Chemical kinetic modelling of autoignition under conditions relevant to knock in spark ignition
Kıvılcım ateşlemeli motorlarda vuruntu şartlarında kendiliğinden tutuşmanın kimyasal kinetik modellemesi
- Tez No: 100770
- Danışmanlar: PROF.DR. CEM SORUŞBAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2000
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
KIVILCIM ATEŞLEMELİ MOTORLARDA VURUNTU ŞARTLARINDA KENDİLİĞİNDEN TUTUŞMANIN KİMYASAL KİNETİK MODELLEMESİ ÖZET Benzin motorlarında ısıl verimi kısıtlayan, dolayısı ile motorun performansım ve egzoz gazları emisyonunu belirleyen en önemli etkenlerin başında vuruntu gelmektedir. Motora ait yapısal etkenlerin ve bazı işletme parametrelerinin ayarlanması sonucu motor performansında iyileştirme elde etmek mümkündür. Ancak ateşleme avansımn veya sıkıştırma oranının arttırılması vuruntu olayı ile sınırlıdır. Bu nedenle benzin motorlarında“vuruntulu yanma sınırı”performansı etkileyen etkenlerin başmda gelmektedir. Bu çalışmada benzin motorlarında vuruntulu yanma olayının kimyasal kinetik modelinin oluşturulması ve bu model kapsamında vuruntuya etki eden parametrelerin sayısal yöntemler kullanılarak incelenmesi hedeflenmiştir. Hidrokarbon yakıtların yanmasını tanımlayan modeller çok sayıda bileşeni ve çok sayıda kimyasal reaksiyonu içermektedir. Bu tip modellerin, içten yanmalı motorlarda yanma odası içerisindeki olayları tanımlayan akışkana ait denklemlerle birlikte çözümü bilgisayar belleği ve çözüm süresi açısından sorun oluşturduğu gibi, sayısal hataların birikimi nedeniyle de güçlükler oluşturmaktadır. Ayrıca yanma mekanizmasında yer alan reaksiyonların“zaman ölçekleri”önemli farklılıklar göstermekte olduğundan sistemin kararlılığı da etkilenmektedir. Hidrokarbon yanmasını tanımlayan sistemler, belirtilen sorunlara çözüm sağlayabilmek amacıyla tanımlanan kısaltılmış kinetik modeller kapsamında ele alınmakta, çözülecek denklem sayısı azaltılarak çözüm kararlılığı sağlanmaktadır. Ayrıca reaksiyon hızı oldukça yüksek olan reaksiyon grupları için sanki-denge kabulü yapılarak sayısal basitleştirme sağlanmaktadır. Kompleks yakıtların reaksiyon mekanizmalarının oluşturulması ve bunların herhangi bir bilgi kaybı olmaksızın uygulamaya yönelik yanma sistemlerini içeren hesaplamalarda kullanılacak şekle indirgenmesi için çeşitli kimyasal kinetik indirgeme yöntemleri gerekmektedir. Yanma sistemlerinde kimyasal yapının basitleştirilmesi amacıyla çeşitli yöntemler kullamlmaktadır. Bu çalışmada ele alman bu yöntemde, Ayrıntılı reaksiyon mekanizmasının geliştirilmesi, Reaksiyon akış ve duyarlılık analizini sonucunda“iskelet mekanizmanın”oluşturulması, XIVYan-dengeli hal yaklaşımı ve diğer indirgeme yöntemleri ile reaksiyon mekanizmasının son indirgeme işleminin gerçekleştirilmesi sağlanmıştır. Bu çalışmada düşük sıcaklıklarda gerçekleşen vuruntulu yanma mekanizmasını tanımlayan indirgenmiş mekanizmaların geliştirilmesi ele alınmıştır. Kompleks bir yakıt için geliştirilmiş bir detaylı mekanizmanın indirgenmiş mekanizmaya indirgenmesi amaçlanmıştır. Kullanılan yöntem temel olarak duyarlılık, reaksiyon akış ve ömür analizlerinin eş zamanlı kullanımını öngörmektedir. Duyarlılık analizi tanımlanan problem koşullarında tüm yanma işleminde hassas olan bileşenleri taramaktadır. Bu bileşenlerin hesaplanmasındaki küçük hatalar tüm yanma karakteristiği üzerinde büyük hatalara yol açmaktadır. Reaksiyon akış analizi ise, yine tanımlanan problem koşullarında, diğer bileşenlerin oluşumunda ve tüketiminde etkin olmayan, önemsiz sayılabilecek bileşenleri saptamak için kullanılmaktadır. Bu iki analiz sonucunda istenilen koşullar için belirli kısıtlara göre önemsiz sayılabilecek bileşenler belirlenip bunlar detaylı mekanizmadan çıkartılmakta ve“iskelet mekanizma”elde edilmektedir. Bu mekanizma ömür analizi tarafından son indirgemenin yapılacağı başlangıç mekanizması olarak kullanılmaktadır. Bu şekilde geliştirilen indirgenmiş mekanizma tanımlanan problemin başlangıç ve sınır değerleri ile araştırmanın yapıldığı parametre aralığı için geçerli olmakta ve motor tasarımı amacıyla sayısal akışkanlar dinamiği yazılımlarında kullanılabilmektedir. Bu çalışmada /zo-oktan/n-heptan karışımı detaylı mekanizmasının