Buji ateşlemeli motorlarda segman boşluğu hidrokarbon emisyonlarının matematik modeli

Abstract

ÖZ BUJİ ATEŞLEMELİ MOTORLARDA SEGMAN BOŞLU?U HİDROKARBON EMİSYONLARININ MATEMATİK MODELİ Ahmet Murat YILDIRIM Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı (Ph. D. Tezi / Tez Danışmam : Prof. Dr. Ali SÜRMEN) Balıkesir, Haziran - 1997 İçten yanmalı buji ateşlemeli motorlarda, emme supabının kapandığı andan başlayıp, egzos supabımn kapanmasına kadar devam eden çevrim boyunca piston üst segman boşluğundan silindire dönen yanmamış HC 'lann silindir içindeki yayınımı sonlu hacimler metodu kullanılarak simüle edildi. Simülasyon, emme ve egzos görevini beraberce yapan merkezi bir supabı olan, düz pistonlu bir motor için yapılmıştır. Dolayısıyla, Whitelaw vça. nın [1] LDA deney sonuçlarına göre akış eksenel simetrik olarak kabul edilebileceğinden silindirik polar koordinatlarda çalışılmıştır. Bu bölgede süreklilik denkleminin momentum ve enerjinin korunumu denklemleri ile HC konsantrasyonunu ifade eden denklemlerin çözümü gerekir. Ancak silindir içi akış oldukça türbülanslı olduğundan bu denklemler uygun bir türbülans modeli kullanılmadan çözülürse, gerçekçi sonuçlar vermez. Burada, Reynolds [2] tarafından motorlar için modifiye edilen, sıkıştırma etkisini de içine alan k-s modeli kullanılmıştır. Temel modele alt bilgiler üreten kombine motor modeli 4 alt modelden oluşmaktadır, bunlar; termodinamik model, yanma modeli, ısı kaybı modeli ve yanma sonrası silindir içi oksidasyon modeli olarak düzenlenmiştir. Temel modele data üreten kombine motor modeli 4 alt modelden oluşmaktadır, bunlar; termodinamik model, yanma modeli, ısı kaybı modeli ve yanma sonrası silindir içi oksidasyon modeli olarak düzenlenmiştir. Termodinamik model, silindir geometrisi ve piston hareketinin kinematiği ile piston segmanı arasındaki boşluktan (egzos supabımn açılmaya başladığı andan kapanıncaya kadar ki bölümde) dışarı sızan yanmadan kalan HC miktarım belirler. iiYanma modeli, hava ve seçilen yakıt (propan) özelliklerini içerir. Yanma öncesi ve sonrası silindiri dolduran karışımın özgül ısınma ısılarım, oluşan ürün konsantrasyonlarını, yanan yakıt miktarını ve kalan oksijen konsantrasyonunu her bir krank açısı adımı için hesaplar. Ayrıca termodinamiğin 1. Kanunundan yararlanarak yanma gazlarının basınç ve sıcaklık değerlerini elde eder. Isı kaybı modelinde ise; her bir krank açısı adımı için duvar sıcaklığının değişimi, yanma gazlarının viskozite değerleri ve ısı iletim katsayıları hesaplanmaktadır. Oksidasyon modelinde, temel yanma prosesinden sonra, yanma gazları içinde ortaya çıkan HC oksidasyonu, krank açısının fonksiyonu olarak hesaplanır. Yanma odasının kompleks geometrik yapısı ve hareketli karakterinden dolayı problemin üç boyutlu çözümü oldukça zor ve zaman alıcıdır. Bu nedenle gerçeğe yakın sonuçlar alacak şekilde modelde bazı ideal geometrik değerler kabul edilmiştir. Kombine motor modelinden alınan sonuçlar, literatür ile karşılaştırılarak uyumlu olduğu gözlendi. Türbülans modelinde, segman boşluğundan ayrılan yanmamış hidrokarbonların egzos supabına kadar olan silindir içi yayınımı, GHOST 80 çizim programı ile vektör plot olarak, SURFER çizim programında korttur olarak çizdirildi. Segman boşluğundan ayrılan yanmamış hidrokarbonların silindir içi yayılımı orijinal olarak belirlendi. Supabtan ayrılan yanmamış hidrokarbon miktarının, literatür değerleri ile uyumlu olduğu gözlendi. ANAHTAR SÖZCÜKLER : buji ateşlemeli motorlar / yanmamış hidrokarbon emisyonu / üst segman boşluğu / k-E türbülans modeli / yanma / oksidasyon / III

