Bir içten yanmalı motorda karışım oluşumunu etkileyen parametrelerin 3-D silindir akış alanına etkisinin incelenmesi

Ağır hizmet tipi dizel motorlarda silindir kapağı çatlakları motor mukavemetini etkileyen temel sorunlardan biridir. Daha iyi motor performansı, daha az egzoz emisyonu ve düşük yakıt tüketimi gereksinimleri için artan yanma basıncı ve yüksek sıcaklık değerleri motor silindir kapağını motor tasarımında en karmaşık ve kritik parçalardan biri yapmaktadır. Silindir kapağı ömür hesaplamalarında Bilgisayar Destekli Mühendislik (CAE) yöntemleri kullanılmaktadır. Son yıllarda öngörülen ve ölçülen ömürler arasında gittikçe artan sapmalar FEV GmbH şirketine bildirilmiştir. Yeni geliştirilen silindir kapaklarında çatlakların test düzeneğinde, bilgisayarda yapılan termomekanik yorulma analizine göre çok daha erken başladığı görülmüştür. Simülasyon ve ölçüm arasındaki bu sapmaların nedeni fiziksel motor davranışını modellemek için kullanılan modellerin değişen talepleri yeterince karşılayamaması olabilir. Silindir kapağı çatlakları arızası nedeniyle oluşan zarar şirketi mevcut simülasyon metodolojisi geliştirmeye yöneltmiştir. Bu amaçla, üç başlangıç noktası tespit edilmiştir: 1. Gaz tarafı ısı transferi tahmini 2. Su tarafı ısı transferi tahmini 3. Termomekanik yorulma analizi için malzeme verileri Dizel motor silindir kapağı termomekanik yorulma analizlerinde gaz tarafı ısı transfer sınır koşulları FEV tarafından geliştirilen R-Alpha yazılımı kullanılarak belirlenmektedir. R-Alpha modeli yapısal analizler için gaz tarafı sınır koşullarını sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında mevcut gaz tarafı ısı transfer tahmini metodu yeni bir mühendislik yaklaşımıyla yeniden yapılandırılmıştır. Şirketin kullandığı R-Alfa modeli Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) sonuçlarına dayalı yeni bir metodoloji ile değiştirilmiştir. Bu tez çalışması şirketin yeni metodolojisi geliştirilirken uygulanan çeşitli adımlardan birini oluşturmaktadır. Çalışmada yakıt enjeksiyonu ve yanma parametreleri Hesaplamalı Akışlanlar Dinamiği (CFD) simulasyonları ile 3 boyutlu modelde analiz edilmiştir. Bir içten yanmalı dizel motorda karışım oluşumunu etkileyen parametrelerin değişiminin silindir akış alanına etkisi incelenmiştir. Geleneksel "her seferinde bir parametre" yöntemi ile parametrelerin silindir akış alanına etkisini değerlendirilmesi çok zaman alıcı ve maliyetli olmaktadır, ayrıca çok sayıda deneyler yapmayı gerektirmektedir. Alternatif olarak, Deneysel Tasarım Yöntemi'nde (DoE) aynı anda birkaç faktörü incelemek için istatistiksel analiz ile deney birleştirilir ve bu faktörlerin etkilerini değerlendirmek için sadece birkaç deney gerekir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında deney tasarımı yöntemi kullanılmıştır. Bu tez çalışması sırasında, motor akış alanına etki eden parametreler 7.5 litre, altı silindirli direkt püskürtmeli ağır hizmet tipi kamyon motoru modelinde incelenmiştir. Bu amaçla 3 boyulu CFD analizi ve DoE analizleri birlikte kullanılmıştır. CFD analizleri için STAR-CD ve KIVA yazılımları kullanılmıştır. DoE modelleme ve analizi için FEV tarafından geliştirilen PROcal yazılımı kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında incelenen, karışım oluşumunu etkileyen parametreler aşağıdaki gibidir: - Yakıt püskürtme başlangıcı - Hava-yakıt oranı - Lambda, λ - Turbo basıncı - Enjeksiyon basıncı İlk olarak, tasarım parametreleri ve parametre aralıkları PROCAL yazılımı kullanılarak belirlenmiştir. Daha sonra DoE analizleri için kullanılacak test planı oluşturulmuştur. Her bir tasarım noktası için CFD simülasyonları yapılmıştır. Bir tam simülasyon çevrimi üç ayrı simülasyon parçasına bölünmüştür. Emme ve sıkıştırma zamanı STAR-CD yazılımı ile modellenmiştir. Yanma zamanı KIVA yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Son olarak egzoz zamanı tekrar STAR-CD kullanılarak simüle edilmiştir. Sonuçları birleştirme işlemi ile STAR-CD ve KIVA sonuçları birbiriyle eşleştirilmiştir. Bu işlemde, meshlerdeki akış değerleri bir yazılımdan diğerine aktarılmıştır. Tüm simülasyonlar için ortalama ısı transfer katsayısı ve gaz sıcaklık değerleri hesaplanmıştır. PROCAL yazılımında Doe analizini gerçekleştirmek için silindir kapağı ve silindir gömleği üzerinde noktalar belirlenerek seçilmiştir. Bu noktaların ısı transfer katsayısı ve sıcaklık değerleri alınarak PROCAL ile modellenmiştir. Modelleme prosesi sonucunda seçilen noktaların matematiksel formülasyonu elde edilmiş, her noktadaki ısı transferi katsayısı ve sıcaklık değerleri; püskürtme başlangıcı, hava yakıt oranı, turbo basıncı ve enjeksiyon basıncının bir fonksiyonu olarak elde edilmiştir. DoE modeli CFD ve DoE sonuçları karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Karşılaştırma sonuçları CFD ve DoE analizi sıcaklık ve ısı transfer katsayısı sonuçlarının benzer olduğunu ortaya koymuştur. Bu tezin bir çıktısı olarak, DoE analizlerinden elde edilen bir veri tabanı oluşturulmuştur. Bu veri tabanı sayesinde firmadaki gelecekteki yeni motor projelerinde ısı transferi ve ısıl gerilmeler bir CFD simülasyona gerek olmadan tasarımın erken aşamasında hesaplanabilecektir.