OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
İÇTEN YANMALI MOTOR SİMÜLASYONLARI İÇİN GELİŞTİRİLEN
0-BOYUTLU TİCARİ YAZILIMLARIN PERFORMANSLARININ DETAYLI
VE İNDİRGENMİŞ MEKANİZMALAR KULLANILARAK İRDELENMESİ
U. Demir*, G. Coskun*, N. Yılmaz**, H. S. Soyhan*,***
*
Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya, Türkiye
** New Mexico Institue Mining and Technology, Dep. of Mechanical Eng., New Mexico, USA
*** TEAM-SAN Co., Sakarya Üniversitesi, Teknokent, Rosem No:12, Sakarya, Türkiye
ÖZET
Bu çalışmada bir HCCI motor için PRF-85 (85 izo-oktan ve 15 n-heptan ) yakıt karışımı ile yapılmış deneysel
sonuçlar, 0 boyutlu yanma analizi yapan programların performanslarının değerlendirilmesi için kullanılmıştır. HCCI
motor için 0 boyutlu yanma analizi yapan Chemkin-Pro ve SRM Suite (Stochastic Reactor Model) programlarının
yanma, ısı transferi ve emisyon açısından performansları incelenmiştir. Yapılan çalışmada bir deneysel sonuç için hem
indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizma hem de detaylı kimyasal kinetik mekanizma her iki programda ki analizler
için kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları ile deneysel veriler basınç, ısıl yayılım oranı, CO, CO 2 ve O2 açısından
karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmada ölçülmeyen OH ve H2O2 analiz programları ile tespit edilmiş ve
karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler sonucunda yazılımların birbirlerine karşı olan üstünlükleri tespit edilmiştir. Segman
aralığı, üfleme gibi önemli değişkenlerin modele eklenebilmesi SRM Suite programının basınç ve ısıl yayılım oranı
açıcından deneysel sonuçlara daha iyi yakınsadığı görülmüştür. Chemkin-Pro yazılımının çözüm süresi bakımından açık
bir üstünlüğü bulunduğu ve aynı zamanda deneysel sonuçlara kabul edilebilir oranda yakınsadığı tespit edilmiştir.
Anahtar kelimeler: 0 Boyutlu Yanma Simülasyonu, SRM, Chemkin-Pro, Kimyasal Kinetik Mekanizma, HCCI, PRF
ABSTRACT
In this study, experimental results from a homogenous charge compression ignition (HCCI) engine fuelled with
PRF-85 (85% iso-octane and 15% n-heptane) were used to compare performances of combustion codes for zero
dimensional analysis. These zero-dimensional codes, called SRM suite (Stochastic Reactor Model) and Chemkin-Pro,
were evaluated in terms of combustion, heat transfer and emissions in a HCCI engine. One set of experimental data was
used for analysis in both programs with reduced chemical kinetic mechanism as well as detailed kinetic mechanism.
Simulation results were compared to experimental data in terms of pressure, heat release rate, CO, CO2 and O2.
Temperature, OH and H2O2 that could not be obtained experimentally were evaluated for comparisons between the two
codes. Analysis showed that both codes have advantages over each other. While crevice and blowby, ring gap and
stochastic reactor modelling codes are main advantages of SRM Suite software, these capabilities helped with better
convergence of the results. But, Chemkin-Pro results were acceptable and solution time was fairly shorter than SRM
Suite.
Keywords: 0-D Combustion Simulation, SRM, Chemkin-Pro, Chemical Kinetic Mechanism, HCCI, PRF
1
1.
Ayrıca diğer bir performans kriteri olarak
çözücülerin ve mekanizmaların toplam analiz
süresine etkileri de incelenmiştir. Analiz
programlarının performans değerlendirmesinin daha
sağlıklı olabilmesi için kullanılan 2 farklı
mekanizmadan biri detaylı diğeri ise tam
indirgenmiş kimyasal kinetik mekanizmadır. Analiz
sonuçları, deneysel olarak mevcut olan basınç ve
ısıl yayılım oranı değerleri ile değerlendirilmiştir.
Deneysel olarak elde edilen CO, CO2 ve O2 yanma
sonu ürünleri de analiz sonuçları ile karşılaştırılmış
ve yazılımların ve mekanizmaların performansları
son ürünlere göre incelenmiştir. Bunun yanında
deneysel olarak ölçülmesi zor olan bazı önemli
emisyon verileri açısından da HCCI yanması
incelenmiştir.
