Geri Dön

Impact of electrification on diesel emissions for 13L long-haul trucks

13L uzun yol tırlarında elektrifikasyonun dizel emisyonlar üzerine etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 683996
  2. Yazar: MUSTAFA CANER BULUT
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 163

Özet

Tarih boyunca ulaşım insanların en temel ihtiyaçlarından biri olmuştur. Tarihsel açıdan bakıldığında bu ihtiyaç 20. yüzyılın başlarına kadar hayvan gücü yardımıyla sağlanmıştır. Pek çok alanda olduğu gibi 20. yüzyılın başlarındaki teknolojik atılımlar ulaşımın şeklini de değiştirmiştir. Ulaşımdaki bu teknolojik değişim, otomobillerin kullanıma girmesiyle olmuştur. Araçların hareketi daha öncesinde hayvan gücü ile sağlanırken, içten yanmalı motorun icadı, buradaki hayvan gücü ihtiyacını ortadan kaldırmıştır. Bir yakıtta depolanan kimyasal enerjiyi yanma sonucunda mekanik işe çeviren makinaya içten yanmalı motor denir. Motorun içinde kapalı ortamda yakıtın yanması sonucu ortaya çıkan ısı, silindir içindeki basıncı artırarak pistonların hareket etmesini sağlar. Pistonların bu doğrusal hareketi bağlı oldukları krank adı verilen bir mil sayesinde döner harekete çevirilir. Buradan elde edilen güç ve dönme hareketi çeşitli elemanlar ile tekerleklere iletilerek araçların hareket etmesi sağlanır. Günümüzde elektrikli araçlar ve alternatif yakıtlarda yükselen ilgiye rağmen, içten yanmalı motorlarda yaygın olarak petrol bazlı iki tip yakıt kullanılır: benzin ve dizel. Özellikle ulaşım ve taşımacılık dikkate alındığında, burada kullanılan ağır vasıta araçlarda en büyük payı dizel yakıtlı araçlar oluşturmaktadır. Teorik olarak, organik bir maddenin yanma tepkimesi sonucu karbon dioksit ve su açığa çıkar. Dizel de organik bir madde, karbon ve hidrojen elementlerinden oluşan, olduğu için yanma tepkimesinin ürünleri karbon dioksit ve sudur. Ancak, motor içerisinde teorik denklemdeki gibi düzgün bir yanma gerçekleşmediğinden, ayrıca yakıtlara eklenebilen başka kimyasallardan ötürü, yakıtın yanması sonucu istenmeyen başka maddeler de açığa çıkar. Yanma sonucu açığa çıkan bu istenmeyen maddelere yakıt emisyonları, emisyon ya da dizel özelinde dizel emisyonları denir. Dizel emisyonlarını başlıca hidrokarbonlar, karbon monoksit, nitrojen oksitler ve katı partiküller oluşturmaktadır. Hidrokarbonlar yanmamış yakıt zincirleridir. Karbon monoksit yetersiz oksijen ile yanma sonucu oluşur. Silindir içerisindeki yüksek sıcaklık, ortamdaki azot ve oksijen moleküllerinin birleşmesine neden olur ve bunun sonucunda nitrojen oksitler açığa çıkar. Burada oluşan nitrojen oksitler azot oksit ve azot dioksittir. Emisyonlar açısından azot bileşiklerin toplamı değerlendirilir. Son olarak yetersiz yanma sonucu oksitlenmeden kalan karbon atomları katı partikülleri oluşturur. Emisyonların insan sağlığına ve çevreye pek çok zararları bulunmaktadır. Ancak 20. yüzyılın ortalarına kadar bu konuya önem verilmemiştir. Zamanla artan otomobil sayısı emisyonların verdiği zararı gözle görünür hale getirmiştir. 