İçten yanmalı motorlarda azot oksit emisyonlarının modellenmesi
Modeling of nox emissions in internal combustion engine
Yazar: NAİM DÖNMEZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ORKUN ÖZENER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Günümüzde çevre kirliliğinin en büyük nedenlerinden olan fosil yakıt emisyonlarını azaltmak için devletler ve kuruluşlar tarafından uygulanan kurallar sıkılaşmaktadır. İçten yanmalı motorların, hava ve yakıt karışımını mekanik işe dönüştürdüğü mekanizma olan yanma öncesinde, esnasında ve sonrasında ortaya çıkardığı emisyonları azaltmak için bir çok teknoloji geliştirilmiş ve geliştirilmeye devam etmektedir. Emisyonların ölçülmesi için kullanılan fiziksel sensörler yerine fiziksel, grey box ve black box modelleme yöntemleriyle aynı işlevi gören sanal sensörler geliştirilmektedir. Bu çalışma, yanma sonrası ortaya çıkan ve egzoz manifoldundan atılan azot oksit emisyonlarını yarı fiziksel modelleme yöntemiyle statik test verileri üzerinden modelleyecektir. Model için alınan veriler, Ford OTOSAN Ecotorq 13L, 6 silindir, 353 kW motorundan alınmıştır. Fiziksel girdi olarak; silindir içi basınç ölçümü bazlı silindir içi maksimum yanmış gaz sıcaklığı alt modeli, ölçülen girdi olarak; motor devrine ve torkuna bağlı olarak hesaplanan güç, silindir içine alınan temiz hava miktarı (ECU verisi), EGR'dan gelen tahmini yanmış gaz miktarı (ECU verisi), yakıt ray basıncı (ECU verisi), silindir içine gönderilen yakıt miktarı (ECU verisi) alınmıştır. Test motoru üzerinde yer alan sensör setleriyle ölçülebilen parametreler ile oluşturulan model, istatistiksel yöntemlerle önerilen empirik formüle dönüştürülecektir. Sonuç (hedef) verisi olarak motor çıkışından ölçülen dahili azot oksit sensörü kullanılmıştır. Bulunan empirik formül, test motorundan alınan deneysel motor haritalama testi verileri ile eğitilmiş ve motor üzerinde rastgele seçilen çalışma noktalarında doğrulaması yapılmıştır. Model tahmin sonuçları incelendiğinde %1 ile %10 arasında değişen hata oranı olduğu görülmüş ve bu oranın içten yanmalı motorlarda NOx emisyonu tahminlemek için kabul edilebilir olduğu görülmüştür.

Abstract:
In order to reduce fossil fuel emissions, which are among the biggest threats of human health in the global world, regulations are getting harder every day. Many technologies continue to be developed to reduce/eliminate emissions during combustion (at the source) or after combustion. Instead of physical sensors used for the measurement of emissions, virtual sensors (VS) are developed and used by physical, gray box and black box modeling methods. In the current study, the NOx emissions generated at the engine output are modeled with steady state data by semi-physical modeling technique. The studies were carried out with data from 13 l Ecotorq engine (made by Ford OTOSAN) , 6 cylinder and 353 kW diesel engine. The physical value used for the model is the maximum temperature calculated via a temperature sub-model based on the in-cylinder pressure measurement. The input data of the model are; calculated engine power at the electronic control unit (ECU), the estimated exhaust gas recirculation (EGR) ratio from ECU, the fuel rail pressure , the amount of injected fuel per stroke and the amount of trapped in cylinder air mass. The NOX model created by these parameters are converted into empiric formula by statistical methods. The engine NOX sensor data used as the target output data for validating and training the model parameters. Then validation results showed that the prediction accuracy of the developed NOX model is between 1% and 10% range that can be acceptable for internal combustion applications.