Dizel motor silindir devre dışı bırakma teknolojisinin farklı sürüş çevrimleri boyunca araç yakıt tüketimine etkisinin incelenmesi
Investigation the effect of diesel engine cylinder deactivation technology on vehicle fuel consumption through different driving cycles
Yazar: ADEM ÖZDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ DOĞRU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Emisyon regülasyonlarını sağlayabilmek ve daha çevre dostu araçlar üretebilmek için taşıt üreticileri geçmişten günümüze yakıt tüketimi azaltma çalışmalarına devam etmektedir. Özellikle yakıt tüketiminin ulaştırma amaçlı kullanılan dizel motorlarda yakıt ekonomisi iyileştirme çalışmalarının önemli ölçüde artması beklenmektedir. Silindir devre dışı bırakma (CDA), dizel motorlarda yakıt ekonomisini önemli ölçüde iyileştiren ve emisyonları azaltabilen önemli teknolojilerden biridir.
CDA, özellikle düşük yük çalışma koşulundaki yakıt tüketiminin tam yüke göre daha fazla olduğu durumlarda devreye giren bir yakıt tüketimi azaltma teknolojisidir ve çok silindirli motorlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Düşük yüklerde silindirlerin bir ya da daha fazlasının devre dışı bırakılması ile yakıt kesilir ve emme ve egzoz supapları kapatılarak aktif silindirlere daha fazla yük verilir. Böylece CDA modunda motorun, daha yüksek termal verim ve dolayısıyla daha düşük yakıt tüketimi ile çalışması sağlanır.
Düşük yüklerde gaz kelebeğinden kaynaklı kısılma kayıplarının yüksek olmasından kaynaklı olarak CDA teknolojisi benzin motorlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Dizel motorda gaz kelebeği kaynaklı kısılma kaybı olmayacağı için CDA teknolojisinin dizel motor uygulaması konusundaki çalışmalar kısıtlı olmuştur.
Simülasyon çalışmaları kapsamında, otomotiv sektöründe araç ve motor performans uygulamalarında sıklıkla faydalanılan GT-Suite 1-Boyutlu (1D) modelleme yazılımı kullanılmıştır. Bu çalışmada ise GT-Suite yazılımı, CDA teknolojisinin dizel motor yakıt ekonomisine etkisinin incelenmesi için yapılacak 1D simülasyon çalışmalarında kullanılacaktır.
Simülasyonlar için bazı önemli adımları içeren bir metodoloji izlenmiştir. Birinci adımda, tam yük koşulunda elde edilmiş deney datasından beslenen tam yük motor performans modeli oluşturularak deney sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Burada tam yük modeli 800 ve 2100 dev/dk motor hızı aralığında 14 ayrı noktada kararlı hal sonuçları elde edilmiş olup motorun maksimum fren ortalama efektif basıncı 1100 dev/dk'da 23 bar değerine karşılık gelmektedir. Daha sonra doğrulanmış model, ikinci adımda, düşük yüklerde CDA mod (2. ve 3. Silindirler devre dışı, 1. ve 4. silindirler aktif) ve normal mod (tüm silindirler aktif) motor performans sonuçlarını tahmin etmek üzere düşük yük motor performans modeline dönüştürülmüştür. 1D düşük yok motor performans CDA modunda modellerken talep edilen tork ve güçte herhangi bir kayıp olmaksızın, devre dışı bırakılan silindirlerde yakıt kesilir ve supaplar kapatılır. Son adımda, tam yük normal çalışma ve düşük yükte hem normal hem CDA modunda çalışma koşullarına ait performans verileri araç performans modellerine girdi olarak sağlanır.
Bu çalışmanın amacı, literatürde CDA teknolojisinin dizel motor uygulamasına yönelik çalışmaların kısıtlı olmasından dolayı, yakıt tüketimi avantajlarını simülasyon yoluyla tahmin etmek üzere, istenilen silindiri devre dışı bırakma esnekliği sağlayan bir dizi simülasyon metodolojisi izlenmiştir. Simülasyon çalışmasında, ağır vasıta bir araca dört silindirli dizel motor uygulanıp araç performans simülasyonları koşularak, rölanti ve düşük yük çalışma koşullarına sahip sertifikalı sürüş çevrimleri (WHVC, NEDC, FTP75 ve HHDDT) boyunca karşılaştırmalı yakıt tüketimi sonuçları incelenmiştir. Bu çevrimler boyunca, normal mod ve CDA mod karşılaştırmalı 1D araç simülasyon tahminlerine göre CDA modunda %4 civarında yakıt tüketiminde iyileşme sağlanmıştır.

Abstract:
Automotive companies are constantly looking for ways to make vehicles with cleaner pollutants based on strict regulations and provide better fuel economy. This is especially important for diesel engines used for transportation, in which fuel consumption is expected to increase dramatically. The cylinder deactivation (CDA) is one of the promising technologies that can significantly improve fuel economy and reduce emissions in diesel engines.
