A Numerical Study About the Effects of Spray Angle and Injector Nozzle Diameter on the Performance and Emission Values in A Diesel Engine


Ekin F.

INTERNATIONAL CONGRESS ON ENGINEERING AND LIFE SCIENCE, Kastamonu, Türkiye, 11 - 14 Nisan 2019, ss.1-11

  • Basıldığı Şehir: Kastamonu
  • Basıldığı Ülke: Türkiye
  • Sayfa Sayıları: ss.1-11

Özet

Günümüzde artan sanayileşme ve ulaşım gibi pek çok alanda içten yanmalı motorlar kullanılmaktadır. Bu motorların egzoz gazlarından atmosfere salınan emisyonlar canlılar üzerinde son derece zararlı etkilere sahiptir. Hava kirliliğinin canlılara vermiş olduğu bu zararlar yakın zamana kadar çok dikkate alınmamıştı. Artan küresel ısınma, iklimlerde oluşan dengesizlik ve hava kirliliğinin canlılar üzerinde neden olduğu ciddi rahatsızlıklardan sonra uluslararası ve ulusal birçok zorunlu emisyon standartları getirilmiştir. Bilim insanları özellikle içten yanmalı motorlar üzerine birçok çalışmalar yapmışlardır. Benzin ve dizel motorlar performans değerleri bakımından büyük bir öneme sahiptirler. Ancak çevreye saldıkları emisyonların atmosferi kirletme payları da oldukça yüksektir. Literatürde bu motorların performans kayıpları yaşamadan emisyon değerlerini düşürmek için hem sayısal hem de deneysel çok sayıda çalışma mevcuttur. Dizel motorlarda püskürtülen yakıt damlacıkların yüzey alanı ve hacmi arasında ki oran yakıtın tutuşmasında büyük bir rol oynamaktadır. Ayrıca bu yakıt partiküllerinin uygun bir püskürtme açısında silindir içerisinde hava ile buluşturulmaları gerekmektedir. Bu yüzden püskürtme açısı ve enjektör nozul delik çapı uygun hava yakıt karışımının oluşturulabilmesi için son derece önemlidir. Bu çalışmada İstanbul Teknik Üniversitesi Motorlar Laboratuvarında bulunan 4 silindirli, turbo-şarjlı, dört zamanlı bir dizel motoru AVL Fire CFD programı yardımıyla sayısal olarak modellenmiştir. Modellenen dizel motor deneysel sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulama çalışması yapılmıştır. Daha sonra motorun farklı püskürtme açılarında ve enjektör nozul delik çaplarında performans ve emisyon değerleri incelenmiştir. Motorun orijinal püskürtme açısı 160 derece ve enjektör delik çapı 0.16 mm olarak ölçülmüştür. Yapılan sayısal çalışmada 120, 140 ve 160 derecelik püskürtme açıları ile 0.15, 0.16 ve 0.17 mm enjektör nozul delik çapları incelenmiştir. Bu parametreler ikili kombinasyon şeklinde incelenerek performans ve emisyon değerleri deneysel değerler ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre püskürtme açısının artması performans değerlerine pozitif etki yaparken NOx emisyonlarında artışa neden olmuştur. PM emisyonlarında ise oldukça ideal sonuçlar gözlemlenmiştir. Enjektör delik çaplarının küçültülmesi yakıt parçacık çaplarında azalmalara neden olmuştur. Performans değerlerini arttırmış fakat artan silindir içi bölgesel sıcaklıklardan dolayı NOx emisyon değerlerinde de artışa neden olmuştur. PM emisyon değerleri ise artan silindir içi sıcaklıklardan dolayı düşmüştür. Her iki parametre birlikte düşünüldüğünde deney şartlarındaki duruma göre hem performans hem de emisyon değerlerinde en optimum sonucu veren durum 160 derecelik püskürtme açısı ve 0.17 mm enjektör nozul delik çapı için elde edilmiştir. Güç değerinde %0.07 kayba karşılık NOx emisyon değerinde ise yaklaşık %9 iyileşme görülmüştür. PM emisyonlarında yaklaşık %24 oranında artış olmuştur. Ancak bu artışa rağmen, performans değerlerinde ki çok hafif düşüşe karşılık NOx emisyonlarında ki pozitif sonuçlar ile daralan NOx emisyon sınırlarından dolayı bu durumun daha ideal olduğu söylenebilir.

Today, internal combustion engines are used in many areas such as increasing industrialization and transportation. Emissions gotten out from the exhaust gases of these engines to the atmosphere have extremely damaging effects on living things. These damages caused by air pollution to living things were not taken into consideration until recently. Increasing global warming, imbalance in climates and serious disturbances caused by air pollution on living creatures have received many international and national mandatory emission standards. Scientists have done many studies on internal combustion engines in particular. Gasoline and diesel engines have a great importance in terms of performance values. However, the emissions of these engines to the environment are also very high. In the literature, there are many studies, both numerical and experimental, to reduce the emission values of these engines without experiencing performance losses. The ratio between the surface area and the volume of the fuel droplets sprayed on diesel engines plays a major role in fuel combustion. Furthermore, these fuel particles must be combined with the air in the cylinder at a suitable spray angle. Therefore, the spray angle and the nozzle nozzle diameter are extremely important in order to form a suitable air fuel mixture. In this study, a 4-cylinder, turbo-charged, four-stroke diesel engine located in the Istanbul Technical University Motors Laboratory was modeled numerically with the help of the AVL Fire CFD program. The modeled diesel engine was compared with experimental results and validation study was performed. Then, the performance and emission values of the engine at different spray angles and injector nozzle hole diameters were examined. The original spray angle of the engine was  degrees and the injector hole diameter was 0.16 mm. In the numerical study, ,  and  degrees spray angles and 0.15, 0.16 and 0.17 mm injector nozzle hole diameters were examined. These parameters were investigated in binary combination and performance and emission values were compared with experimental values. According to the results obtained, the rise in spray angle had a positive effect on the performance values and increased the NOx emissions. Ideal results were observed for SOOT emissions. Decreasing the diameter of the injector holes resulted in reductions in fuel particle diameters. This circumstance increased the performance values but increased NOx emission values due to increased in-cylinder regional temperatures, too. SOOT emission values decreased due to increasing in-cylinder temperatures. When both parameters were considered together, the optimum condition for both performance and emission values according to the test conditions was obtained for  degree spray angle and 0.17 mm injector nozzle hole diameter. The power loss was only 0.07%, while the NOx emission decreased by about 9%. There was a 24% increase in SOOT emissions. However, despite this increase of SOOT emissions, it can be said that this situation is more ideal due to the positive results in the NOx emissions and the narrowing NOx emission limits despite the slight decrease in the performance values.