Burak YELKEN, İsmail Hakkı SAVCI, Zafer DÜLGER

Dizel İçten Yanmalı Motorlarda Silindir İçindeki Hava Hareketlerinin İncelenmesi ve Ölçüm Metodlarının Karşılaştırılması

Dizel motorlarda yanma odası içerisindeki yakıt ve hava karışımı tam olarak homojen değildir. Bu karışımın silindir içinde hareketinin davranış özelliklerini çözebilmek için çeşitli modellemeler yapılmış olsa da henüz fiziksel olarak motor içi akış karakteristliği tam olarak anlaşılamamıştır. Silindir içindeki hava hareketlerinin özellikle motor yanma performansı ve emisyon gibi parametrelere etkisi vardır. Motorun hava emişi sırasında, silindir içerisindeki hava, girdap ve takla olmak üzere iki farklı hareket yapabilmektedir. Bu çalışmada özellikle girdap hareketi üzerinde durulacaktır. Girdap hareketinin detaylı olarak anlaşılması için son yıllarda gelişen lazer ve kamera teknolojileri kullanılması gerekmektedir. Bu sayesinde girdap hareketinden kaynaklı akış karekteristliklerini detaylı olarak incelemek mümkün olabilecektir. Bu çalışma kapsamında, çalışmaya özgü olarak, 9l silindir hacmine sahip bir dizel motorun hava emiş portunu temsil eden, hızlı prototipleme yöntemi kullanılarak bir prototip parça üretilmiştir. 9l silindir hacmine sahip motorun hava emiş kanalını temsil eden bu parça üzerinde balpeteği tork yöntemi kullanılarak ve supap yerdeğiştirmesi 1mm’lik artan mesafeler ile taranarak girdap katsayıları ölçülmüştür. Gerçekleştirilen belirsizlik analizi ile yapılan testin hata mertebesi belirlenmiştir. Parçacık görüntülemeli hız ölçümü (PGHÖ) tekniği ile aynı parça üzerinde girdap ölçümü 2 boyutlu (2d/2c) ve 3 boyutlu (2d/3c) olarak gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. PGHÖ tekniği için de belirsizlik analizi yapılarak hata mertebesi belirlenmiştir. Yöntemler arasında bir karşılaştırma yapılmış ve dizel motor girdap oranı ölçümünde kullanılacak metodların değerlendirilmesi yapılmıştır. Böylece girdap oranına göre kullanılacak metod seçimlerini sağlayacak bir metodoloji üretilmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Girdap hareketi, 2D PGHÖ, stereo PGHÖ

Investigation of Air Movement in Cylinder in Diesel Internal Combustion Engines and Comparison of Measurement Methods

Fuel and air mixture in the combustion chamber is not the homogeneous distribution. Although various models have been developed to understand the characterization of the mixture movement inside the cylinder, it is not well understood. Air movements in the cylinder have a great effect on engine combustion performance and engine emissions. During the suction of the engine, the air can discharge with different movements through to the cylinder as swirl and tumble. In this study, swirl performance is investigated with laser and camera technologies. Within the scope of this work, a prototype part that represents the air intake port of a 9l diesel engine was manufactured with additive manufacturing method. Swirl coefficients were measured using the honeycomb torque method. The error level of the test was determined by the uncertainty analysis. Swirl measurement was performed with the particle imaging velocimetry (PIV) technique in two dimensions and three dimensions. The degree of error was determined by performing uncertainty analysis for the PIV technique as well. A comparison between the methods and evaluation of suitability was completed.

Keywords:

