Geri Dön

Mathematical modeling of NOx and soot emissions for diesel engines

Dizel motorlarda NOx ve is emisyonlarının matematiksel modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 485263
  2. Yazar: RÜŞTÜ TAYLAN YARAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CEM SORUŞBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 137

Özet

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.

Özet (Çeviri)

The diesel engine is a type of internal combustion engines in which the fuel that is injected into combustion chamber is ignited by high temperature due to greatly compression of air. Only the air is compressed for diesel engines work. This causes the air to reach high temperatures inside the cylinder and atomized diesel fuel which is injected into the combustion chamber is ignited. Since 19th century, researchers have focused on diesel engines and they came into use with ships and submarines in early years of the 20th century. Then, diesel engines were seen for trucks, locomotives and heavy equipment. After a first quarter of the 20th century, they slowly began to be used in a few automobiles and the diesel engines play an important role in today's automotive world. Diesel engines have many advantages and plenty of drawbacks. When diesel engines and gasoline engines are compared, diesel engines burn less fuel than gasoline engines due to the engine's higher temperature of combustion and greater expansion ratio. Diesel engines have higher thermal efficiency than gasoline engines due to property of compression ignition. Due to this fact, diesel engines can convert over 45% of the chemical energy into mechanical energy while gasoline engines are typically 30% efficient. However, the most important disadvantage of diesel engines is that they emit more hazardous compounds for environment and human health than gasoline engines. Since the fuel in diesel engine is ignited by the heat of compressed air, the fuel had no time to be fully mixed with the air and it produces unburned HC, NOx and soot during the combustion process. Due to NOx and soot emissions, legislation concerning the pollutant gas emissions of diesel cars is becoming increasingly restrictive. Then, it requires many tests to reach the desired limits of the pollutant emissions. Testing with an engine results in long, expensive and inaccurate works. Therefore, it has needed to find a solution for reducing cost and time, also increasing test efficiency. Computer-aided engineering programs have been widely used with the developing computer technology and many engineering problems have been solved by using the computer-aided engineering programs. Some of these programs are developed by engineers to simulate the engine in the system order. Thus, computer aided engineering programs, which are referred as one-dimensional simulation programs in literature provide solution in the system order of an engine. Today, engineers are able to get through to detailed investigations of production engines from early studies of model engine by using one dimensional engine simulation programs. They provide very quick solutions when compared to three dimensional computational fluid dynamics programs. Also, they shorten test duration of engine dynamometer and provide further investigations for multi-parameter effects of engine performance parameters. One dimensional engine simulation programs are widely used by many automotive manufacturers due to the significant advantages described above. In one dimensional engine simulation programs, it is accepted that the axial velocity of the fluid is higher than the fluid velocity in other directions. Due to this reason, three dimensional conservation equations are reduced to one dimension. Continuity, momentum and energy equations are solved simultaneously by the model. All equations are solved in one dimension and all quantities are averaged across flow direction. The system is discretized into smaller volumes and volumes are connected by boundaries. Also, the scalar variables are calculated at the center of the volume and vector variables are calculated for each boundary. This type of discretization is referred as staggered grid. In literature, combustion of diesel engines are modeled with high accuracy by using one dimensional engine simulation. On the other hand, the emission modeling of diesel engines have been very challenging for researchers due to irregular chemistry of the exhaust gases. Apart from physical modeling, mathematical modeling is also commonly used. Mathematical modeling is very beneficial especially for the problems which cannot be explained by physical modeling. Therefore, mathematical modeling which is constructed according to measured data, could be very helpful to analyzed unknown systems. In accordance with this purpose, mathematical model can be used for prediction of exhaust gases. In this thesis study, mathematical model of NOx and soot emissions based on Gaussian Regression method is used for fast and accurate predictions. It is proved that NOx and soot emissions can be modeled mathematically with high accuracy for diesel engine. Experimental design is generated to collect training data for mathematical models. Instead of using conventional DoE methods, spacing filling DoE method is utilized. The results show that it's good enough to describe complex behaviors of the engine. Results are subdivided according to steady state and transient conditions. Firstly, steady state modeling is handled. Models using combustion input parameters are created to predict soot and NOx emissions. These parameters is directly or indirectly controlled by ECU. Optimization of the input parameters are performed to obtain highest results, and the model comprising of eight parameters are sufficient to predict soot and NOx emissions. Suggested model includes the parameters: engine speed, fuel rail pressure, total fuel quantity, start of main injection, start of pilot injection, mass air flow, intake manifold temperature and intake manifold pressure. Due to dependency of EGR rate to other model parameters, it is not required to add EGR rate parameter into the models. Controlling of pilot injection quantity have high errors, and thus its effect on modeling quality could not be observed. The models include combustion input and output parameters. However, some parameters cannot be measured directly on a dynamometer, and therefore 1D model of the engine is created. The values of these parameters are obtained by using 1D engine model. Effects of some combustion output parameters are also investigated in this thesis. Modeling improvement is aimed by using these parameters. Studies show that adding turbine inlet temperature into the models increases modeling quality of soot emissions. Also, it is obtained that using maximum cylinder pressure in the models increases the accuracy of validation data for steady state conditions, but it requires to use other combustion parameters such as turbine inlet pressure, burn duration 0-50%, burn duration 0-90% and burn duration 10-90%. In this thesis, it is also aimed to model emissions mathematically by using only outputs of the 1D engine model and to show its feasibility. Thus, optimum design of an engine can be obtained by using a coupled model of 1D engine model with a mathematical emission model. However, the results show that NOx emissions can be assessed during design optimization process but the same thing cannot be stated for soot emissions. The models including combustion input and output parameters are run in MATLAB to evaluate the model quality for transient conditions. World harmonized transient cycle (WHTC) is used for comparison of model and test data. The results show that mathematical emission models are capable of predicting transient results of emissions. The same model suggested for steady state conditions can be also used for transient conditions. However, there are some problems observed during analysis of transient results of the models. These problems are overestimation of soot emissions and time delay between model and test results. One of transient cycle points is out of range for training data of the models, and it results in overshooting of soot emissions. Setpoints of combustion variables are specified at the beginning of combustion by ECU, however, soot and NOx emissions are measured at engine outlet. This situation causes a delay between test and model results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    535175