.
GİRİŞ
Yüksek karbonlu yakıtlar için geliştirilen detaylı
kimyasal kinetik mekanizmalar genelde fazla sayıda
bileşene
ve
kimyasal
reaksiyona
sahip
olmaktadırlar. Zamana bağlı olmayan, sabit yanma
şartlarına sahip analizlerde sıfır boyutlu çözücüler
ile yüksek karbonlu yakıtlar için detaylı kimyasal
mekanizmalar
kullanılarak
çözüm
yapmak
günümüz bilgisayarı ile dakika mertebesine kadar
indirgenmiştir [1]. Son yıllarda geliştirilen, sıfır
boyutlu yanma analizi yapabilen yazılımlara, içten
yanmalı motorları doğru ve efektif olarak simule
edebilme kabiliyeti kazandırılmaya çalışılmaktadır.
Bu yazılımlardan biri olan CHEMKIN-Pro’nun [2]
asıl geliştirilme amacı, kimyasal reaksiyon
mekanizmalarının doğruluğunu yanma gecikmesi
analizi ile tespit etmektir. Bunun yanında farklı
reaktör tiplerine göre de analiz yapabilme kabiliyeti
bulunmaktadır. Bu reaktör tiplerinden biride içten
yanmalı motor reaktörüdür. Motor yanması için
daha önce yapılan sıfır boyutlu çalışmalar ile yakıt
tükenimi, EGR, giriş sıcaklığının ve farklı
yakıtların homojen karışımlı sıkıştırmalı yanma
(HCCI) motordaki yanmaya etkisi incelendiği
çalışmalar literatürde bulunmaktadır [3, 4, 5, 6, 7,
8].
2.
MODELLEME ÇALIŞMASI
Deneysel çalışmalar İngiltere’de bulunan Shell
laboratuvarında özel olarak tasarlanan tek silindirli,
4 valfli, eğimli çatılı silindir kafasına sahip
deneysel Ricardo Hydra motorunda yapılmıştır.
Motor özellikleri Tablo 1 de ayrıntılı olarak
verilmiştir. Deneysel kurulumda HCCI şartlarını
yakalayabilmek için piston tepesi yükseltilerek
sıkıştırma oranı 14.04 değerine getirilmiş ve silindir
içine giriş sıcaklık değeri ise 250 oC ye yükseltiştir.
Yapılan deneysel çalışmada emme manifoldundan
silindir içine giren havanın basıncı 1 bar ve lambda
değeri ise 3 olacak şekilde ön karışın odasında hava
yakıt karışımı hazırlanmıştır. Deneysel çalışmada
kullanılan PRF yakıtı %85 iso-oktan ve %15 nheptan (PRF-85) karışımından oluşmaktadır.
Bir diğer sıfır boyutlu yanma analizi yazılımı olan
SRM Engine Suite [9] asıl geliştirilme amacı olan
içten yanmalı motorlarda yanma ve emisyon
analizlerini, stokastik çözüm metodu kullanarak
yapabilmektedir. Stokastik çözüm denklemleri
sayesinde yapılan içten yanmalı motor analizlerine
göreceli olarak boyut kazandırmak mümkün
olabilmekte ve bu sayede sonuçların gerçeğe daha
yakın
olduğu
varsayılmaktadır.
Yazılımın
güvenilirliğini ve kabiliyetini inceleyen birçok
yayın literatürde bulunmaktadır. Farklı motor
konseptleri ve yanma koşullarında SRM
yazılımının kullanılabilirliğini tespit etmek için
yapılan çalışmalardan bazıları; manifolddan yakıt
püskürtmeli HCCI motor modellemesi [10, 11],
alternatif yakıt karışımlarının motor yanmasına
etkilerinin modellenmesi [12, 13], erken ve tek
enjeksiyonlu HCCI motor modellemesi [14], çift
püskürtmeli HCCI motor modellemesi[15], çokluçevrimli sürekli olmayan simülasyon ve kontrolü
[16, 17, 18], is oluşumu [19] ve CFD programı olan
KIVA programı [20] ile ortak çalışarak yanma
analizleri gerçekleştirmişlerdir.