Swirl, 2D PIV, Stereo PIV,

PDF

___

Heywood, J. 1988. Internal combustion engine fundamentals. New York, NY
Gül, M. Z., Köten,H., Yılmaz,M., Savcı,İ.H. 2018. “Advanced numerical and experimental studies on CI engine emissions”, Journal of Thermal Engineering, Vol.4, No.4, ss. 2234-2247.
Vester,A.K., Nishio, Y., Alfredsson, P.H. 2018. “Unravelling tumble and swirl in a unique water-analogue engine” Journal of Visualization, 21(4):557–568, doi: 10.1007/s12650-018-0485-3
Bottom, K.E. 2003. “PIV measurements of in-cylinder flow and correlation with engine performance” Ph.D. thesis, University of Wisconsin – Madison, Wisconsin. https://search.proquest.com/pqdtglobal/docview/305284162/51E61068881B4A96PQ/1?accountid=16382
Vester,A.K., Nishio, Y., Alfredsson, P.H. 2019. “Investigating swirl and tumble using two prototype inlet port designs by means of multiplanar PIV” International Journal of Heat and Fluid Flow, 75, 61-76, doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.11.009
Cosadia, I., Bore´e, J., Charnay, G., Dumont, P. 2006. “Cyclic variations of the swirling flow in a diesel transparent engine” Experiments in Fluids, vol.41, pp.115–134. doi: 10.1007/s00348-006-0163-4
Rabault, J., Vernet, J., Alfredson, P. 2016. “A study using PIV of the intake flow in a diesel engine cylinder” International Journal of Heat and Fluid Flow, vol.62, pp.56-67. doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2016.06.020
Doosje, E., Bastiaans R.J.M., Baert, R.S.G. 2004. “Application of PIV to characterise the Flow-Phenomena of a Heavy-Duty Cylinder Head on a Stationary Flow-Bench, In Particle Image Velocimetry: Recent Improvements” Springer, pp. 301-313. doi: 10.1007/978-3-642-18795-7_22
Gim,Y., Jang, D.K., Sohn, D.K., Kim, H., Ko, H.S. 2020. “Three-dimensional particle tracking velocimetry using shallow neural network for real-time analysis” Experiments in Fluids, 61(2), 1-8, doi: 10.1007/s00348-019-2861-8
Timmins, B.H. 2011. “Automatic particle image velocimetry uncertainty quantification” Ms.C. thesis, Utah State University, Utah. https://digitalcommons.usu.edu/etd/884/
Sciacchitano, A. 2019. “Uncertainty quantification in particle image velocimetry” Measurement Science and Technology, 30(9),092001, doi: 10.1088/1361-6501/ab1db8
Abe, M., Longmire, E. K., Hishida, K. and Maeda, M. 2000. “A Comparison of 2D and 3D PIV Measurements in an Oblique Jet” Journal of Visualization, vol.3, No.2, pp.165-173. https://content.iospress.com/articles/journal-of-visualization/jov3-2-09
Martins, F.J., Foucaut, J.M., Thomas, L., Azevedo, L.F.,Stanislas, M. 2015. “Volume reconstruction optimization for tomo-PIV algorithms applied to experimental data” Measurement Science and Technology, 26(8), 085202, doi: 10.1088/0957-0233/26/8/085202
Warner, Scott O. 2012. “Autocorrelation-based estimate of particle image density in particle image velocimetry” Ms.C. thesis, Utah State University, Utah. https://digitalcommons.usu.edu/etd/1386/
Sciacchitano, A. 2014. “Uncertainty quantification in particle image velocimetry and advances in time-resolved image and data analysis” PhD thesis, Delft University of Technology, Delft. doi: 10.4233/uuid:bfe57561-523f-4e7e-8e28-e804a6f1625e
Wieneke, B. 2017. “PIV Uncertainty Quantification and Beyond” PhD Thesis, Delft University of Technology, Delft. doi: 10.4233/uuid:4ca8c0b8-0835-47c3-8523-12fc356768f3
Özgün, Ö., Kumlutaş, D., Yücekaya, U. A. 2017. “Üç Boyutlu Arka Plan Konumlandırılmış Yoğunluk Farkı (Schlieren) Yöntemi ile Akış Yapılarının İncelenmesi ve Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçümü ile Doğrulanması” Mühendis ve Makina, 58(687), 29-40.
Sadıkov, E., Kangı, R., Uğur, S. 1995. “Ölçüm Belirsizliği” TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Ulusal Metroloji Enstitüsü, UME 95-014 pp.55-61. https://www.ume.tubitak.gov.tr/sites/images/ume/ume-95-014.pdf
https://web.mit.edu/fluids-modules/www/exper_techniques/LDA.text.pdf, Son erişim tarihi: 27.12.2020
Dwarshala, S., Vandana, S., & Rambhaji, G. 2016. “Computation and Validation of In-Cylinder Flow Field, Swirl and Flow Coefficients for a Naturally Aspirated Single Cylinder Diesel Engine” SAE Technical Paper, No. 2016-28-0018, doi: 10.4271/2016-28-0018
Demirkesen, C., Çolak, U., Savcı, İ.H., Zeren, H.B. 2020. “Experimental and Numerical Investigation of Air Flow Motion in Cylinder of Heavy Duty Diesel Engines” Journal of Applied Fluid Mechanics, 13(2), 537-547, doi: 10.29252/jafm.13.02.30369
Çetin, A., Sayer, S. 2019. “Emme Manifoldu Üretiminde Gelişen Teknolojik Uygulamalar”. Mühendis ve Makina, 60(696), 251-261
Funken, B., Doğan, B. 2014 “Port Flow Test Rig Manual” FEV. https://www.fev.com/fileadmin/user_upload/TEC-INFOS-Flow_Test_Bench-EN-DE.pdf
Onan, C. 2013. “Boruların dış yüzeyindeki hareketli sıvı filminden olan ısı ve kütle transferinin incelenmesi” Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul. https://scholar.google.com/scholar hl=en&q=C.%C2%A0Onan%2C+Heat+and+Mass+Transfer+Analysis+of+the+Falling+Film+Outside+the+Horizontal+Tubes.+Ph.D.+Thesis%2C+Yildiz+Technical+University%2C+Istanbul%2C+Turkey%2C+2013.
Kline, S.J. ve McClintock, F.A. 1953. “Describing Uncertainties in Single-Sample Experiments” Mechanical Engineering, vol.75: pp.3–8. https://scholar.google.com/scholar_lookup?title=Describing%20uncertainties%20in%20single-sample%20experiments&author=S.J.%20Kine&publication_year=1953&pages=3-8