Dizel içten yanmalı motorlarda turboşarj giriş sıcaklığı izleyici modeli

Müşteriler araçlarından daha iyi performans ve daha düşük yakıt tüketimi beklerken, gün geçtikçe egzoz gazlarının çevreye verdiği zararı azaltmak için emisyon regülasyonları daha sıkı hale getirilmektedir. Diğer yandan araç üreten firmalar ise hem müşteri hem de regülasyon isterlerini sağlayacak yüksek performanslı, düşük yakıt tüketimli ve yasal emisyon limitlerini sağlayan araçlar üretmek zorundadırlar. Zorlayıcı bu hedefler doğrultusunda gelişmiş araç ve egzoz gazı arıtıcı kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Gelişmiş kontrol sistemlerinin kullanılmasıyla beraber gerek sistem cevabının hızlı olması, gerek taşıt üretim maliyetlerini düşüreceğinden dolayı model tabanlı motor kontrolünün önemi artmaktadır. Egzoz manifoldu gaz sıcaklığı araç, motor ve egzoz gazı arıtıcı kontrol sistemleri için önemli bir parametredir ve motor performansını ve egzoz gazı arıtıcı sistem seçimini etkilemektedir. İçten yanmalı motorlarda egzoz gazı sıcaklığının önemli olduğu bazı durumları şu şekilde sıralayabiliriz; sabit geometrili turboşarjlı motorlarda egzoz gazı baypas edilerek gaz arıtıcı sistemlere daha yüksek sıcaklıkta egzoz gazı aktarımı sağlanmaktadır. EGR sistemi NOx emisyon değerlerinin azaltılmasında etkin bir sistemdir. Egzoz gazı sıcaklığı, yüksek basınçlı EGR'lı motorlarda EGR sistemi kontrolünde önemli bir parametredir, gerek emme manifoldu gaz giriş sıcaklığı, gerek EGR gazı soğutucusu çalışma noktalarının belirlenmesinde etkilidir. Emme manifolduna alınan havasının kısılması genellikle "motor regen modu" yani dizel partikül filtresinin temizlenmesi amacıyla kullanılmaktadır. Emme manifolduna alınan hava kısılarak manifold basıncı azaltılır, dolayısıyla motora alınan hava miktarı da azaltılmış olur. Bu durumda motorda daha zengin bir hava yakıt karışımı oluşacak ve yanma sonrası egzoz gazı sıcaklıkları artacaktır. Oluşan yüksek sıcaklıklı egzoz gazına dizel partikül filtresi temizlenmesinde ihtiyaç duyulmaktadır. Egzoz gaz sıcaklığının önemli olduğu diğer bir motor kontrol ünitesi fonksiyonu ise turboşarj ve motor sistemlerinin korunması fonksiyonlarıdır. Egzoz gazı sıcaklığı turboşarj sisteminin çalışmaya uygun en yüksek sıcaklığı geçmemesi amacıyla kullanılarak, sistemin donanımsal olarak zarar görmesi önlenmektedir. Ayrıca yanma sonrası oluşacak yüksek egzoz gazı sıcaklıkları pistonlarda çizilmelere sebep olabilmektedir. Egzoz gazı sıcaklığı bu olumsuz durumların önlenmesi amacıyla motor donanım koruma fonksiyonlarında da kullanılmaktadır. Genel olarak egzoz gazı sıcaklığını içten yanmalı motorlarda performans, emisyon ve motor dayanımı gibi fonksiyonlarda kullanılan önemli bir parametre olarak kabul edebiliriz. İçten yanmalı motorlar için önemli bir parametre olan egzoz gazı sıcaklığını modellenmesi amacıyla birçok akademik çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda egzoz gazı sıcaklığını modellemek amacıyla araç sürüşüne bağlı sistem modelleri, silindir içi basınç değerleri kullanılarak yapılan modeller, yapay sinir ağının kullanıldığı modeller, matematiksel ve termodinamik modeller ve egzoz gazı sıcaklığı izleyici modelleri kullanılmıştır. Yapılan bu tez çalışması ise temel olarak egzoz gazı izleyici model çalışmasından faydalanarak modellenen egzoz gaz sıcaklık değerinin daha yüksek doğrulukta tahmin edilmesi amaçlanmaktadır. Model içeriğini