Tablo 1. Motor parametreleri
Parametre
Değer
Birim
Silindir çapı
86
mm
Strok
Biyel kolu uzunluğu
Sıkıştırma oranı
Motor devri
Emme valfi çapı
86
143.5
14.04
1200
32
mm
mm
dev/dak
mm
Toplam valf sayısı
4
Emme valfi açılma zamanı 340 BTDC
Emme valfi kapanma zamanı 108 BTDC
Egzoz valfi açılma zamanı 120 ATDC
Egzoz valfi kapanma zamanı 332 ATDC
Bu çalışmada CHEMKIN-Pro ile SRM Engine
Suite yazılımları kullanılarak bir HCCI motor için
iki farklı kimyasal mekanizma ile analizler
yapılmıştır. İki farklı çözüm metodunun ve aynı
yakıt için geliştirilen iki farklı kimyasal
mekanizmanın
deneysel
sonuçlara
olan
yakınlıklarına göre performansları incelenmiştir.
KMA
KMA
KMA
KMA
Modelleme çalışması için 4 farklı analiz
yapılmıştır. Yapılan analizler temel olarak iki grup
altında toplanmıştır. 1. Gruptaki analizler
indirgenmiş kimyasal mekanizma kullanılarak her
iki yazılım için yapılmıştır. 2. Grup analizleri ise
yine her iki yazılım kullanılarak yapılmış fakat bu
2
sefer indirgenmiş mekanizma yerine detaylı
kimyasal mekanizma kullanılmıştır. Tüm analizler
için kullanılan kimyasal kinetik mekanizmalar
özellikle PRF yakıtı için geliştirmiştir. İndirgenmiş
kimyasal mekanizmalar, özel yanma şartlarına göre
düzenlenmiş olmakla beraber bu çevre şartları
aralığında çalıştırıldıklarında çok daha iyi
performans göstermektedirler [21]. Analizler için
kullanılan kimyasal kinetik mekanizmalardan
indirgenmiş olanı Tsurushima [22] tarafından
geliştirilen, 33 bileşen ve 38 reaksiyondan oluşan
kimyasal kinetik mekanizmadır. Bu indirgenmiş
mekanizmanın doğru sonuç verebilmesi için
gereken başlangıç ve yanma koşulları aralığı
deneysel kurgu ile örtüşmektedir. Detaylı kimyasal
kinetik mekanizma ise Westbrook ve ark. [23]
tarafından geliştirilen 1550 bileşen ve 6000
reaksiyon içeren geniş bir mekanizmadır ve
literatürde PRF yakıtı için referans mekanizma
olarak kullanılmaktadır.
SRM Suite içinde kullanılmıştır. Bunun yanında
yazılım içerisinde crevice volume ve blow by ring
gap gibi sonuca önemli etkisi bulunan diğer
etkenlerde modellenebilmektedir. Yine SRM
yazılımda her iki kimyasal kinetik mekanizma için
aynı başlangıç koşulları kullanılmış olup sadece
giriş sıcaklık değerleri kullanılan mekanizmaya
göre değişkenlik göstermiştir. Giriş sıcaklıkları
diğer yazılımda olduğu gibi indirgenmiş
mekanizma için 460 K detaylı mekanizma için ise
520 K olarak kullanılmıştır. Analiz adım aralığı 0.1
ve stokastik partikül miktarı ise 100 olarak
seçilmiştir. Stokastik partikül ağırlığı (particule
weigthing factor) 12 olarak seçilmiştir. Local
karışım modeli (localness mixing model) ve bunun
altında da ortalama karışım zamanı (mean mixing
time) 5 ms olarak seçilmiştir.
3. ANALİZ SONUÇLARI
SRM yazılımda detaylı mekanizma toplam çözüm
süresi (CPU time) 128078 s ve indirgenmiş
mekanizma için çözüm süresi 3171 s dir. ChemkinPro için toplam çözüm süreleri ise detaylı
mekanizma (CPU time) 360 s ve indirgenmiş
mekanizma için çözüm süresi 25 s olduğu tespit
edilmiştir. Analiz sonuçlarından krank açısına göre
basınç değişimi, ısıl yayılım oranı, sıcaklık, C7H16,
C8H18, CO, CO2, H2O2 ve OH ele alınmıştır.
