Geri Dön

Effect of split injection on combustion and emissions at full load condition

Tam yükte kademeli yakıt püskürtmenin egzoz emisyonları ve motor performansı üzerine etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 517478
  2. Yazar: SONGÜL ŞENYURT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CEM SORUŞBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

1892 yılında Rudolf Diesel tarafından keşfedilen sıkıştırma ile ateşlemeli motor günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yakıt tüketiminin az olması ve çalışma maliyetinin düşük olması onun populerliğini her dönemde korumuştur.Tüm bunlara rağmen, onun geniş kitlelerde kabulunu engelleyen siyah duman sorunu vardır. Dizelin kullanımı ve popülerliğinin artmasıyla beraber, 1993'de Euro 1 emisyon standardı bu sorunlara çözüm olarak uygulamaya koyulmuştur. Bu standart ile beraber NOx ve PM emisyonlarına sınırlamalar getirilmiştir. Gün geçtikçe bu emisyon standartları daha katı hale gelmiştir. En son Euro 6 emisyon standardı ile NOx yaklaşık % 80 ve PM emisyonu yaklaşık %96 oranında azaltılmıştır. Dizel motor üreticileride bu emisyon limitlerine uyum sağlamak için silindir içinde ve egzoz sistemlerinde değişiklikler yapmaktadırlar. Egzoz sistemlerindeki değişiklikler(DPF, SRC, DOC vs.) ile bu limitlere erişmek mümkün olmasına rağmen bu sistemler maliyetli olup yakıt tüketimi üzerine olumsuz etkisi bulunmaktadır. Bunlara bağlılığı azaltmak için silindir içi yöntemler üzerine olan araştırmalar gün geçtikçe hız kazanmaktadır. Silindir içi yöntemlere; yanma odası geometrisinde değişiklik, ezgoz gazı geri beslenmesi, yüksek basınçta yakıt püskürtme, kademeli yakıt püskürtme, çift yakıt kullanma gibi bir çok sistem örnek olarak verilebilir. Bunlar arasındaki en umut verici yöntem kademeli yakıt püskürtmesidir çünkü motor karmaşıklığını ve maliyetini artırmadan yanma süreci çok iyi bir şekilde kontrol edilebilmektedir. Kademeli yakıt püskürtme üzerine olan çalışmalar elektronik kontrollü enjeksiyon sisteminin gelişmesi ile birlikte hız kazanmıştır. Yakıtın, bir güç stroğunda silindir içerisine birden fazla aşamada enjekte edilmesine kademeli püskürtme denilmektedir. Ana enjeksiyondan önce püskürtülen yakıt ön püskürtme olarak bilinir. Ön püskürtme genellikle yanma gürültüsünü ve NOx-is emisyonlarını azaltmak için kullanılmaktadır. Ana enjeksiyondan sonra püskürtülen yakıt art püskürtme olarak bilinir. Art püskürtme iki şekilde yapılmaktadır. Birincisi ana enjeksiyona daha yakın olarak yapılan, C atomlarını okside ederek is emisyonlarını azaltmak için uygulanmaktadır. İkincisi güç stroğunun sonuna doğru yapılan ve torka katılmayan yakıt püskürtme işlemidir. Bu da motor çıkışında emisyonları azaltmak için kullanılan katalistleri ısıtmak için uygulanmaktadır. Bizde bu çalışmamızda, motor performansını etkilemeden egzoz emisyonlarını azaltmak için tam yükte kademeli püskürtme yöntemi geliştirmeye çalıştık. Bunun için, sadece ana enjeksiyonun olduğu tek silindirli 4 stroklu bir dizel motorunun 3600 rpm'de AVL-Fire programını kullanarak simulayonunu yaptık. Tüm simulasyonlarda püskürtülen toplam yakıt miktarı sabit olup 51.5 mg'dır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği programında dizelin C/H yapısına benzer özellik gösterdiği için C13H23 yakıt olarak kullanılmıştır. Modelin validasyonunu yapmak için deneysel verilerden elde edilen silindir içi maksimum basınç, güç ve Bmep değerleri simulasyon çıktılarıyla karşılaştırılmıştır. Model doğrulandıktan sonra NOx, is, güç vs. değerleri kademeli püskürtme sonuçları için referans değer olarak kullanılmıştır. Başarılı validasyon işleminin ardından, yakıtı iki aşamada püskürtmek için simulasyon üzerinde değişiklik yapılmıştır. Bunun için iki