1940'lara gelindiğinde Amerika Birleşik Devletleri'nin Kaliforniya eyaletinde emisyon kaynaklı hava kirliliği o kadar artmıştır ki Los Angeles şehrinin üzerini bir sis kaplamıştır. Hava kirliliğindeki bu artış gözlerde kaşıntı, ciğerlerde yanma ve burun akıntısı gibi şikayetlerin hızlıca artmasına neden olmuştur. Bu olaydan sonra emisyonların yarattığı hava kirliliği ve insan sağlığına zararı ele alınmaya başlamıştır. Emisyonların verdiği zararı en aza indirgemek için, kural koyucular araçların salabilecekleri emisyon miktarları üzerine sınırlar koymaya başlamışlardır. Oluşan bu durumun sonucunda 1970'lere gelindiğinde emisyonlar üzerindeki ilk sınırlandırıcı kurallar oluşmaya başlamış ve 1990'lara gelindiğinde Amerika Birleşik Devletleri'nde ilk emisyon regülasyonları son halini alıp yürürlüğe girmiştir. Dünyanın çeşitli bölgelerindeki kural koyucular kendi emisyon limtlerini belirleseler de kuralların öncüsü genel olarak Amerika Birleşik Devletleri, özellikle Kaliforniya eyaleti, ve Avrupa olmuştur. Emisyon regülasyonlarının Avrupa'da da benzer bir tarihçesi vardır. Burada da ilk regülasyonlar 1990'larda yürürlüğe girmiştir. Emisyon regülasyonlarının ortaya çıktığı ilk günden bu yana limitler sürekli düşürülmüştür. Limitlerin sürekli daha aşağıya çekilmesi, motor ve egzos sistemi teknolojilerindeki gelişmelerin sürükleyici kuvveti olmuştur. Bu tezin de konusu içerisinde, günümüzde ağır vasıta araçlar için Avrupa'da EURO VI ve Amerika'da US10 regülasyonları geçerlidir. Günümüz regülasyonlarını karşılamak için kullanılan başlıca egzos sistemi teknolojileri şunlardır: dizel oksidasyon katalizörü, dizel partikül filtresi, seçici indirgeme katalizörü ve amonyak indirgeme katalizörü. Bu teknolojilerin detayları tezin içerisinde verilmiştir. Günümüzdeki hedef, yakıt emisyonlarını daha fazla düşürmek ve emisyon üretmeyen temiz taşıtlara ulaşmaktır. Bu amaç doğrultusunda önümüzdeki 10 sene içerisinde taşıt kaynaklı emisyonlarda ve sera gazı salınımında ciddi düşüşler beklenmektedir. Bu düşüşü sağlamak için gelecek yeni kurallar tartışılmaktadır ve yeni kuralların bir kısmına karar verilmiştir. Buna göre gelecek regülasyonlarda nitrojen oksit emisyon limitinde 90% düşüş beklenmektedir. Bununla birlikte sera gazlarının iklim değişikliği üzerindeki yıkıcı etkisi göz önünde bulundurularak, karbon dioksitin de sınırlandırılması ve bu sınırın günümüz değerlerinden 5% ile 30% arasında daha düşük olması beklenmektedir. Bu yeni gelecek limitler, motor ve egzos sistemlerinde daha ileri teknolojilerin ortaya çıkarılmasını zorunlu kılmaktadır. Konvansiyonel motor ve egzos sistemlerindeki iyileştirmeler, artık ısının verimli işe dönüştürülmesi ve pek çok yeni teknoloji, bu alanda gerekli emisyon iyileştirmelerini sağlamak için çalışılmaktadır. Bunlarla birlikte konvansiyonel taşıtlardan, hibrit ve elektrikli araçlara geçiş buradaki temel çalışma alanlarından birini oluşturur. Bu tez çalışmasında bu amaçla konvansiyonel taşıt sistemlerinde, emisyonkontrolünde kullanılan motor ve egzos sistemi elemanlarının elektrikli versiyonları ile değiştirilmesi, yeni elektrikli elemanların sisteme farklı kombinasyonlarda eklenmesi ve bu değişimlerin taşımacılıkta önemli bir yer tutan, aynı zamanda da dizel emisyonlarına önemli bir katkısı bulunan uzun yol tırlarındaki dizel emisyonlar üstünde nasıl bir değişiklik yarattığı incelenmiştir. Bu çalışmada üç eleman, bu üç elemanın tek başına ve çeşitli kombinasyonlarda kullanım senaryoları çalışılmıştır. Üzerinde çalışılan üç eleman