Benzin motorlarında HC emisyonlarının matematik modellenmesi

Abstract

Bu çalışmada içten yanmalı benzin motorlarında segman boşluğu ve yağ filminden kaynaklanan hidrokarbonların oluşum mekanizması ile muhtelif parametrelere bağlı olarak çevrim boyunca silindir içerisindeki dağılımı incelenmiştir. Birinci aşamada birçok verisi literatürdeki deneysel çalışmalardan alınan matematik yaklaşımlarla segman bölgelerine sıkışan ve yağ filmi tarafindan emilen HC miktarları modellenmiştir. İkinci aşamada bu hidrokarbonların bulundukları ortamdan çıkarak yanma odasına hareketleri modellenmiştir. Bu şamada Navier-Stokes ve bileşenlerin korunumu denklemleri kullanılarak hidrokarbonların supap çıkışına kadar olan hareket seyri takip edilmiştir. Çalışmada lokal sıcaklık değişiminin etkilerini bertaraf etmek ve model geliştirme ve programlama tecrübesine katkı bakımından silindir sıcaklığının bulunması için entalpi denklemi çözülmemiş sıfir boyutlu bir model geliştirilmiştir. Bu durumda bulunan yanma odasının her noktasında belli bir anda sabit olan sıcaklık değeri diğer korunum denklemlerinin çözümü için ithal edilmiştir. Diğer önemli bir nokta da modele silindir içi hidrokarbon oksitlenmesinin dahil edilmemesidir. Yine literatür bilgilerine dayanılarak, silindir içi hidrokarbonların belli bir yüzdesinin yandığı bir safhaya kadar. çözüm yapılmamış, çözümün yapıldığı bundan sonraki safhada da sadece geriye kalan ve miktarı bilindiği kabul edilen HC ele alınmamıştır. Çözüm alanı iki boyutlu ve simetriktir. Çok boyutlu diye isimlendirilen ve sonlu hacim nümerik çözüm yöntemini esas alan bir bilgisayar programı 40x40 değişken büyüklükte hücreleri olan ve hareketli sınırlara sahip bir akış alam için çalıştırılarak çözüme ulaşılmıştır. Çözüm birer derecelik krank açısı artımlarına karşılık gelen zaman adımlarında gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: îçten yanmalı motorlar, HC emisyonları, segmanlar arası boşluk bölgeleri, yağ filmiBu çalışmada içten yanmalı benzin motorlarında segman boşluğu ve yağ filminden kaynaklanan hidrokarbonların oluşum mekanizması ile muhtelif parametrelere bağlı olarak çevrim boyunca silindir içerisindeki dağılımı incelenmiştir. Birinci aşamada birçok verisi literatürdeki deneysel çalışmalardan alınan matematik yaklaşımlarla segman bölgelerine sıkışan ve yağ filmi tarafindan emilen HC miktarları modellenmiştir. İkinci aşamada bu hidrokarbonların bulundukları ortamdan çıkarak yanma odasına hareketleri modellenmiştir. Bu şamada Navier-Stokes ve bileşenlerin korunumu denklemleri kullanılarak hidrokarbonların supap çıkışına kadar olan hareket seyri takip edilmiştir. Çalışmada lokal sıcaklık değişiminin etkilerini bertaraf etmek ve model geliştirme ve programlama tecrübesine katkı bakımından silindir sıcaklığının bulunması için entalpi denklemi çözülmemiş sıfir boyutlu bir model geliştirilmiştir. Bu durumda bulunan yanma odasının her noktasında belli bir anda sabit olan sıcaklık değeri diğer korunum denklemlerinin çözümü için ithal edilmiştir. Diğer önemli bir nokta da modele silindir içi hidrokarbon oksitlenmesinin dahil edilmemesidir. Yine literatür bilgilerine dayanılarak, silindir içi hidrokarbonların belli bir yüzdesinin yandığı bir safhaya kadar. çözüm yapılmamış, çözümün yapıldığı bundan sonraki safhada da sadece geriye kalan ve miktarı bilindiği kabul edilen HC ele alınmamıştır. Çözüm alanı iki boyutlu ve simetriktir. Çok boyutlu diye isimlendirilen ve sonlu hacim nümerik çözüm yöntemini esas alan bir bilgisayar programı 40x40 değişken büyüklükte hücreleri olan ve hareketli sınırlara sahip bir akış alam için çalıştırılarak çözüme ulaşılmıştır. Çözüm birer derecelik krank açısı artımlarına karşılık gelen zaman adımlarında gerçekleştirilmiştir.

In this study, the mechanism of hydrocarbons emanating from ring crevices and lubricating oil film and behaviour and distribution of released hydrocarbons in the cylinder over one engine cycle have been investigated. First modelling for prediction of HC quantities compressed in ring crevices and absorbed by oil film has been realized by utilizing some mathematical approaches based on plenty of experimental results. Second stage involves the release model of hydrocarbons from these two primary sources. Then comes finite volume simultaneous solution of Navier-Stokes and conservation-of-species equations to predict HC behaviour over the cycle throughout the cylinder. In the modelling, in general, calculation of temperature has been performed by an external zero dimensional (mathematical) submodel, but not solution of conservation-of- energy equation, to avoid the effect of temperature variation at the fixed piston position and to have an experience in modelling and programming. Hence -found temperature values imported to the main program to meet the need for solution of temperature dependent parameters. Another important point is that, solution of post-combustion HC oxidation model is not involved. Instead, an approach, based on some experimental results issued, assuming that until a certain stage of the combustion two third of the HC content is oxidized in the combustion room and numerical solution has been run for the stage at which the remaining one third moves in the cylinder through the exhaust port until they exhaust port, a stage after which numerical solution has been realized. Solution field is two dimensional. A computer program, multi-dimensional, adopting finite volume procedure has been run for a 40x40 variable-mesh moving- boundary solution field. The solution has been realized at time steps corresponding to a rotation of one degree crank angle.