TIER IV emisyon seviyesine sahip bir dizel motorun hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile akış ve yanma analizi

Abstract

Bu tez çalışmasında, TIER IV emisyon seviyesine sahip bir dizel motor Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği(HAD) ile araştırılmıştır. Bir boyutlu gaz değişim analizleri gerçekleştirilip, bütün motor bileşenleri modellenerek tüm çalışma koşullarında motorun performans karakteristiği AVL Boost yazılımı ile elde edilmiştir. Emme ve egzoz manifoldlarından elde edilen basınç ve sıcaklık değerleri reaksiyonlu HAD simülasyonlarına sınır koşul olarak girilmiştir. Emme manifoldu geometrisinin silindir içerisindeki döngü şiddetine etkisi farklı valf açıklıkları için daimi rejim ve isotermal koşullarda Star-CCM+ yazılımı kullanılarak araştırılmıştır. HAD ile elde edilen döngü şiddeti sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Silindir içi reaksiyonlu simülasyonlarda, tam yük altında bir silindir için 45°'lik dilim alınarak valflerin kapalı olduğu krank açıları boyunca yanma analizleri yapılmıştır. Emme ve egzoz manifoldları, valfler ve pistonun dahil edildiği simülasyonlar ise, tek bir silindirin tamamı için 720° krank açısı boyunca gerçekleştirilmiştir. Reaksiyonlu simülasyonlarda, akışın türbülans ve yanma karakteristikleri, RNG k-ε ve ECFM-3Z modelleriyle Star-CD ve alt modülü es-ICE yazılımları kullanılarak araştırılmıştır. Püskürtülen sıvı yakıtın sprey oluşumu iki fazlı Lagrangian yaklaşımıyla gerçekleştirilmiştir. Yanma simülasyonları sonucu elde edilen silindir içi basınç ve ortaya çıkan ısı değerleri deneysel verilerle karşılaştırmalı olarak yorumlanmıştır. Yanma sonucu silindir içerisinde ortaya çıkan emisyonlar özellikle NOx ve is incelenmiştir.Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, İçten yanmalı motorlar, Çift fazlı akış, Lagrangian yaklaşımı, Yanma, Emisyonlar

In this study, flow and combustion characteristics of a TIER IV emissions standard diesel engine is investigated using Computational Fluid Dynamics (CFD). Gas exchange calculations are done using AVL Boost program in order to obtain performance characteristics of the engine. Whole engine components are modeled and analyses are performed for all engine speeds. Calculated crank angle dependent pressure and temperature values are used as boundary condition for reactive 3D CFD simulations. The effect of intake manifold geometry on in-cylinder air motion is analyzed carrying out 3D turbulent flow computations using Star-CCM+. Simulations are conducted under steady-state and isothermal conditions for different valve lifts. Swirl number is calculated and compared with available experimental results. Reactive CFD simulations are performed with 45° sector geometry for the period that both valves are closed. Additionally, reactive simulations including ports, moving valves and piston are carried out for full engine model (360°). In reactive simulations, RNG k-ε and ECFM-3Z models are used to characterize turbulence flow field and combustion respectively. A lagrangian approach is used for two-phase flow computations to simulate the liquid fuel injection. Commercially available CFD code STAR-CD and its sub-module es-ICE are used for three dimensional reactive simulations, moving grid generation and problem setup. Predicted in-cylinder pressure and apparent heat release rate are validated with experimental results. NOx and Soot formations as a result of combustion process are also investigated.Keywords: Computational fluid dynamics, Internal combustion engines, Lagrangian two phase modeling, Combustion, Emissions