Deneysel çalışmadan elde edilen basınç, ısıl
yayılım oranı, yüzdesel CO, CO2 ve O2 değerleri
analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Deneysel olarak
elde edilmesi zor olan krank açısına bağlı C7H16,
C8H18, CO ve CO2 bileşenleri analiz verileri
kullanılarak yakıt tükeniminin nasıl gerçekleştiğini
görmek için çizdirilmiştir. Bunun yanında HCCI
yanmasında önemli rolü olan ara bileşiklerden H2O2
ve OH i yanmanın nasıl gerçekleştiğini görmek için
yine sadece analiz sonuçları kullanılarak
çizdirilmiştir. Şekil 1’de görüldüğü gibi basınç
eğrisi bakımından, basınç artışının ve pik basınç
değerinin, detaylı mekanizma kullanılarak yapılan
SRM analizlerinin Chemkin-Pro ya göre deneysel
sonuçlarla daha uyumlu olduğu anlaşılmaktadır.
Şekil 2’de ise krank açısına bağlı olarak deneysel
verilerden elde edilen ısıl yayılım oranıyla beraber
detaylı kimyasal kinetik mekanizma kullanılarak
Chemkin-Pro ve SRM Suite yazılımlarıyla yapılan
analiz sonuçları görülmektedir. Şekilde açıkça
görüldüğü üzere SRM çözümünün ısıl yayılım oranı
bakımından da deneysel veriye çok daha yakın ve
uyumlu olduğu anlaşılmaktadır.
2.1 HCCI Motorunu Modellemede Kullanılan
Yazılımlar
Modelleme çalışmasında ilk olarak Chemkin-Pro
programındaki içten yanmalı motor modülü
kullanılmıştır. Analizler EVK (Emme Valfi
Kapanma) zamanı ile EVA (Emme Valfi Açılma)
zamanları arasını modelleyecek şekilde yapılmıştır.
Tüm modelleme çalışmaları 1200 rpm değerine
göre yapılmıştır. Analiz adım aralığı her iki analiz
metodu için 0.1 olarak seçilmiştir. Her iki kimyasal
kinetik mekanizma için aynı başlangıç koşulları
kullanılmış olup sadece giriş sıcaklık değerleri
kullanılan
mekanizmaya
göre
değişkenlik
göstermiştir. Analizler esnasında kullanılan
kimyasal mekanizmaların giriş sıcaklığına büyük
hassasiyet gösterdiği tespit edilmiş ve analiz
başlangıcı olan EVK’da indirgenmiş mekanizma
için sıcaklık değeri 460 K detaylı mekanizma için
ise 520 K girilmiştir. Giriş basıncı için ise deneysel
verilerle aynı olan 1.33 bar değeri kullanılmıştır.
Chemkin-Pro yazılımdaki ısı transferi modeli
Nusselt
denklemini
kullanarak çözülmektedir. Daha önce yapılmış
çalışmalara bakılarak HCCI motor için bu değerler
a = 0.035, b = 0.71, c = 0 seçilmiştir [24]. Silindir
duvar sıcaklığı için sabit 430 K değeri
kullanılmıştır. Chemkin-Pro yazılımı cidar ısı
transferi için Woschni denklemini kullanmaktadır.
The average cylinder gas velocity, w, for a 4-stroke
engine without swirl determined by Woschni is
w
. Denklemdeki
sabit değerler yine HCCI motor için literatürden
bakılarak c1= 2,28, c12 = 0.308, c2 = 3.24 seçilmiştir
[24].
SRM Suite analizleri de yine EVK zamanı ile EVA
zamanları arasını modelleyecek şekilde yapılmıştır.
Chemkin-Pro için kullanılan parametrelerin aynısı
3
çözümde deneysel sonuç ile büyük bir uyum
içindedir.
Şekil 1: Deneysel ve detaylı mekanizma ile
yapılmış basınç analizi sonuçları
Şekil 3: Deneysel ve detaylı mekanizma ile
yapılmış ısı dağılımı analizi sonuçları
Şekil 2: Deneysel ve indirgenmiş mekanizma ile
yapılmış basınç analizi sonuçları
Şekil 4: Deneysel ve indirgenmiş mekanizma ile
yapılmış ısı dağılımı analizi sonuçları
Şekil 3’de indirgenmiş mekanizma ile yapılan
analizlerin detaylı mekanizmaya göre deneysel
sonuçlara daha az yaklaştığı görülmektedir. Basınç
grafiği incelendiğinde hem SRM hem de ChemkinPro yazılımında yanmanın biraz geç başladığı ve
deneysel basınç eğrisine göre daha hızlı yanma
olduğu şekilden görülmektedir. Şekil 4’de
görüldüğü gibi indirgenmiş mekanizma için
simülasyonlardan elde edilmiş ısıl yayılım oranı
sonuçları deneysel sonuç ile birlikte çizdirilmiştir.