kendiliğinden tutuşma olayım incelemek üzere indirgenmiş mekanizmaya dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Buji ateşlemeli bir motorun (benzin motoru) art gaz gaz kimyası“iki- bölgeli model”ile incelenmiştir. Problemin başlangıç ve sınır şartları ile parametrelerin aralığı buji ateşlemeli bir motorda vuruntu oluşumunu tanımlayacak şekilde seçilmiştir. İndirgenmiş mekanizmadan alman sonuçların detaylı mekanizma ile karşılaştırılması sonucunda indirgenmiş mekanizma doğrulanmıştır. Detaylı mekanizmayı oluşturan 74 bileşenin 18 bileşene indirgenmesi ile elde edilen indirgenmiş mekanizma ile yapılan kendiliğinden tutuşma anının saptanmasında, 1° krank mili açısından daha az bir hata elde edilmiştir. Sonuç olarak, seçilen indirgeme seviyelerindeki artışa paralel olarak kendiliğinden tutuşma zamanının saptanmasındaki hatanın da arttığı görülmüş ve sonuç olarak yöntemin geçerliliği kanıtlanmıştır. Bu çalışma, geliştirilen indirgeme metodunun kullanımı ile basitleştirilen mekanizmanın orijinal mekanizma yerine kullanılabileceğini göstermiştir. İndirgeme işlemi önceden belirlenen ölçütler çerçevesinde, çalışma kapsamında geliştirilen bilgisayar yazılımı ile dışarıdan müdahale olmaksızın gerçekleştirilebilmektedir. XV
Özet (Çeviri)
CHEMICAL KINETIC MODELLING OF AUTOIGNITION UNDER CONDITIONS RELEVANT TO KNOCK IN SPARK IGNITION ENGINES SUMMARY The phenomenon called the“engine knock”is an abnormal combustion mode in spark ignition (SI) engines. It might lead to very high peak pressure in the cylinder and serious damages in engines. Knock limits the compression ratio of the şngine. The higher compression ratio means the higher fuel conversion efficiency of the engine. It also means higher cylinder pressure and thereby higher gas temperature which can cause knock because of shorter ignition delay time. Increasing compression ratio is the simplest strategy for increasing the efficiency of combustion, so a more detailed understanding of the processes governing knock is important. It is generally accepted that knock is initiated by autoignition in the unburned gas mixture as a result of compression due to the flame front propagation and the piston movement. Autoignition can be defined as spontaneous ignition of some part of the charge in the cylinder. The autoignition is may cause an extremely rapid chemical energy release. It causes a high local pressure and propagation of pressure waves with high amplitude across the combustion chamber. The rapid rise in pressure and the vibration of the resultant pressure wave across the combustion chamber cause erosion of the piston, piston rings and head gaskets. Known measures to avoid the occurrence of engine knock cause either environmental problems, for example the usage of MTBE or reduce the engine thermal efficiency, for example low compression ratio, high swirl or early ignition timing. Because of this, the occurrence of knock was subject of continuous public and industrial research. A detailed investigation of the combustion processes in internal combustion engines is necessary for the improvement of engine technology. Chemical kinetic model of the combustion process implemented into the computational fluid dynamics applications for the prediction of gas flow in the combustion chamber provides an efficient tool in terms of time and cost for the investigation and improvement of the combustion process. The software tools for the modeling of combustion processes in combustion devices require the reduction of the kinetic model to a limited number of species. Since the engine geometry is very complex, the performance of commercial software products for combustion device optimization decreases considerably if the number of species exceeds about 10. Consequently, a variety of methods in chemical kinetic modeling XVIare needed to construct a reaction mechanism for a complex fuel such as PRF and to reduce it to a low number of capable species without a loss of information that might be important for the accuracy of the calculations. One method having the following steps is The generation of a“detailed reaction mechanism”, The construction of the“skeletal mechanism”, The final reduction of the