Enhance egr flow with help of exhaust throttling for heavy duty internal combustion engines
Ağır vasıta araçların içten yanmalı motorlarında egzoz gazı basıncı ayarlanması ile egr akışının arttırılması
- Tez No: 550447
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
İçten yanmalı motorlar, alınan tüm önlemlere ve hayatımızı kolaylaştırmasına rağmen ürettikleri emisyonlar nedeni ile insan hayatını, hayvan hayatını ve çevre sağlığını ciddi oranda tehdit etmektedir. Motorlardaki kimyasal yanma sonucu ortaya çıkan emisyonların ciddi oranda artması emisyonun çeşidine göre lokal veya evrensel olarak bizi tehdit etmektedir. İçten yanmalı dizel motorlar, günümüz hayatında çok büyük bir öneme sahiptirler; kara ve deniz taşımacılığında, birçok tarım, inşaat ve sanayi faaliyetlerinde direk veya direk olamayarak kullanılır. Her ne kadar dizel içten yanmalı motorlar binek araçlarda ve diğer alanlarda azaltılmaya çalışılsa da yakın gelecekte birçok alanda kullanılmaya devam edeceği çok açık bir şekilde gözükmektedir. Bu da ürettikleri emisyonların hayatımız üzerine büyük bir rol oynayacağının devamı anlamına gelmektedir. Dizel içten yanmalı motorların ürettiği emisyonlar, birçok kardiyovasküler ve solunum yolu hastalıklarının, kanserin, su ve toprak kirliliğinin artmasına ve küresel iklim değişikliğine neden olmaktadır. Ulaşım araçlarından yayılan emisyonların başında karbondioksit gelir. Bu gaz atmosferde karbon döngüsünün bir parçası olarak bulunmaktadır ancak aşırı miktarda artması sera etkisi yaratır ve çevresel ısınmaya, bu nedenle de doğal oranı bozmaya neden olmaktadır. Karbondioksitin doğal oranı dışında dünya üzerinde bulunmasına neden olan faktörlerin yaklaşık yüzde 35'ini ulaşım araçları oluşturmaktadır. Her ne kadar kimyasal reaksiyon sonucu içten yanmalı dizel araçlar, benzinli araçlar kadar karbondioksit salmasalar da günümüzde dizel motor kullanan ağır ticari araçlara da bu gaz için sınırlamalar getirilmektedir. İçten yanmalı dizel motorlar, bir diğer önemli ve tehlikeli emisyon olan nitrojen oksit bileşiklerinin salınımına da büyük oranda katkı sağlamaktadır. Azot bileşenleri de karbon bileşenleri gibi dünyanın doğal döngüsü içerisinde yer almaktadırlar ancak yanma sonucu ortaya azot ve oksijen gazının zehirleyici bileşenleri ortaya çıkmaktadır ve canlı sağlığını ciddi oranda etkilemektedir. Bu tezin konusunda da olduğu gibi içten yanmalı dizel motorlar, teknolojik olarak sürekli yenilenmekte ve çevreye verdiği zarar minimum seviyeye indirilmeye çalışılmaktadır. Gerek motor sonrası kullanılan ve kimyasal yollarla bu gazların indirgenmesini sağlayan teknolojiler olsun, gerekse de motor üzerinde kullanılan ve yanmayı değiştirerek daha az emisyon çıkarmayı sağlayan motor elemanları olsun, teknolojik olarak hepsi sürekli bir gelişime tabii tutulmaktadır. Bu teknolojilerin başında da egzoz gazı çevirim valfi gelmektedir. Temel olarak, yanmadan çıkan gazların bir bölümünü tekrar emme manifolduna vererek motor içerisindeki yanma sıcaklığını ve verimini değiştirir, bu yolla da egzoza verilecek azot oksit ürünlerini azaltır. Bu sistemin kullanılmasındaki temel amaç, azot ve oksijen ürünlerinin yanmadaki sıcaklıktan ve hızdan çok büyük oranda etkilenmeleridir. Egzoz gazı çevrim valfinin kullanılması için belli başlı koşullar gerekmektedir ve dizel motorun ulaşım araçlarında kullanılması bu koşulları değişken bir hale getirmektedir. Motorun çalıştırıldığı her bölgede fiziksel olarak farklı koşullar, yani farklı giriş çıkış sıcaklıkları, basınçları vs. oluşmaktadır. Oluşan bu farklılıklardan kaynaklı olarak, eğer motorun çalıştığı noktada egzoz manifoldundaki basınç emme manifoldundaki basıncı yenemiyorsa egzoz gazı çevirim valfi fiziksel olarak işlevsiz bir hale gelmektedir. Egzoz gaz basıncının optimize edilmesi ve bu yolla içten yanmalı motorda egzoz gazının çevriminin arttırılıp yeniden yanmaya sokulması, yanma sonucu ortaya çıkacak olan azot oksit bileşiklerinin azaltılmasına büyük oranda katkı sağlayacaktır. Öte yandan emisyon regülasyonlarının git gide sıkılaştırılması, bu tarz teknolojilerin yollardaki araçlarda kullanımını neredeyse