Dizel motor emisyon düzenlemeleri için LNT'nin matematiksel olarak modellenmesi
Mathematical modelling of LNT for diesel engine emissions regulations
Yazar: FERİT ORÇUN PARLAK
Danışman: PROF. DR. SERDAR YAMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling

Özet:
Dünya'da dizel motorlu makina ve taşıt sayısı günden güne artmaktadır. Dizel motorlar ile ilgili ilk çalışma 1824 yılında yapılmıştır ve günümüze hala dizel motorların verimini arttırmak için çalışmalar yapılmaktadır. Aynı zamanda dizel yakıtının da setan sayısı, viskozite ve kükürt oranı özelliklerinde de çalışmalar yapılarak daha verimli dizel yakıtı üretme çalışmaları da devam etmektedir.
Dizel motor kullanımının yaygınlaşması beraberinde zararlı emisyon gazlarının kontrolü açısından da birçok düzenleme getirmiştir. Dizel motorda yanma sonucu oluşan karbonmonoksit, hidrokarbon, partikül madde ve azot oksitler insan sağlığına ve çevreye oldukça zararlıdır.
Dizel araçlardan çıkan zararlı egzoz emisyonları için ilk düzenleme 1968 yılında ABD'nin California eyalatinde yapıldı. Avrupa'da ise ilk düzenleme 1972 yılında yapılmıştır. Euro standartlarına ise 1992 yılında geçilmiştir. Türkiye ise Euro standartı emisyon seviyesi geçisini 2001 yılında Euro 1 ile başlatmıştır. Daha sonradan Avrupa'da sırasıyla Euro 2, Euro 3, Euro 4, Euro 5 ve Euro 6 emisyon seviyelerine geçilmiştir. Türkiye'de yatırım eksikleri sebebiyle 2009 yılında Euro 1'den Euro 4'e ancak geçilebilmiştir. Son yıllarda yaşanan dizel araçlardaki emisyon krizlerinden sonra Avrupa bu konudaki denetimi arttırarak RDE (Real Driving Emissions) testlerini Euro 6 emisyonları için zorunlu hale getirerek, dizel araçların her sürüş koşulunda emisyon limitlerini sağlaması zorunluluğunu getirmiştir.
Zararlı gaz emisyonlarını azaltmak için ilk çalışmalar yeni motor teknolojilerinin geliştirilmesi ile başladı. Yeni motor teknolojileri ise; yanma odası tasarımları, yakıt sistemleri, hava soğutmalı şarj, egzoz gazı resirkülasyonu geliştirmelerini kapsamaktadır. Geliştirilen motor tasarımları Euro 4 emisyon seviyelerini sağlamaya kadar yeterli olmayı başarabilmiştir. Euro 5 ve Euro 6 emisyon seviyelerinin zorunlu hale getirilmesiyle yeni motor teknolojilerinin yanında egzoz sisteminde de değişiklikler yapılmasını gerekli kılmıştır. Motordan çıkan zararlı emisyon gazları egzoza yerleştirilen katalistler ile Euro 6 seviyelerine getirilebilmektedir. Egzoz sisteminde emisyonların iyileştirilmesi için kullanılan en yaygın yöntemlerden biri SCR (Seçici Katalist İndirgeme) teknolojisidir. Ağır ticari araçlarda yaygın olarak kullanılan SCR sistemi motordan çıkan azot oksitleri azaltmak için kullanılır. Diğer bir yaygın yöntem olan sistem ise DPF (Dizel Partikül Filtre) teknolojisidir. DPF dizel araçlardan çıkan partikül maddeleri tutarak biriktirir ve sonrasında belirli periyotlar ile rejenerasyon yaparak içerisinde biriken partikül maddeleri yüksek sıcaklıkta yakarak filtreyi temizler. Dizel binek araçlarda ise SCR sistemi yerine LNT (Fakir Azot Oksit Tutucu) teknolojisi kullanılmaktadır. Binek araçlarda SCR sisteminin kullanılmamasının en önemli nedeni SCR'nin yatırım maliyetinin çok yüksek olmasıdır. LNT teknolojisi ise hidrokarbon ve karbonmonoksitleri oksitleyerek HC ve CO'nun azalmasını sağlar, oksitlenme reaksiyonlarının yanında LNT'nin en önemli özelliği motordan çıkan azot oksitleri indirgemektir. LNT'nin çalışma prensibi ise motordan çıkan azot oksitleri belirli bir sıcaklık aralığında tutarak belirli periyotlarla rejenere ederek biriken azot oksitleri, azota indirgemesidir. HC ve CO'nun oksitlenmesi diğer bir katalist olan DOC (Dizel Oksidasyon Katalisti) ile de yapılabilmektedir. LNT'den farkı DOC'nun azot oksit çevrimi yapamamasıdır. DOC genellikle SCR'li sistemlerle beraber kullanılmaktadır.
