Investigation of effect of novel technologies' implementation to future internal combustion engines
Yeni teknolojilerin geleceğin içten yanmalı motorlarına uyarlanmasının etkilerinin incelenmesi
- Tez No: 541304
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Ulaşım, Energy, Mechanical Engineering, Transportation
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
İnsan nüfusu arttıkça enerji tüketimi dünya için daha da önemli bir problem halini almaktadır. Artan nüfusa ek olarak, teknolojinin durmayan gelişmesi ve küresel nüfus içinde yaygınlaşması enerji telebinin artışına yol açmaktadır. Ortaya çıkan alternatiflere ve bu alternatiflerin geleceğin enerji kaynağı olarak görülmesine rağmen, fosil yakıtlar hala güncel ana enerji kaynağı durumunda olup, aynı zamanda içten yanmalı motorlar da dünya genelinde taşıt tahriği için baskın alternatif olmayı sürdürmektedirler. Pistonlu içten yanmalı motorlar, 1876'da August Otto tarafından icat edilmelerinden beri sürekli evrilmekte, verim, güç yoğunluğu ve emisyon anlamında gelişmeye devam etmektedirler. Küresel politika, ekonomi ve çevre ile ilgili kaygılar bu gelişimi sürdüren ana faktörler olmuştur. Özellikle çevresel kaygıların daha sesli biçimde dile getirilmeye başlandığı ve devletlerin emisyon regülasyonları getirmeye başladığı 1970'lerin başından beri, içten yanmalı motorlar olumlu bir gelişim içerisinde olup, regülasyonlar güncellenerek daha sıkı bir hal aldıkça, geliştiriciler emisyon anlamında içten yanmalı motorları iyileştirmek konusunda daha da zorlanmaktadır. Son dönemde, dünya, taşıt tahriği için daha iyi çözümler bulmak adına arayışlarına devam edereken, elektrik motorları taşıt tahriği için elverişlilikleri, yüksek iç verimleri ve kara taşıtı tahriğine mükemmel şekilde uyan moment-hız karakteristikleri ile ön plana çıkmıştır. Ancak, modern bataryaların enerji yoğunluklarının fosil yakıtlara kıyasla çok düşük olması sebebiyle, batarya teknolojisi elektrikli taşıt tahriğinin kısıtlayıcı faktörü konumundadır. Ayrıca, dünyada elektrik %100 oranında rüzgar enerjisi ya da güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilmediği sürece, elektrikli taşıtların gerçekten sıfır-emisyon olarak anılması mümkün değildir. Enerji kaynaklarının kullanımına daha geniş bir perspektiften bakıldığında, kuyudan tekerleğe verim ve bütün yaşam döngüsünün çevresel etkilerinin önem kazandığını söylemek mümkündür. Bu bakımda taşıt tahrik opsiyonları küresel anlamda faydacı bir yaklaşımla kıyaslandığında, taşıt içi verimden ziyade genel verim göz önünde bulundurulmalıdır. Elektrikle tahrik gelecek vaadetse de, gelişim potansiyelleri göz önünde bulundurulduğunda, içten yanmalı motorların gelişimlerinin devam etmesi gerekmektedir. Yakıttaki kimyasal enerjisi mekanik enerjiye çeviren makineler olan içten yanmalı motorların ana hedefi, bunu en verimli şekilde gerçekleştirmektir. Günümüz içten yanmalı motorları ile ideal içten yanmalı motorlar arasındaki engelleri daha iyi görmek adına, içten yanmalı motorların çalışma prensipleri ve verimsizliklerine ve zararlı emisyonlara yol açan mekanizmalar iyi anlaşılmalıdır. İlk olarak, geleneksel içten yanmalı motorların esnek çalışmaya olanak kılmayan yapılarından ötürü, günlük kullanımda potansiyellerinin büyük kısmı atıl kalmaktadır. Bu sınırlı esneklikten dolayı, performans ile yakıt ekonomisi arasında ters orantu bulunmaktadır. Aynı zamanda modern yanma teknolojileri de çeşitli dezavantajlara sahiptir. Örneğin, vuruntu fenomeni, bujili motorlarda verimi kısıtlayan faktördür. Bir başka örnekse, sıkıştırma yanmalı motorların ön karıışımsız yapılarından dolayı yüksek NOx ve is emisyonlarına sahip olmasıdır. Bu gerçekler göz önünde bulundurulduğunda, daha çok yönlü, daha verimli ve çevresel açıdan daha az zararlı içten yanmalı motorlar için, geleceğin içten yanmalı motorları rakiplerine karşı daha rekabetçi olmak adına yeni teknolojileri bünyelerine katmalıdır. Geleceğin içten yanmalı motorları, daha güç yoğun, daha verimli ve çevre ile daha barışık, en önemlisi değişen koşullarda daha esnek olmalıdır. Henüz seri üretime geçmemiş yeni teknolojiler, içten yanmalı motorların