kaçınılmaz kılmıştır. Bu tezin de süreçlerinde olduğu gibi, aşırı doldurmaya sahip dizel motorlarının egzoz kısmında, türbinden sonra kullanılan bir valf yardımıyla egzoz manifoldundaki basınç değiştirilebilir ve egzoz gaz çevrim valfinin fiziksel olarak işlevsiz olduğu noktalarda süreç tam tersine çevrilebilir. Tezin süreçlerinde ağır vasıtalı araçlarda kullanılan içten yanmalı dizel bir motora, çalışma noktalarına uygun olacak şekilde bir deney kurgulanmış ve motor freni olan bir düzeneğe bağlanarak belirli noktalarda ölçüm yapılmıştır. Toplanan ölçümlerin sağlığına ve hata payının düşüklüğüne ileriki aşamalarda kurulacak olan motor modeline katkı sağlayacağı için ekstra önem verilmiştir. Yazılım ortamında ölçümlerin hepsi bir biri ile kıyaslanmış ve hem emisyon cihazlarının sonuçları hem de sensör sonuçları tek tek kontrol edilmiştir. Deneyde ölçülen noktaların sonuçları alınarak motor optimizasyon programı yarımı ile motor modeli oluşturulmuş ve ortaya çıkabilecek bütün sonuçlar karşılaştırılıp değerlendirilmiştir. Bu model yardımı ile zamandan ve kaynaktan tasarruf edilerek, en az test ile en çok ve en yararlı verinin alınması amaçlanmıştır. Motor modeli sayesinde, kullanılan egzoz valf ölçümleri çeşitli koşullar altında simülasyona tabii tutularak, yanma sonucu oluşan azot oksit gazının kritik emisyon noktalarındaki sonuçları kontrol edilmiştir. Testlerden önce egzoz ve emme manifoldundaki gaz basınç farklarının haritası çıkarışmış ve egzoz gazı çevrim valfinin işlevsiz olduğu bölge belirlenmiştir. Model ile bu işlevsiz bölgenin daraltılması amaçlandığından, o bölge sınırında kalan ve üstünde olan, Euro-6 emisyon regülasyonundaki noktalar belirlenmiş ve bu noktalar için modelde farklı optimizasyonlar konuşulmuştur. Optimizasyon sonuçları ise yakıt sarfiyatı – azot oksit trendi şeklinde çıkarılarak, her noktada ne kadar avantaj ve dezavantaj elde edilebileceği kontrol edilmiştir. Egzoz gazı çevrim valfinin elverişsiz olduğu bölge motorun yüksek yüklerde çalıştığı bir bölge olmasından dolayı, modelin motordaki yanmayı kötü yerlere çekip kullanışını imkansızlaştırması engellenmiştir. Bunun için de hem deney noktaları oluşturulmadan önce hem de modelde optimizasyon koşulduğu esnada çeşitli kısıtlamalar optimizasyon programı yardımı ile uygulanmıştır. Bu sayede istenmeyen ve gereksiz yakıt enjeksiyonlar, yüksek yakıt basınçları, eksik yanma gibi birçok durumun önüne geçilmiştir. Motor modeli kullanılarak Euro-6 emisyon regülasyonunun WHSC testinin, egzoz çevrim valfinin fiziksel olarak işlevsiz olduğu bölgedeki noktaları seçilerek çeşitli optimizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu noktaların sonuçları nerde ve ne ölçüde egzoz basınçlandırma valfinin kullanılacağını bize göstermektedir. Trend üzerinde seçilen ve elde edilmesi gereken azot oksit ve yakıt sarfiyat miktarına göre bu valfin hangi pozisyonda kullanılması gerektiği sonucuna ulaşılmaya çalışılmıştır. Model, her noktada basınçlandırma valfini kullanmak yarardan çok zarar getirebileceğinden, bir noktaya kadar eldeki değişkenler ile sonuç çıkarırken, eldeki değişkenlerin yetersiz kaldığı noktadan itibaren ise egzoz basınçlandırma valfini kullanarak sonuç çıkarmaya devam etmiştir. Bunun nedeni ise egzoz kısmında oluşturulan basıncın yakıt tüketime olan negatif etkisi olarak gözükmektedir. Modelden çıkan sonuçlar, güvenirlilik açısından motor testinde manuel olarak yapılan ekstra bir çalışma ile karşılaştırılmıştır ve aynı sonuca gelecek bulgular görülmüştür. Tezin ana konusu olan egzoz basınçlandırma valfi ile ekstra manifold basıncı oluşturularak egzoz ve emme manifoldu arasındaki basınç farklı oluşturulmuş ve egzoz çevrim valfinin işlevsiz olduğu bölge daraltılmıştır. Bu sayede motordan çıkan egzoz gazlarının daha büyük oranda yanmaya tekrar katılımı sağlanmış ve bu yolla yanma parametreleri değiştirilerek azot oksit salınımında azalma sağlanmıştır. Elde edilen bu avantajların yakıt sarfiyatı olarak götürüsünün ne kadar olacağı da her optimizasyon sonucu ortaya konmuştur. Sonuç olarak; egzoz gazı çevriminin fiziksel olarak gerçekleştiği bölgelerde, yakıt tüketimi ve azot oksit trend grafiğinde bir noktaya kadar motor kalibrasyon parametreleri ile değişim sağlamak mümkün iken, bir noktadan sonra ise egzoz basınçlandırma valfinin kullanması gerekmektedir. Egzoz gazı çevriminin fiziksel olarak gerçekleşmediği bölgelerde ise kalibrasyon parametrelerinin değişiminin az veya hiçbir etkisi bulunmamaktadır, bu nedenle basınçlandırma valfinin kullanılması gerekmektedir. Bu durumda oluşacak olan yakıt tüketimindeki artış ise göz önünde bulundurulmalıdır.