şunlardır: elektrikli turboşarj, egzos gaz sirkülasyonu pompası ve elektrik ısıtıcılı katalizör. Tez çalışması simülasyon ortamında yapılmış, gerçek araç ya da motor üzerinde deneyler yapılmamıştır. Çalışma metodu olarak 13 l konvansiyonel ağır vasıta motor egzos sistemi modelinin simülasyon sonuçları, eklenen yeni elemanlı sistem modellerinin simülasyonlarının sonuçlarıyla karşılaştırılması seçilmiştir. Buna ek olarak, elde edilen sonuçların gelecek emisyon limitlerini karşılayıp karşılayamadığı incelenmiştir. Yeni sistemlerin dışarıdan bir enerji kaynağına ihtiyacı duyup duymadığını görmek için, sistemlerin enerji dengesi incelenmiştir. Son olarak emisyonlardaki en iyi sonucu verecek sistem tasarımı ortaya konmuştur. İlk olarak, karşılaştırmalı metodun temelini oluşturacak konvansiyonel sistem modellenmiş ve simülasyonu yapılmıştır. Tüm simulasyonlar AVL Cruise-M programında yapılmıştır. Avrupa ve Amerika emisyon limitleriyle sonuçları kıyaslayabilmek için, bu regülasyonların emisyon çevrimlerine göre simülasyonlar yürütülmüştür. Konvansiyonel sistemin sonuçları güncel Avrupa ve Amerika limitlerinin altında kalarak, sistemin günümüzdeki bir taşıtın modeli olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Buna ek olarak, sonuçlar gelecek limitlerle de karşılaştırılmış, sistemin nitrojen oksit ve karbon dioksit limitleri açısından yeni limitleri karşılamakta başarısız olduğu ortaya konmuştur. Tezin devamında, elektrikli komponentlerin eklendiği modeller kurulmuş ve simülasyonları yapılmıştır. 3 elektrikli komponentin yalnız kullanımlarının, birbirleri ile etkileşimini ve sistem üzerindeki toplam performanslarını görmek için çeşitli kombinasyonlarının denemeleri yapılmıştır. Toplam 7 farklı sistem tasarımı, 2 farklı emisyon çevriminin soğuk başlangıç ve sıcak başlangıç koşullarıyla test edilmiştir. Elde edilen emisyon çevrimi sonuçları neticesinde, tasarımların bazılarının karbon monoksit, hidrokarbon ve katı partikül emisyonları açısından konvansiyonel sistemden daha iyi sonuç verdikleri ve gelecek emisyon limitlerini sağlamada başarılı oldukları görülmüştür. En büyük iyileştirme karbon dioksit ve nitrojen oksit emisyonlarında beklendiği için optimum sistem seçimi bu kritere göre yapılmıştır. Buna göre elektrikli turbo şarj ve elektrik ısıtıcılı katalizörün birlikte kullanılması bu emisyonlar açısından en iyi sonucu vermiştir. Bununla birlikte, türbin tarafından üretilen, kompresör ve elektrikli katalizör tarafından tüketilen güçlere bakıldığında, sistemin dış bir enerji kaynağına ihtiyaç duymadığı gösterilmiştir. Son olarak optimum sistem gelecek emisyon limitleriyle karşılaştırıldığında, Amerika için gelecek emisyon limitlerine yakın sonuçlar verse de limitlerin altına inemediği, ancak gelecek Avrupa limitlerini sağlamada başarılı olduğu gösterilmiştir. Son olarak gelecekte konu ile bağlantılı incelenebilecek araştırma konuları paylaşılmıştır. Önümüzdeki yıllarda elektrikli araçlara ve alternatif yakıtlara ilgi artıyor olsa da muhtemelen uzun yol ağır vasıta araçların önemi ulaşım ve taşımacılıkta devam edeceği ve yakın gelecekte bu alanda dizel yakıtların kullanımının aniden düşüşü öngörülemeyeceği için daha verimli, daha temiz dizel sistemlerin geliştirilmesinde çalışmalara ihtiyaç vardır.

