Search

CI dizel motorların yüzyıllık geçmişi olmasına rağmen, araştırmacılar motor geliştirmeyi bugüne kadar halen sürdürmektedir. Araştırmacılar, azalan fosil yakıt kaynakları ve katı emisyon kuralları sebebiyle geliştirmelerini hızlandırmaktadırlar. Bu sebeple, üç ana stratejik görevler ; Optimum yakıt tüketimi, Düşük gaz emisyonları, ve Yüksek motor performansı hedef alınmaktadır.Yukarıdaki hedefleri deneysel ve hesaplamalı yöntemlerle ulaşılabilir. İçten yanmalı motorun bilgisayarlı modelleme işlemleri, deneysel çalışmalara nazaran, genişletilmiş parametrik çalışmalarda daha kullanışlıdır.Bu çalışmada endirekt injeksiyon (IDI) sistemine sahip 16 silindir V tipi 16PA4-185 motorun performansı çalışılacaktır. Belirli bir geometride, enjeksiyon karakteristiklerinde ve yakıt özelliklerinde, motor modeli oluşturulacak ve bütün tipik motor performans parametreleri elde edilecektir.Motorun oluşturulmasındaki değişkenler üretici tarafından verilecektir. Ancak bazı parametreler, tez danışmaının isteği üzerine varsayımsal olarak alınacaktır. Motorun numerik simülasyon modeli, iş istasyonuna uyumlu bir ağ çözümü ile oluşturulacak, dolayısıyla işlemsel maliyete karşın model çıktısının doğruluğu optimize edilecektir.Birçok durum çalışması, bazı motor parametrelerini değiştirerek, sonuca ve karşılaştırmaya varmak amaçlı dikkate. alınacaktır ve ön yanma odasına ve diğer enjeksiyon profil verilerine bağlı önermeler oluşturulacaktır.--------------------Although compression ignition (CI) diesel engines were discovered a century ago, researchers continue to contribute in engine development till date as they are motivated by the continuous depletion of hydrocarbon fossil fuel resources and by the stringer government environmental regulations. Therefore, three strategic objectives were always targeted: optimal fuel economy, reduced gas emissions, and outstanding engine performance.Above objectives can be achieved by combination of advanced experimental and computational studies. The modelling of internal combustion engines has an absolute advantage over the experimental approach. Engine modelling is useful to carry out extensive parametric studies that allow for optimization of engine variables. In addition, modelling cost less and consume shorter time than experimentation. Nevertheless, experimentation is essential to fine-tone the design and validate the proposed model results.This paper studying the performance of CI engine that utilizes indirect diesel injection (IDI) on heavy duty locomotive 16-cylinders V-type engine model number 16 PA 4 – 185, by utilizing a commercial numerical simulation software.For a given geometry, injection characteristics, and fuel properties, the engine model will be developed and all typical engine performance parameters will be evaluated. Traditionally, the torque, power and specific fuel consumption of the engine will be obtained. These curves represent the benchmark for comparison with any other results that will be obtained after changing some of the model parameters.The engine variables that required to establish the model will be adopted from the engine specification provided by the manufacturer. However, some parameters will be approximated using available data from literature or common internal combustion engine engineering sense.The numerical simulation model will be constructed with specification (i.e. mesh resolution) suitable for the workstation to be utilized and in a manner that will optimize the computational cost versus the accuracy of the model output.