Tez çalışmasında ise LNT'nin matematiksel modeli yapılarak, motor ve egzoz sistemindeki değişikliklerin yanında model yardımıyla LNT'nin maksimum verimde kullanılarak hem yakıt tüketimi hem de zararlı emisyon gazlarının azaltılması amaçlanmıştır.
LNT'nin matematiksel modelinin yapılabilmesi için öncelikle LNT'de gerçekleşen temel kimyasal reaksiyonlar araştırılmıştır. Temel kimyasal reaksiyonlar bloklar halinde düşünülerek dört farklı başlık altında toplanmıştır. LNT'de gerçekleşen tepkimeler ise NO oksitlenmesi, LNT'nin oksitlenme reaksiyonu sonucu oluşan NO2 moleküllerinin tutulması, yüksek sıcaklığın ve LNT'nin kapasite limitine ulaşmasıyla tutulan NO2 moleküllerinin salınması ve LNT rejenerasyonu sonucunda tutulan NO2 moleküllerinin çevrimi. Bu dört tepkimenin matematiksel modeli yapılabilmesi için bu tepkimelerin hızlarının nelere ne kadar bağlı olduğu yapılan testler ile belirlenerek her modele ait girdiler belirlenmiştir. LNT'nin matematiksel modelinin yapılabilmesi için en önemli iki parametre LNT sıcaklığı ve LNT doluluk oranı olarak bulunmuştur. İki parametre haricinde LNT'ye giren NO, NO2 miktarı ve LNT'nin girişindeki lamda değeri LNT modelin diğer iki girdisini oluşturmaktadır. LNT'nin doluluk oranının belirlenebilmesi için LNT'nin belirli sıcaklıklarda maksimum tutabileceği NO2 miktarı hesaplanmıştır ve anlık olarak içinde NO2 miktarıyla oranlanmasıyla LNT'nin doluluk oranı belirlenmiştir.
Yapılan testler sonucunda üç boyutlu haritalar oluşturularak matematiksel modeller oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller Matlab-Simulink programı kullanılarak birleştirilmiş ve tek bir model haline getirilmiştir.
Model validasyonunun yapılabilmesi için ise Euro emisyon standartlarında kullanılan NEDC testi kullanılarak model çıktıları emisyon cihazından ölçülen değerler ile karşılaştırılarak regresyon analizi yapılmıştır ve R2, 0,9754 olarak bulunmuştur.
LNT'nin matematiksel olarak modellendip araçlarda bulunan motor kontrol ünitesine yazılımsal olarak gömülerek modelin çıktısını oluşturan LNT'nin içinde biriken NO2 miktarı kontrol ünitesinde bir girdi olarak kullanılabilir. LNT'nin içinde biriken NO2 miktarının bilinmesiyle LNT'nin hangi zamanda LNT rejenerasyonu yapması gerektiği kararı verilir. Böylece LNT doğru zamanda purge yaparak, yakıt tüketimini azaltır ve LNT'nin yüksek doluluk oranlarına ulaşmasıyla tutma verimi düşen LNT'yi purge etmesi gerektiğini söylerek çevreye yayılan zararlı egzoz emisyonlarını da azaltmış olur.

Abstract:
The number of diesel engine machines and vehicles in the world are increasing day by day. The first known work was done on diesel in 1824 and there are still scientific studies to increase the efficiency of the diesel engines. At the same time, efforts to produce more efficient diesel fuel by working on the cetane number, viscosity and sulfur ratio diesel fuel are also being worked through.
The widespread use of diesel engines has also brought many emissions regulations to control harmful emission gases. Carbon monoxide, hydrocarbons, particulate matter and nitrogen oxides which are formed as a result of diesel engine combustion are quite harmful to human health and environment.
The first regulation for harmful exhaust emissions from diesel vehicles was made in the US state of California in 1968. The first regulation in Europe was made in 1972. Euro standards were implemented at the begining of 1992. Turkey started the Euro standard emission level transition with Euro 1 in 2001. Later on in Europe, the emission levels of Euro 2, Euro 3, Euro 4, Euro 5 and Euro 6 have been applied respectively. Due to the lack of investment in Turkey, Euro 1 could only be implemented in Euro 4 in 2009. After the emission crises in diesel vehicles that have came over in recent years, Europe has made it mandatory to raise emission limits in every driving condition of diesel vehicles, raising the level of control in this area, making RDE (Real Driving Emissions) tests mandatory for Euro 6 emissions.
