Aşırı doldurmalı dizel motorlarda kurum birikiminin modellenmesi
Modeling of soot accumulation in turbocharced diesel engines
Yazar: GÖKHAN EFE
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:
Günümüzde ulaşım dünya ekonomisinin bel kemiğini oluşturmaktadır. Aynı zamanda enerji tüketimi ve kirletici emisyonların en büyük etkenlerinden birisidir. İçten yanmalı motorlardan kaynaklanan kirletici emisyonların insan sağlığı ve atmosfere olan olumsuz etkileri giderek daha fazla endişe verici hale gelmektedir. Bu sebeple otoriteler tarafından koyulan emisyon regülasyonları ile içten yanmalı motor kullanan araçların yayabileceği kirletici emisyon miktarları limitlenmektedir.
Dizel motor veya sıkıştırma ateşlemeli motor, kavramsal olarak havayı yüksek basınçlarla sıkıştırarak ve ardından sıkıştırılmış havaya yakıt enjekte ederek yanmayı gerçekleştirirler. Hava sıkıştırıldığında oluşan sıcaklıklar, enjekte edilen yakıtın buharlaşmasına neden olur. Yanma odasındaki sıcak hava ile çevrelenmiş olan buharlaşmış yakıt, kendiliğinden tutuşma sıcaklığına ulaşarak enerji açığa çıkarır.
Dizel motorlar yanma sürecinin doğal bir sonucu olarak kurum üretir. Emisyon regülasyonları sebebiyle limitleri giderek azaltılmış kurum emisyonlarının motor tarafında alınacak aksiyonlar ile sağlanması imkansıza yakın hale gelmiştir. Bu sebeple egzoz sistemleri kullanılmaya başlanmıştır. Motordan çıkan kurum emisyonlarını filtreleyerek doğaya salınmasını engelleyen dizel partikül filtreleri geliştirilmiştir.
Dizel partikül filtresi, partikül madde ve partikül sayısı emisyonlarını gidermek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, partikül madde emisyonları uzun süreli sürüşlerden sonra dizel partikül filtresinin tıkanmasına ve egzoz karşı basıncının artmasına sebep olur. Egzoz karşı basıncının artması yakıt tüketiminin artmasına sebep olur. Ayrıca egzoz karşı basıncın fazla artması motorda hasara neden olabilmektedir.
Dizel partikül filtresinin ve motorun uzun vadeli kullanımı olumsuz etkilerinden kaçınmak için dizel partikül filtresinde biriken kurum emisyonlarının yakılmasına yönelik teknolojiler geliştirilmiştir. DPF rejenerasyonu adı verilen yöntem aktif ve pasif rejenerasyon olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Pasif rejenerasyon işleminde partikül filtresindeki kurum azot dioksit ile tepkimeye girerek aktif rejenerasyona göre daha düşük sıcaklıkta yavaş bir şekilde oksitlenmesine bağlıdır. Aktif rejenerasyon da ise motor çalışma şekli belirli aralıklarla değiştirilerek egzoz sıcaklığı kurumun verimli bir şekilde yanabileceği sıcaklıklara çıkartılır. Yüksek sıcaklıkta oksijen yardımıyla kurum emisyonlarının oksitlenmesi sağlanır.
Hangi sıklıkta ve koşulda aktif rejenerasyon yapılacağına karar verilebilmesi için dizel partikül filtresinden biriken kurum miktarının bilinmesi gerekmektedir. Araç üzerinde motordan çıkan kurum miktarının ölçebilecek bir sensör olmadığı için motordan çıkan kurum emisyonlarının modellenmesi gerekmektedir.
Bu çalışmada dizel motorda kurum emisyonlarının statik çalışma koşullarında toplanan deneysel veriler yardımıyla dinamik sürüş çevrimlerinde de yüksek doğrulukta tahmin edilebileceği gösterilmiştir. Çalışmalar için gerekli olan veriler, 6 silindirli 12.7l toplam silindir hacmine sahip 353 kW güç üretebilen aşırı doldurmalı, Ford OTOSAN firmasına ait Ecotorq motoru kullanılarak toplanmıştır. Testler Ford OTOSAN Gölcük tesisinde bulunan dinamometre test merkezinde gerçekleştirilmiştir.
Bu çalışmada hava yolu aktuatörlerinin gecikme gecikme sürelerinden kaynaklanabilecek kurum emisyonlarındaki artış da dikkate alınarak motordan çıkan kurum emisyonu tahminlemesi iyileştirilmiştir. WHTC ve RDE çevrimleri koşularak modelin tahminlediği kurum ile emisyon cihazının ölçtüğü kurum karşılaştırılmıştır. Sonuçlar kurum emisyon modelinin dinamik sürüş koşullarında kurum miktarını doğru tahminlediğini göstermiştir.

Abstract:
Today, transportation is an important part of the world economy. It is also one of the biggest factors of energy consumption and pollutant emissions. The negative effects of pollutant emissions from internal combustion engines on human health and the atmosphere are becoming more and more alarming. For this reason, the emission regulations set by the authorities limit the amount of pollutant emissions that can be emitted by vehicles using internal combustion engines.