Yapılan çalışma, 1000-1500 HP güç aralığındaki bir V-12 kısa stroklu motorun konseptüel tasarımıdır. Bütün bir motorun tasarımı büyük bir grup çalışması ve zaman gerektirdiğinden, bu çalışmada 1 boyutlu performans analizi üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmadaki motor, yüksek devir gerektiren tank ve benzeri araçlarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Savunma araçlarında performans ve yakıt tüketimi değerleri önemli olduğundan, emisyonlar ihmal edilmiştir.Bu çalışmada, istenen parametreler bilinmekte, bu parametreler V-12 tipinde tasarım ve 1000-1500 arası güçtedir. 30 litre hacminde bir motor tasarlanmaya karar verilmiştir. Çap, strok ve sıkıştırma oranları, maksimum devirde, 13 m/s'lik piston ortalama hızını geçmeyecek şekilde seçilmiştir. Bu sayede, yüksek hızdan dolayı artacak olan eylemsizlik kuvvetleri azaltılmıştır. Temel ölçüler belirlendikten sonra, sıfır boyutlu termodinamik bir model Matlab programında oluşturularak basit çıktılar elde edilmiştir. Sıfır boyutlu model çözüldükten sonra, bir boyutlu modelin tasarımına GT-Suite programında başlanmıştır. Temel ölçüler programa girilmiştir ve ilk emme ve egzoz manifold geometrileri oluşturulmuştur. Manifoldlardan sonra portlar ve valfler 3 boyutlu olarak SolidWorks programında modellenmiştir. 3 boyutlu modeller ile Ansys Fluent ICE modülüne port flow simülasyonu yapılmıştır ve elde edilen hava geçirgenlik katsayıları GT-Suite programına girilmiştir. Matlab programında, istenen zamanlamada ve açılmada ayarlanabilecek durumda sikloidal kam profili kodu oluşturulmuş ve GT-Suite programına, uygun bir valf profili girilmiştir. Enjeksiyon zamanlaması ve süresi, ateşleme sıraları denenmiş ve seçilmiştir. Simülasyon, geometride bazı modifikasyonlar yapılarak birden fazla kez çalıştırılmıştır. Böylelikle istenen güç aralığı elde edilmiştir. Son simülasyon sonuçlarında 2750 RPM'de 1331 HP gücü ve 239 g/kW.h yakıt tüketimi değerleri elde edilmiş, maksimum torkun 1250 RPM devrinde, 3808 N.m'dir ve özgül yakıt tüketimi 216 g/kW.h değerinde olduğu görülmüştür. This work is about a conceptual design of a V-12 1000-1500 horsepower (HP) oversquare engine. Because of designing a whole engine requires a big group and time, this work is going to be about 1-D performance analysis of the engine. This engine is specifically designed for high RPM uses such as tanks. Since the performance and fuel consumption effects are more important in tanks, emissions are disregarded.In this work, the requirements are known, which is a V-12 30 liter engine with 1000-1500 preferred horsepower range. Bore, stroke and compression ratios are selected without exceeding piston velocity of 13 m/s at highest RPM, because of increased inertial forces. Then an initial zero dimensional model is created in Matlab to see the basic outputs. After the zero dimensional model is evaluated, one dimensional modeling has started in GT-Suite program. The initial intake and exhaust manifold geometries are created. Then, ports and valves are designed and 3-D drawings were performed in SolidWorks. 3-D drawings are imported into the Ansys Fluent ICE module to simulate port flow. The outputs are obtained and discharge coefficients for valves and ports are imported to GT-Suite. A cycloidal cam profile script is created in Matlab and imported to GT-Suite. The injection timing and durations are adjusted, firing orders are selected. The simulation has run and with some modifications and adjustments in the geometries, the power range of the simulated engine met the requirements needed. The final simulation output is 1331 HP and brake specific fuel consumption is 239 g/kW.h @ 2750 RPM. Maximum torque is 3808 N.m and brake specific fuel consumption is 216 g/kW.h @ 1250 RPM. 119

ÖZETV-16 AĞIR HİZMET DİZEL MOTORUNDA PİSTON YÜZEY GEOMETRİSİNİN OPTİMİZASYONUİçten yanmalı motorların termodinamik performansını iyileştirmek için geçmiş yıllardan günümüze birçok yenilik uygulanmıştır. Günümüzdeki ticari dizel motorlardan istenen yüksek performansla birlikte düşük emisyon oranları motorların tasarımını gitgide zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada direkt enjeksiyonlu sıkıştırma ateşlemeli V-16 ağır hizmet motoru üzerinde, piston yüzey geometrisi ve temel yakıt enjeksiyon parametlerini kullanarak, CFD yanma simülasyonları ve optimizasyon programı aracılığı ile motorun mevcut performansını koruyup daha düşük yakıt tüketimi sağlaması amaçlanmıştır. Bu çalışma esnasında optimizasyon programına BMEP ve PFP değerleri hedef değerler olarak tanımlandı. Optimizasyon girdisi olarak ise yakıt enjeksiyon basıncı, enjeksiyon başlangıç zamanı ve enjeksiyon süresi değerleri alt ve üst limit değerleri tanımlanarak sMOGA optimizasyon algoritmasında kullanıldı. Bu çalışma esnasında her bir CFD simülasyonun performans çıktıları ile NOx ve kurum sonuçlarıda elde edilerek optimizasyon esnasında tasarımlara ait emisyon değerinin değişimi incelenmiştir. Bu sayede optimizasyon sonucunda istenen hedef performans değerini elde etmiş birden çok piston yüzey tasarımı içinden en düşük emisyon değerine sahip olan tasarımın elde edilmesi sağlandı. --------------------ABSTRACTPISTON BOWL GEOMETRY OPTIMIZATION OVER A V-16 HEAVY DUTY DIESEL ENGİNEMany innovations have been applied from the past years to the present day in order to improve the thermodynamic performance of internal combustion engines. Today's high performance and low emission rate demands for commercial diesel engines make difficult to design engine process. In this study, it is aimed to maintaining the current performance of the engine and achieving lower fuel consumption relative to original design by using computational fluid dynamics (CFD) combustion simulations and optimization on a V-16 heavy duty direct injection compression ignition diesel engine.During this study, break mean effective pressure (BMEP) and peak firing pressure (PFP) values were defined as target values in the optimization program. As the optimization input, piston bowl geometry parameters, fuel injection pressure, start of injection time and injection duration values were used in the surrogate multi objective genetic algorithm (sMOGA) by defining lower and upper limit values.During optimization, NOx and soot results were evaluated as performance outputs of each CFD simulation and the variation of the emission values of the designs was investigated during the optimization. Thus, as a result of optimization, the design with the lowest emission value was obtained from multiple piston bowl designs which have achieved the desired target performance value.