Hem SRM hem de Chemkin-Pro sonuçlarından
anlaşıldığı üzere yanma gecikmesi fazladır ve
yanma daha hızlı gerçekleşmiştir.
Detaylı mekanizma ile yapılan analizlerde genel
olarak basınç ve ısıl yayılım oranı bakımından
deneysel
verilere
daha
iyi
yakınsama
gözlemlenmektedir. Özellikle ısıl yayılım oranı,
detaylı mekanizma kullanılarak SRM ile yapılan
Çözüm denklemleri birbirlerine benzer olsa da
aslında iki yazılımı birbirinden ayıran temel özellik
olan Stokhastik partiküllerin çözüme önemli
miktarda katkı sağladığı açıktır. Chemkin-Pro
yazılımı, gaz sıcaklığını tüm çevrim boyunca
yanma odası içerisinde homojen kabul ederek
çözüm yaptığından dolayı, yanma anında ortaya
çıkan ani basınç yükselmeleri ve yüksek pik basıncı
değerlerine neden olduğu düşünülmektedir. Bunun
yanında çözüm süresini ciddi oranda azaltmak
adına, indirgenmiş mekanizmada önemi az olduğu
düşünülen birçok bileşen ve ara reaksiyonların
çıkarılması sebebiyle yanma reaksiyonları daha
hızlı gerçekleştiği düşünülmektedir. Ani basınç
yükselmesi ve ısıl yayılım oranında ortaya çıkan
farklılık bu sebebe dayandırılabilir. Yine de
indirgenmiş mekanizmanın çözüm süresine olan
4
katkısı düşünüldüğünde bu farklılıklar göz ardı
edilebilirler.
Şekil 7: C7H16 tükenim eğrisi
Tsurushima tarafından geliştirilen indirgenmiş
mekanizma için yapılan analizlerde yakıtın daha
erken ve kademeli olarak tükendiği görülmektedir.
Yakıt tükeniminin indirgenmiş mekanizmada
kademeli olarak gerçekleşmesi indirgenmiş
mekanizmanın yeteri kadar iyi çalışıp çalışmadığı
konusunda şüphe uyandırsa da ciddi miktarda ara
reaksiyonun olmayışının bu duruma sebep olduğu
açıktır. Yine de yakıtların tamamen tükendiği
anların tüm analizlerde aynı krank açısında olması
dikkat
çekicidir.
Yazılımlar
açısından
incelendiğinde yakıt tükenimlerinin birbirlerine çok
benzer olduğu görülmektedir.
Şekil 5: Sıcaklık eğrileri
Şekil 5’de deneysel olarak elimizde mevcut
olmayan fakat yanma anındaki sıcaklık artışlarını
görmek için önemli olan sıcaklık eğrileri
görülmektedir. Sıcaklık eğrilerine bakıldığında da
maksimum sıcaklığın 2000-2100 Kelvin sıcaklıkları
arasında olduğu görülmektedir.
Şekil 6: C8H18 tükenim eğrisi
Şekil 6’da yakıt içerisinde kütlesel olarak %85
oranında bulunan C8H18 bileşeninin, şekil 7’de ise
yakıt içerisinde kütlesel olarak %15 oranında
bulunan C7H16 bileşeninin krank açısına bağlı
olarak tükenimi görülmektedir.
Şekil 8: CO oluşum eğrisi
Şekil 8 ve 9’da sırasıyla CO ve CO2’nin krank
açısına bağlı değişim grafikleri görülmektedir.
Genel olarak CO ve CO2 için elde edilen analiz
verileri SRM-detaylı mekanizma çözümü dışında
benzer davranış göstermektedir.
5
indirgenmiş mekanizma dışında diğer analizlerde
aynı mol oranına ulaştığı görülmektedir. Diğer
yandan detaylı mekanizmanın SRM çözümünde
diğerler analizlere göre daha erken OH oluşumu
başlamaktadır ve pik noktası en düşük olan
çalışmadır.
