Numerical and experimental study of turbulent jet ignition method on wankel engine with passive pre-chamber
Türbülanslı jet tutuşturma yönteminin wankel motorunda pasif ön yanma odası ile numerik ve deneysel çalışması
- Tez No: 874210
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Küresel ısınma, çağımızın önemli bir sorunu olmakta ve önlem alınmadığı taktirde daha büyük problemlere yol açacağı öngörülmektedir. Küresel ısınmaya etki eden sera gazları karbondioksit (CO2), metan (CH4) ve azotoksit (N2O) gazlarıdır. Bu gazlar; elektrik üretimi ve ısınma, taşımacılık, üretim, inşaat, tarım, endüstri gibi sektörlerden insanların ihtiyaçları doğrultusunda atmosfere salınmaktadır. İçten yanmalı motorların neden olduğu sera gazları, sera gazı emisyonlarının yaklaşık %15'inin salındığı taşımacılık sektöründe neredeyse tamamıyla bir pay sahibi olmaktadır. Bu önemli derecedeki oranı azaltmak için içten yanmalı motorlar 100 yılı aşkın süredir olduğu gibi geliştirilmeye devam edilmektedir. Bu çalışmanın temel aldığı motor olan Wankel motoru, adını üreticisi olan Felix Wankel'den almaktadır. Döner pistonlu motorlar kategorisine giren bu motor geleneksel içten yanmalı motorlardan farklı olarak dört zamanlı çalışma prensibi ile eksantrik milinin her turunda bir iş üretilmesine olanak sağlamaktadır. Eksantrik milinin her turunda iş üretebilmesi, geleneksel krank-biyel mekanizmalı motorlara göre; az sayıda parça bulundurması, az yer kaplaması, güç/hacim, güç/ağırlık oranlarının yüksek olması, düşük titreşimli olması gibi özellikleri ile ön plana çıkmaktadır. Fakat motorun bu avantajlarına rağmen sektörde yaygın olarak kullanımına engel olan yüksek hidrokarbon (HC) emisyonları bulunmaktadır. Aynı zamanda bu özelliği ile bağlantılı olarak yüksek yakıt tüketimi de motorun verimliliğini düşürmektedir. Bu problemler yavaş yanma hızı ve benzersiz şekilde sığ yanma odasında kapsamlı bir alev dağılımı sağlama zorluklarından kaynaklanmaktadır. Bu çalışma kapsamında Wankel motorunun barındırdığı potansiyelin ortaya çıkartılması için sahip olduğu yanma probleminin iyileştirilmesi amaçlanarak türbülanslı jet ateşleme yöntemi kullanılıp motorun alev yayılma hızını artırmak hedeflenmiştir. Türbülanslı jet ateşleme yöntemi ana yanma odası ile buji bölgesinin ayrılarak buji bölgesinde tutuşturulan karışımın dar kanallardan geçirilip ana yanma odasındaki karışımın tutuşturulması işlemidir. Buji bölgesindeki ayrılmış alana ön yanma odası adı verilir. Temelde aktif ve pasif ön yanma odası olarak ikiye ayrılır. Pasif ön yanma odasında yakıt-hava karışımı buji bölgesine dar kanallar vasıtası ile ulaştırılırken aktif ön yanma odasında buji bölgesine ek bir yakıt veya yakıt-hava karışımı gönderilir. Bu çalışmada pasif ön yanma odası kullanılmaktadır. Türbülanslı jet ateşleme yöntemi ile dar kanallardan geçirilen alev sönmeye uğratılarak aktif radikaller ortaya çıkartılır. Bu aktif radikaller daha hızlı bir yanma ilerleyişine fayda sağlamaktadır. Aynı zamanda kanal sayısına bağlı olarak yanma, ana yanma odasında birçok noktada türbülanslı bir şekilde oluşturulmaktadır. Fiziksel olarak ele alındığında ön yanma odasında başlatılan yanma ile kanalların çapına bağlı olarak ana yanma odası ile ön yanma odası arasında kısa süreliğine bir basınç farkı meydana gelmektedir. Bu basınç farkının da etkisi ile alevin ön yanma odasından daha şiddetli bir şekilde ana yanma odasına ulaşması sağlanıp ana yanma odasında türbülans oluşturulmaktadır. Literatürde yapılan çalışmalar kısaca incelendiğinde ön yanma odası fikrini ilk olarak 1920'lerde Sir H.R. Ricardo ortaya atmıştır. Hayata geçirilmemiş olan bu çalışmada benzinli motorda kademeli dolgu oluşturulması amaçlanmıştır. Fakat bu çalışma uzun yıllar sonra 1970'lerde Honda'nın CVCC motoru ile hayata geçmiş olsa da o yıllarda Diesel motorunun küçük hacimlerde üretilip kullanılmasına yol açmıştır. CVCC motoru ile ön yanma odası kullanılarak benzinli bir motorda kademeli dolgu oluşturulup herhangi bir egzoz sonrası iyileştirme elemanı