A diesel engine, or compression ignition engine, conceptually accomplishes combustion by compressing air at high pressures and then injecting fuel into the compressed air. The temperatures that occur when the air is compressed causes the injected fuel to evaporate. The evaporated fuel, surrounded by the hot air in the combustion chamber, spontaneously reaches the ignition temperature and releases energy.
Diesel engines produce soot as a natural result of the combustion process. Due to emission regulations, its limits have been gradually reduced, and it has become almost impossible to achieve corporate emissions with actions to be taken on the engine side. For this reason, exhaust systems have started to be used. Diesel particulate filters have been developed that filter the soot emissions from the engine and prevent their release to the nature.
An effective way to control nitrogen oxide emissions to reach the limits in emission regulations is by using exhaust gas recirculation. In diesel combustion, exhaust gas recirculation is one of the basic techniques that can reduce nitrogen oxide emissions by essentially lowering the highest combustion temperature and oxygen level in the cylinder. However, since there is an inverse relationship between nitrogen oxide and soot emissions for most engines, increasing the rate of exhaust gas recirculation leads to an increase in soot emissions.
Diesel particulate filter is widely used to remove particulate matter and particle count emissions. However, particulate matter emissions cause the clogging of the diesel particulate filter and an increase in the exhaust back pressure after long driving. Increasing the exhaust counter pressure causes an increase in fuel consumption. In addition, excessive increase in exhaust counter pressure can cause engine damage.
Technologies have been developed for the combustion of soot emissions accumulated in the diesel particulate filter to avoid the negative effects of the diesel particle filter and the long-term use of the engine. The method called DPF regeneration is divided into active and passive regeneration. In the passive regeneration process, the soot in
xxiv
the particle filter reacts with nitrogen dioxide and oxidizes slowly at a lower temperature than active regeneration. In active regeneration, the engine operating mode is changed at regular intervals and the exhaust temperature is raised to temperatures where the soot can burn efficiently. Oxidation of soot emissions is achieved with the help of high temperature oxygen.
It is necessary to know the amount of soot accumulated from the diesel particulate filter in order to decide at what frequency and under which conditions active regeneration will be made. Since there is no sensor on the vehicle that can measure the amount of soot coming out of the engine, it is necessary to model the soot emissions from the engine.
Mathematical modeling of the soot mechanism is difficult due to the highly complex combustion mechanisms of diesel fuel and the heterogeneous interactions during soot formation. Institutional models are generally divided into three subgroups. These include empirical, semi-empirical, and detailed theoretical mechanisms covering physical models, including equations adjusted to fit experimental institution profiles, and are available in the literature.
In this study, it has been shown that soot emissions in diesel engines can be predicted with high accuracy in transient driving cycles with the help of experimental data collected under steady state operating conditions. The data required for the studies were collected using the Ecotorq engine of Ford OTOSAN, with 6 cylinders with a total cylinder volume of 12.7l and an overfill capable of producing 353 kW power. The tests were carried out at the dynamometer test center located at the Ford OTOSAN Gölcük facility.
In this study, measurements were taken at 2200 engine operating points. During the tests, AVL APA INDY S504 / 3001 active and passive controlled dynamometer of AVL company was used for torque measurement. AVL Puma software was used to change the working conditions of the dynamometer, to read the data received from the sensors and to keep the motor constant at the point where the measurement was to be taken. During the tests, instantaneous fuel consumption was monitored and recorded using the AVL 735S device, which calculates according to the coriolis principle. AVL 753C device was used for conditioning the fuel sent to the test engine. The mass air flow rate was measured with the help of a Continental brand sensor operating with the hot wire method in the engine. The manifold absolute pressure was measured with the aid of a Continental brand temperature sensor that can measure up to 3.5 bar in the engine. During the tests, the 4080BT model, which makes piezoresistive pressure measurement, belonging to the Kistler brand, was used for pressure measurements in the intake and exhaust lines.
During the tests, 415S Smoke Meter and micro soot sensor model devices of the AVL brand were used for the measurement of soot emissions. Measurements were taken using the MSS device, which can continuously measure in transient tests, and 415S Smoke meter device in steady state tests. The AVL Smoke meter uses the filter paper method to determine the filtered smoke number and the soot concentration in mg/m3. AVL MSS device, which is used to measure the soot concentration in transient tests, uses the photoacoustic measurement method. An experimental model was created with half of the data in the measurements taken.
The proposed model includes engine speed, total fuel amount, mass air flow, engine torque, exhaust gas recirculation rate and intake manifold pressure. Since the fuel rail pressure and the start time of the main injection parameters were taught to the model with the help of the experimental data collected and the deviation rate was very low in operating conditions, it was not necessary to add them as input parameters to the model.
In this study, it is aimed to improve the soot emission estimation from the engine, taking into account the increase in soot emissions that may result from delay delay times of airline actuators. Correction factors related to the change in mass air flow rate, excess air coefficient and pressure in the intake manifold were applied. These parameters are used yl arak modeling has been improved.
The model including the input and output parameters of the combustion was run in simulink to evaluate the model quality under transient conditions. Using WHTC and RDE cycles, the institution estimated by the model and the institution measured by the emission device were compared. The results showed that the soot emission model accurately predicts the amount of soot under transient driving conditions.