Şekil 9: CO2 oluşum eğrisi
Yukarıda verilen diğer sonuçlardan elde edilen
genel yargı olan SRM-detaylı mekanizma
sonucunun deneysel verilere en yakın analiz olduğu
varsayımında CO oluşumunun fazla olmadığı ve
ayrıca ara bileşenlerin CO2 dönüşümünün daha
yavaş gerçekleştiği düşünülebilir. Fakat krank
açısına bağlı olarak CO ve CO2 değişimi deneysel
olarak elde edilemediği için net bu graklerden net
bir yargıya varmak mümkün olamamaktadır. Hem
detaylı hemde indirgenmiş meknaizmalar için
yapılan SRM analizlerinde bileşenlerin oluşum ve
tükenim zamanlarının biraz daha uzun sürdüğü
dikkate değerdir. Aynı zamanda ortaya çıkan bu
farklılığın mekanizmaya ile aynı oranda kullanılan
çözücüyede bağlı olduğu söylenebilir.
Şekil 11: H2O2 oluşum eğrisi
H2O2 grafiklerinde ise yine detaylı mekanizma ile
ortaya
çıkan
mol
oranının
indirgenmiş
meknaizmaya göre çok daha az olduğu
görülmektedir. Li ve diğerlerinin yaptığı çalışmaya
göre HCCI motorda özel bir laser prosedürü
kullanılarak deneysel yöntem ile yanma öncesi, anı
ve sonrası için belirli krank açılarında elde edilen
H2O2 kütle oranları verilmiştir. Deneysel yöntem ile
elde edilen H2O2 kütle oranlarının Tsurushima
mekanizmasının kullanıldığı SRM yöntemi ile elde
edilen verilerle uyuştuğu belirtilmiştir [25].
Hernekadar bu çalışmada elde edilen H2O2 verileri
deneysel olarak doğrulanmasada, literatürde verilen
motor çalışma koşullarının benzerliği dikkate
alındığında detaylı mekanizmanın verdiği H2O2
sonuçlarının doğruluğu tartışmaya açıktır. İlginçtir
ki SRM detaylı mekanizma çalışmasında CO, CO2
ve OH oluşumunda ortaya çıkan farklılık H2O2 de
görülmemektedir.
Bilindiği
gibi
H2O2’nin
dekompozisyonu motorlarda hidrokarbon yakıtların
otomatik ateşlenmesine neden olan zincir
reaksiyonların en önemli parçasını oluşturmaktadır
[26,27]. Buji ateşlemeli motorlarda H2O2 vuruntuya
neden olabileceği gibi dizel motorlarda otomatik
ateşleme H2O2’nin ayrışmaya başlaması ile
olmaktadır [28]. HCCI motorların çalışmasında eş
zamanlı ateşleme olduğundan H2O2’nin de
kompozisyonu yanmanın gerçekleşmesinde önemli
rol oynar [29]. Şekilde 11’de görüldüğü gibi
indirgenmiş mekanizma ile yapılan simülasyonlarda
H2O2’nin oluşumu daha erken başlamaktadır.
Dolayısı ile indirgenmiş mekanizmada soğuk
yanma reaksiyonlarının daha erken başladığı
söylenebilir. Fakat H2O2’nin tükenim zamanları
Şekil 10: OH oluşum eğrisi
Şekil 10 ve 11’de OH ve H2O2 krank açısına göre
değişimi görülmektedir. Detaylı mekanizma için
grafikler
incelendiğinde
OH
mol
oranı
değişimlerinin her iki yazılım ve mekanizma için
değişiklik
gösterdiği
görülmektedir.
Sıcak
reaksiyonların bittiği andan itibaren SRM-
6
tüm çalışmalar için hemen hemen aynı KA da
gerçekleşmesi mekanizmaların yanma gecikmesi
zamanlarının birbirleriyle örtüştüğü anlamına
gelmektedir.
KAYNAKLAR
[1] J.C.G. Andrae T. Brinck, G.T. Kalghatgi HCCI
experiments with toluene reference fuels modeled
by a semidetailed chemical kinetic model. Volume
155, Issue 4, December 2008, Pages 696–712
5. CONCLUSIONS
Sonuç olarak analizlerde görüldüğü gibi SRM Suite
programının Chemkin-Pro programına göre daha
iyi sonuçlar verdiği verdiği durumlar olmasına
rağmen Chemkin-Pro yazılımınında SRM Suite
yazılımına göre bazı konularda üstün olduğu
gözlemlenmiştir. Bunun nedenleri ise;
SRM Suite yani Stochastic reaktör model de
piston içerisine rastgele partiküller atayarak her
nokta için ayrı çözüm yaparak en sonunda ortalama
bir değer oluşturarak analiz yapmaktadır. Buda
neredeyse 3-B analiz sonuçlarına yakın sonuç
vermesini sağlamaktadır.