kullanılmadan HC, CO ve NOx emisyonlarında standartlara uyum sağlanmıştır. Fakat petrol krizi ve emisyon problemlerinin artışı ile sıkılaştırılan emisyon standartları nedeniyle fakir karışım ile çalışan bu motor o tarihlerdeki egzoz sonrası iyileştirme elemanlarından faydalanamadığı için sektördeki yerini koruyamamıştır. Benzinli motorda ön yanma odası kullanımı üzerine o tarihlerde L.A. Gussak literatüre önemli katkılarda bulunmuştur. Bu yanma metodunun Schlieren tekniği ile görüntülenmesini sağlayıp alev önü bölgesinde oluşan aktif radikalleri gözlemlemiş ve kimyasının daha iyi anlaşılmasına olanak sağlamıştır. Günümüzde ise hala yaygın bir kullanıma sahip olamayan türbülanslı jet ateşleme yöntemi MAHLE Powertrain ve Maserati gibi önemli firmalar tarafından çalışılmaktadır. Wankel motorunda pratik anlamda kullanımı ise görülmemektedir. Eskiden yapılmış patent çalışmaları ve günümüzde CFD olarak çalışmaları mevcuttur. Bu çalışma kapsamında hem CFD hem de deneysel olarak ön yanma odasının Wankel motorunda kullanımı araştırılıp incelenmiştir. CFD çalışmaları için Converge CFD programı kullanılmıştır. Bu program Wankel motoruna özgün bazı özellikler barındırmasının yanında ağ örme işlemini otonom olarak gerçekleştirip simülasyonların yapılmasında önemli derecede kolaylık sağladığı için tercih edilmiştir. Programın ilk defa kullanılması nedeniyle ilk etapta program içerisindeki örnek Wankel motoru simülasyonu çalıştırılıp çıktıları incelenmiştir. Rotor arka bölgesindeki alev sönmesi, buji boşluğundan odalar arası basınç kaçağı gibi sonuçların 3-boyutlu olarak görüntülenmesi programın güvenirliliğine katkı sağlamıştır. Örnek simülasyon sonrasında deney motorunun yüzeyleri çizilip program içerisine aktarılmıştır. Sonrasında bazı motor simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Ön yanma odası; kanal sayısı, kanal çapı ve ön yanma odası hacmi gibi farklı parametrelere sahip olmaktadır. Bu parametrelerin seviyeleri yanma ilerleyişini önemli ölçüde etkilemektedir. Üç ayrı parametrenin ayrı seviyesi (Kanal sayıları: 2, 4 ve 6, kanal çapları: 1, 1.5 ve 2 mm, ön yanma odası hacimleri: 0.6, 0.8 ve 1 cm3) belirlendikten sonra tüm bunları denemek için 27 farklı simülasyon yapmak gerekmektedir. 3.5 milyon ortalama hücre sayılı bir motor simülasyonunu yapmak yüksek işlem kapasiteli bir bilgisayarda dahi yaklaşık 1 hafta kadar sürdüğü için tüm bu kombinasyonların yalnızca CFD çalışmalarını yapmak aylar sürecektir. Bu nedenle ön yanma odası parametre özelliklerini belirlemek adına simülasyon sayılarını ve sürelerini azaltmak için iki ayrı yöntem uygulanmıştır. Simülasyon sayısını azaltmak için Taguchi yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem ile parametrelerin tüm seviyeleri yerine seçilmiş seviyeleri kullanılarak simülasyon sayısı 27'den 9'a düşürülmüştür. Simülasyon sonuçlarına ise değişken analiz (ANOVA) yöntemi uygulanarak hangi parametrenin yanma sonucuna daha çok etki ettiği ve parametrelerin hangi seviyelerinin iyileştirme sağladığı belirlenmiştir. Simülasyon sürelerini kısaltmak için ise tüm motorun modellenmesi yerine rotorun üst ölü nokta civarında sabit durduğu yalnızca yanma odasının modellendiği hareketsiz bir simülasyon geometrisi kullanılmıştır. Yanma ilerleyişine çok önemli ölçüde etkisi olan yanma odası içerisindeki akışı gerçeğe yaklaştırmak için rotor arka bölgesinden rotor ön bölgesine doğru bir hava-yakıt karışımı akışı sürekli olarak tanımlanmıştır. Simülasyonlar arasında yalnızca ön yanma odalarının geometrileri değiştirilerek bu geometrilerin yanma ilerleyişine olan etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında üretilen ön yanma odası parçaları buji önüne yerleştirilip bujinin geriye alınması ile de ön yanma odası hacmi ayarlanarak çeşitli motor hızı ve yüklerinde deneyler yapılmıştır. Deney motoru olarak Mazda 13B-MSP Renesis motoru tek rotora dönüştürülmüş haliyle kullanılmıştır. Deney motoru Schenk marka 70kW kapasiteye sahip motor dinamometresine bağlanmaktadır. Yakıt tüketimini ölçmek ve yakıtı şartlandırmak için AVL 733S ve 753C cihazları kullanılmaktadır. Egzoz emisyonları ölçümü HORIBA 7500D-EGR ve BOSCH BEA 350 garaj tipi emisyon cihazları ile gerçekleştirilmektedir. Motor yağ ve su sıcaklığı bir şartlandırma ünitesi ile deney sırasında sabit tutulmaktadır. Hareketli halde olan yanma odası basıncını ölçmek için çeşitli piezorezistif ve piezoelektrik basınç sensörleri kullanılmaktadır. Bu sensörlerden gelen veriler Kistler veri toplama ünitesinden bilgisayara aktarılıp kaydedilmektedir.