Art püskürtme ve dahili EGR stratejilerinin dizel motorlarda uygulanmasının model tabanlı incelenmesi ve optimizasyonu
Model-based investigation and optimization of the application of post injection and internal EGR strategies in diesel engines
Yazar: VOLKAN AKGÜL
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Güncel kirletici emisyon regülasyonları, motor üreticilerini etkili ve düşük maliyetli emisyon azaltma teknikleri geliştirmeye zorlamaktadır. Bu doğrultuda, egzoz gazı son işlem sistemlerinin geliştirme ve işletme maliyetleri ile birlikte motor ve araç üzerine entegrasyonu problemleri nedeniyle, bu cihazların yükünü, boyutunu ve maliyetini azaltmak için silindir içi emisyon azaltma teknikleri üzerinde yoğun çalışmalar sürdürülmektedir. Bu kapsamda, tez çalışması, tek silindirli, ağır hizmet bir dizel araştırma motorunun 1500 rpm hız ve 8.47 bar fren ortalama efektif basıncı (BMEP) çalışma noktasındaki tek ve art püskürtme test sonuçları ile valide edilmiş tek boyutlu motor çevrimi simülasyonu aracılığıyla emme supabının ana açılmadan sonra genişleme veya egzoz stroğunda bir miktar tekrar açılmasıyla dahili egzoz gazı resirkülasyonu ve püskürtülen toplam yakıt miktarının kütlesel olarak 0%-15% aralığında bölünerek ana püskürtmeden sonra art püskürtme şeklinde uygulanmasının NOx, is ve yakıt tüketimi üzerine etkilerinin incelenmesini ve yakıt tüketimini makul düzeyde tutarak, sıkıştırma ateşlemeli motorlarda yanma karakteristiğine bağlı olarak birbirleriyle denge ilişkisinde bulunan NOx ve is emisyonlarını optimize etmeyi amaçlayan sayısal çalışmaları içermektedir. Doğrulanmış motor modeli ile dahili EGR'ye bağlı olarak emme portu ve silindir arasındaki kütle transferi karakterize edilip art püskürtme ve dahili EGR uygulanması durumunda silindir içi yanma karakteristikleri incelendikten sonra ana püskürtme başlangıcı, ana püskürtmenin bitişi ile art püskürme başlangıcı arasındaki bekleme açısı, emme supabının ikincil açılma fazı ve art püskürtme oranının giriş parametreleri olarak; fren özgül yakıt tüketimi (BSFC), NO ve is emisyonunun ise çıkış parametreleri olarak belirlendiği Latin Hiperküpü örneklemesine göre simülasyonlar gerçekleştirilmiş her bir çıkış parametresi için ileri beslemeli sinir ağları ile eğitilen cevap yüzeyleri elde edilmiştir. Her bir giriş parametresinin BSFC, NO ve is emisyonları üzerine etkisinin incelenmesinin ardından BSFC-NO-is uzayında pareto optimum çözümlerini elde etmek amacıyla çok amaçlı pareto optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar dahili EGR ve art püskürtmenin sırasıyla NO ve is emisyonlarını önemli derecede azaltabildiğini; ana püskürtmeye çok yakın uygulanan art püskürtmenin is oluşumunu artırdığını ve art püskürtmenin is oksidasyon kabiliyetinin ancak ana püskürtmeye bir miktar uzak uygulandığı durumda ortaya çıktığını; art püskürtmenin is emisyonlarını azaltmadaki etkinliğinin dahili EGR oranı ve ana püskürtme zamanlamasından büyük ölçüde etkilendiğini göstermiştir. Ayrıca, ana püskürtme zamanlamasının uygun şekilde tespit edilmesi durumunda dahili EGR ve art püskürtme kombinasyonu ile NO ve isin, BSFC'de makul bir artışla eş zamanlı olarak azaltılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Current pollutant emission regulations force engine manufacturers to develop effective and low-cost emission reduction techniques. In this regard, due to the development and operating costs and packaging problems of exhaust gas aftertreatment systems, intensive studies are being carried out on in-cylinder emission reduction techniques to reduce the burden, size and cost of these devices. In this regard, this study covers numerical studies investigating the effect of internal EGR and post injection on NOx, soot and fuel consumption through a one-dimensional engine cycle simulation validated by single and post-injection test results of a single-cylinder heavy-duty diesel research engine operating at 8.47 bar brake mean effective pressure (BMEP) and 1500 rpm engine speed. Internal EGR was provided by the intake valve re-opening during the expansion or exhaust stroke, and the post-injection was realized by splitting the total amount of fuel injected in the range of 0% -15% by mass and applying it after the main injection. On the other hand, it is aimed to optimize the NOx and soot emissions, which are in trade-off relationship with each other depending on the combustion characteristics in compression ignition engines by keeping the fuel consumption at a reasonable level. After characterizing the mass transfer between the intake port and the cylinder depending on the internal EGR and examining the in-cylinder combustion characteristics in the case of applying post injection and internal EGR by means of the validated engine model, simulations were carried out depending on the post injection and internal EGR parameters  (main injection timing, post injection dwell time, post injection rate and intake valve re-opening phase) selected by the Latin Hypercube sampling, and response surfaces trained by feed forward neural networks were obtained for the outputs of brake specific fuel consumption (BSFC), NO emission and soot emission. The results show that internal EGR and post injection can significantly reduce NO and soot emissions, respectively. The post injection introduced too close to the main injection increases the soot formation and the soot oxidation ability of the post injection only occurs when it is applied some distance to the main injection. The results also showed that the effectiveness of post injection in reducing soot emissions is greatly influenced by the internal EGR rate and the main injection timing. It has also been concluded that the combination of internal EGR and post injection can reduce NO and soot emissions simultaneously with a reasonable increase in BSFC if the timing of the main injection is properly determined.