gelişim potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu çalışma kapsamında, içten yanmalı motorları geliştirecek yeni teknolojiler ve bu teknolojilerin potansiyel etkileri incelenmiştir. Öncelikle, limit ve hedeflerin belirlenmesi için içten yanmalı motorların prensipleri ve teorik sınırılarına değinilmiştir. Bu kapsamda, içten yanmalı motorların verimlerinin teorik olarak kısıtlı olduğunu, buna ek olarak ısı transferi, pompalama kayıpları, yanma verimsizlikleri ve sürtünme gibi faktörler ile içten yanmalı motorların verimlerinin daha da düştüğü görülmektedır. Ayrıca zararlı emisyonlar da içten yanmalı motorlar için göz önünde bulundurulan önemli birer faktördür. Daha yüksek termal verim için yakıt enerjisinin daha büyük bölümünün faydalı işe çevrilmesi, ve bu sırada daha az zararlı salınıma yol açacak bir yolun izlenmesi hedef alınmalıdır. İdeal yanmanın ürünü olan karbon dioksit salınımını düşürmenin tek yolu ise içten yanmalı motorlarının verimlerinin artırılmasıdır. İçten yanmalı motorların geliştirilmesi için, verim düşüşüne ve zararlı emisyonlara sebebiyet verilen mekanizmalar iyi anlaşılmalı, daha sonra, bu mekanizmaları önleyecek yöntemler geliştirilmedir. İdeal çevrimlere göre içten yanmalı motrların verimlerinin iyileştirilmesi, yüksek sıkıştırma oranı ve hızlı enerji salınımını gerektirmektedir. Ancak bu parametreler gerçek motorlarda motor malzemelerinin mekanik dayanım gibi faktörlerden dolayı kısıtlannmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda, vuruntu, sıkıştırma oranını dolayısı ile üst verimi kısıtlayan önemli bir faktördür. Yine de daha düşük zararlı emisyon için, ön karışımlı dolgunun yüksek yanma verimi ile düşük sıcaklıkta yakılması gerekmektedir. Ancak, ön karışımlı bir dolgu, vuruntu yatkınlığını artırmakta, yüksek yanma verimi ise yüksek sıcaklık anlamına gelmektedir. Pistonlu içten yanmalı motorların bir diğer önemli dezavantajı da esnek çalışmayı güçleştiren mekanik konstrüksiyonlarıdır. Örneğin, bujili motorlar vuruntu sebebiyle sıkıştırma yanmalı motorlara kıyasla daha düşük geometrik sıkıştırma oranları ile çalıçacak biçimde üretilmekte ve monte edilmektedirler. Bu geometrik kısıt, düşük yüklerde daha yüksek sıkıştırma oranı ile vurutusuz biçimde sağlanabilecek yanma ile kazanılacak verim artışının önüne geçmektedir. Benzinli motorlarda dolgu kademelendirmeyi sağlayan direkt benzin püskürtme ya da dizel motorlarda emisyonları düşüren SCR gibi kompleks egzoz sistemleri benzeri bazı modern metodlar günümüz motorlarında sıkça kullanılmaktadır. Egzos gazlarının enerjisinden faydalanmayı mümkün kılan turboşarj, hem benzinli hem de dizel motorlarda sıkça kullanılmakta olan bir teknolojidir. Egzoz gazlarının tekrar silindire gönderilmesi de tüm modern motor türlerinde kullanılan bir NOx emisyonu indirgeme yöntemidir. Bir önceki paragrafta belirtilen bir çok çelişen parametre, mevcut yanma stratejilerinin avantajlarını bir araya getiren ve aynı anda dezavantajlarını ortadan kaldıracak yöntemlere yönelik araştırmalara yol açmıştır. Ayrıca esnek operasyon kabiliyetinin artırılması için içten yanmalı motorlardaki bazı mekanik parçaların elektrikli alternatifleri ile yer değiştirmesi gerektiği de bir sır değildir. Gerçekleştirilen geniş bir literatür taraması, henüz seri üretime geçmemiş ancak geleceğin motorlarının teorik sınırlarına yaklaşma potansiyelini gösteren bir çok yeni teknoloji olduğunu göstermiştir. Örneğin PCCI, HCCI ve RCCI gibi düşük sıcaklıklı yanma stretejileri, eş zamanlı termal verim artışı ve düşük NOx ve is emisyonları sağlamaktadır. Ayrıca içten yanmalı motorların daha esnek çalışmasını sağlayacak ve performans ile yakıt ekonomisi arasındaki çelişkiye son verecek bir çok teknoloji mevcuttur. Tam değişken sübap aktivasyonu, değişken sıkıştırma oranı, hibritleşme, e-kompresör ve e-turbo gibi teknolojiler içten yanmalı motorların tüm çalışma bölgelerinde ödünsüz gelişimlerini sağlayacak teknolojilerdir. Ayrıca yüksek entropili alaşımlar gibi yeni malzeme teknolojileri de içten yanmalı motorların gelişimine katkıda bulunacaktır. Literatür taramasının bulguları önceki bölümlerde belirtilen