Dizel motorlarda NOx ve is emisyonlarının matematiksel modellenmesi

Dizel motor büyük sıkıştırılma oranından ötürü yüksek sıcaklığa sahip olan havanın yanma odasında yakıt püskürtülerek ateşlenmesi sağlanan içten yanmalı bir motor türüdür. Dizel motorlar yalnızca sıkıştırılmış hava ile çalışır. Bu durum havanın silindir içerisinde yüksek sıcaklıklara sahip olmasına ve yanma odasına püskürtülen dizel yakıtın atomize edilmesine olanak sağlar. 19. yüzyıldan beri araştırmacılar dizel motorlar üzerine odaklanmıştır ve 20. Yüzyılın başlarında gemi ve denizaltı araçlarında kullanılmaya başlanmıştır. Daha sonra dizel kamyon, lokomotif ve ağır araçlarda kullanışmıştır. Dizel motorlar 20. Yüzyılın ilk çeyreğinden sonra yavaş yavaş bazı otomobillerde kullanılmaya başlanmış ve günümüzde otomotiv dünyasında önemli rol oynamaktadır. Dizel motorlar birçok avantaj ve dezavantaja sahiptir. Dizel motorlar, benzinli motorlar ile karşılaştırıldığında; yüksek sıkıştırma oranları ve yanma sıcaklıklarından ötürü dizel motorlar daha az yakıt tüketmektedir. Dizel motorlar sıkıştırılmalı ateşleme özelliğinden ötürü benzinli motorlardan daha yüksek termal verime sahiptir. Bu sebepten ötürü; benzinli motorlar genellikle %30 verimle çalışırken, dizel motorlar kimyasal enerjinin %45'den fazlasını mekanik enerjiye çevirebilmektedir. Ancak, dizel motorların en önemli dezavantjı benzinli motorlardan daha fazla oranda çevreye ve insan sağlığına zararlı birçok bileşiği yaymasıdır. Dizel motorlarda yakıt sıkıştırılan havanın ısısıyla ateşlendiğinden ötürü, havanın yakıtla tamamı ile karışması için gerekli zaman yoktur ve bu durum yanma sürecinde yanmamış HC, NOx ve is oluşmasına neden olmaktadır. NOx ve is emisyonundan dolayı, dizel motorların çevreye zararlı gaz emisyonlarını ilgilendiren kanunlar giderek katılaşmaktadır. İstenilen limitlerde çevreye kirliliğine sebep olan emisyon seviyesinin elde edilmesi için bir çok test yapmasını gerekmektedir. Motor ile yapılan testler uzun süre, yüksek maliyet ve hatalı çalışamayla sonuçlanabilmektedir. Bu sebep ile, maliyeti ve zamanı azaltacak, test verimini artıracak bir çözüm yolu bulunmasına ihtiyaç duyulmuştur. Bilgisayar destekli mühendislik programları bu ihtiyaçlara fazlasıyla karşılık verebilmektedir. Günümüzde, mühendisler bir boyutlu motor simülasyon programlarını kullanarak model motorun ilk çalışmalarından itibaren üretilecek motor ile ilgili detaylı araştırmaya ulaşabilmektedirler. Bu programlar üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği programları ile karşılaştırıldığında çok daha hızlı çözüm sunabilmektedir. Ayrıca, bu programlar motor dinamometresinin test sürelerini kısaltmak ile birlikte motor performans parametrelerinin çok boyutlu etkisi üzerinde daha fazla araştırma yapma olanağı sağlamaktadır. Yukarıda açıklanan önemli avantajlarından öürü, bir boyutlu motor simülasyon programları birçok otomotiv üreticisi firma tarafından yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bir boyutlu motor simülasyon programlarında, akışkanın eksenel hızının diğer doğrultulardaki akışkan hızından daha yüksek olduğu kabul edilmektedir. Bu sebepten dolayı, üç boyutlu korunum denklemleri tek boyuta indirgenmektedir. Süreklilik, momentum ve enerji denklemleri model tarafından anlık olarak çözülmektedir. Tüm niceliklerin akış doğrultusunda ortalaması alınıp tüm denklemler bir boyutta çözülmektedir. Sistem küçük hacimlere ayrıştırılmaktadır ve bu hacim alanları sınırlarından birbirine bağlıdır. 