Sıkıştırma ile Ateşlemeli Bir Motor Silindirinin Sıkıştırma Zamanında Kompresyon Segman Yuvası Boşluğunda Oluşan Akışın İncelenmesi

Year 2025, Volume: 15 Issue: 1, 20 - 34, 30.06.2025

Hüdagül Değirmenci , Emrah Kantaroğlu

https://doi.org/10.54370/ordubtd.1432379

Abstract

Sıkıştırma ile ateşlemeli motorların çalışma prensibi olarak ortaya çıkan, silindir içerisindeki yüksek sıkıştırma ve buna bağlı gerçekleşen yanma olayı sonucunda, yanma odasındaki gazlar genleşir ve güç üretilir. Silindirin sahip olduğu yüksek sıcaklık ve basınç nedeniyle yapısal ve termal yükler ortaya çıkar. Bununla beraber akış hattı içerisinde de farklı enerji kayıpları veya dönüşümleri eş zamanlı olarak gerçekleşir. Bu çalışmada sıkıştırma ile ateşlemeli Renault F8Q706 motorunun bir pistonunun kompresyon segmanı yuva boşluğundaki kaçak debi, hız ve sıcaklık dağılımları sayısal olarak incelenmiştir. İncelemeler 2500d.dk-1 motor devrinde, tam yükte ve sıkıştırma sonu piston üst ölü noktadayken hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemiyle yapılmıştır. İncelemelerde sıkıştırma sonunda, yanma başlamadan önceki sıkıştırılmış hava dikkate alınmış ve analizler buna göre yapılmıştır. 2-Boyutlu (2B) segman yuvası boşluğu HAD analizlerindeki sınır şartları, Ricardo-Wave yazılımı ile oluşturulan 1-Boyutlu (1B) motor modelinden ve literatürden alınmıştır. Segman yuvası boşluğunun 2B çizimi SolidWorks yazılımında ve HAD analizleri ANSYS-Fluent modülünde yapılmıştır. Bu kapsamda, girişte 3MPa, 5MPa ve 7,5MPa giriş basınçlarına karşılık, segman yuvasındaki boşluk havasındaki kaçak debi sırasıyla 0,01569436, 0,01569455, 0,01569465 kg s-1 olarak gerçekleşmiştir. 7,5 MPa giriş basıncında toplam gaz sıcaklığı en yüksek 4069,244 K, akışkan hızı ise 0,6885588 m s-1 olarak hesaplanmıştır. Yüksek sıkıştırma oranına bağlı olarak, giriş basıncının artması ile segman yuvası boşluğundaki kaçak debi, sıcaklık ve hız değerleri artmıştır.

Keywords

motor performansı , kompresyon segmanı , segman yuvası , sızdırmazlık , HAD

Ethical Statement

Bu makalenin yayınlanmasıyla ilgili herhangi bir etik sorun bulunmamaktadır.

Investigation of the Flow in the Compression Ring Groove of a Compression-Ignition Engine Cylinder During the Compression Stroke

Abstract

In compression-ignition engines, the principle of operation involves high compression in the cylinder, leading to combustion that expands gases in the combustion chamber and generates power. The high temperature and pressure within the cylinder result in structural and thermal loads, along with simultaneous energy losses or transformations in the flow path. This study numerically investigates the leakage flow rate, velocity, and temperature distributions in the compression ring groove of a Renault F8Q706 engine piston. Using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis, the study was conducted at 2500 rpm, full load, and at the top dead center of compression. The compressed air before combustion was considered in the analysis. The 2D geometry of the ring groove was modeled using SolidWorks, and CFD simulations were performed with ANSYS Fluent, using boundary conditions from a 1D motor model created in Ricardo-Wave software and literature. Results indicate that for inlet pressures of 3 MPa, 5 MPa, and 7.5 MPa, the leakage flow rates were 0.01569436, 0.01569455, and 0.01569465 kg.s-1, respectively. At 7.5 MPa, the maximum gas temperature reached 4069.244 K, and the fluid velocity was 0.6885588 m/s-1. It was observed that as the inlet pressure increased, the leakage flow rate, temperature, and velocity within the ring groove space also increased due to the high compression ratio.

