İçten yanmalı bir motorun yanma odası türbülanslı akış alanlarının incelenmesi

Abstract

İÇTEN YANMALI BİR MOTORUN YANMA ODASI TÜRBÜLANSLI AKIŞ ALANLARININ İNCELENMESİ M. Coşkun EROL Anahtar Kelimeler : İçten Yanmalı Motor, Türbülans, Kızgın Tel Anemometresi ÖZET Bu çalışmada, bir elektrik motoruyla tahrik edilen bir içten yanmalı motorda yanma olmaksızın yanma odasındaki tek boyutlu türbülanslı hızlar, kızgın tel sabit sıcaklık anemometresi (Hot Wire Anemometer, HWA) kullanılarak ölçülmüştür. Bu ölçümün yapılabilmesi için öncelikle kızgın tel probunun seçimi gerçekleştirilmiştir. Deneyde 10 jum kalınlık ve 2 mm boya sahip tungsten bir prob kullanılmıştır. Seçilen prob, tek boyutlu bir probtur. Bu probun içten yanmalı motorun yanma odasına yerleştirilebilmesi için bir prob tutucusu imal edilmiştir. Prob tutucusunun tasarımında motor ateşleme bujisinin konstrüksiyonu baz alınmış ve prob, bujinin ateşleme kontağının yanma odasına dalma mesafesi olan mesafeyle aynı miktarda 7.5 mm olarak yanma odasına konumlandırılmıştır. Kızgın tel probunun kalibrasyonu yine bu çalışma kapsamında imal edilmiş bir kalibrasyon düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon düzeneğinin imal edilebilmesi için, ticari ürün olarak mevcut olan düzenekler incelenmiş ve deney gereksinimlerine uygun bir kalibrasyon düzeneği imal edilmiştir. Kalibrasyon düzeneğinde akış kaynağı olarak bir vakumlu emici kullanılmıştır. Kalibrasyon için gerekli hız değerlerine ulaşabilmek için bir nozul seti imal edilmiştir. Nozul seti dört kısımdan oluşmaktadır. Bunlar, akışla birlikte gelmesi muhtemel ve nozul çıkışında prob teline zarar verebilecek parçacıkları tutacak bir filtre, akış ipliklerini düzeltecek ince cidarlı borularda yapılmış bir akış düzeltici, nozul öncesi statik basınç ölçümü yapmak amacıyla 6 mm dış çapa sahip bir ölçüm noktası ve akışı bozmadan hızı artıracak bir nozuldan oluşmaktadır. Nozulun ııimalatı için beşinci dereceden bir polinom öngörülmüş ve bu polinomun sınır şartlarında çözülmesiyle bir polinom elde edilmiştir. Daha sonra bu polinomun yüzey profili talaşlı imalat yöntemiyle işlenerek nozul üretilmiştir. Kalibrasyon düzeneğine prob bağlanarak anemometreye ait kalibrasyon yazılımı da kullanılarak, vakumlu emicinin gerilim ayan yapan bir ayarlayıcı tarafından devir sayısının değiştirilmesiyle yirmi yedi farklı devir sayısı için kalibrasyon gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyonda, her bir devir sayısı için, nozul setindeki basınç ölçüm çıkışma bağlanan manometreden basınç değerleri okunmuş ve bu basınç değerleri nozul seti için süreklilik denklemi ve Bernoulli akış denklemi kullanılarak çıkarılmış basınç hız ilişkisi kullanılarak hız değerlerine dönüştürülmüştür. Bu hız değerlerinin basınç okumalarıyla eş zamanlı olarak anemometer yazılımı üzerinden yapılan anemometer çıkış gerilimi okumalarıyla eşleştirilmesiyle hız-voltaj veri setleri elde edilmiş ve bunlar kullanılarak kızgın tel probuna ait kalibrasyon grafiği çıkarılmıştır. Kalibrasyon süreci tamamlandıktan sonra, veri toplama aşaması gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada üstten tek egzantrik milli 9.5:1 sıkıştırma oranına sahip bir içten yanmalı motor kullanılmıştır. İçten yanmalı motorun yanma olmaksızın tahrik edilebilmesi için 22 kW bir elektrik motoruna sahip motor tahrik ünitesi kullanılmıştır. Deneyin bu kısmında Hyundai Assan Otomobil Sanayii A.Ş. de kurulu olan motor test ünitesi bu deneyde kullanılabilecek şekilde uygunlaştırılmıştır. Düzeneğin sınmamalarından dolayı deney 400 dev/dk ile 1000 dev/dk devir aralığında gerçekleştirilmiştir. Veri toplama aşamasında, buji deliğine prob yerleştirilmiş içten yanmalı motor, test düzeneğine yerleştirilmiş ve teğetsel ve radyal hızlar standart ve perdeli subap için ölçülmüştür. Burada standart subap motora ait orjinal subaptır. Perdeli subap ise emme subabının hava girişi tarafına dairesel bir perde yerleştirilerek oluşan kesit daralması ile emme hızını artıran bir yapıya sahip olacak şekilde bu deney kapsamında standart subabm değiştirilmesiyle elde edilmiştir. Veri toplama aşamasının tamamlanmasının devamında elde edilen veriler ayrıklaştırma metodlarının çalıştırıldığı yazılımlara uygulanabilecek şekilde işlenmiştir. İşlenen bu veriler Fortran programlama dilinde, faz ortalama ve uygun ortogonal ayrıklaştırma (POD) metodlarına ait algoritmalara göre yazılmış programlar vasıtasıyla ayrıklaştırılmıştır. Bu ayrıklaştırma sonucunda toplam hız verileri, zaman ortalama hız, organize daimi olmayan hız bileşeni ve türbülans bileşenine ayrıklaştırılmıştır. Toplam hız verilerine, faz ortalama ve uygun ortogonal ayrıklaştırma ile bulunmuş organize hızlara ve türbülans hızlarına ait enerji spektrumları çıkarılmıştır. Ayrıca standart ve perdeli subaplara ait teğetsel ve radyal hızlara ait zaman ortalama hızlar ve türbülans yoğunlukları belirli devir sayılan için hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar grafikler üzerinde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlardan görüleceği üzere faz ortalama ve POD metodlarının verdiği sonuçlar birbiriyle örtüşmektedir. Bunun yanı sıra standart subabm değiştirilerek perdeli subap haline getirilmesiyle yapılan ölçümlerde perdeli subabm emme ağzındaki kesit daralması sebebiyle yanma odasındaki hızlan, emme zamanında çok fazla arttırmadığı ancak emmeden sonra özellikle 200-300 °KMA krank mili açısında sıkıştırma İİİzamanında standart subaba göre daha yüksek değerlere çıkarttığı görülmüştür. Yine, deneyin gerçekleştirildiği devir sayılan için hesaplanan zaman ortalama hızların ve türbülans yoğunluklarının devir sayısının artmasıyla arttığı görülmüştür. iv

