engine tests necessary to develop the optimum design, and allow the designer and the development engineer to concentrate their practical experience and technical `know-how`' on the formidable problems of mechanical development and combustion improvement. ?x-