Keywords

engine performance , compression ring , ring groove , sealing , CFD

References

• Aktaş, F. (2021). Numerical investigation of the effects of the use of propane-diesel as a dual fuel in a diesel engine on the combustion regime, engine performance and emission values [Yayımlanmamış doktora tezi]. Gazi Üniversitesi.
• Bayram, M. K., & Kantaroğlu, E. (2024). Sıkıştırma ile ateşlemeli bir motorda farklı piston malzemelerinin sonlu elemanlar metodu ile termal davranışlarının incelenmesi. International Journal of Engineering Technology and Applied Science, 7(1), 9-22. https://doi.org/10.53448/akuumubd.1431294
• Cheng, W. K., Hamrin, D., Heywood, J. B., Hochgreb, S., Min, K. ve Norris, M., (1993). An overview of hydrocarbon emissions mechanisms in spark-ignition engines. SAE Technical Paper 932708. https://doi.org/10.4271/932708
• Chucholowski C, Kornprobst H. ve Zellinger K., (1982). FVV. Absclußbericht Nr. 250.
• Cunanan, C., Tran, M.K., Lee, Y., Kwok, S., Leung, V., Fowler, M. (2021). A Review of heavy-duty vehicle powertrain technologies: Diesel engine vehicles, battery electric vehicles, and hydrogen fuel cell electric vehicles. Clean Technologies, 3(2), 474-89. https://doi.org/10.3390/cleantechnol3020028
• Engine catalog. (2021). https://mymotorlist.com/engines/renault/ adresinden 12 Aralık 2023 tarihinde alınmıştır.
• Fenimore, C. P. (1971). Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames. Symposium (International) on Combustion, 13(1), 373-380. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(71)80040-1
• Furuhama, S. (1959). A dynamic theory of Piston-Ring lubrication: 1st report, calculation, Bull JSME, 2, 423-428. http://dx.doi.org/10.1299/jsme1958.2.423
• Ghojel, J. I. (2010). Review of the development and applications of the wiebe function: a tribute to the contribution of Ivan Wiebe to engine research. International Journal of Engine Research, 11(4), 297-312. https://doi.org/10.1243/14680874JER06510
• Heywood, J. B., (1988). Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill.
• Karamangil, M. E. (2004). Benzinli motorlarda segman ve conta boşluğu hidrokarbonlarının silindir içi dağılımı. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 9(1), 53-64. https://doi.org/10.17482/uujfe.92065
• Kantaroğlu, E. (2024). Influence of different Reynolds numbers and new geometries on water jacket cooling performance in a CI engine. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. https://doi.org/10.1177/09544089241260876
• Kornprobst H., Zellinger K. ve Ringbewegung, (1987). FVV. Abschlußbericht Nr. 344.
• Koszalka, G., ve Suchecki, A. (2017). Analysis of design parameters of pistons and piston rings of a combustion engine. MATEC Web Conf., 118. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711800013
• Koszalka, G. (2019). The use of the gas flow model to improve the design of the piston-rings-cylinder system of a diesel engine. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 659. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711800013
• Lyubarskyy, P. ve Bartel, D. (2016). 2D CFD-model of the piston assembly in a diesel engine for the analysis of piston ring dynamics, mass transport and friction. Tribology International, 104, 352-368. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.09.017
• Mahle GmbH (2012). Pistons snd engine testing (1st ed). Vieweg – Teubner.
• Newhall, H. K. (1969). Kinetics of engine-generated nitrogen oxides and carbon monoxide. Symposium (International) on Combustion, 12(1), 603-613. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(69)80441-8
• Pipitone, E. (2009). A new simple friction model for s. i. engine. SAE Technical Paper 2009-01-1984. https://doi.org/10.4271/2009-01-1984
• Satge´ de Caro, P., Mouloungui, Z. ve Vaitilingom, G., Berge, J. C. (2001). Interest of combining an additive with diesel–ethanol blends for use in diesel engines, Fuel, 80(4), 565-574. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(00)00117-4
• Türkiye Cumhuriyeti Dışişleri Bakanlığı (2016). https://www.mfa.gov.tr/paris-anlasmasi.tr.mfa adresinden 12 Aralık 2023 tarihinde alınmıştır.
• Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK). (2024). https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Motorlu-Kara-Tasitlari-Eylul-2023-49429#:~:text=Eyl%C3%BCl%20ay%C4%B1%20sonu%20itibar%C4%B1yla%20trafi%C4%9Fe%20kay%C4%B1tl%C4%B1%2014%20milyon%20967%20bin,%250%2C2 adresinden 7 Ocak 2024 tarihinde alınmıştır. Yeşilada, Ö. (1997). Segmanlar. (M.Sc.), Istanbul Technical University.
• Wiebe, I., (1956). Semi-empirical expression for combustion rate in engines. In Proceedings of Conference on piston engines, USSR Academy of sciences, Moscow (pp. 186-191).
• Winterbone, D. E. ve Turan, A. (2015). Advanced thermodynamics for engineers (2nd ed). Butterworth-Heinemann An Imprint of Elsevier.
• Woschni, G. (1967). A universally applicable equation for the instantaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine. SAE Technical Paper 670931. https://doi.org/10.4271/670931