Dizel motor hava yolu sistemi modellemesi ve kontrolü

Dizel motorlar, Rudolf Diesel'in 1893 yılında dizel motorun patentini almasıyla, 120 yıldan fazla bir süredir kullanılmaktadır. Özellikle son 60 yıldır araç sayılarının günden güne artmasıyla birlikte araç motorlarından çevreye salınan zararlı gazlar gerek çevre koşulları gerek de insan sağlığı için tehlike oluşturmaktadır. Bu duruma bağlı olarak 1960'lı yıllardan sonra ilk olarak Amerika Birleşik Devletleri'nde olmak üzere emisyon gazlarının sınırlandırılması ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Her ne kadar ilk dönemlerde basit düzenlemelerle istenilen sınır koşullarına ulaşılabilinse de özellikle son 10 yılda emisyon standartlarının yükseltilmesiyle birlikte elektronik kontrollü dizel motorların kullanılmaya başlanması kaçınılmaz bir duruma gelmiştir. Motorun farklı çalışma koşullarına bağlı olarak nasıl davranacağının analizi bir çok motor fabrikasında, motorların dinamometre testlerinin gerçekleşmesi ile yapılmaktadır. Özellikle ülkemizde dinamometre testlerini gerçekleştirmek için gerek akademik gerek de ticari alanda ciddi problemlerle karşılaşılmaktadır. Motor test sistemlerinin kurulumu için ciddi bir alt yapıya ihtiyaç olmakla birlikte, maddi anlamda da gereksinimler yüksek seviyelerdedir. Bunun yanında motor testlerinin gerçekleştirilebilmesi için zaman ve iş gücüne ihtiyaç vardır. Bu gibi durumlar dikkate alındığında motoru bilgisayar ortamında modellemek ve simule etmek gerek maddi, gerek de zaman anlamında ciddi kazançlar sağlamaktadır. Özellikle son 20 yıllık süreçte bu alanda tüm dünyada çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada motor performansını arttırmak, daha az yakıt tüketimi sağlamak ve dizel motorlardan salınan NOx gazı ve partikül maddelerin emisyon sınırlarına uymasını sağlamak amacıyla, dizel motor hava yolu sistemine yönelik modelleme ve kontrol çalışmaları yapılmıştır. Motor modeli elde edilirken gerek çok uzun simulasyon sürelerinin önüne geçmek gerek de pratik koşullara yakın sonuçlar elde edebilmek için modelin çok kompleks ya da çok basit olmamasına dikkat edilmiştir. Emme manifoldu, egzoz manifoldu, EGR , VGT ve silindir alt sistemlerinin dinamik modeli oluşturulmuş, giriş değişkenlerine bağlı olarak sistem elemanlarının davranışı analiz edilmiştir. Sistem analizlerinden sonra özellikle motor çalışma koşullarının ani değiştiği durumlardaki emisyon davranışını kontrol edebilmek için PID kontrolör tasarımları yapılmış ve sistem modelinin bu bölgelerde doğrusallaştırılmasıyla istenilen sistem davranışı elde edilmeye çalışılmıştır. Motor elektronik kontrol ünitesinin çalışmasında problem oluşturmasından dolayı her ne kadar bu alanda yapılan akademik çalışmalar olsa da yüksek seviye kontrol yöntemleri dizel motorların kontrolünde pek tercih edilmemektedir. Bu yüzden olabildiğince sistem davranışının kararlılığının bozulduğu noktalar belirlenmiş ve bu bölgelerde kontrolör tasarımları yapılmıştır. Sonuç olarak model çıkışları için istenilen seviyede sonuçlar, kontrol işaretlerinin limitleri korunarak elde edilmiştir.