Bir dizel motorda hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak özgül yakıt tüketimi ve emisyonlar açısından piston çanak geometrisinin optimizasyonu

Bu tez çalışmasında, bir dizel motorun piston çanak geometrisi özgül yakıt tüketimi açısından Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak optimize edilmiştir. Bir boyutlu gaz değişim analizi yardımıyla motor performans karakteristiği incelenmiştir. AVL Boost programı, bir boyutlu gaz değişim analizi ve motor performans karakteristiklerini belirlemek için kullanılmıştır. HAD analizlerinde öncelikle hava akış karakteristiği incelenmiştir. İki emme portuna sahip motorun döngü analizleri çalışılmıştır. Ticari HAD programı STAR-CD döngü analizleri için kullanılmıştır. Öncelikle, döngü analizleri kötü, orta ve iyi ağ yapılarında çalışılmıştır. Orta ve iyi ağ sonuçları birbirine oldukça yakın çıktığından, geri kalan HAD simülasyonları orta ağ yapısında gerçekleştirilmiştir. Türbülans modelinin döngü sayısı üzerindeki etkilerini görmek için Standard k-e, Realizable k-e ve RNG k-e türbülans modelleri kullanılmıştır. Motor valf hareketleri ve silindir bölgesindeki pistonun yukarı ve aşağı hareketi sonucu hücrelerin, katmanların eklendiği ve silindiği piston olayları için STAR-CD alt modülü olan ES-ICE programı kullanılmıştır. Reaktif Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (RHAD) simülasyonları, periyodik sınır koşulu kullanan ve bir yakıt enjektör deliğine karşılık gelen 45 derecelik sektör geometrisinde gerçekleşmiştir. Hesaplamalar, emme ve egzoz valfleri kapalı olduğu 600-800° krank açıları (KA) arasında 200° KA süresince gerçekleştirilmiştir. ECFM-3Z, Extenden Coherent Flame Model -3 Zone, yanma modeli olarak kullanılmıştır. Sıvı Dizel yakıtın iki fazlı modeli için Lagrangian yaklaşımı kullanılmıştır. Sprey oluşum ve atomizasyonunu simüle etmek için Bag Break-Up ve Stripping Break-Up modellerinin oluşturduğu Reitz ve Diwakar ayrışma modeli kullanılmıştır. Uzaysal ve zamansal ayrıştırma ve türbülans modelleme etkileri dikkatle incelenmiştir. Sonuçların doğruluğu, HAD tahminleri ile ölçüm verileri silindir içi basınç ve açığa çıkan ısı yayılımı karşılaştırılarak gösterilmiştir. 0.1° krank açısına karşılık gelen zaman adımı ile orta hesaplama ağ yapısını kullanan reaktif HAD tahminleri, ölçülen verilere kıyasla %2.3'lik bir tutarsızlık göstermektedir. Tahminlerin doğruluğu gösterildikten sonra, optimizasyon çalışması için piston çanak geometri parametreleri belirlenmiştir. Seçilen 9 parametre HEEDs programının SHERPA algoritması kullanılarak, Özgül Yakıt Tüketimini (ÖYT) göre optimize edilmiştir. 92 farklı geometrinin analizi sonucunda güç açısından %5.8, özgül yakıt tüketimi açısından %5.5 oranında iyileşme sağlanmıştır. Fakat optimize edilmiş yeni piston çanak geometrisinin mevcut tasarıma göre NOx emisyonunda %15 artışa sebep olduğu gözlemlenmiştir.