Tek silindirli bir dizel motorun tork oluşum modeli ve kontrolü
A model of torque generation process and control of single cylinder diesel engi̇ne
Yazar: SEMİH ARAZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Teknolojinin ilerlemesi ile birlikte dünyamızı tehdit etmeye başlayan hava kirliliğide gün geçtikçe daha ciddi boyutlara ulaşmakta ve bu kirlenmede egzoz emisyonları ciddi boyutta önem taşımaktadır. Ayrıca yeryüzündeki petrol kaynaklarının hızla azalması ve içten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtların arz-talep dengesi doğrultusunda fiyatlarının artması, ülkeler için önemli yükler oluşturmaktadır. Bu gibi sebeplerden dolayı bu tür yakıtların daha ekonomik tüketilebilmesi için bugüne kadar bir çok çalışma yapılmıştır. Genellikle içten yanmalı motorlar ile ilgili çalışmalar, ilerlemenin artık mekanik yönde değil, silindir içinde yanan yakıttan elde edilen enerjinin daha iyi kullanılabilmesi amacı ile yanma olayının iyileştirilmesi yönünde olduğunu sergilemektedir. Bu nedenle içten yanmalı motorlarda verimin artırılması ve yakıt tüketiminin azaltılması için yapılan çalışmaların çoğu yanma kalitesini artırmaya yönelik olmuştur. Bu tarz araştırmaların en önemli ve gerekli parçası deney motorlardır. Deney masraflarını azaltması, geliştirme zamanlarını en aza indirmesi ve büyük bir esnekliği olmasından dolayı araştırma motorları olarak genellikle tek silindirli motorlar kullanılmaktadır.
Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) kapsamında Yıldız Teknik Üniversitesi Motor Labaratuvarı'nda yürütülen proje kapsamında Lombardini LDA 450 tipi tek silindirli bir dizel motor farklı yakıtların optimum çalışma sürelerinin belirlenmesine imkan sağlayacak, püskürtme avansı, süresi, adedi ve basıncı (600 ile 1600 bar) arasında kontrol edilebilen bir Ar-Ge motoruna dönüştürülmektedir. Projenin bu master tezi kapsamında, motor parametrelerine göre kinematik-dinamik hesaplamaları ile birlikte deney motoruna ait anlık yanma olayı Matlab/Simulink pragramı kullanılarak modellenmektedir. Silindir içindeki yanma sonucunda oluşan basınca ve motorun dinamik hesaplamalarına bağlı olarak hesaplanan indike tork için bir motor simülatörü geliştirilmektedir. Bu sayede, motorda yanma olayına etki eden parametrelerde yapılacak olan değişikliklerin, basınç ve tork üzerindeki etkisi incelenebilmektedir.
Yapılan similasyon çalışmalarının sonuçları ile deney motorundan elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Böylelikle, modellemenin getirmiş olduğu kolaylıklar ile hatalar minimuma indirilerek belirli parametrelerin kontrollü ve güvenilir bir şekilde değiştirilebilmesine ve model üzerinden çalışmaya yön verebilmesine imkan sağlanmaktadır. Modellemedeki amaç, dizel motorun kalibrasyonunda ve kontrol algoritması geliştirmek için oluşturulmuş basit bir dizel motor modelinden beslenebilmesi gereğidir. Bunun anlamı, oluşturulan modelin donanım ile benzetim (HIL) simulasyonlarında dizel motor modeli ile beraber kolayca kullanılabilmesidir. Bu simülatör ticari araçlarda tork kontrol sisteminde kullanılabilir niteliği taşıyan ilerideki projeler için ilk adım niteliği taşımaktadır.

Abstract:
Air pollution is continually on the rise with increasing technological advancements, forcing governments to put limits on emissions of waste gases. Air pollution not only damages our world but greatly impacts human health as well. Pertaining to this form of contamination, exhaust gases contribute significantly. In addition, the rapid decline of oil resources on earth and the increasing prices in accordance with the supply-demand balance of fuel which is used in internal combustion engines, imposes a burden on developing countries. Due to these reasons, lots of studies have been done so far to make these kinds of oils more economical. Generally, studies on internal combustion engines show that the advancement is not mechanical anymore, but is focused on the betterment of combustion with the aim of more efficiently using the energy obtained from burning fuel in the cylinder. Therefore, most of the studies which were done for enhancing the efficiency in internal combustion engines and reducing the fuel consumption have been designed to increase the quality of combustion. The most important and necessary parts of these studies are the test engines. Single cylinder engines are generally used as research engines due to their high flexibility, ability to reduce testing costs and minimization of development time.
In diesel engines, combustion efficiency depends greatly on the mixture formation, which is greatly influenced by the injection system. A project conducted at Yıldız Technical University Engine Laboratory under the Scientific Research Project (BAP), a Lombardini LDA 450 type single-cylinder diesel engine has undergone changes in order to be converted to a controllable R&D engine based on the following parameters: injection advance, time, quantity and pressure (600 to 1600 bar). The engine also provides an opportunity to determine the optimum run time for different fuels. This thesis aims to integrate a reliable combustion torque estimator into engine controllers, a presentation of encouraging identification and validation results for a combustion model of a DI diesel engine. This model is simple enough to be used in future engine control strategies and estimation techniques. The experimental data represents a direct injected single cylinder engine Lombardini LDA 450cc during a transient phase. Under this master thesis; with the use of kinematic-dynamic calculations for engine control according to engine parameters, instantaneous combustion of the test engine is modelled using Matlab/Simulink and an engine simulator is being developed to calculate the pressure-induced torque. Therefore, the changes affecting the parameters concerning combustion can be investigated by observance of pressure and torque.
Current engine models must comply with various requirements pertaining to performance and pollutant emissions (i.e. Air-fuel control system, on-board diagnostics etc…) in order to be considered for mass production. These systems have many various components that affect the efficiency and economics of an engine, but in order to improve overall performance, engine torque is considered to be one of the
xxii
most important, and has to be controlled. There currently is no economic option for durable and cheap torque sensors that are able to be embedded on the crankshaft. Control of torque is reliant on calculations of engine torque by means of static maps. In order to improve torque control systems, these calculations for torque measurement could be replaced with estimations. Simulating this will be a coordination between physical models (which are too complex from a computational perspective) and black box models (which are fast but not suitable for testing torque control strategies and estimations). This simulation is a building block for a much larger project aimed at improving overall torque control systems for commercial vehicles. Its main use will be to test different torque estimation techniques and torque control strategies by utilizing simple models of the engine. Following an initial testing phase, this model has the potential to be used in control strategies and estimation design. Concerning the cylinder pressure over a cycle, a thermodynamic approach is used and computed accordingly. Whereas combustion torque is calculated based on a crank-slider mechanism model.
Input parameters used for the project model include: injected fuel, aspirated air, injection timing, intake manifold pressure and temperature and load torque. This paper is described as: the kinematic and dynamic analysis for crankshaft of the combustion model presented. Subsequently, the test bed configuration and identification results are displayed.
Upon completion of the model, it was tested on the test engine and the graphic results were compared. It is possible to minimize errors with the aid of contributed modelling and helped guide the direction of the study by comparing the results of the model with those of the test engine. The generated model acquired its inputs from a mean value engine model. Now, the model can be used for diesel engine calibration processes and for controlled algorithm development in HIL environments. This simulator also may be used for future projects concerning torque control systems in commercial vehicles.