THE INVESTIGATION of TURBULENT FLOW FIELDS IN a COMBUSTION CHAMBER of INTERNAL COMBUSTION ENGINE M. Coşkun EROL Key Words : Internal Combustion Engine, Turbulence, Hot Wire Anemometer ABSTRACT In this study, one dimensional turbulent velocity measured using hot wire anemometer in motored internal combustion engine. In order to carry out this measurement hot wire probe was first selected. Selected probe has a diameter of 10 ju m and length of 2 mm and is of tungsten material. The probe is one dimensional. In order to insert the probe into the combustion chamber of the internal combustion engine, a probe holder manufactured. The design structure of spark plug was reflected onto the probe holder and the probe introduced to the combustion chamber with a same insertion distance of spark plug that is 7.5 mm. The calibration of a hot wire probe accomplished by the calibration bench which was manufactured under the work scope of this study. The commercial calibration benches benchmarked and a proper bench manufactured. A vacuum cleaner was used as a flow source in the calibration bench. Also, to reach the required velocity values a nozzle set was manufactured. The nozzle set consists of four subparts. At the entrance there is a filtering mesh that provides intercepting of the tiny particles that may damage the probe wire at the outlet of nozzle. Second subpart is the honeycomb that is made of plastic pipes with a very this wall thickness to align the flow. A pressure measurement point also created at the entrance of nozzle with a pipe that has a 6 mm outer diameter. And finally a nozzle was placed to the end. This nozzle specially manufactured with a form in order not to disturb the flow. To design the nozzle, a polynomial with a 5 degree was assumed and solved under the boundary conditions. The nozzle was manufactured with a conventionalmachinery based on this polynomial solution. After completion of calibration bench, the probe was calibrated. During this implementation, anemometer calibration software employed to pick the voltage readings. Vacuum cleaner motor was driven with different velocities by adjusting the voltage with a voltage changing unit namely, dimmer. Totally 27 different speed value used for calibration starting from 0 m/s to 41 m/s. A reading was taken from the manometer that was connected to the pressure measurement port for all 27 speed value. Finally, these pressure readings converted to velocity values by using the speed-pressure equation that was deducted using both Bernoulli's equation and continuity equation. Acquired velocity values were coupled with the anemometer voltage readings that were taken simultaneously with the pressure readings. By using those couples calibration graph was achieved for hot wire probe. After completion of calibration process for hot wire, data collection process was launched. In this stage an SOHC internal combustion engine with a compression ratio of 9.5:1 was employed. An electrical motor with a power of 22 kW was used so as to drive the internal combustion engine under the unfired conditions. To carry out this stage, motor test bench in Hyundai Assan Automotive Sanayii A.Ş. was modified and became compatible to collect data. Due to the limitations of the motor test bench, experiment was realized with motor speed range of 400 rpm and 1000 rpm. Eventually, radial and circumferential velocity measurements were carried out for standard and shrouded valve configurations of inlet valve. Here the original inlet valves of engine were used as standard inlet valves. However, the standard inlet valves were modified by attaching a shroud to the entrance side of the air to provide higher inlet velocities of air. All the collected data was processed and became compatible for the data decomposition programs. These processed data was decomposed with computer program written based on the phase averaging and proper orthogonal decomposition algorithms in Fortran programming language. The decomposition of acquired velocity data resulted in time averaging velocity component, organized motion and turbulent component. Power spectrum of measured velocity data, organized motions deducted by phase averaging and proper orthogonal decomposition methods and turbulent velocities were submitted. In addition to these, time averaging velocities and turbulent intensities of radial and circumferential velocities for standard and shrouded valves were calculated. The acquired results investigated on the graphs. It can be seen that the results of organized motions deducted by phase averaging and proper orthogonal decomposition methods are matching. Besides this, the shrouded valve configuration has an effect of increasing the organized motions due to the narrower inlet section. This increase cannot be seen for the inlet time but could be seen for compression time which is valid in between 200-300 degree crank shaft angle. Hereafter, it has seen that increasing the velocity of the motor increases the time averaging velocities and turbulence intensities as well. VI