Özet (Çeviri)
Although taking every precaution, the vehicles which have internal combustion engine and help to us for making our life easy continue to produce high amount of air pollution as called greenhouse gases. Not all of the greenhouse gases can be called air pollution, but increasing as unusual of these gases threaten humanity, animality and environmental health. Beside the greenhouse gases all particles which are produced as product of a chemical reaction of an internal combustion engine create very dangerous situations in local areas due to their poisoned structure. Optimizing exhaust gas recirculation flow can give a chance to an internal combustion engine for decreasing chemical particles by itself with help of re-combustion. Equipped of the internal combustion engines with these kinds of parts have been become mandatory in order to achieve restriction of emission legislations for on-road and off-road vehicles. Some of the internal combustion engines are not capable to use exhaust gas recirculation due to physical incapability, i.e. if the pressure of an exhaust manifold is not greater than the pressure of an intake manifold, the reverse flow from the exhaust to the intake can't take place. Creating an extra pressure on exhaust with help of a valve makes greater exhaust pressure and creates a reverse flow to feeding the exhaust gas recirculation valve in order to decrease emission values at the tailpipe. As main interests of the thesis, the exhaust back pressure valve for a heavy duty internal combustion engine are used and optimized in order to increase the amount of the exhaust gas recirculation flow to decrease emission. To achieve that, a design of experiment is constructed with defined project specifications and then the measurement points which are defined in the beginning of DoE are collected from an engine dynamometer. After getting all measurement points with acceptable deviation, an engine model is created with using various method by ETAS Ascmo, an engine optimization software program. The engine model which is created by Ascmo is using for optimizing the engine calibration based on desired constraints. Within Euro-6 emission norms and the specifications of the used diesel engine, the trade-off between critical emissions and the fuel consumption are achieved by using the exhaust back pressure valve which is located at the back of the engine.
Benzer Tezler
- Oxidative steam reforming of light hydrocarbons in a catalytic microchannel reactor
Hafif hidrokarbonların oksijen destekli buhar reformlamalarının katalitik mikrokanal reaktör düzeninde incelenmesi
İREM ŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET KERİM AVCI
- 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
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ FERİDUN ÖZGÜÇ
- Az alaşımlı ve karbon çeliklerinde borlama ile yüzeye kaplanan borürlerin bazı özelliklerinin tesbiti
Determination of some material properties of borides coated on the surfaces of low alloy and carbon steels
CUMA BİNDAL
- Motorin ve biyodizel karışımlarının motor gürültüsü ve emisyonlara etkisi
Effects of blends of diesel and biodiesel on engine noise and emissions
MAHMUT İNCE
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Otomotiv MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN HAŞİMOĞLU
- Numerical and experimental study of turbulent jet ignition method on wankel engine with passive pre-chamber
Türbülanslı jet tutuşturma yönteminin wankel motorunda pasif ön yanma odası ile numerik ve deneysel çalışması
HARUN DİLLİCE
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR