Dinamik manevralarda motora giren temiz hava debisi kontrolünün emisyonlara olan etkileri
Emission effects of decreasing intake airflow during transient maneuvers
Yazar: OĞUZ ŞAFAK
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İçten yanmalı motorlar icat edildikten sonra endüstride ve bir çok farklı alanda yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Gün geçtikçe iş gücünde artan gereksinim ve ihtiyaca karşılık verebilmek için içten yanmalı motorlar bir çok geliştirmeyle beraber günümüzdeki modern hallerine ulaşmıştır. Geliştirmeler yapılırken dayanıklılık, verimlilik, parça ve bakım maliyeti, ses ve titreşim düzeyleri gibi bir çok parametre gözetilmiştir. İçten yanmalı motorların kullanımındaki artışa bağlı olarak, yakıt tüketimi ve özellikle çevre kirliliğinin önüne geçebilmek adına emisyon regülasyonları sıkı bir tasarım parametresi haline gelmiştir.
Günümüzde içten yanmalı motorlar teknolojik olarak büyük bir devrim geçirmiştir. Yakıt tüketimini azaltmak ve birim hacimden maksimum verimi alabilmek adına hacim küçültmeye gidilmiştir. İlkel motorların yanı sıra hava atmosferik olarak değil, aşırı besleme sistemleriyle motora gönderilmeye başlanmıştır. Sabit geometrili aşırı doldurma sisteminde pompalama kayıplarını daha iyi yönetebilmek adına değişken geometrili aşırı doldurma sistemleri kullanılmaya başlanmıştır. İçten yanmalı motorların kullanımının artışına bağlı olarak, egzoz atık gazlarında çevreyi kirletici maddelerin oluşumunun önüne geçmek ve bunları engelleme zorunluluğu doğmuştur. Emisyonların belirli bir strateji ile takip edilebilmesi, limitlerinin belirlenebilmesi amacıyla çeşitli komiteler oluşturulmuş ve bu çalışmaların sonucunda emisyon limitleri belirlenmiştir. 
İçten yanmalı motorların geliştirilmesinde yanma verimi ve dolayısıyla yakıt tüketimi büyük rol oynarken, emisyon regülasyonlarının da sıkılaşmasıyla motorların ve araçların egzoz gazı emisyonları büyük bir tasarım problemi haline gelmiştir. Dizel motorların yanma prensibi gereği egzoz gazlarında yüksek miktarlarda barındırdığı azot oksit ve kurum emisyonların azaltmak için çok fazla çalışma yapılmakta olup, bu ve diğer emisyonlar regülasyonlarla limitlenmiştir. Avrupa bölgesi standartlarına göre oluşturulmuş Euro 5 emisyon seviyesiyle beraber, ağır ticari taşıt motorlarında azot oksit emisyonlarını azaltabilmek adına, egzoz gazı arındırma sistemi kullanılmaya başlanmıştır. Motor çıkışındaki azot oksit gazı, egzoz gazı arındırma sistemi içerisinde yer alan, seçiçi katalitik konvertör adı verilen sisteme üre püskürtülmesiyle doğaya atılabilecek forma getirilmekte ve emisyon limitlerini aşmayacak seviyelerde tutulmaktadır. Euro 6 emisyon seviyesiyle beraber, motor çıkışındaki önlemlere ek olarak, egzoz emisyonları motor yanmasına müdahele edilerek azaltılmaya çalışılmıştır. Bunun için egzoz gazı resirkülasyonu adı verilen sistem kullanılmaya başlanmıştır. Azot oksit emisyonlarının oluşumunda büyük role sahip olan yanma sonu sıcaklıklarını azaltmak ve fazlalık olan havayı seyreltip yanma odasına aktif reaksiyona giremeyecek olan egzoz atık gazları beslenmiştir. Bu sayede yanma sonu sıcaklıkları azaltılmış ve azot oksit emisyonlarına düşüş sağlanmıştır. Buna ek olarak, emme odasına geri beslenen egzoz gazlarını soğutmak amacıyla bir ara soğutucu ve bu gazların debisini yönetebilmek adına valf eklenmiştir. Motor çıkışında azot oksit emisyonlarını azaltmak için uygulanan yöntemlerle beraber, partikül madde olarak bilinen kurum emisyonlarında artış meydana gelmektedir. Euro 6 emisyon seviyesiyle beraber kurum emisyon limitleri sıkılaşmış ve egzoz gazı arındırma sistemi içerisinde dizel partikül filtresi kullanılarak kurum emisyonları limitler içerisinde tutulmaya çalışılmıştır. Partikül madde dizel partikül filtresinde tutularak havaya atılması önlenmektedir. 
Günümüzde Avrupa normları için kullanılan Euro 6 emisyon seviyesinde egzoz emisyonları çeşitli testler vasıtasıyla ölçülmektedir. Testler temel olarak iki rejimden oluşmaktadır. WHSC ve WNTE testleri motorun sıcak ve sabit rejimde çalıştırılarak emisyon ölçümü alınmasıyla uygulanmaktadır. Müşterinin gerçek yol sürüş koşullarını yansıtmak içinse dinamik rejime sahip WHTC adı verilen çevrim test edilmektedir. Sabit motor devir ve hızında, motordaki tüm kontrolcüler sabit rejimli davranış gösterip, basınç ve sıcaklık olarak sabit rejime ulaşmaktadır. Ancak dinamik rejime sahip olan, sürekli olarak hızlanma ve yavaşlama manevralarına sahip, egzozun soğuma davranışı göstereceği boşta beklemeye sahip test çevrimleri emisyonlar açısından daha zorlayıcıdır. Dolayısıyla emisyon azaltma çalışmalarında asıl zorluk geçici rejim manevralarında olabildiğince düşük emisyon seviyelerine sahip olabilmektedir. Buradaki zorluk, motorun sabit rejimde sürekli olarak çalışmaması sebebiyle egzoz gazı arındırma sisteminin görevini yerine getirecek kadar ısınmaması ve ek olarak motorun geçici rejimde çalışması sebebiyle sabit rejimli koşullardan görece daha fazla emisyon oluşturmasıdır. Dolayısıyla dinamik manevralarda egzoz gazı arındırma sisteminin soğuk olması sebebiyle verim alınamadığı durumda motor çıkış emisyonlarını azaltmak, dinamik manevralarda emisyon düşürebilmek için önemlidir.
Aşırı beslemeli dizel motorlarda dinamik manevranın başlangıcında emme hattında yeterince hava olmadığından, egzoz hattı da havanın ataleti bakımından yetersiz kalır. Dolayısıyla aşırı doldurma sistemi emme hattını basınçlı hava ile doldurana kadar belirli bir gecikme yaşanır. Egzoz gazı resirkülasyonu uygulanan motorlarda dinamik manevrada talep edilen havanın tamamı temiz hava ile karşılanmak istenirse, EGR valfi atık gaz akışına izin vermeyecek yönde kapanır. Dinamik manevralarda emisyon tepelerinin oluşmasında başlıca nedenlerden biri de motorun dinamik manevra esnasında yüksek hacimde atık gazsız temiz hava almasından kaynaklanır. Yapılan çalışmada dinamik manevrada talep edilen temiz hava miktarı azaltılarak motorun dinamik manevrada egzoz gazı resirkülasyonu yapması sağlanmıştır. Temiz hava talebi sabit bir katsayıyla manipüle edilerek dinamik manevra esnasında talep edilen temiz hava miktarı düşürülmüştür. Temiz hava talebini manipüle edecek katsayıların bulunması için bir model kurulmuş olup, katsayılar motorun tamamen temiz hava aldığı durumun test sonuçlarının optimizasyonuyla belirlenmiştir. Motorun tamamen temiz hava aldığı ve EGR kullandığı durumların testini yapabilmek adına adım testleri uygulanmıştır. Motor belirli bir devir ve pedaldan başka bir hedef pedal ve motor devrine götürülmüş, motor çıkışında oluşan emisyonlar sürekli olarak kayıt edilmiştir. EGR akışının sağlanabildiği dinamik manevralarda temiz hava talebini düşürmenin azot oksit emisyonlarını azaltacak yönde etki ettiği gösterilmiştir. EGR akışının sağlanmasına bağlı olarak kurum emisyonlarında oluşan artış gösterilmiştir. Kıyas yapılırken büyük bir devir aralığında adım testleri gerçekleştirilmiş olup, bunun yanında emisyon regülasyonlarına ait dinamik çevrimler olan WHTC ve PEMS testleri deneyde kullanılmıştır. Ani hızlanma ve yavaşlamaların olduğu, motorun boş durumda beklediği ve dolayısıyla egzoz gazının soğuduğu durumlardan ani olarak hızlanma manevraları içeren test çevrimlerinde, motora alınan temiz havanın düşürülmesi durumunda azot oksit emisyonlarına iyileşme olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
After the internal combustion engines were invented, they started to be widely used in industry and in many different areas. In order to meet the increasing needs in the workforce day by day, internal combustion engines have reached their modern state with many developments. While making improvements, many parameters such as durability, efficiency, parts and maintenance costs, noise and vibration levels were taken into consideration. Due to the increase in the use of internal combustion engines, emission regulations have become a strict design parameter to prevent fuel consumption and especially environmental pollution.
Today, internal combustion engines have undergone a great technological revolution. In order to reduce fuel consumption and get maximum efficiency from unit volume, downsizing applications has been made. In addition to primitive engines, fresh air started to be sent to the engine not atmospherically, but by super charger systems. An intercooler was used and the air was cooled in order to get the maximum combustion efficiency from the air taken to the engine with the turbocharging system. In order to better manage pumping losses in the fixed geometry turbocharging system, variable geometry turbocharging systems have been used. In addition, in order to increase the combustion efficiency and to get the maximum benefit from the fuel, the injection strategy in the gasoline engine is based on direct injection from multiple points and very high pressurization of the fuel in the rail line in diesel engines. The use of internal combustion engines was not limited to industry, but was used for transportation purposes. Due to the increase in the world population, in addition to the improvements made to increase the combustion efficiency, it has become obligatory to reduce and prevent the formation of environmental pollutants in the exhaust gases. Various committees have been established in order to monitor emissions with a specific strategy and to determine the limits. As a result of these studies, emission limits have been determined. Considering factors such as environmental conditions and environmental pollution factors, emission limits are closely followed with various updates today.
While the combustion efficiency and thus fuel consumption play a major role in the development of internal combustion engines, the exhaust gas emissions of engines and vehicles have become a major design problem with the tightening of emission regulations. With the emission regulations that is created according to regional or country standards, engine technologies have evolved to reduce not only combustion efficiency but also emissions. Due to the combustion principle of diesel engines, a lot of work is being done to reduce the nitrogen oxide and soot emissions that they contain in exhaust gases in high amounts, and these and other emissions are limited by regulations. With the Euro 5 emission level established in accordance with the European region standards, an exhaust gas aftertreartment system was started to be used in order to reduce nitrogen oxide emissions in heavy commercial vehicle engines. The nitrogen oxide gas at the engine outlet is transformed into a form that can be thrown into the nature by spraying urea into the system called the selective catalytic converter in the exhaust gas aftertreartment system, and is kept at levels that do not exceed emission limits. With the Euro 6 emission level, in addition to the measures at the engine output, the exhaust emissions were tried to be reduced by interfering with the engine combustion. For this, the system called exhaust gas recirculation has been used. Exhaust gases that cannot actively react were fed into the combustion chamber to reduce the temperatures at the end of combustion, which has a major role in the formation of nitrogen oxide emissions, and dilute the excess air. In this way, the post-combustion temperatures were reduced and nitrogen oxide emissions were reduced. In addition, an intercooler has been added to cool the exhaust gases fed back to the intake chamber and a valve to manage the flow of these gases. Together with the methods applied to reduce nitrogen oxide emissions at engine output, an increase in soot emissions known as particulate matter occurs. With the Euro 6 emission level, the soot emission limits were tightened and the soot emissions were kept within the limits by using the diesel particle filter in the exhaust gas aftertreatment system. Particulate matter is kept in the diesel particle filter and is prevented from being thrown into the air. Depending on the usage conditions, engine dynamics and driving conditions, the filling time of the particle filter may change. After the filter reaches a certain filling rate, the exhaust gas temperatures are increased and soot is burned in the filter. In cases where the exhaust gas temperature at the engine outlet is not sufficient, fuel is sprayed at the inlet of the catalyst before the filter, in an attempt to increase the gas temperature at the inlet of the diesel particle filter.