hedef ve limitlerle birleştirildiğinde, yukarıda belirtilen metodların konbine edilmesinin daha yüksek iyileştirme potansiyeline sahip olacağı değerlendirilmektedir. Geleceğin en iyileştirilmiş içten yanmalı motorları için bir mimari öngörüsünde bulunulmuştur: gelecekte içten yanmalı motorların, aynı yapıda buji, benzin ve dizel enjektörlerine sahip olacağı bu sayede yük ve motor hızı koşullarına göre benzin, dizel ya da biyo yakıtlar gibi farklı reaktivite özelliklerinde yakıtlarla SI, CI, HCCI ya da RCCI gibi farklı yanma rejimlerinde çalışabilecekleri düşünülmektedir. Tam değişken sübap aktivasyonunun düşük sıcaklı yanma stratejileri ile yük kontrolü ve esnek çalışma anlamında sinerjik olacağı bulgusuna erişilmiştir. Ayrıca, mekanik kontrollü subaplardan, elektro-hidro-pnomatik kontrollü sübaplara geçiş sayesinde, akış kontrolü yalnızca silindir subapları tarafından gerçekleştirilebilecek, her silindirin akış kontolü bağımsız şekilde gerçekleştirilebilecektir. Bu sayede tam değişken sübap aktivasyonu, ayrca silindir deakviasyonunu ek bir komponente ihtiyaç duymadan gerçekleştirebilecektir. Buna ek olarak, efektif sıkıştırma oranının çok bağlantılı bir piston-biyel bağlantısı veya emme sübabı kapanma zamanının değiştirilerek, değiştirilmesi ile bujili ateşlemeli motorlarda düşük yüklerde yüksek verim ve yüksek yüklerde vuruntusuz çalışma aynı anda sağlanabilecektir. Bir sonraki bölümde, literatür taramasına göre en yüksek potansiyele sahip düşük sıcaklıklı yanma stratejisi olan reaktivite kontrollü sıkıştırmalı yanma (RCCI), AVL Fire yazılımında incelenmiştir. Bir RCCI motor ve bu motorun baz alındığı Dizel motor AVL Fire ESE Diesel modolünde modellenmiş ve farklı koşullarda incelenmiştir. Aynı zamanda yüksek sıcaklarda yükse dayanıma sahip olan yüksek entropi malzemelerin (HEA), motor malzemesi olarak kullanılması ile mümkün olacak daha yüksek duvar sıcaklıklarında çalışmanın verime sağlayacağı katkı da simülasyonlarda incelenmiştir. Simulasyon sonuçlarına göre RCCI motor dizel motora kıyasla verim artışı sağlarken, aynı zamanda silindir duvar sıcaklarının artırılmasının da termal verime katkı sağladığı görülmüştür. Daha sonra, bu simülasyonlarda elde edilen verim artışı değeleri, bir baz dizel motorun spesifik yakıt tüketimi haritasına yansıtılmış ve RCCI, HEA, silindir deaktivasyonu gibi teknolojilerin yakıt tüketimi ve depodan tekerleğe verime etkilerinin gözlemlenmesi adına farklı motorlar, yeni devreye giren ve gerçek sürüş koşullarını daha iyi yansıtan WLTC çevriminde, motor haritaları taşıtlar ile eşleştirilerek kıyaslanmıştır. Tek boyutlu WTLC simülasyonları, turbosarj, RCCI, HEA ve silindir deaktivasyonunun gibi teknolojilerin baz atmosferik benzinli motora kıyasla depodan tekerleğe verimi %100 artırdığını göstermiştir. Göz önünde bulundurulması gereken bir diğer bulgu enerji kullanımı açısından dizel motorlara kıyasla dah verimli olan RCCI motorların dizel motorlara benzer yakıt tüketimine sahip olduğu görülmüştür. Bu durumun sebebinin RCCI motorlarda kütlesel olarak %80 civarında benzin kullanılması ve benzinin, dizel yakıta göre daha düşük yoğunluklu olmasıdır. Bu yüzden, dezavantajlı karbonmonoksit ve yanmamış hidrokarbon emisyonları ile, RCCI yanma stratejisinin kullanıcı seviyesine inebilmek adına daha fazla araştırılması gerektiği düşünülmektedir. Çünkü RCCI motorlar iki yakıt tankı, iki set enjektör gibi gereksinimlere sahiptir. Simülasyon sonuçlarına göre en baskın ve en çok gelecek vaadeden teknoloji, benzinli, dizel ve RCCI motorlarda depodan tekerleğe verimi ortalama %25 artıran tam değişken sübap kontrolü ile gerçekleştirilen silindir deaktivasyonu olmuştur. Bu çalışma kapsamında değişken sübap zamanlaması ve kalkması simüle edilmediğinden, tam değişken sübap zamanlamasının, verime katkısının elde edilen bu değerden daha fazla olacağı değerlendirilmekte, değişken sıkıştırma oranı, e-boost gibi teknolojiler ve tüm yanma stratejileri ile bu teknolojinlerin sinerjilerin daha yüksek verim kazançları sağlayacağı düşünülmektedir. Son bölümde termal ve elektrik itki alternatifleri kuyudan tekerleğe verim açısından karşılaştırılmıştır. Enerji