Dizel motorlarda çoklu püskürtme stratejisinin nox emisyonu üzerine etkisinin deneysel araştırılması
Experimental investigation of the effect of multiple injection strategy on nox emission in diesel engines
Yazar: ARDA ALBAYRAK
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Azot oksitler = Nitrogen oxides ; Dizel motorlar = Diesel engines ; Gauss modeli = Gaussian model ; Püskürtme = Spraying ; Sera gazı = Greenhouse gases

Özet:
Günümüzde hava kirliliğin en önemli nedenlerinden biri dizel motorlu taşıtlardan kaynaklanan kirleticilerdir. Dizel motorlu taşıtlardan kaynaklanan kirleticiler insan sağlığını tehdit etmektedir. Giderek daha sıkı hale gelen ve gelecek yıllarda yürürlüğe girecek Euro VII emisyon düzenlemeleri sebebiyle; araç üreticileri, pazar gereksinimlerini karşılarken NOx emisyonunun sınırlandırılması için yenilikçi çözümler bulmak zorunda kalmaktadırlar.
Bu çalışmada 4 zamanlı, 4 silindirli 2 litre hacimli dizel motoru ile çoklu püskürtme stratejileri uygulanarak NOx emisyonun doğrusal olmayan davranışı ve yakıt tüketimi Gaussian regresyon metodu ile modellenmiş ve dinamometre test düzeneğinde deneysel olarak test edilmiştir. Bu süreçte çoklu püskürtme stratejisinin NOx emisyonuna etkisini gözlemlemek amacıyla test düzeneğinde DoE adı verilen yöntem ile 2119 motor çalışma noktasında gerçek zamanlı ölçümler alınıp, kara kutu istatiksel modeli oluşturulmuştur. Gaussian regresyon metodu test dizayn noktalarında, NOx ve CO2 oluşumu gibi doğrusal olmayan tepkiler için bile motor özelliklerini doğru tahmin edebildiğini göstermiştir. Oluşturulan model ile incelenen 200 nokta içerisinden 9 nokta seçilmiş ve test düzeneğinde çoklu püskürtme stratejilerinin etkileri deneysel olarak da incelenmiştir. Testlerin neticesinde, ön püskürtme ve ana püskürtmenin, tek ana püskürtme konfigürasyonuna göre NOx'u %11,6 oranında azalttığı tespit edilmiştir. Buna karşılık yakıt tüketiminin %1,5 artış gösterdiği görülmektedir. İki aşamalı ön püskürtme ve ana püskürtmenin birlikte olduğu konfigürasyon, sadece ana püskürtmenin olduğu konfigürasyona göre NOx emisyonu %16 azaltmaktadır. Buna karşılık yakıt tüketiminin %3,2 oranında arttığı görülmektedir.
Bu sonuçlar neticesinde, dizel araçlarda sera gazı etkisi de incelenmiştir. CO2 bir sera gazıdır. Fakat dizel araçlar sera gazına etkisi olan farklı emisyonlar üretebilirler. Sera gazına etkisi olan bir diğer emisyon N2O'dur. Dizel araçlarda egzoz sisteminde farklı SCR kullanımı egzoz çıkışında farklı N2O konsantrasyonları ile sonuçlanabilir. Yapılan kabuller ile birlikte sistemde motor ve zeolit bazlı SCR kullanılması durumunda, sistemde sadece motor olması durumuna göre N2O gazı, %16 artmıştır. Çoklu püskürtme stratejisi kullanıldığında ise N2O'nun yarattığı sera gazı etkisinin azaltıldığı, CO2'nun yarattığı sera gazı etkisinin arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Today, one of the most important causes of air pollution is originating by diesel engines and threates human health. Due to new regulations that will come into effect in coming years, manufacturers have to find innovative solutions to limit NOx emissions.
In this study, the nonlinear behavior of NOx emission and fuel consumption were modeled by Gaussian method by applying multiple injection strategies with a 2L diesel engine and experimentally tested on dynamometer. In this process, in order to observe effect of multiple injection strategy on NOx emission, real-time measurements were taken at 2119 operating points with DoE method. Gaussian method has shown that it can accurately predict engine properties at test design points. With created model, 9 points were selected from 200 points examined and effects of multiple injection strategies were also examined experimentally. Consequently, it was determined that pilot and main injection reduced NOx by %11,6 compared to only main injection configuration. But, it is seen that fuel consumption increased by %1,5. Two-stage pilot and main injection configuration reduces NOx emissions by %16 compared to only main injection configuration. But, it is seen that it increases the fuel consumption by %3,2.
As a result of these results, the greenhouse gas effect in diesel systems was also investigated. CO2 is a greenhouse gas. However, diesel systems can produce different emissions that have an effect on greenhouse gases. Another emission that has an effect on greenhouse gas is N2O. The use of different SCR in exhaust system of diesel systems may result in different N2O concentrations in exhaust oulet. In case of using motor and zeolite-based SCR in system together, N2O gas increased by %16 compared to case of only engine in system.