Exhaust emissions at the Euro 6 emission level, which is currently used for European norms, are measured by various tests. According to these test results, it is determined whether the engines comply with the emission regulations. Tests basically consist of two regimens. WHSC and WNTE tests are applied by operating the engine in hot and constant mode and taking emission measurements. In order to reflect the real road driving conditions of the customer, the cycle called WHTC with dynamic regime is tested. At constant engine speed and speed, all controllers in the engine behave in a constant regime and reach a constant regime as pressure and temperature. However, test cycles with dynamic regime, continuous acceleration and deceleration maneuvers, idle standby during which the exhaust will display cooling behavior are more demanding in terms of emissions. Therefore, the main difficulty in emission reduction studies can be to have as low emission levels as possible in transient regime maneuvers. The difficulty here is that the engine does not run continuously in a fixed regime, the exhaust gas aftertreatment system does not get hot enough to fulfill its task, and in addition, the engine operates in transient mode, resulting in relatively more emissions than constant regime conditions. Therefore, in dynamic maneuvers, it is important to reduce engine output emissions when the exhaust gas aftertreatment system is cold and it is critical to reduce emission in dynamic maneuvers.
Since there is not enough air in the intake line at the start of the dynamic maneuver in turbocharged diesel engines, the exhaust line is also insufficient in terms of air inertia. Therefore, there is a certain delay that is called turbolag until the turbocharging system fills the suction line with compressed air. If all the air demanded in dynamic maneuver in engines with exhaust gas recirculation is to be met with clean air, the EGR valve closes in a direction that will not allow the waste gas flow and the throttle valve opens to the end and allows as much fresh air as possible. One of the main reasons for the formation of emission peaks in dynamic maneuvers is that the engine takes in high volumes of clean air without waste gas during dynamic maneuvering. In the study, the amount of clean air demanded in dynamic maneuver was reduced and the engine was provided with exhaust gas recirculation in dynamic maneuvering. By manipulating the clean air demand with a fixed coefficient, the amount of fresh air demanded during dynamic maneuver has been reduced. A model was established to find the coefficients that would manipulate the clean air demand, and the coefficients were determined by optimizing the test results of the situation where the engine is fully fresh air. Step tests were applied in order to test the conditions where the engine is completely fresh air and EGR is used. The engine was taken to a different target pedal and engine speed from a certain speed and pedal, and the emissions generated at the engine oulet were recorded continuously. In dynamic maneuvers where EGR flow can be achieved, it has been shown that reducing the demand for fresh air has an effect on reducing nitrogen oxide emissions. The increase in soot emissions due to the provision of EGR flow has been shown. While comparing, step tests were carried out in a large speed range, besides, WHTC and PEMS tests, which are dynamic cycles of emission regulations, were used in the experiment. In the regulatory emission test cycles, which include sudden acceleration maneuvers from situations where sudden acceleration and deceleration occur, the engine is idle and therefore the exhaust gas is cooled, it has been shown that there is an improvement in nitrogen oxide emissions if the clean air taken into the engine is reduced.