Ön yanma odası geometri belirleme CFD çalışmalarının sonucunda kanal sayısı parametresi bakımından inceleme yapıldığında genel olarak az kanal sayısının daha hızlı bir yanma oluşturduğu görülmektedir. ANOVA testlerine göre değerlendirildiğinde de %61 katkı oranı ile yanma hızına en çok etki eden parametre kanal sayısı olmaktadır. Bunu %22 ve %17 katkı oranı ile kanal çapı ve ön yanma odası hacmi takip etmektedir. Yüksek kanal sayısı ve kanal çapı kombinasyonları bir arada kullanıldığında yanma standart buji ile çalıştırmaya benzer ilerlemektedir. Tüm motoru içermeyen sabit bir akış ve hareketsiz geometrinin kullanıldığı bu CFD simülasyonu kapsamında incelenen sonuçlar üzerinden makul bir yorum yapabilmek için bazı parametreler ile simülasyon sonundaki kümülatif ısı salınım değerleri arasındaki bağlantılar incelenmiştir. Ön yanma odası hacminin toplam kanal yüzey alanına (silindirik kanalların iç yüzey alanı toplamı) oranı incelendiğinde bu oran ile kümülatif ısı salınımı arasında doğru bir orantı görülmektedir. Bu önemli bulgunun doğrulanması için çalışmalara devam edilecektir. CFD çalışmaları devamında pasif ön yanma odası yönteminin dolgu değişimi açısından deney motoruna uygun olup olmadığını görebilmek için çok kanallı bir ön yanma odası ile tüm motorun simülasyonu yapıldığında ön yanma odası içerisine taze dolgunun girebildiği görülmektedir. Deneysel çalışmalara başlandığında ilk olarak motorun ölçüm güvenirliliğini görmek için baz haliyle deneyler yapılmış ve aynı çalışma koşullarındaki eski deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçları arasındaki farkın %2 seviyesinin altında kaldığı görülmüştür. Motorun baz hali ile deneyler yapılıp sonuç değerleri kaydedildikten sonra ön yanma odalı deneyler gerçekleştirilmiştir. Ateşleme avanslarının baz çalışma hali ile sabit tutulduğu deney sonuçları kapsamında ön yanma odalı çalışma şartlarında yanmanın geciktiği görülmüştür. Ön yanma odalı çalışma koşulunda yanmanın kanallardan kısılarak ana yanma odasına ulaşmasında gecikme olduğu ve ateşleme avansının artırılması gerektiği kanaatine varılmıştır. Bu geciken yanmaya rağmen ön yanma odalı çalışma koşulunda Wankel motorunda rotorun arka bölgesinde kalan yakıt nedeniyle meydana gelen gecikmeli yanma eğilimi görülmemiş ve tek eğimli kümülatif ısı salınım grafiği görülmüştür. Aynı zamanda anlık ısı salınım grafiğinde daha yüksek seviyede anlık ısı salınımlarına ulaşılmıştır. Basınç ve ısı salınım grafiklerinde görülen iyileşme eğilimlerinin beraberinde yakıt tüketimi ve emisyon parametlerinde kayda değer bir iyileşme görülmemiştir. Sonraki deneylerde ön yanma odası geometrisi değişimi, yük değişimi, hız değişimi, ateşleme avansı değişimi gibi parametlerin etkisi de baz motora göre karşılaştırma yapılarak incelenmiştir. Genel olarak elde edilen emisyon ve yakıt tüketimi sonuçlarında önemli bir farka rastlanmamıştır. Motor yükünün artması ile birlikte bazı iyileşmeler kaydedilmiştir. Öngörülen iyileşmelerin kaydedilebilmesi için motor yükü artırılmak istendiğinde motorda stabil bir çalışma elde edilememiştir. Pasif ön yanma odası geometrisinden kaynaklı olarak ön yanma odası içerisinde dolgu değişiminin tam anlamıyla gerçekleşmediği düşünülmektedir. Bu etki özellikle daha dar ve az sayıda kanal kullanıldığında daha belirgin bir şekilde görülmüştür. Daha dar ve az sayıda kanal kullanımı ile daha yüksek ana yanma odası basınç seviyelerine ulaşıldığı ve odalar arası (ön ve ana yanma odaları) basınç farkı gözlemlenebilmiştir. Sonuç olarak