Tek silindirli bir dizel motor için elektronik kontrollü yakıt püskürtme sisteminin geliştirilmesi ve performansının ölçülmesi
Performance measurement and development of electronic controlled fuel injection system for a single cylinder diesel engine
Yazar: MUSTAFA AYDIN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAHATTİN ÇELİK
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Motor kontrol = Motor control ; Motor performansı = Motor performance

Özet:
Düşük güçlü dizel motorların enjeksiyon parametreleri çalışma şartlarına göre değiştirilemediği için bu motorların emisyon değerleri yüksek, verimleri düşüktür. Ayrıca bu motorlarda alternatif yakıt kullanılması durumunda bazı enjeksiyon parametrelerinin yakıt türüne göre değiştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada tek silindirli klasik bir dizel motorun yakıt sistemi, enjeksiyon parametrelerinin değiştirilmesine izin veren Elektronik Kontrollü Yakıt Sistemi'ne (EKYS) dönüştürülerek performans ve emisyonların iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Deney motoru klasik yakıt enjeksiyon sistemi sökülerek yerine EKYS monte edilmiştir. Geliştirilen EKYS ile püskürtme basıncının, püskürtme avansının ve püskürtme süresinin anlık değişimi sağlanmıştır. EKYS Elektronik Kontrol Ünitesi (EKÜ) için Altera DE2 FPGA geliştirme kiti kullanılmıştır. Dizel motorun anlık piston konumunun belirlenmesi ve devrinin ölçülmesi için krank miline bir optik enkoder bağlanmıştır. EKÜ piston konumuna bağlı olarak belirlenen enjeksiyon avansı değerinde elektronik enjektöre tetikleme sinyali göndererek silindir içerisine gönderilen yakıtın miktarını ve püskürtme zamanlamasını ayarlayabilmektedir. Oluşturulan sistemde dizel yakıt ile birlikte alternatif sıvı ve gaz yakıtlar aynı anda püskürtülerek ikincil yakıt olarak kullanılabilmektedir. Dizel motorlarda yapılan alternatif yakıt çalışmalarında karşılaşılan zorlukların ve test prosedüründeki olumsuzlukların giderilmesi için EKÜ farklı çalışma modlarında görev yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. EKYS enjeksiyon parametrelerinin motorun durdurulmasına gerek kalmadan ve mekanik bir eleman değişimi yapmadan ayarlanmasına imkân vermektedir.

Geliştirilen EKYS'nin elektronik donanımın çalışması ile ilgili ölçümler yapılarak sistemin güvenirliği test edilmiştir. Elektronik kontrollü deney motorunun testleri iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada deney motorunda alternatif yakıt olarak atık yağlardan elde edilen biyodizel kullanılarak motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre biyodizel kullanımının dizel motor emisyonlarına olumlu etkisi olduğu görülmüştür. Biyodizel yakıtı ile çalışmada; enjeksiyon basıncı değişimi ile HC emisyonunda %19, CO emisyonunda %18, is emisyonunda %15 oranında azalma elde edilirken NOx emisyonunda ise %5 oranında artış görülmüştür. Ayrıca enjeksiyon basıncının değişimi ile efektif verimde %3 artış elde edilmiştir. Enjeksiyon avansının değişimi ile HC emisyonu %19, CO emisyonu %20, is emisyonu %10 oranında azalırken NOx emisyonu ise %5 oranında artmıştır. Enjeksiyon avansı değişimine bağlı olarak efektif verimde ortalama %2 oranında artış görülmüştür. İkinci aşamada dizel yakıtı ile birlikte LPG yakıtının doğrudan enjeksiyonunun motor performansı, egzoz emisyonları ve yanmaya olan etkileri araştırılmıştır. Yakıt karışımı içindeki LPG oranı arttıkça HC emisyonu %20, CO emisyonu %30, is emisyonu %75 oranında azalırken NOx emisyonu %4 oranında artmıştır. LPG kullanımı ile efektif verimde %2 artış kaydedilmiştir. 

Geliştirilen EKYS'nin elektronik donanımın çalışması ile ilgili ölçümler yapılarak sistemin güvenirliği test edilmiştir. Elektronik kontrollü deney motorunun testleri iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada deney motorunda alternatif yakıt olarak atık yağlardan elde edilen biyodizel kullanılarak motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre biyodizel kullanımının dizel motor emisyonlarına olumlu etkisi olduğu görülmüştür. Biyodizel yakıtı ile çalışmada; enjeksiyon basıncı değişimi ile HC emisyonunda %19, CO emisyonunda %18, is emisyonunda %15 oranında azalma elde edilirken NOx emisyonunda ise %5 oranında artış görülmüştür. Ayrıca enjeksiyon basıncının değişimi ile efektif verimde %3 artış elde edilmiştir. Enjeksiyon avansının değişimi ile HC emisyonu %19, CO emisyonu %20, is emisyonu %10 oranında azalırken NOx emisyonu ise %5 oranında artmıştır. Enjeksiyon avansı değişimine bağlı olarak efektif verimde ortalama %2 oranında artış görülmüştür. İkinci aşamada dizel yakıtı ile birlikte LPG yakıtının doğrudan enjeksiyonunun motor performansı, egzoz emisyonları ve yanmaya olan etkileri araştırılmıştır. Yakıt karışımı içindeki LPG oranı arttıkça HC emisyonu %20, CO emisyonu %30, is emisyonu %75 oranında azalırken NOx emisyonu %4 oranında artmıştır. LPG kullanımı ile efektif verimde %2 artış kaydedilmiştir. 