ayrı püskürtme başlama zamanı ve bitiş zamanı eklenmiştir. İlk enjeksiyonun püskürtme zamanın bittiği ve ikinci enjeksiyonun püskürtme zamanın başladığı arasındaki krank açısına bekleme açısı denilmiştir. Kademeli püskürtmeni yanma üzerine etkisini incelemek için 3 method üzerinde çalışma yapılmıştır. İlk olarak, yakıtın %5'i ön püskürtmede kalan %95'i ana püskürtmede silindir içerisine enjekte edilmiştir ve 7 farklı simulasyon yapılmıştır. Bu simulasyonlarda ikinci/ana püskürtme açısı referans değerdeki ile aynı değerde (17°CA üst ölü noktadan önce) bırakılmıştır ve ilk enjeksiyon açısı 5°CA'dan 65°CA değişen bekleme açısında ötelenmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki, D45'e kadar oluşan is emisyonları referans değerin üzerindedir. Çünkü, ilk aşamada püskürtülen yakıt hava ile tam karışmadan yanmaya başlamıştır. Ana enjeksiyon daha yüksek sıcaklıktaki bir ortama enjekte edildiği için silindir içerisinde yeterli dağılım göstermeden difüzyon ile yanmaya başlamıştır. Silindir içerisinde zengin karışım bölgeleri oluşmuştur ve ana enjeksiyonda püskürtülen yakıt %5 azaltıldığı için güç stroğunda açığa çıkan ısı azalmıştır. Böylece difüzyonlu yanmanın artmasının yanısıra, C atomunun oksidasyonuda azaldığı için is emisyonları artma göstermiştir. D55 ve D65'te ise %2 ve %19 oranında is emisyonlarının azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durumlarda ilk enjeksiyonda püskürtülen yakıt silindir içerisine daha homojen dağılım gösterebilmiştir. Böylece ana enjeksiyon daha fakir karışımın olduğu bir ortama enjekte edilmiştir. Özetle, uzun bekleme açısı ile yakıtın %90'lık kısmı daha verimli bir şekilde okside edilmiştir. Bu yüzden, daha yüksek silindir içi sıcaklıklar elde edilmiştir. Hem difuzyonlu yanma azaltılmış hemde oksidayon oranı artırılmıştır. NOx emisyonları incelendiğinde ise, D5 ve D15'te 20.6 % ve 17% oranında azalma gözlenmiştir. Bu durumlarda ön karışımlı yanma bölgesi azaltıldığı ve yakıtın çoğunluğu difüzyon ile yandığı için NOx azalmıştır. En yüksek NOx değeri D65'te elde edilmiş olup %47 daha fazladır. Sonuçlar motor gücü dikkate alarak değerlendirildiğinde ise, D65 dışındaki tüm bekleme açılarında elde edilen güç referans değerin altında kalmıştır. Ön püskürtmede enjekte edilen yakıt sıkıştırma stroğunda yanarak piston üzerinde negatif kuvvet oluşturmuştur. Oluşan bu negatif kuvvet üst ölü noktadan sonra oluşan pozitif kuvvet tarafından telafi edilemediğinden D65 dışındaki tüm bekleme açılarında güç kaybı görülmüştür. D65'te ise yakıtın oksitlenmesi arttığı için bu negatif kuvvet telafi edilmiştir. D65'te HC emisyonları %55 azaltılırken, CO emisyonları %8 oranında artırılmıştır. CO artmasının nedeni silindir duvarına yakın yerlerde zengin karışım bölgeleri oluşmasıdır. Sonraki aşamada silindir içerisine püskürtülen toplam yakıt miktarı 10:90 oranında ikiye bölünmüştür ve toplamda 17 farklı simulasyon yapılmıştır. Bu simulasyonlar üç farklı aşama da gerçekleştirilmiştir. İlk olarak ana enjeksiyon zamanı referans değerindeki yerinde sabit tutularak, ilk püskürtülen yakıtın zamanında değişiklikler yapılmıştır. İlk enjeksiyon açısı 5°CA'dan 65°CA değişen bekleme açısında ötelenerek 7 farklı durum incelenmiştir. D35'ten D65 kadar olan bekleme açılarında, güç değerleri referans duruma eşit veya üzerinde elde edilmiştir ve silindir içi maksimum basınç değerleri %10 oranında daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Maksimum NOx emisyonu D35 elde edilmiş olup referans değerden %200 daha fazladır. D65'e gelindiğinde ise oluşan NOx'in %109 daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Bu azalmanın sebebi yakıtın silindir içerisine daha erken püskürtüldüğü zaman silindir duvarına çarparak buraya yapışması ve yanmaya katılmamasıdır. Difüzyonlu yanmanın artmasına bağlı olarak en yüksek soot emisyonları D35'te elde edilirken, silindir içerisinde hava kullanımı arttığı için D55'te en düşük soot emisyonu gözlemlenmiştir. Ana enjeksiyonun 17 derece üst ölü noktadan önceye yerleştirildiği zamanki sonuçlar göstermiştirki, silindir içi maksimum basınç, sıcaklık ve NOx emisyon değerleri referans değerin üzerindedir. Bu değerleri azaltmak için ikinci aşamadan ana enjeksiyon 7 derece üst ölü noktadan önceye yerleştirilerek, D5'ten D65'e yine 7 farklı simulasyon yapılmıştır. Bu durumda silindir içi maksimum basınç ve sıcaklık değerleri azaltılabilmesine rağmen güçte düşüş gözlemlemiştir. Minimum güç düşüşü M17-D65'te olup %9.86'tır. Bu durumdaki NOx, soot ve HC emisyonları %54,%9 ve %6.9 oranında azaltılırken, CO emisyonu %1.54 oranında artırılmıştır. Bu bekleme açısında NOx ve soot emisyonlarında iyileşme elde edilmesine rağmen güçte kayıp olduğu için kabul edilebilir bir sonuç değildir. Gücü azaltmadan NOx emisyonlarını azaltmak için, son bir deneme daha yapılmıştır. Bu aşamada ana enjeksiyon 17 derecede iken ki maksimum basınç ve gücün elde edildiği 3 durum seçilmiştir. Bu üç durumun ilk püskürtmeye başlama zamanları 65°, 75° ve 85°CA olup, sabit tutulmuştur ve ana/ikinci enjeksiyon 12°CA bTDC'a yerleştirilmiştir. İlk püskürtme açısının 85° olduğu durum da NOx emisyonu %10, is emisyonu %42, yanmamış yakıt emisyonu %67 ve karbon monoksit emisyonu %28 oranında azaltılmıştır ve motor performansında sadece %0.4'lük ihmal edilebilir bir kötüleşme görülmüştür. Bu sonuçlar bize doğru püskürtme zamanı seçtiğimiz zaman NOx ve is emisyonlarının aynı anda azaltılabileceğinin mümkün olduğunu göstermiştir. Son olarakta yakıtın %30'ü ön püskürtme ve %70'i ana püskürtme sırasında silindir içerisine enjekte edilmiştir. Toplamda 18 farklı simulayon yapılmıştır. Yine bu simulasyonlar 3 farklı grup halinde uygulanmıştır. İlk olarak diğer iki durumda (05:95 ve 10:90) olduğu gibi ana/ikinci enjeksiyon püskürtme zamanı 17°CA bTDC'da sabitlenip, ilk enjeksiyon zamanı değiştirilerek 7 farklı simulasyon yapılmıştır. Maksimum basınç ve sıcaklık değerleri M17-D25'te elde edilmiş olup referans değerden %31 ve %15 daha fazladır. Bu durumda NOx %770 artırılırken, soot emisyonları %86 oranında azaltılmıştır. Maksimum güç ise M17-D45'te elde edilmiştir ve %8.7 oranında referans durumdan daha fazladır. Bu bekleme açısındaki emisyon değerlerini incelediğimizde ise, NOx %595 daha fazla elde edilirken, soot emisyonları %84 daha düşüktür. M17'de daha yüksek güç ve daha düşük soot emisyonları elde edilmesine rağmen, nerdeyse yedi kat daha fazla NOx emisyonları elde edilmiştir. İkinci aşamada, ana enjeksiyon zamanı 7 derece üst ölü noktadan önceye sabitlenmiş ve ilk enjeksiyon zamanı 21 derece üst ölü noktadan 81 derece üst ölü noktaya değişen bekleme açılarında yedi farklı simulasyon yapılmıştır. D35-D45-D55 ve D65 durumlarında güçte ve yakıt tüketiminde herhangi bir azalma gözlemlenmemiştir. Ancak emisyonlar incelendiğinde ise, NOx emisyonu yaklaşık olarak %154.8 oranında artırılmıştır. Soot emisyonları ise %57.5 oranında azaltılmıştır. Bu bekleme açılarında yüksek silindir içi basınç ve güç elde edildiği için, son aşamada bu dört bekleme açısı farklı ana püskürtme zamanında tekrardan simule edilmiştir. Son olarak, bu dört durum için ana enjeksiyon zamanı 0 derece üst ölü noktaya yerleştirilmiştir ve ön püskürtme zamanları sabit tutulmuştur. Ana enjeksiyonun daha öne alınması ile yanma kötüleşmiştir. Elde edilen güç %10 oranında azalmıştır. En düşün NOx emisyonu M0-D65'te görülmüştür. Ancak bu değer hala referans değerden %8 daha fazladır. Bu durumda motor gücünde kayıp vermeden NOx emisyonlarını azaltmak mümkün değildir.