akış rotaları verim değerleri literatür taraması ve önceki bölümlerde elde edilmiş olan tek boyutlu bir modelde simüle edilmiştir. Sonuçlara göre, %29'luk ortalama kuyudan tekerleğe verim değerleri ile elektrikli tahriğin, modern içten yanmalı motor tahriğine kıyasla oldukça verimli olduğu görülmüştür. Ayrıca projeksiyonlara göre artacak verim parametreleri ile elektrikli taşıtların daha da yüksek verimlere çıkacağı görülmüştür. İçten yanmalı motor model sonuçları, aynı zamanda içten yanmalı motorların sahip olduğu büyük gelişim potansiyelini ortaya koymuştur. Örneğin yüksek entropili alaşımlar sayesinde yüksek duvar sıcaklıklarında çalışan ve tam değişken sübap kontrolü ile silindir deaktivasyonu yapan RCCI motorun %24'lük bir kuyudan tekerleğe verime sahip olacağı hesaplanmıştır. Tam değişken sübap kontolü ve e-boost gibi diğer teknolojilerin bu çalışma kapsamında tam olarak modellenmediği ve bu teknolojilerin katkısının daha yüksek kuyudan tekerleğe verimlere yol açacağı aşikardır. Özetlemek gerekirse, elektrikli araçlar, enerjinin verimli kullanımı ve egzoz emisyonları anlamında günümüzde ve gelecek için daha iyi taşıt tahriği opsiyonlarıdır. Batarya teknolojisi gibi teknolojik bariyerler aşıldığında, bu teknolojinin avantajları daha da artacaktır. Yine de, sahip oldukları büyük gelişim potansiyeli ile içten yanmalı motorlar, taşıt tahriğinin uzun vadeli geleceğinden bağımsız şekilde geliştirilmeye ve iyileştirilmeye devam etmelidir. Özellikle ağır taşıtlar için içten yanmalı motorların en iyi seçenek olmayı sürdüreceği unutulmamalıdır. Bu yüzden, içten yanmalı motorlardaki herhangi bir iyileştirme çevre ve enerji kaynaklarının verimli kullanımı açısından fayda sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Consumption of energy is becoming a crucial issue for the world as the human population rises. In addition to increasing population, the non-stop enhancement of the technology and technology becoming more and more widespread among population globally lead to a higher demand on energy. Although alternatives have emerged and those alternatives are anticipated to be future's main energy sources, contemporary main source of energy in the world is fossil fuels. While internal combustion engines are the dominant propulsion choice all over the world. Since their invention in 1876 by August Otto, reciprocating ICE are continuously evolving and improving in terms of efficiency, power density and emissions. Global politics, economics and environmental concerns have been main the driving factors of the improvement of ICE. Especially since early 1970's, when environmental concerns have started being spoken out louder and governments started legislating emissions, harmful emissions of ICE have been improving in a good way and as regulations constantly evolve and get stricter every year, ICE developers have been keeping forced to decrease harmful ICE emissions even further. Recently, while world is searching for better solutions for vehicle propulsion, electric motors became more and more prominent with their convenience for vehicle propulsion owing to their higher inner efficiencies and perfectly matching torque-speed outputs for land vehicle propulsion. However, since energy densities of modern batteries are way lower than that of fossil fuels, battery technology seems to be the most important bottleneck of electric propulsion. Moreover, unless 100% of the world electricity is generated from renewable sources i.e. wind energy or solar energy, electric vehicles cannot be considered real zero-emission. When a broader look at the use of energy sources are developed, well-to-wheel efficiency and total life cycle effect on environment gains importance. Thus, when propulsion alternatives are compared with a globally pragmatist approach, overall efficiency shall be considered rather than on vehicle efficiency. Although electric propulsion is promising for the future, there's no doubt that internal combustion engines shall be kept improving regardless of the future considering they still have a great potential for enhancement. As a machine that converts