Düşük güçlü dizel motorların enjeksiyon parametreleri çalışma şartlarına göre değiştirilemediği için bu motorların emisyon değerleri yüksek, verimleri düşüktür. Ayrıca bu motorlarda alternatif yakıt kullanılması durumunda bazı enjeksiyon parametrelerinin yakıt türüne göre değiştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada tek silindirli klasik bir dizel motorun yakıt sistemi, enjeksiyon parametrelerinin değiştirilmesine izin veren Elektronik Kontrollü Yakıt Sistemi'ne (EKYS) dönüştürülerek performans ve emisyonların iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Deney motoru klasik yakıt enjeksiyon sistemi sökülerek yerine EKYS monte edilmiştir. Geliştirilen EKYS ile püskürtme basıncının, püskürtme avansının ve püskürtme süresinin anlık değişimi sağlanmıştır. EKYS Elektronik Kontrol Ünitesi (EKÜ) için Altera DE2 FPGA geliştirme kiti kullanılmıştır. Dizel motorun anlık piston konumunun belirlenmesi ve devrinin ölçülmesi için krank miline bir optik enkoder bağlanmıştır. EKÜ piston konumuna bağlı olarak belirlenen enjeksiyon avansı değerinde elektronik enjektöre tetikleme sinyali göndererek silindir içerisine gönderilen yakıtın miktarını ve püskürtme zamanlamasını ayarlayabilmektedir. Oluşturulan sistemde dizel yakıt ile birlikte alternatif sıvı ve gaz yakıtlar aynı anda püskürtülerek ikincil yakıt olarak kullanılabilmektedir. Dizel motorlarda yapılan alternatif yakıt çalışmalarında karşılaşılan zorlukların ve test prosedüründeki olumsuzlukların giderilmesi için EKÜ farklı çalışma modlarında görev yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. EKYS enjeksiyon parametrelerinin motorun durdurulmasına gerek kalmadan ve mekanik bir eleman değişimi yapmadan ayarlanmasına imkân vermektedir.

Geliştirilen EKYS'nin elektronik donanımın çalışması ile ilgili ölçümler yapılarak sistemin güvenirliği test edilmiştir. Elektronik kontrollü deney motorunun testleri iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada deney motorunda alternatif yakıt olarak atık yağlardan elde edilen biyodizel kullanılarak motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre biyodizel kullanımının dizel motor emisyonlarına olumlu etkisi olduğu görülmüştür. Biyodizel yakıtı ile çalışmada; enjeksiyon basıncı değişimi ile HC emisyonunda %19, CO emisyonunda %18, is emisyonunda %15 oranında azalma elde edilirken NOx emisyonunda ise %5 oranında artış görülmüştür. Ayrıca enjeksiyon basıncının değişimi ile efektif verimde %3 artış elde edilmiştir. Enjeksiyon avansının değişimi ile HC emisyonu %19, CO emisyonu %20, is emisyonu %10 oranında azalırken NOx emisyonu ise %5 oranında artmıştır. Enjeksiyon avansı değişimine bağlı olarak efektif verimde ortalama %2 oranında artış görülmüştür. İkinci aşamada dizel yakıtı ile birlikte LPG yakıtının doğrudan enjeksiyonunun motor performansı, egzoz emisyonları ve yanmaya olan etkileri araştırılmıştır. Yakıt karışımı içindeki LPG oranı arttıkça HC emisyonu %20, CO emisyonu %30, is emisyonu %75 oranında azalırken NOx emisyonu %4 oranında artmıştır. LPG kullanımı ile efektif verimde %2 artış kaydedilmiştir.

Abstract:
The emission values of low-power diesel engines are high and their efficiency are low since the injection parameters of these engines cannot be changed according to operating conditions. Besides, when alternative fuels are used in these engines some of the injection parameters must be changed the fuel type. In this study, it is aimed to improve the performance and emissions by converting the fuel system of a single-cylinder classical diesel engine into electronically controlled common rail direct injection. The test engine was detached from the conventional fuel injection system and replaced with an Electronic Controlled Fuel System (ECFS). With the developed ECFS, instantaneous change of the injection pressure, injection timing and period were provided. Altera DE2 FPGA development kit was used for ECFS Electronic Control Unit (ECU). An optical encoder was connected to the crankshaft to determine the angular piston position of the diesel engine and measure the engine speed. The ECU can set the amount and timing of the fuel which sent into the cylinder by the electronic injector trigger signal at the determined position value depending on the piston position. Alternative liquid and gaseous fuels can be sprayed at the same time and used as secondary fuel together with diesel fuel in the developed system. The ECU was designed to work in different operation modes in order to overcome the difficulties encountered in diesel fuel alternative fuel researches and the adverse effects of the test procedure. ECFS allows adjusting the injection parameters without stopping the engine and a mechanical change.

The reliability of the system has been tested by making measurements related to the electronic equipment of the developed ECFS. The tests of the electronically controlled test engine were carried out in two stages. In the first stage, the effects on engine performance and exhaust emissions were investigated by using biodiesel from waste oil as an alternative fuel in the test engine. Experimental results showed that the use of biodiesel has a positive effect on diesel engine emissions. By changing the injection pressure of the engine running on biodiesel fuel; HC and NOx emissions increased by 19% and 5%, and the CO emissions and smoke emissions were decreased by 18% and 15% respectively. In addition, 3% increase in efficiency was achieved by the modification of injection pressure. By changing the injection timing, HC, CO and smoke emissions were reduced by 19%, 20% and 10% respectively while NOx emissions increased by 5%. An increase by 2% in efficiency was observed when the injection advance was modified. In the second stage, the engine performance, exhaust emissions and combustion effects of direct injection of LPG fuel with diesel fuel were investigated. As the LPG ratio in the fuel mixture increased, the HC emission decreased by 20%, the CO emission decreased by 30%, the smoke emission decreased by 75% and the NOx emission increased by 4%. Thermal efficiency increased by 2% with the use of LPG.