Sıkıştırmalı ateşlemeli motorlarda tasarım ve işletme koşullarına yönelik parametrelerin performans ve emisyona etkilerinin istatistiksel yöntemlerle incelenmesi

Doğalgazın ana yakıt olarak kullanıldığı sıkıştırmalı ateşlemeli motorların yanma sürecinde, performans ve emisyon oluşumuyla ilgili önemli problemler oluşabilmektedir. Sorunun temel nedenlerinden biri, piston geometrisi ve yanma sürecine ait parametrelerin etkileridir. Bu parametreler, hava ve doğalgazın karışım yüzdesini, homojen karışımın oluşmasını, yanmanın başlayacağı piston içi bölgeyi, tutuşma zamanı ve yanma hızı gibi önemli faktörleri belirler. Tasarım ve işletme koşullarına yönelik parametrelerin etkileri, deney ve sayısal akışkanlar dinamiği (computational fluid dynamics-CFD) temelli verilere ait gerçek modellerden istatistiksel yöntemlerle kurulan vekil modellerle açıklanabilmektedir. Bu yöntemlerin avantajları; daha fazla parametre kurulan az sayıdaki veriden yeterli sayıda tahmin bilgisi elde edilmesi, gerçek deney maliyetinin azaltılmasının ve CFD sayısal analiz için geçen bilgisayar süresinin kısaltılmasıdır. Bu çalışmada, metan yakıtlı sıkıştırmalı ateşlemeli motorlarda performans ve emisyon oluşumunu etkileyen piston geometrisi ve yanma süreci parametrelerinin etkileri incelenmiştir. Bu etkileri incelemek için, Deney Tasarımı metodu ile verimli örneklem noktalarından oluşturulan ait CFD verilerine, lineer regresyon ve Kriging istatistiksel yöntemleri kuruldu. Piston geometrisi ve yanma sürecine ait toplam 6 parametrenin; indike güç, özgül yakıt tüketimi ve emisyon oluşumlarına etkileri incelendi. Seçilen iki istatistiksel yöntemin modellerine ait hata oranları belirlenerek doğrululuğu test edilmiştir. Çalışma, üç önemli kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, gerçek veriler elde etmek için Deney Tasarımı yönteminin üç boyutlu CFD temelli yanma analizi ile birleştirilmesidir. Gerçek verilerin verimli örneklem noktalarından oluşması için sınırları belirlenen 6 adet motor tasarım ve işletme koşullarına yönelik parametrelere, Latin Hiperküp Örnekleme uygulandı. 35 adet örneklem noktaları, AVL Fire yanma analizi programında modellenerek CFD gerçek verileri elde edildi. İkinci aşama, gerçek CFD verilerine, Lineer Regresyon ve Kriging yöntemi uygulayarak vekil modellerin kurulmasıdır. Bu aşamada, kurulan istatistiksel modellerin doğrululuğunun test edilerek hata oranları belirlendi. Tahmin hata oranları karşılaştırıldığında, Kriging yönteminin daha az tahmin hatası verdiği belirlendi. Son aşama, daha az hata oranına sahip Kriging yöntemine ait sonuçlarının değerlendirilmesidir. Ayrıca Kriging yöntemi sonuçları yeni bir yaklaşımla değerlendirildi. Lineer Regresyon modelinin kurulma amacı, daha basit yapısıyla daha hızlı çözümler üretme avantajını test etmekti. Basit polinom fonksiyonu yapısı ile kurulumu daha kolay olan lineer regresyona ait hata oranları yüksek çıkmıştır. Bu çalışmada, düşük hata dağılımından ötürü motor tasarım ve işletme koşullarına yönelik parametrelerin etkilerini tahmin etmek için Kriging yöntemi seçilmiştir. Kriging modeli verilere göre şekillendiğinden temsil ve tahmin kabiliyetinin lineer regresyon modelinden çok daha güçlü olduğu ortaya çıkmıştır. Kriging modeli ise veriye göre şekil alan bir model olduğu için temsil ve tahmin yeteneğinin lineer regresyon modeline göre çok daha güçlü olduğu ortaya çıkmıştır. Kriging modellerinin hata oranlarının düşük olmasından dolayı, bu çalışmada Kriging yöntemi uygulandı. Elde edilen Kriging haritalarından parametrelerinin etkilerini tahmin edebilmek için yeni ve basit değerlendirme yöntemi geliştirildi. Elde edilen tahmin bilgilerinin literatürde benzer çalışmalarla uyumlu sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Bu çalışmanın en önemli özelliği, 6 boyutlu karmaşık bir yapıya sahip parametre uzayı Kriging yöntemi ile daha basit hale getirilerek genel bilgilere ulaşılmıştır. Ayrıca bu çalışmanın sonuçlarının, performansın ve emisyonun iyileştirilmesiyle ilgili metan yakıtlı sıkıştırmalı ateşlemeli motor çalışmalarına katkısı olacağı değerlendirilmektedir.