Özet (Çeviri)

The compression ignition engine, discovered by Rudolf Diesel in 1892, is widely used today. Low fuel consumption and low operating costs keep it popular every time. Despite all these, there was a black smoke problem that hindered it from accepting a vast majority of the public. With the increasing use and popularity of diesel, in 1993 the Euro 1 emission standard was put into action as a solution to these problems. Along with this standard, limitations have been imposed on NOx and PM emissions. It has become stricter over the years. With the latest Euro 6 emissions standard, NOx is reduced by about %80 and PM emissions by almost %96. Diesel engine manufacturers have been making modifications in the cylinder and exhaust system to comply with these emission limits. Though it is possible to reach these limits with alterations in the exhaust system (DPF, SRC, DOC etc.), these systems are costly and have a negative impact on fuel consumption. Researchers on in-cylinder methods have been accelerating to reduce dependence on it. As an instance of in-cylinder techniques; modification in combustion chamber geometry, exhaust gas recirculation, high-pressure fuel injection, low-temperature combustion, multiple injections and dual–fuel can be given. The most promising method among these is multiple fuel injection because combustion process can be controlled well without increasing engine complexity and cost. The goal of the multiple injection is to enhance mixing quality and control the combustion process. With the development of the electronically controlled injection system, studies on multiple/split injection systems have gained speed. In this study, it was tried to develop a split injection methodology at full load condition to make better engine emissions and performance. For this purpose, 4 stroke diesel engine which have only main injection was simulated at 3600 rpm using AVL-Fire software. The computations used C13H23 as the fuel due to its similar C/H ratio used diesel duel. To validate model, the maximum pressure, power, torque, bmep values obtained from the simulation were compared with the experimental data. Validation results for instance, NOx, pressure, power would be referred to as reference values. Following to successful validation, the model has been modified to inject fuel in two-stage for split injection. The angle between the end of first injection and onset of the second/main injection is called the dwell angle. Initially, 5 percent fuel injected in the first pulse, 95 percent in the second pulse. In this case, main injection was fixed at 17° bTDC which is the same as the reference engine and only first injection timing was shifted according to dwell angle. The dwell angle between two pulse was ranging from 5° to 65° CA. Results showed that, soot emissions up to D45 is found above the reference value due to fuel injected in the first pulse started to burn without well mixing with air so diffusion burn section was increased overall. When it comes to D55 and D65 it was diminished by 2% and 19% respectively. It is clearly expressed that sufficient dwell angle enable well mixing of fuel in the first pulse hence increasing premixed burn portion. Briefly, with longer dwell angle, soot oxidation rate was enhanced due to well distribution of fuel in-the combustion chamber and high local in-cylinder temperature. When it comes to NOx emissions, at D5 and D15 its values were reduced by 20.6% and 17%. In these cases, NOx generated from first pulse and second pulse was diminished due to deterioration of combustion. Highest NOx value was obtained at D65 and it was increased by 47%. When the results were evaluated considering the power, D65 gave no penalty in power. In all other dwell angle except D65, generated power lower than reference value. The negative force that sourcing from first pulse could not be compensated with the increase of positive area of pressure curve, therefore power reduced. With longest dwell angle, HC was reduced by 55% while CO was increased by 8%. The reason for the increase in CO, equivalence ratio distribution of split injection near to cylinder wall was higher than single injection. Even if local in-cylinder temperature of split injection near to wall was bigger by 72K, insufficient oxygen in those areas lead to increase CO emissions. Then, 10 percent of fuel injected in the first pulse, 90 percent in the second pulse. The simulations were applied in three steps. In the first step, main injection was timed at 17° bTDC and seven different simulations were carried out at different dwell angle that was changed from D5 to D65. From D35 to D65, power was obtained equal or higher than reference case and in-cylinder maximum pressure was observed approximately 10% higher than reference case. Maximum NOx emission was shown in D35; it was increased by 200% due to NOx formation from first pulse and second pulse was augmented. At D65, NOx was incremented by 109% and compared with D35, decrease in NOx emissions was indicated due to deterioration of combustion which sourcing from quenching of fuel on cylinder wall. Highest soot emission was indicated in D35 due to increase of diffusion combustion while lowest one was observed in D55 due to enhancement of air utilization in cylinder. As a result of M17 simulations, the in-cylinder temperature, pressure values and NOx emission were obtained higher than reference case, so in the second stage, the main/second injection was timed to 7°CA bTDC. Also in this case, the dwell angle was ranged from 5°CA to 65°CA. Much lower values regarding maximum pressure, temperature and power were achieved compared with reference values. Lowest power reduction was seen at M7-D65 and it was 9.86%. In this case NOx, soot and HC was lessened by 54%, 9% and 6.9% while CO was augmented by 1.54%. Even though, NOx and soot emissions reduction was achieved, this result not accepted due to power loss. Finally, to reduce NOx without decreasing power, the first injection times for three cases which selected from first step in which the maximum pressure and temperature occurred, were kept constant and main/second injection was timed at 12°CA bTDC. The results have shown that it is possible to reduce NOx and soot emissions simultaneously by selecting the proper injection time. NOx, soot, HC and CO emissions was reduced by 9%, 42%, 67% and 28% with only 0.4% decrease in power. Last, the total amount of fuel injected into the cylinder was divided into two at a ratio of 30:70 and 18 different simulations were run. These simulations were applied in 3 groups. In the first group, 7 different simulations were carried out by fixing the main/second injection time at 17°CA bTDC and varying the first injection time, as in the previous two cases (05:95 and 10:90). The maximum pressure and mean temperature values was obtained in M17-D25 and it was higher by 31% and 15%. In this case, NOx was raised by 770% while soot emission was reduced by 86%. The maximum power was got at M17-D45; it was enhancement by 8.7%. As for emissions in this dwell angle, NOx was incremented by 595% while soot was lowered by 84%. Although highest power and lowest soot emissions was acquired with M17 cases, NOx emissions was almost seven-fold. In the second group, the injection time of main/second injector was set to 7°CA bTDC and first injection time was changed from 21°CA bTDC to 81°CA bTDC. For D35-D45-D55 and D65 gave no penalty in power and BSFC. When those dwell angles were examined in terms of emissions, NOx was approximately increased by 154.8 % while soot was reduced by 57.5%. Higher maximum in-cylinder pressure and relatively higher power which obtained from those four cases gave us to chance to change second injection time to reduce NOx emission. Finally, by setting the second/main injection time at 0°CA bTDC and not changing the first injection times, these four situations were simulated again. The results showed that further retardation of main injection deteriorated to combustion. Power was reduced approximately by 10%. The lowest NOx which got in those simulations was seen in M0-D65. It was still higher by 8%. It needs to be highlight that, even if the maximum temperature and pressure values were diminished in this cases, reduction in NOx emissions was not achieved without sacrificing engine performance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    66376