chemical energy in fuels into mechanical energy, main goal of an ICE is to do that as efficiently as possible. To oversee the obstacles between state of the art ICE and an ideal ICE, working principles of ICE and mechanisms that decrease their efficiency and lead to harmful emissions shall be understood well. First of all, it is obvious that most of the potential of a conventional ICE is inactive during daily uses, due to the structure of modern ICE that limit the flexible operation. Because of the limited flexibility of modern engines, there is a compromise between performance and fuel economy in ICE. Modern combustion technologies also have several disadvantages. For instance, knock phenomenon limits the efficiency of SI engines. As another example, CI engines suffer high NOx and soot emissions due to their non-premixed nature. Considering these facts, for a more versatile, more efficient and more environment friendly ICE, future ICE shall adapt to new technologies to become a long lasting rival to its alternatives. Future ICE shall be more power dense, more efficient and more environment friendly, and most importantly more flexible at varying conditions. Moreover, novel technologies that haven't made their way to serial production and are being researched, show the great enhancement potential of ICE. In this study, novel technologies that will enhance ICE, and potential effects of adoption of these technologies are investigated. First, principles and boundaries of ICE are stated to understand the theoretical limits and targets. It has been a very straightforward finding that thermal efficiency of ICE is theoretically limited, and with loss mechanisms like heat transfer, pumping losses, combustion inefficiency and friction, efficiency of real ICE is even lower than that of idealized ICE via Otto, Diesel and mixed cycles. Moreover, harmful emissions are another important concern that are considered about ICE. For higher thermal efficiency, ICE shall convert more of fuel energy into useful energy, and while doing this, it also needs to follow a path that will lead to less harmful emissions like soot, NOx, CO and UHC. As an ideal combustion product anything that will contribute to efficiency of ICE will bring concurrent drop in CO2 emissions. To improve modern engines, each undesired mechanism that lead to efficiency drop or harmful emissions shall be understood well. After that, methods to prevent these undesired mechanisms shall be developed. Improvement of efficiency of ICE according to ideal engine cycles require a high compression ratio and fast energy release, however these parameters are limited in real engines due to mechanical strengths and thermal characteristics of engine materials. In SI engines, knock is the most important limitation of compression ratio, therefore limitation of peak efficiency. Nevertheless, for lower harmful emissions, a premixed charge shall be burned with high combustion efficiency at low temperatures. However, premixing leads to knock tendency, and better combustion efficiencies lead to higher temperatures. Another important disadvantage of reciprocating modern ICE is its mechanical construction that prevent flexible operation. For instance, SI engines are manufactured and assembled with lower geometric compression ratios than that of non-premixed CI engines due to knock tendency that particularly increase at high loads. This geometric constraint limit the potential efficiency gain that can be achieved with higher compression ratios with a knock-free combustion at lower loads. There are modern methods that are widely used in engines to enhance them like gasoline direct injection that makes charge stratification possible in SI engines and CI engines have very complex aftertreatment systems to lower tailpipe emissions. Turbocharging is a very widespread method that is used in both SI and CI engines to benefit from waste heat out the exhaust. Exhaust gas recirculation is also a standard application in contemporary ICE to satisfy stringent NOx emission standards. All conflicting parameters mentioned in previous paragraph