Chemkin-Pro programı ise tek hacim kabul
ederek analiz yaptığı için analiz sonuçlarının
deneysel sonuçtan farklı olduğunu şekillerden
görebilmekteyiz.
SRM Suite programında piston crevice vs. gibi
yerlerinde modellemesi yapıldığı için Chemkin-Pro
programına göre daha iyi sonuç vermektedir.
Emisyonlara bakıldığında ise ChemkinPro’nun basınç ve ısıl yayılım oranında SRM Suite
programına göre çok az kötü sonuç vermesine
rağmen Chemkin-Pro programının deneysel
emisyon
değerlerine
çok
yakın
olduğu
gözlemlenmektedir. Chemkin-Pro programının
kimyasal kinetik mekanizma geliştirmede daha iyi
olduğu bu sonuçlardan belli olmaktadır.
Chemkin-Pro programının diğer bir üstünlüğü
çok hızlı analiz yapabilmesidir. Analiz süresi olarak
aynı bilgisayarda analiz yapıldığında Chemkin-Pro
ile 1 dakika veya daha az bir sürede analiz
yapılabilmektedir. Fakat SRM Suite programı ise
aynı analizi neredeyse 15-20 dakika civarında
çözüm yapabilmektedir.
Ayrıca bu çalışmada asıl hedef programların
performans değerlendirmesi idi. Fakat şöyle bir
sonuç daha ortaya çıkmış oldu. Modelleme
yaparken detaylı bir mekanizmanın indirgenmiş
mekanizmaya göre daha istikrarlı ve iyi sonuç
vermiş olduğu giriş sıcaklığının deneysel değere
daha yakın olduğundan ve emisyon sonuçlarından
anlaşılmaktadır. Dezavantaj ise çözüm süresi olarak
detaylı mekanizmanın indirgenmiş mekanizmaya
göre SRM suite programında 100 kat artması
Chemkin-Pro programında ise 10 kat artmasına
neden olmuştur.
[2]http://www.reactiondesign.com/products/chemki
n/chemkin-pro/ da bulunabilir.
[3]Easley, W., Agarwal, A., and Lavoie, G.,
"Modeling of HCCI Combustion and Emissions
Using Detailed Chemistry," SAE Technical Paper
2001-01-1029, 2001
[4] Oguma, M., Goto, S., Oyama, K., Sugiyama, K.
et al., "The Possibility of Gas to Liquid (GTL) as a
Fuel of Direct Injection Diesel Engine," SAE
Technical Paper 2002-01-1706, 2002
[5] Løvås, T., Mauss, F., Hasse, C., and Peters, N.,
"Modeling of HCCI Combustion Using Adaptive
Chemical Kinetics," SAE Technical Paper 2002-010426, 2002
[6] Elkelawy, M., Yu-Sheng, Z., El-Din, H., and
Jing-zhou, Y., "A comprehensive Modeling Study
of Natural Gas (HCCI) Engine Combustion
Enhancement by Using Hydrogen Addition," SAE
Technical Paper 2008-01-1706, 2008
[7] Junnian Zheng, Jerald A. Caton, “Use of
a single-zone thermodynamic model with detailed
chemistry to study a natural gas fueled
homogeneous charge compression ignition engine”,
Energy Conversion and Management, Volume 53,
Issue 1, January 2012,Pages 298-304
[8] Junnian Zheng, Jerald A. Caton, “Effects of
operating parameters on nitrogen oxides emissions
for a natural gas fueled homogeneous charged
compression ignition engine (HCCI): Results from
a thermodynamic model with detailed chemistry”,
Applied Energy, Volume 92, April 2012, Pages
386-394
[9]
http://www.cmclinnovations.com/
bulunabilir
da
[10] Kraft, M., Maigaard, P., Mauss, F.,
Christensen, M., and Johansson, B. "Investigation
of combustion emissions in a homogeneous charge
compression injection engine: Measurements and a
new computational model" Proceedings of the
Combustion Institute, 28:1195–1201, 2000.