    Termal bariyer kaplamanın turbo doldurmalı bir dizel motorunun performansına etkileri

    Başlık çevirisi yok

    HALİT YAŞAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VELİ ÇELİK

  2. Tez No

    596143

    An alternative fuel assessment model for ships and experiments on the effect of methanol on diesel engines

    Gemiler için bir alternatif yakıt değerlendirme modeli ve metanolün dizel motorlarda etkileri üzerine deneysel çalışma

    BURAK ZİNCİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZ DENİZ

  3. Tez No

    823520

    Doğalgaz - dizel çift yakıtlı yanma konseptinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi

    Experimental and theoretical investigation of natural gas – diesel dual fuel combustion concept

    MUSTAFA DENİZ ALTINKURT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ TÜRKCAN

  4. Tez No

    855967

    Partially premixed charge compression ignition engine optimization

    Kısmı ön karışım dolgulu sıkıştırma ateşlemeli motor optimizasyonu

    CENGİZHAN CENGİZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ

  5. Tez No

    720482

    Dizel motorlarda çoklu ön püskürtme stratejilerinin performans ve emisyon açısından optimizasyonu

    Performance and emission optimization of multiple pilot injection strategies in diesel engines

    MURAT GÜLER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mühendislik BilimleriYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUAMMER ÖZKAN

Geri Dön