Initial initiative to reduce harmful gas emissions began with the development of new engine technologies. The new engine technologies are; combustion chamber designs, fuel systems, air-cooled charging, exhaust gas recirculation development. The engine designs develops were able to achieve Euro 4 emission levels. With the Euro 5 and Euro 6 emission levels becoming mandatory, it was necessary to make changes in the exhaust system as well as new engine technologies. The harmful emission gases emitted from diesel engine can be reduced to Euro 6 levels with catalysts that placed in the exhaust. One of the most common methods used to improve emissions in the exhaust system is SCR (Selective Catalytic Reduction) technology. The SCR system which is widely used in heavy commercial vehicles is used to reduce the nitrogen oxides from engine. Another common method is the DPF (Diesel Particulate Filter) technology. DPF accumulates particulate matter coming out from diesel vehicles and regenerates them with certain periods afterwards to clean the filter by burning accumulated particulate matter at high temperature. LNT (Lean NOx Trap) technology is used instead of SCR system in diesel passenger cars. The most important reason that the SCR system is not used in passenger vehicles is that the investment cost of the SCR is very high. LNT oxidizes hydrocarbons and carbon monoxides to reduce HC and CO, besides the oxidation reactions, the most important feature of LNT is the reduction of the nitrogen oxides out of the diesel engine. The working principle of the LNT is adsorption mechanism of nitrogen oxides in certain temperature range and purging them periodically to start conversion reaction from NO2 to N2. Oxidation of hydrocarbon and carbon monoxide can also be done with another catalyst, DOC (Diesel Oxidation Catalyst). The main difference between LNT and DOC is that DOC can not perform NO2 conversion reaction due to lack of rhodium. Diesel Oxidation Catalyst is usually used with SCR systems.
In the thesis study, the mathematical model of LNT is aimed to reduce both fuel consumption and harmful emission gases by using LNT with maximum efficiency thanks to LNT mathematical model.
For the mathematical modeling of LNT, basic chemical reactions in LNT have been investigated firstly. The basic chemical reactions are grouped under four different headings in the form of model blocks. The reactions occurring in LNT are NO oxidation which is increasing by temperature and after decreasing with very high tempeatures just as oxidation reaction reaches equlibrium the other LNT reaction is the capturing of NO2 molecules as a result of the oxidation reaction. This reaction is known as adsorption of NO2 molecules. Adsorption mechanism is function of LNT temperature and LNT filling ratio. The third reaction which is occuring in LNT is releasing of retained NO2 molecules by high temperature and capacity limit reach of LNT. This reaction is known as desortion of NO2 which adsorbs by LNT. The last mechanism of LNT is conversion of NO2 molecules as a result of LNT regeneration. LNT regeneration procedure is known as purge. In order to make a mathematical model of these four reactions, the inputs of each model are determined by testing LNT at different conditions. The two most important parameters for the mathematical modeling of LNT are LNT temperature and LNT filling ratio. Except the two parameters, the amount of NO, NO2 entering the LNT and the lambda value at the inlet of the LNT constitute the other two inputs of the LNT model. In order to determine the filling ratio of LNT, the amount of NO2 that the LNT can adsorb at a certain temperature is calculated and the filling ratio of LNT is determined by proportioning the amount of NO2 in LNT. The model output is amount of NO2 in LNT can be obtained after these four model work together.
As a result of these tests, 3D maps which are function of two inputs and 2D curves which are function of only one input were created and mathematical models were implemented. The generated models are combined using Matlab-Simulink and converted into a single LNT mathematical model. Simulink is used as a type fixed-step and ode3 (Bogachi-Shampine) solver for validation tests.
For the validation of the model, the NEDC test used which is used in Euro emission standards. To validate mathematical LNT model completely, at the end of the NEDC LNT rejeneration was performed and NO2 conversion model can be compared with this purge. Regression analysis was performed by comparing the model outputs with the measured values from the emission device, and R2 was found to be 0.9754.
The LNT can be mathematically implemented and embedded in the engine control unit software which is placed in the vehicles and model output amount of nitrogen dioxide accumulated in the LNT used as an input in the control unit. By knowing the amount of nitroden dioxide accumulating in the LNT, it is determined when the LNT should purge and convert nitrogen dioxide to nitrogen. Thus, the LNT performs purge correctly and reduces fuel consumption. By reaching high filling ratios of the LNT, the nitrogen dioxide adsorbing efficiency will decrease and the harmful exhaust emissions are released to the enviroment, in this situation LNT model can understand that LNT needs to be purged and engine control unit requests a purge to convert adsorpted nitrogen dioxide molecules.