ABSTRACT A MATHEMATICAL MODEL OF PISTON CREVICE HYDROCARBON IN SPARK IGNITION ENGINE Ahmet Murat YILDIRIM Balıkesir University, Institute of Science Department of Mechanical Engineering (Ph. D. Thesis / Supervisor : Prof. Dr. Ali SÜRMEN) Balıkesir, Turkey - 1997 The pathway by which fuel escapes the in-cylinder combustion and oxidation process, is an essential element of the HC emissions mechanism in SI engine. This mechanisms contributes to significant loss of fuel economy as well as high level of HC emissions. The major sources of unburned HC emissions in a warmed-up engine are as follows; crevices, about 40 %; oil layers and deposits, about 20 % each; flame quenching and in-cylinder liquid fuel effects, about 10 % each; and exhaust valve leakage, less than 5 %. Because of its major role as an HC source, the crevice mechanism, in particular, the in-cylinder oxidation of the crevice HC, is the subject of this paper. The formation of hydrocarbon emissions in SI engines has been studied throughout the past 35 years. The earliest theories were based on the wall quench mechanism at the cold combustion chamber walls, which resulted in a small layer of unburned HCs after flame passage. This layer was postulated to be the main source of HC emissions in the exhaust. Later studies, showed that HCs formed by wall quenching in the combustion chamber will quickly diffuse into the hot bulk gases and the consequent oxidation will result in essentially complete removal of the HCs. At the present time, the most widely accepted mechanisms for HC emissions in exhaust gasses of SI engines are; a) Ring-crevices in the combustion chamber keeping the fuel vapor unburned. b) The oil film on the cylinder wall absorbing the fuel vapor. c) Surface deposits absorbing the fuel vapor in a manner similar to (b) and, d) Incomplete combustion of mixture near flammability limit. In order to improve understanding of previous measurements of HC emissions from a research engine using different combinations of lubricant and fuel, a simulation model was developed. There are numerous earlier model studies as some important ones have been made by Daniel, Lavoie et.al., Lavoie and Blumberg, Shyy and Adamson, Dent and Lakshminarayanan, and Min and Cheng.These studies are essentially phenomenological rarely supportea dimensional solutions for oil film HC contribution. Almost all the models fraction of predicted ring crevice or oil film HCs remains in cylinder and diffuse*6Bii^^rry' in combustion space. It is also assumed that the rate at which HCs pass through the exhaust valves is proportional to the total exhaust gas discharge. However during the exhaust process in cylinder vortices, expecially those created by rings causes the assumptions to deviate considerably from the reality. In that case it is important to predict the air motion in the cylinder for the exhaust period. This prediction is expected to modify the figures for the amount of ring crevice HCs entering high temperature core and supposed to be oxidized, completely. A three dimensional solution of the problem is time consuming and expensive due to the unsteady character and complex geometrical shape of the combustion chamber. Therefore the model requires some geometrical idealizations at the expense of deviation from realistic quantative results. But the model is supposed to produce aerodynamically meaningful results which verify the validity or weakness behind the assumptions of zero dimensional models. Our model, calculates the transport and oxidation of individual segments of crevice gas which flow out of the piston crevice for each one crank angle interval. A two dimensional model describing the diffusion and expansion processes of the crevice gas normal to liner wall is used. Since fuel turbulence transport equation including mass fraction equations for HC are solved, the model computes both axial and radial transport of HC. The turbulence model employed is 2-equation k-s model. The results are than compared with the existing phenomenological and one-dimensional models as well as various experimental data. The model assumes that; 1) There is only one valve, and it is exhaust valve, such that assumption of axial symmetry is valid. 2) The transport process is turbulent. 3) Temperature of the cylinder wall is constant during the expansion process. 4) The core gas temperature during expansion is obtained from a thermodynamic cycle simulation. Governing PDE's are solved in Favre averaged form and can be found in, for example, Watkins et al.(ll). The hybrid of central and upwind differencing scheme within the FV framework is employed. An improved iterative PISO solution algorithm developped by Gül (12) in order to overcome the difficulties associated with the non-linear coupling among the governing PDE's are employed. The computational grid adjust itself together with the moving exhaust valve and piston. The HC oxidation model will be introduced for the whole combustion space. Also symmetric flow path of cylinder gases and HC concentration distribution will be determined for each crank angle during exhaust period. Amount of the remaining HC is supposed to be calculated precisely although the cylinder geometry is idealized. KEY WORDS : spark ignition engine / unburned hydrocarbon emission / top piston ring crevice / k-s turbulence model / combustion / oxidation