sabit/statik hız- tork noktalarından elde edilen veriler kullanılarak regresyon modeli ve ikinci dereceden model ile elde edilen açık çevrim egzoz sıcaklık (T3) değerinin elde edilmesi, elde edilen T3 değeri kullanılarak adyabatik genişleme ile elde edilen turboşarj çıkış sıcaklık değerinin sağlanması, turboşarj çıkışı ile egzoz arıtıcı sistemlerden olan katalist giriş sıcaklık sensörü (T4) arasında meydana gelen ısı kaybı dikkate alınarak elde edilen katalist giriş sıcaklık modeli yer almaktadır. Kalman Filtre kullanılarak tahmin edilen T4 sıcaklık değerlerinin sensör değerleri ile karşılaştırılarak T4 sıcaklık değeri farkının minimize edilerek modellenen T3 sıcaklık değerinin ölçülen T3 sıcaklık değerine yakınsaması amaçlanmaktadır. Regresyon metodu ile açık çevrim egzoz sıcaklık değerinin elde edilmesi amacıyla motor dinamometresinde farklı motor soğutma suyu sıcaklığında 1000rpm-4500rpm aralığında statik/sabit motor hızı-tork noktalarında test ölçümleri alınmıştır. Motor test odasına alınmadan önce gerekli basınç, sıcaklık, turbo şaft hızı gibi enstrümantasyonları yapılmıştır. Enstrümantasyon işlemlemleri tamamlanmış motor gerekli kontroller yapıldıktan sonra dinamometre paletine alınmıştır. Motor testleri, motor için karşı yükü oluşturacak dinamometre, motor giriş havası şartlandırma cihazı, motor soğutma suyu şartlandırma cihazı, ara soğutucu şartlandırma cihazı, yağ şartlandırma cihazı, yakıt şartlandırma ve debi ölçüm cihazı, silindir içi basınç ölçüm cihazı, blow-by ölçüm cihazı ve emisyon cihazlarının bulunduğu dinamometre test odasında yapılmıştır. Elde edilen test verileri kullanılarak egzoz gaz sıcaklığına etki eden değişkenlerin belirlenmesi amacıyla Temel Bileşenler ve Regresyon Analizi yapılmıştır. Turboşarj giriş sıcaklık modeli için gerekli değişkenler belirlendikten sonra T3 sıcaklık değeri açık çevrim olarak modellenmiştir. Her ne kadar elde edilen test verileri ile Turboşarj verimi ve Turboşarj şaft hızı değişkenlerinin de regresyon metodu ile modelleri oluşturulmuş olsa da doğruluk değeri daha yüksek olan test verilerinden elde edilen Turboşarj verimi ve şaft hızı değerleri kullanılmıştır. Sonraki aşamada regresyon ve ikinci derece eğri uydurma metodu ile tahmin edilen T3 sıcaklık verisi kullanılarak Turboşarj sisteminin adyabatik genişleme ile yaptığı iş denkleminden Turboşarj çıkış gaz sıcaklık değeri hesaplanmıştır. Bu hesaplama esnasında gerek regresyon metodu ile elde edilen Turboşarj verim değerleri gerek enstrümantasyon verilerinden elde edilen verim değerleri kullanılabilir. Çalışmanın devamında Turboşarj adyabatik genişleme denklemlerinden sağlanan sıcaklık değeri kullanılarak katalist öncesi bölüme kadar olan ısı kayıpları ve katalist giriş sıcaklık (T4) değeri hesaplanmıştır. Kalman Filtresi kullanılarak elde edilen T4 sıcaklık değeri sensör değeri ile karşılaştırılır. Tahmin edilen T4 sıcaklık değeri ile sensör ile ölçülen T4 sıcaklık değeri arasındaki fark değeri açık çevrim T3 sıcaklık değerine beslenir. Böylece regresyon ve ikinci dereceden eğri uydurma metodu ile modellenen açık çevrimli T3 sıcaklık değerinin hata oranı oluşturulan kapalı çevrim modeli azalmıştır. Doğrulama testleri sonucunda oluşturulan turboşarj giriş sıcaklık modelinin araç ve motor kontrol ünitesinin hangi fonksiyonlarında kullanılabildiği değerlendirilmiş ve modelin geliştirilmesi amacıyla hangi çalışmaların yapılması gerektiği özetlenmiştir.