1 boyutlu modellerde Skaler büyüklükler hacim alanının orta noktasına indirgenerek, vektörel büyüklükler ise her sınır için hesaplanır. Literatüre baktığımızda dizel motorlarda yanmanın bir boyutlu mühendislik programları kullanılarak yüksek doğruluk ile modellenebildiği görülmektedir. Diğer bir taraftan, egzoz gazlarının düzensiz kimyasından ötürü araştırmacılar tarafından dizel motorlarda emisyonların modellenmesi oldukça zordur. Fiziksel modellerin dışında matematiksel modellerde günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle fiziksel olarak açıklanamayan problemlerin çözümü için matematiksel modeller oldukça faydalı olmaktadır. Bu sebep ile, ölçüm verilerine göre oluşturulan matematiksel modeller bilinmeyen sistemlerin analiz edilmesinde yardımcı olabilmektedir. Matematiksel modeller bu amaç doğrultusunda egzoz gazlarının tahmini için kullanılabilmektedir. Bu tez çalışmasında, NOx ve is emisyonlarının matematiksel modeli hızlı ve doğru tahminler elde edilebilmek için kullanılmıştır. Literatürde farklı ampirik model yöntemleri bulunmasına rağmen, bu tez kapsamında Gaussian regresyon metodu kullanılmıştır. Dizel motorlar için NOx ve is emisyonlarının bu metod ile yüksek doğrulukta modellenebileceği ispatlanmıştır. Matematiksel modellere beslenecek verinin toplanması için klasik DoE yöntemleri yerine boşluk doldurma DoE yöntemi tercih edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, motorun karmaşık davranışlarını açıklamak için bu metodun yeterli düzeyde olduğu göstermektedir. Sonuçlar durağan ve değişken durumlar için ayrı ayrı incelenmiştir. Öncelikle motorun durağan koşullardaki emisyonları matematiksel olarak modellenmiştir. Sadece yanma giriş parametreleri kullanılarak modeller oluşturulmuştur. Oluşturulan modellerin sonuçları incelenerek parametre optimizasyonu yapılmıştır. Motor hızı, yakıt ray basıncı, hava debisi, toplam yakıt miktarı, ön püskürtme avansı, ana püskürtme avansı, emme manifoldu sıcaklığı ve emme manifoldu basıncını kullanarak oluşturulan modelin is ve NOx emisyonlarının tahmin edilmesinde yüksek kabiliyete sahip olduğu ortaya konmuştur. Emisyon model parametresi olarak EGR oranının kullanılmasına gerek duyulmadığı gösterilmiştir. EGR oranının diğer model parametrelerine bağımlılığından ötürü model kalitesinde bir iyileştirme sağlayamamaktadır. Ayrıca, ön püskürtme miktarının kontrolü ve ölçümündeki hatalardan ötürü bu parametrenin de modelleme hatasını azaltmak konusunda etkisi görülememiştir. Oluşturulan modeller yanma giriş ve çıkış parametrelerini içermektedir. Fakat, bu parametrelerin hepsi direk olarak dinamometrede ölçülememektedir. Bu sebeple, motorun bir boyutlu modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan model ile gerekli parametrelerin değerleri elde edilmiştir. Yanma giriş parametrelerine ek olarak çıkış parametrelerinin de modelleme kalitesine etkisi incelenmiştir. İlk aşamada elde edilen modelin parametrelerine farklı yanma çıkış parametreleri eklenerek model iyileştirmesi amaçlanmıştır. Çalışmalar türbin giriş sıcaklığının kullanılmasının is emisyonlarının modellenme kalitesini arttırdığını ortaya koymuştur. Bu tez kapsamında, yalnızca bir boyutlu modelden elde edilen parametreler kullanılarak da emisyonların matematiksel olarak modellebilmesi amaçlanmıştır. Bu sayede; motorun ilk tasarım aşamalarında, emisyonlar da göz önünde bulundurularak optimum sistem tasarımı elde edilebilecektir. Fakat, sonuçlar bunun NOx emisyonları için belirli bir düzeyde olabileceğini gösterirken, soot emisyonlarının ise modellenemediğini göstermektedir. Motorun farklı noktalarda, durağan haldeki parametre değerlerini kullanarak oluşturulan modeller ayrıca değişken koşullar için de değerlendirilmiştir. Bu amaçla, modeller MATLAB ve Simulink formatlarına uygun şekilde tekrar elde edilmiştir. WHTC çevrimine göre dinamometrede koşulan testin girdileri ve çıktıları kullanılarak bu modellere beslenmiştir. Elde edilen emisyon sonuçları dinamometrede elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Hem is hem de NOx emisyonlarının değişken koşullar için de yüksek doğrulukta modellenebileceği ortaya konmuştur.