Investigations on the influences of fuel mixture influencing parameters on the 3-D cylinder flow field of an internal combustion engine
Bir içten yanmalı motorda karışım oluşumunu etkileyen parametrelerin 3-D silindir akış alanına etkisinin incelenmesi
- Tez No: 445131
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN ERTUĞRUL ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
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.
Özet (Çeviri)
In the last years manufacturers of engines have begun to place a large amount of effort in the direction of reducing emission and increasing power density of engines. Therefore, in modern diesel engines the compression ratio is rising, the inlet pressure is boosted via turbo charging, common-rail-injection systems enable multiple injections with injection pressures up to 3000 bar, and the peak pressure of the combustion is higher. These measures are not only decreasing the emissions and fuel consumption of the engine but are also increasing the pressure and thermal loads on the engine components. Heavy duty diesel engine cylinder head cracking is one of the main problems which affect engine durability. With the increasing requirements for better engine performance, less exhaust emission and lower fuel consumption, increased combustion pressure and elevated temperature make the engine cylinder head to be the most complicated and critical part for the engine design. In recent years more and more deviations between predicted and measured life cycles were reported at FEV GmbH. Newly developed engine cylinder heads failed much earlier at the test bench than calculated during the thermo-mechanical fatigue (TMF) analysis on the computer. The reason for the deviation between simulation and measurement might be that the models used for modeling the physical engines behavior are outdated, as perhaps they were not adjusted adequately to the changed demands of modern Diesel engines. The damage to the company caused by these cylinder head failures is reason enough to improve current simulation methodology. Therefore, three starting points were spotted: 1. prediction of the gas-side heat transfer; 2. prediction of the water-side heat transfer; 3. material data for TMF analysis. The target of this thesis is to re-engineer the current method of gas-side heat transfer prediction. This thesis work deals with the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of the fuel injection and combustion parameters. In more detail this topic is about the investigation of the changing of the cylinder flow field under the variation of different fuel mixture influencing parameters During the course of this thesis work, effects of a variety of engine operating parameter on a 7.5 liter, six cylinder DI diesel heavy-duty truck prototype engine were investigated. A highlight of the work was that 3D CFD and DoE were used together for these investigations. The simulation software packages used in this thesis work are STAR-CD (for gas exchange) and KIVA (for combustion) that are available at FEV. The DoE modeling and analysis was carried out using PROCAL, a tool developed by FEV. The parameters, whose influences on fuel mixture influencing parameters on the 3D cylinder flow field were researched, are: Begin of injection (BOI) Air-fuel ratio – Lambda, λ Boost pressure Injection pressure Concluding the CFD work, an averaging procedure of the CFD model results was developed. The averaged heat transfer coefficient and gas temperature values were calculated for all simulations. Then, the heat transfer coefficient and temperature values of these points were taken and modeled in PROcal. With modeling process, mathematical representation of selected points was formed. Heat transfer coefficient and temperature values at each point were derived as a function of injection timing, lambda, boost pressure and injection pressure. As an output, a data base from DoE analyses will be built up. With the help of this data base the heat transfer and thermal stresses in future customer engines can be estimated in an early stage of development without a CFD simulation.
Benzer Tezler
- Küt cisimlerde sürüklenme kuvvetinin azaltılması için kilitlenmiş girdap oluşumlarının deneysel yöntemlerle araştırılması
Başlık çevirisi yok
ŞEREF ERKARA
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ZEKİ ERİM
- Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
- Ayçiçeği tablalarından pektin eldesine pektin kalitesini etkileyen faktörler ve konu ile ilgili teknolojik öneriler
The Factors effecting the quality of pectin in the production of sunflower head pectin and the evaluation of the related technological problems
E.ÖZGÜL EVRANUZ
- Petrol rafinelerindeki yangınların CFD ile modellenmesi
CFD modeling of fires in oil refines
AHMET ABDULLAH
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiYangın ve Yangın Güvenliği Anabilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN
- Dizel motorlarında farklı püskürtme avanslarında dizel yakıtı + etanol kullanımının performans ve emisyonlara etkisi
Influence on performance and emission on using diesel fuel and etanol at the different injection timing in the diesel engine
KADİR USLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CENK SAYIN