Üç boyutlu modelleme ile benzinli bir motorda farklı yanma odalarının incelenmesi

İçten yanmalı motorları geliştirmek, yeni teknolojiler üretmek adına yapılan tasarım ve deneysel çalışmalar uzun vakitler alan, yüksek maliyet ve işçilik gerektiren zahmetli çalışmalardır. Bu zahmetli çalışmaların bir ön adımı olması ve doğabilecek sorunları önceden tahmin etmek amacıyla gerçeğe yakın fiziksel ve matematiksel modeller oluşturulmakta ve bu modeller her geçen gün gelişmeye devam etmektedir. İçten yanmalı motorlarda sonlu hacimler yöntemini kullanan bu modeller hesaplamalı akışkanlar dinamiğine ve yanma fiziği ve kimyasına dayanmaktadır.Yanma odası sonlu hacimlere bölünerek kütlenin, momentumun ve enerjinin korunum denklemleri bu küçük hacimlere uygulanmaktadır Bu çalışma 3 farklı yanma odası üzerinde yapılmıştır. 1. yanma odası düz pistonlu, 2. yanma odası silindirik oyuklu pistonlu, 3. yanma odası ise W tipi oyuklu ve kanallı yanma odasıdır. Çalışma da ilk olarak KIVA3V sayısal yazılımının çözebileceği şekilde ağ yapıları oluşturulmuştur. Ağ yapısı oluşturmak için ICEM CFD programı kullanılmıştır. 9,1 sıkıştırma oranlı 2. tip yanma odası ve 10,5 sıkıştırma oranlı 3 ayrı tip yanma odası olmak üzere dört ayrı model oluşturulmuştur. Deneysel olarak sadece 9,1 sıkıştırma oranlı 2. tip yanma odasının verileri mevcuttur. 10,5 sıkıştırma oranlı geometrilerin deneyleri ise daha sonra gerçekleştirilecektir. 9,1 sıkıştırma oranında yapılan deneyler İTÜ Makine Fakültesi Otomotiv Laboratuvarlarında gerçekleştirilen doktora çalışmasının bir parçası olarak yapılmıştır. Öncelikli olarak 9,1 sıkıştırma oranındaki yanma odasının deneysel ve simülasyon sonuçlarının örtüşmesi amaçlanmıştır. Bunun için KIVA3V parametreleri ve ağ yapısındaki hücre sayıları ayarlanarak yazılımın kalibrasyonu yapılmıştır. Temel parametreler; kalibrasyon çalışmaları sonucu ve literatürdeki çalışmalar incelenip kesin olarak belirlendikten sonra, hücre sayıları ve yanma hızının belirlenmesi aşamasına geçilmiştir. Hücre sayılarının kabadan hassasa doğru değişmesiyle simülasyon sonuçlarının çok değiştiği görülerek, daha önce yapılmış çalışmaların incelenmesi sonucu, bilgisayar gücü, çözüm süreleri göz önünde bulundurularak 200000 civarındaki hücre sayılarıyla asıl simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon simülasyonları sonucunda yanma hızları ve ateşleme avanslarının da ayarlanması gerektiği görülmüştür. Yanma hızını belirleyen Arrhenius reaksiyon hızı denklemindeki frekans faktörü, her ağ yapısı ve sayısı için ayrı olarak ayarlanmalıdır ve bunu ayarlamanın tek yolu da peşpeşe simülasyonlar yapılarak en iyi değeri bulmaktır. Ayrıca simülasyon ve deneylerdeki tutuşma gecikmesi sürelerinin farklı olduğu görülerek simülasyonlarda, deneylerdeki ateşleme avansları yerine güncelleştirilmiş değerler kullanılmıştır. 10,5 sıkıştırma oranındaki simülasyonlarda ise kalibrasyon simülasyonları sonuçlarında belirlenen değerler aynen kullanılmıştır. KIVA3V standart yazılımı ile krank açısına bağlı olarak silindir içindeki basınç, ortalama ve maksimum sıcaklılar, türbülans kinetik enerjileri, yakıt miktarındaki değişim, ısı açığa çıkışı, oluşan CO2, H2O, CO ve NO miktarları incelenmiştir. 3 boyutlu grafikler için Tecplot programı kullanılmıştır. Yanma odalarından oyuklu olanlarda hava hareketleri, türbülans kinetik enerjileri silindir merkezinde oyuk içinde yoğunlaşmıştır. Düz pistonda ise yoğunluk silindir çeperlerine doğru olmaktadır. Bu nedenle ısı açığa çıkışı üst ölü noktadan sonra oyuklu geometrilerde daha erken olmakta, düz pistonlu yanma odasında ise ısı açığa çıkışı biraz daha gecikmektedir. Fakat düz pistonda Arrhenius frekans katsayısının daha yüksek olmasından dolayı yanmanın ana evresinde ısı açığa çıkış hızı çok daha yüksek olmakta, bu da basıncın daha hızlı artmasına neden olmaktadır. Üçüncü pistonda kanal konularak amaçlanan döngü hareketi net olarak görülememiştir. Bu nedenle 3. yanma odası için oluşan sonuçlar 2. yanma odası ile benzerlik göstermiştir.