    Dizel içten yanmalı motorlarda silindir içerisindeki hava hareketlerinin incelenmesi

    In-cylinder flow characterization of air in diesel internal combustion engines

    CEM DEMİRKESEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  2. Tez No

    451020

    Assessment of heat exchanger performance of an EGR cooler and effect to the engine performance

    EGR soğutucusu ısı değiştiricisinin performansının ve motor performansına olan etkisinin incelenmesi

    BURAK BAYRAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ FERİDUN ÖZGÜÇ

  3. Tez No

    386160

    Termal bariyer kaplanmış motorun yapay sinir ağları ile matematiksel modellenmesi

    Thermal barrier coating engine mathematical modeling with artificial neural network

    HAKAN GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HANBEY HAZAR

  4. Tez No

    166891

    Mathematical modeling of NOx emissions in bubbling fluidized bed combustors

    Akışkan yataklı yakıcılarda NOx emisyonlarının modellenmesi

    ONUR AFACAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEVİN SELÇUK

    DR. OLCAY OYMAK

  5. Tez No

    534699

    Mathematical modeling of a bubbling fluidized bed combustor co-fired with cotton residue and lignite

    Pamuk artığı ve linyitin kabarcıklı akışkan yataklı yakıcıda birlikte yakılmasının matematiksel modellenmesi

    MEHMET SONER YAŞAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖRKEM KÜLAH

    PROF. DR. NEVİN SELÇUK

Geri Dön