[11] Maigaard P, Mauss F, Kraft M, "Homogeneous
charge compression ignition engine: A simulation
study on the effects of inhomogeneities" Journal of
7
Engineering for Gas Turbines and Power:
Transactions of the ASME Volume: 125 Issue: 2
Pages: 466-471 April, 2003.
[21] Christopher J. Montgomery, David A.
Swensen, Tyson
V.
Harding, Marc
A.
Cremer, Michael J. Bockelie. A computational
problem solving environment for creating and
testing reduced chemical kinetic mechanisms.
Volume 33, Issue 2, February 2002, Pages 59–70.
[12] A. N. Bhave, M. Balthasar, M. Kraft and F.
Mauss, (2004), Analysis of a Natural Gas Fuelled
HCCI Engine with Exhaust Gas Recirculation
Using a Stochastic Reactor Model, Int. J. Engine
Res., Vol. 5, No. 1, pp. 93- 104.
[22] T. Tsurushima, A new skeletal PRF kinetic
model for HCCI combustion, Proceedings of the
Combustion Institute, 32 (2009) 2835–2841
[13] Mosbach, S. M. Kraft, A. Bhave, F. Mauss, J.
H. Mack, and R. W. Dibble. Simulating a
homogenous charge compression ignition engine
fuelled with a DEE/EtOH blend. SAE Paper No.
2006-01-1362, 2006.
[23] Marco Mehl, William J. Pitz, Charles K.
Westbrook, Henry J. Curran; Kinetic modeling of
gasoline surrogate components and mixtures under
engine conditions, Proceedings of the Combustion
Institute, 33 (2011) 193–200
[14] H. Su, A. Vikhansky, S. Mosbach, M. Kraft,
A. Bhave, K.-O. Kim, T. Kobayashi, and F. Mauss.
A computational study of an HCCI engine with
direct injection during gas exchange. Combustion
and Flame, 147(1-2):118{132, 2006.
[24] H.S. Soyhan, H. Yasar, H. Walmsley, B.
Heada, G.T. Kalghatgi, C. Sorusbay; Evaluation of
heat transfer correlations for HCCI engine
modeling, Applied Thermal Engineering 29 (2009)
541–549
[15] S. Mosbach, H. Su, M. Kraft, A. Bhave, F.
Mauss, Z. Wang, and J.-X. Wang. Dual injection
HCCI engine simulation using a stochastic reactor
model. International Journal of Engine Research,
8(1):41{50, 2007.
[25] B. Li, M. Jonsson, M. Algotsson, J. Booda,
Z.S. Li, O. Johansson, M. Alde´n, M. Tune´r, B.
Johansson, Proceedings of the Combustion Institute
34 (2013) 3573–3581
[16] A. M. Aldawood, S. Mosbach, and M. Kraft.
HCCI combustion phasing transient control by
hydrogen-rich gas: Investigation using a fast
detailed-chemistry full-cycle model. SAE Paper
No. 2009-01-1134, 2009.
[26] C.K. Westbrook, Proc. Combust. Inst. 28
(2000) 1563–1577.
[17] J. E. Etheridge, S. Mosbach, M. Kraft, H. Wu,
and N. Collings. A detailed chemistry multi-cycle
simulation of a gasoline fueled HCCI engine
operated with NVO. SAE Paper No. 2009-01-0130,
2009.
[28] W.J. Pitz, C.K. Westbrook, Combust. Flame
63 (1986) 113–133.
[27] J.F. Griffiths, K.J. Hughes, R. Porter, Proc.
Combust. Inst. 30 (2005) 1083–1091.
[29] S. Tanaka, F. Ayala, J.C. Keck, Combust.
Flame 133 (2003) 467–481.
[18] S. Mosbach, A. M. Aldawood, and M. Kraft.
Real-time evaluation of a detailed chemistry HCCI
engine model using a tabulation technique.
Combustion
Science
and
Technology,
180(7):1263{1277, 2008.
[19] S. Mosbach, M. S. Celnik, A. Raj, M. Kraft, H.
R. Zhang, S. Kubo, and K.-O. Kim. Towards a
detailed soot model for internal combustion
engines.
Combustion
and
Flame,
156(6):1156{1165, 2009.
[20] L. Cao, H. Su, S. Mosbach, M. Kraft, and A.
Bhave. Studying the influence of direct injection on
PCCI combustion and emissions at engine idle
condition using two dimensional CFD and
stochastic reactor model. SAE Paper No. 2008-010021, 2008.
8
© Copyright 2024 Paperzz