reaction mechanism using Quasi Steady State Approximations (QSSA). This study concentrates on the construction of the problem oriented reduced mechanism. A method for automatic reduction of detailed kinetic to reduced mechanisms for complex fuels is proposed. The method is based on the simultaneous use of sensitivity, reaction-flow and lifetime analyses. The sensitivity analysis detects species that the overall combustion process is sensitive on. Small inaccuracies, in calculating these species, result in large errors in the characteristic behavior of the chemical scheme. Species^ not relevant for the occurrence of autoignition in the end-gas, are defined as redundant. The automatic detection of the redundant species is done by means of an analysis of the reaction flows from and towards the most sensitive species, the fuel, the oxidizer and the final products. They are identified and eliminated for different pre-set levels of minimum reaction flow and sensitivity to generate a skeletal mechanism. The resulting skeletal mechanism is investigated with lifetime analysis to get the final reduced mechanism. A measure of species lifetimes is taken from the diagonal elements of the Jacobian matrix of the chemical source terms. The species with the lifetime shorter than and mass-fraction less than specified limits are assumed to be in steady state and selected for removal from the skeletal mechanism. The reduced mechanism is valid for the parameter range of initial and boundary values that the analysis has been performed for. The proposed reduction method is exemplified on a detailed reaction mechanism for wo-octane/n-heptane mixtures. The gas-phase chemistry is analyzed in the end gas of an SI engine, using a two-zone model with conditions chosen relevant for engine knock. Comparing results obtained from the skeletal and the reduced mechanisms with results from the detailed mechanism shows the accuracy of the resulting mechanisms. It is shown that the error in the mechanisms increase with increasing pre-set levels of reduction. This is visualized by the help of the predicted crank angle degree at which autoignition in the end gas of the engine occurs. The reduced mechanism is used for investigation of the modeling of the autoignition in the SI engines. The effects of engine operator parameters such as compression ratio, spark advance, fuel equivalence ratio and engine speed on autoignition onset time have been studied. This work shows that it is possible to achieve a simplified reaction mechanism with good agreement to the original mechanism by the reduction method. Fundamental knowledge about the detailed mechanism is not necessary to apply the method. The procedure used for reduction is fully automatic and provides a fast technique to generate the problem oriented reduced mechanisms. xvii
Benzer Tezler
- Benzin motorlarında indirgenmiş kinetik model uygulaması
Reduced chemical kinetic model application to spark ignition engines
CÜNEYT UYKUR
- Toluen referans yakıtı kullanılan bir HCCI motorun CFD simülasyonunda kullanılmak üzere uygun kimyasal kinetik modelin tespiti
Determination of the proper kinetic model for a CFD simulation of HCCI combustion engine with toluene reference fuel
GÜLTEN GİZEM KÜÇÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERMAN ASLAN
DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN
- Multidimensional modeling of homogeneous charge compression ignition engines
Homojen karışımlı sıkıştırmalı ateşlemeli motorların çok-boyutlu modellenmesi
ALPER KUTLUATA
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM SORUŞBAY
- Kinetic modelling of acetylene hydrogenation in ethylene production process
Etilen üretim sürecinde asetilen hidrojenasyonunun kinetik modellemesi
GİZEM PINAR
Doktora
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANAN URAZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BAŞAR ÇAĞLAR
- Kinetic modelling of the effect of glucose concentration on the growth of recombinant E coli culture and on B-lactamase activity
Başlık çevirisi yok
DİLEK KAZAN ( KIRAL )
Doktora
İngilizce
1993
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiPROF. DR. AMABLE HORTAÇSU
DR. AGNES ÇAMURDAN