Özet (Çeviri)

Transportation is one of the basic needs of people. From a historical view, people supplied this need with animals up to the 20th century. Like many other topics, the shape of transportation changed by an invention just before the 20th century. For the traction of vehicles, animals were changed by internal combustion engines. The engine can be defined as the machine which converts the chemical energy in fuels to mechanical work by combustion. Traditionally, combustion engines consume petrol or diesel as fuel. The combustion products of diesel are called emissions. The main diesel emissions are hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides, and particulate matter. Emissions are harmful to people and the environment. However, they are not concerned until the mid of 20th century. The increasing vehicle number rises the danger of emissions. The legislative works have begun with the air pollution crisis in Los Angeles California in the 1940s. After that, vehicle emissions are limited by regulations, and those regulations become more stringent day by day. The upcoming regulations and more stringent limits become the driving force of the new emission control technologies. The current systems use exhaust gas recirculation, diesel oxidation catalyst, diesel particulate filter, selective catalyst reduction, and ammonia slip catalyst. There are many works for new technologies to meet upcoming emission limits. Some of them are combustion improvement, heat loss gain for useful work, hybridization, and electrification. This thesis study investigates the effect of electrification on diesel emissions for 13l long-haul trucks. The 13l long-haul trucks are selected for investigation because they have a significant share in transportation and an important contribution to diesel emissions. For electrified system design, three components are considered: electric turbocharger, exhaust gas recirculation pump, and electrically heated catalyst. The study is done in the simulation environment and no vehicle experiments are done. All models are created in the AVL Cruise-M which is a simulation environment specialized in the automotive industry. As the method of work, the electrified system layout results are compared with the conventional model to observe the impact of electrification on emissions. Also, they are compared with the upcoming emission limits to investigate whether they are successful to meet new regulations or not. Firstly, the conventional system is modeled and simulated. When the cycle results are compared with current legislation it is seen that the model can be used as a benchmark 13l heavy-duty engine and aftertreatment system because they can satisfy both European and American current legislation. Then, alone usage of three electrified components and their combinations are modeled. 7 different layouts are simulated according to Europe and USA's cold and hot drive cycles. The results indicate that some of the layouts have lower carbon monoxide, hydrocarbon, and particulate matter emissions than the conventional system. Also, some of the layouts can satisfy those upcoming limits. The optimum layout decision is made according to the best performance of nitrogen oxide and carbon dioxide reduction together since there will be a significant reduction of limits of those emissions. According to the results of both Europe and the USA's drive cycles, using the electric turbocharger and electrically heated catalyst provides the best carbon dioxide and nitrogen oxide reduction. Also, this system is self-sufficient and does not need any external power source according to power generation over the turbine, and power consumption of electrically heated catalyst. When the system is compared with the upcoming limits, it is concluded that none of the layouts can satisfy the new US regulation of both nitrogen oxides and carbon dioxides. However, the optimum system is successful to meet the new European legislation. Finally, the research topics related to this study are given as future work. Although there is an increasing trend for full-electric vehicles and alternative fuels, more effort to develop more efficient and clean diesel systems will probably be required because the heavy-duty trucks will probably keep their importance in transportation and the share of diesel for fuels of heavy-duty trucks will probably not decrease suddenly in the near future.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    510924

    Bir hafif hibrit elektrikli şehir içi otobüs uygulamasının performans, yakıt ekonomisi ve çevresel etkileri açısından incelenmesi

    The investigation of the impact of mild hybrid electric city bus application on performance, fuel economy and emissions

    ALİCAN YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL AHMET GÜNEY

  2. Tez No

    597348

    Impact of fouling on vessel energy efficiency

    Tortunun gemi enerji verimliliğine etkisi

    ERDENİZ EROL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiPiri Reis Üniversitesi

    DOÇ. DR. CAHİDE ELİF ÖZEN CANSOY

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ORHAN ÖZGÜR AYBAR

  3. Tez No

    702801

    Afganistan'da kırsal alanların elektrifikasyonu için hibrit elektrik üretim sistemlerinin tekno-ekonomik analizi

    Techno-economic analysis of hybrid electricity generation systems for electrification of rural area of afghanistan

    SHIR AHMAD DOST MOHAMMADI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CENK GEZEGİN

  4. Tez No

    825430

    Elektrikli şehir içi otobüslerde batarya yerleşiminin R66 standartına göre devrilme dayanımı etkisinin incelenmesi

    Analysis of the effect of battery packaging on rollover resistance according to R66 standard in electric citybusses

    ERKAN GÜNGÖR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine Mühendisliğiİzmir Demokrasi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ÇAVDAR

  5. Tez No

    691876

    Elektrikli araçların şehir içi yük taşımacılığında kullanımı

    The adoption of electric vehicles in urban freight transportation

    ŞÜKRÜ İMRE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DİLAY ÇELEBİ

Geri Dön