CDA is a fuel consumption reduction technology that benefits under part-load conditions, where the brake specific fuel consumption (BSFC) is higher than that in full-load engine operation. The engine needs more amount of fuel rather than power generation and vehicle propulsion under low load and idle conditions. By deactivating some cylinders via poppet valve deactivation and fuel cut-off, the load on active cylinders increases, resulting higher efficiency and lower BSFC in terms of engine performance.
CDA technology is more beneficial for gasoline engines as it significantly reduces the high pumping losses caused by the throttling effect along the intake manifold. The advantages of CDA technology in diesel engine commercial applications have been more difficult to realize due to diesel engines do not have throttling effect. Hence, the applications and studies of this technology in diesel engines has been limited. However, this technology also has some advantages in diesel engines. 
Recently, efforts to reduce NOx emissions in diesel engines have increased; the thermal management of exhaust aftertreatment systems in order to ensure that exhaust aftertreatment systems warm up quickly and remain active during cold starting, idling and low load operating conditions has become even more critical. Hence, in diesel engines using CDA technology, one or more of the cylinders are deactivated in low load conditions and the load is increased by injecting more fuel into the active cylinders (without worsening fuel economy) without any loss in the power demanded from the engine. Therefore, higher exhaust temperatures can be achieved by operating active cylinders at a lower air-fuel ratio.
It is thought that the use of CDA will be increasingly adopted, especially in heavy-duty diesel vehicles, thanks to regulators aiming for lower NOx emission standards in the near future.
The aim of the study is to investigate the fuel economy advantage of CDA technology on a four cylinder diesel engine using vehicle performance simulations under part load conditions over certified driving cycles which represents the data speed of a vehicle against time.  Even though limited number of investigations on diesel engine CDA application in literature, a novel simulation methodology with activated cylinder flexibility is presented to predict fuel consumption reduction.
The 1D modeling simulation software GT-Suite is frequently used by engine and car-makers to simulate engine and vehicle performance applications due to less time consuming and cost-effective method for early development process. Additionally, the 1D simulation softwares provide quick results compared to three dimensional computational fluid dynamics softwares. Due to providing further investigations for different parameters of engine and vehicle without additional physical tests, the GT-Suite is used in this study to investigate the impact of CDA technology on fuel economy. 
In this study, as the simulation methodology several key steps are followed up. Before the vehicle performance model is prepared, firstly, engine performance model is developed and correlated with measured full load data which is obtained from dynamometer tests of the engine for 1D model validation. Hence, the model is run at full load condition through an engine speed range between 800 and 2100 rpm, 23 bar break mean effective pressure load for engine peak torque at 14 simulation points. Then simulated results are compared to experimental data. After both results are well agreed, then the model is correlated. This correlated model is then used to simulate engine performance for both of four-cylinder activated mode and two-cylinder activated mode (CDA) operations at low load conditions. The 1D modelling of CDA mode needs a valve deactivation and fuel cut-off the injectors for deactivated cylinders while more fuelling at activated cylinders without any loss in demanded engine power. Finally, the engine performance data from these modes are taken into account on the vehicle performance model. 
This paper investigates on the prediction of fuel economy advantages of CDA technology on a four-cylinder turbocharged diesel engine of a heavy duty vehicle under idle and low load conditions taking place over certificated driving cycles, such as the WHVC, NEDC, FTP75 and HHDDT, by using the engine and vehicle performance simulations.
The main findings obtained from this study are given below:
•	The fuel consumption improvement in CDA operating mode for idle speed was achieved as 34.6%, with the best improvement occurring at idle. Therefore, it has been concluded that CDA application is even more advantageous in terms of fuel consumption in driving cycles with longer idling durations. Therefore, this study demonstrates the advantage of CDA technology in driving cycles with long idling times for the vehicles with heavy duty diesel engines.
•	In order to examine the effect of pumping losses, CDA mode was implemented by activating the valves at 10% low load, and a 25% worsening in fuel consumption occurred at 2100 rpm compared to the case when the valves are deactivated. From this, it can be concluded that fuel-cut off and deactivating the valves in the deactivated cylinders with CDA technology will provide an advantage in fuel consumption.
•	As the engine load decreases, the advantage of CDA mode fuel consumption increases.
•	There is a fuel consumption advantage in CDA mode up to 30% engine load. Fuel consumption worsened at 30% load.
•	The vehicle performance simulation results show that fuel consumption improvements of %3 to %4 over the certificated driving cycles.
•	The fuel consumption results over driving cycles are different from each other due to different driving characteristics such as acceleration, maneuvers requiring high torque and idling durations.
•	It was observed that the improvement in fuel consumption was 1% greater with the downhill in the same driving cycle. Therefore, it is generally evaluated that the benefit of CDA technology in fuel economy will improve even more in downhill road conditions.