pasif ön yanmalı yöntemin yanmayı hızlandırdığı tespit edilmiş fakat çok daha belirgin iyileştirme sonuçları kaydedebilmek için dar ve az sayıda kanalların kullanılması, yüksek çalışma yüklerine çıkılması gerektiği fakat dolgu değişiminin sağlanamaması nedeniyle motorun stabil çalışmadığı kaydedilmiştir. Bu nedenle devam eden çalışmalarda aktif ön yanma odası kullanılması ile türbülanslı jet ateşleme yönteminin yanmayı yanma hızını artırarak Wankel motorunda yanmayı iyileştireceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Global warming, driven by greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O), is a critical issue. These gases are emitted from sectors like electricity generation, heating, transportation, manufacturing, construction, agriculture, and industry. The transportation sector, responsible for about 15% of greenhouse gas emissions, is heavily reliant on internal combustion engines. To reduce these emissions, internal combustion engines have been continuously developed for over a century. The Wankel engine, named after its inventor Felix Wankel, is unique with its rotary piston design, which allows it to produce work with each turn of the eccentric shaft, unlike conventional internal combustion engines. It has advantages such as fewer parts, compact size, high power-to-volume and power-to-weight ratios, and low vibration. However, high hydrocarbon (HC) emissions and fuel consumption, due to slow burn rates and the difficulty of achieving thorough flame propagation in its shallow combustion chamber, limit its widespread use. This study aims to improve the Wankel engine's combustion process using the Turbulent Jet Ignition (TJI) method to increase flame propagation speed. The TJI method involves igniting a mixture in a pre-chamber, with the ignited mixture then passing through narrow channels to ignite the main combustion chamber. This study employs passive pre-chamber systems, where the mixture is delivered through narrow channels, as opposed to active systems, which involve additional fuel or mixture in the pre-chamber. Initial CFD simulations were conducted using Converge CFD software. Different pre-chamber geometries were simulated, analyzing parameters such as nozzle number, diameter, and pre-chamber volume. The Taguchi method reduced the required simulations from 27 to 9, and ANOVA tests identified that nozzle number significantly impacts burning speed, followed by nozzle diameter and pre-chamber volume. Experimental work involved testing different pre-chamber configurations on a Mazda 13B-MSP Renesis engine. Results indicated delayed combustion in pre-chamber configurations due to constrained flame propagation, necessitating advanced ignition timing. Despite this, pressure and heat release analyses showed improved combustion characteristics, though no significant improvements in emissions or fuel consumption were observed. Challenges with stable operation at higher loads suggested inadequate charge exchange in the pre-chamber. Future studies will explore active pre-chamber systems to further enhance combustion efficiency in Wankel engines, potentially addressing the current limitations and improving overall engine performance.
Benzer Tezler
- Partikül yüklü, eş eksenli iki jet için karışma ve yanma modeli
A Mixing and combustion model for particle-laden confined coaxiol jets
METİN ERGENEMAN
- Non-reacting flow characteristics of a novel bluff body and swirl-stabilized partially premixed combustor
Yeni geliştirilen kısmi karışımlı bir yakıcının soğuk akış karakteristikleri
YUNUS EMRE KARASU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Local scour due to submerged horizontal jets
Batık yatay jetler altında lokal erozyon
AYTAÇ GÜVEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA GÜNAL
- Experimental and numerical analyses at combustion chamber of ramjet engines
Ramjet motorları yanma odasında deneysel ve sayısal analizler
MEHMET ALTUĞ YAVUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KODAL