have led to researches about combining pros of combustion regimes while eliminating their cons simultaneously, and it is also not a secret that for a more flexible operation some mechanical parts within ICE need to be replaced with electrified components. A wide literature search showed that there are a lot of novel technologies that haven't made their way to serial production, but has great potential to make future ICE get closer to its theoretical limits. For instance, low temperature combustion strategies like PCCI, HCCI and RCCI provides concurrent enhancement in thermal efficiency with NOx and soot emissions reduction. There are also new technologies that will facilitate flexible operation of ICE and lead to extinction of compromise between performance and fuel economy. Fully variable valve actuation, variable compression ratio, hybridization, e-boosting and e-turbocharging are some of the mechanisms that will lead to uncompromising enhancement all over the operating range. Moreover, new material technologies like composites and high entropy alloys will also contribute the improvement of future ICE. When findings of the literature research are blended with goals and limits that are set in the previous chapters, it is seen that combination of these methods will increase potential improvements even further. An ideal architecture is forecasted for the ultimate ICE of the future: it is most likely that in the future, ICE will be available to run with fuels with different reactivities i.e. gasoline, diesel or biofuels, available to operate at different combustion regimes like SI, CI, HCCI or RCCI depending on load and engine speed conditions, owing to having gasoline and Diesel fuel injectors and spark plugs in same engine head. FVVA will have a great synergy with LTC strategies in terms of load control and flexible operation. Moreover, with transition to electro-hydro-pneumatically driven valves from mechanical valve trains, flow control will be carried out only by cylinder valves rather than using a throttle, and flow to each cylinder can be controlled independently thanks to FVVA during all combustion regimes. FVVA will also facilitate actuation of CDA without requiring any other component. Besides, by varying CR with either multilink piston rod-crank structure or adjusting effective CR with altering IVC, higher efficiencies at low load conditions and knock free combustion at high load conditions will be ensured during SI regimes. In the next chapter an engine operating with the most potent LTC regime according to literature research and findings achieved by previous tests: RCCI is investigated in a CFD software AVL Fire. An RCCI engine, and the CI engine that this RCCI engine is based, are modeled and investigated in AVL Fire ESE Diesel module. RCCI results are compared with CI in terms of efficiency and emissions. Also potential increase in efficiency by using HEA that have higher strengths at elevated temperatures as engine material is modeled and investigated in simulations by increasing engine wall temperatures. Simulations demonstrated that, RCCI engine provides higher brake thermal efficiencies compared to CI engines and despite slight volumetric efficiency penalty, increased wall temperatures have also led to increase in efficiency in both CI and RCCI engines. Afterwards, these efficiency enhancements are reflected into a base CI engine bsfc map. Different engines are compared in WLTC driving cycles by matching their engine maps with reference vehicles to see effects of RCCI, HEA and CDA on fuel consumption and tank-to-wheel efficiency over this new cycle that reflects real world driving conditions. 1-D WLTC simulations demonstrated that combination of turbocharging, RCCI, HEA and CDA via FVVA provides a tank-to-wheel efficiency increase of 100% over the base naturally aspirated GDI SI engine. It shall be noted that, according to simulation results, while being slightly energy efficient than CI engines, RCCI engines have similar fuel consumption to CI engines. This result is due to usage of nearly 80% gasoline in RCCI combustion and gasoline having lower density leads to usage of higher volume of fuel. Thus, with their disadvantageous CO and UHC emissions, RCCI regime is needed to be investigated further, as it needs more improvements than current findings for user recognition, considering the fact that a vehicle needs to have at least to fuel tanks and two sets of different injectors to operate with RCCI. The dominant and most promising technology according to results are CDA via FVVA with an average tank-to-wheel efficiency gain of 25% on SI, CI and RCCI engines. It is also considered that contribution of FVVA will be higher, since effect of varying valve timings and lifts are not simulated in the scope of this research. There is no doubt that FVVA, VCR and e-boosting will lead to higher efficiency gains with its synergy with all combustion regimes. In the last chapter, comparison of thermal and electric propulsion alternatives is carried out, via a well-to-wheel approach. Energy flow pathways are simulated in a 1-D model, in which efficiency values are either obtained from literature review or results of previous chapter in which effects of different technologies' implementation on fuel consumption and tank-to-wheel efficiencies are modeled in WLTC cycle. According to results, with average well-to-wheel efficiency of 29%, contemporary battery electric vehicles have considerably better well-to-wheel efficiencies than that of contemporary ICE powered vehicles. Moreover, projections show that with improved efficiency parameters, electric vehicles will even be better in terms of efficient use of energy sources. Nevertheless, ICE engine model results have also demonstrated the big enhancement potential of ICE with implementation of novel technologies. To illustrate, RCCI engine with higher wall temperatures thanks HEA and CDA via FVVA can achieve 24% well-to-wheel efficiency. It also shall be noted that contribution of FVVA and other technologies like e-boosting is not entirely modeled in the scope of this study and their contribution will absolutely lead to higher well-to-wheel efficiencies than 24%. To conclude, it is obvious that electric vehicles are and will be better options for vehicle propulsion in terms of efficient use of sources and tailpipe emissions. If they can exceed technological barriers they currently face like battery technology, advantages of this technology will increase further. However, with their great enhancement potential, ICE shall be kept improving regardless of the long-term future of vehicle propulsion, considering the great potential that they were also proven with model results. It shall also be noted that ICE will still be the best option for heavy duty vehicles regardless of conditions. Therefore, any improvement on ICE will be beneficial for both environment and efficient use of energy sources.
Benzer Tezler
- Nanoparçacık takviyeli epoksi malzemelerin teorik ve deneysel incelemesi
Theoretical and experimental investigation of nanoparticle reinforced epoxy materials
CAN DİKİCİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Bulaşık makinesinde inovatif hızlı kurutma yöntemi tasarımı ve yöntem parametrelerinin deneysel olarak incelenmesi
Design of a novel quick drying method in dishwasher and experimental investigation of method's parameters
RAHMİ MERT AKKÜLAH
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN
- Askıda katı maddenin aerobik granül çamur oluşumuna etkisi
The effect of suspended solids on the formation of aerobic granular sludge
EMRE KARAKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLSÜM YILMAZ
- QoS-based resource management and optimization in CR-based NOMA networks
CR tabanlı NOMA ağlarında QoS tabanlı kaynak yönetimi ve optimizasyonu
ÖMER FARUK AKYOL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİHA TEDİK BAŞARAN
- Assessment of changes in the dielectric properties of multidrug resistant cancer cells by electrorotation technique
Çoklu ilaç dirençliliği geliştirmiş kanser hücrelerinin dielektrik özelliklerinin elektrorotasyon tekniği ile belirlenmesi
GARSHA BAHRIEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH