Model-based simulation and optimization of an scr system for a heavy-duty diesel engine
Ağır vasıta dizel motoru için scr sisteminin model tabanlı simülasyon ve optimizasyonu
- Tez No: 949307
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Bu çalışma, Euro VI emisyon standartlarını karşılayan 12,7 litrelik bir ağır vasıta dizel motoru için Selective Catalytic Reduction (SCR) sisteminin model tabanlı simülasyonu ve optimizasyonunu kapsamaktadır. Özellikle değişken ve dinamik motor çalışma koşullarında SCR sisteminin davranışlarının doğru şekilde modellenmesi ve geliştirilmesi hedeflenmiştir. Euro VI düzenlemeleri, dizel motorlu ağır vasıtalar için azot oksit (NOₓ) emisyon limitlerini önemli ölçüde düşürerek sektörde çevreye duyarlı teknolojilere olan ihtiyacı artırmıştır. Bu sınırları sağlamak yalnızca motor içi stratejilerle değil, aynı zamanda egzoz sonrası arıtma sistemlerinin etkinliğiyle de yakından ilişkilidir. Bu bağlamda, SCR sistemleri, NOₓ emisyonlarının azaltılmasında en yaygın kullanılan ve en etkili teknolojilerden biri olarak öne çıkmaktadır. Ancak gerçek sürüş koşullarında, SCR sistemlerinin yeterli düzeyde NOₓ dönüşüm verimliliği sağlaması oldukça karmaşık bir mühendislik problemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde SCR sistemlerinin modellenmesi ve kontrolü üzerine yapılan çalışmalar, üç temel eksen etrafında şekillenmektedir: modelleme - doğrulama, kontrol stratejileri ve sistem optimizasyonu. Literatürde motor modelleri ile entegre edilen SCR sistemleri, dinamometre verileriyle karşılaştırıldığında %5'in altında hata oranları ile yüksek doğrulukta sonuçlar vermiştir. Kontrol stratejileri alanında ise, ilk dönemde geliştirilen açık çevrim veya geri besleme temelli kontrol yapılarının yerini, günümüzde ileri besleme - geri besleme kombinasyonları almış; çok amaçlı optimizasyon teknikleriyle hem NOₓ dönüşüm verimliliği hem de amonyak slip'i dengelenmiştir. Sistem seviyesinde optimizasyon çalışmaları, donanım içeren test sistemleri (HIL) ve sanal kalibrasyon ortamları ile desteklenmiş, bu sayede prototip üretim süreci önemli ölçüde hızlandırılmıştır. Mevcut çalışma, literatürde önerilen bu üç eksenin bir araya getirildiği bütünleşik bir modelleme ve analiz örneği sunmaktadır. Bu zorluğu aşmak amacıyla geliştirilen model, World Harmonized Transient Cycle (WHTC) gibi gerçek sürüşe yakın test koşullarında sistem davranışlarını anlamayı ve değerlendirmeyi hedeflemiştir. WHTC çevrimi; düşük, orta ve yüksek motor yükleri ile devir aralıklarını içeren geniş kapsamlı bir test prosedürüdür ve bu sayede SCR sisteminin her koşuldaki tepkileri detaylı şekilde analiz edilebilmektedir. Geliştirilen modelin amacı yalnızca sistem tepkilerini tahmin etmek değil, aynı zamanda kontrol stratejilerinin etkinliğini test etmek ve sistem parametrelerinin optimizasyonuna katkıda bulunmaktır. Modelleme çalışması MATLAB/Simulink platformunda gerçekleştirilmiş ve SCR sistemine ait fiziksel bileşenlerin yanı sıra kontrol algoritmaları da entegre edilmiştir. Sistem, motor çıkışında oluşan NOₓ miktarını temel alarak dozajlama miktarını belirleyen bir kontrol yapısına sahiptir. Simülasyon modeli; AdBlue enjeksiyon sistemi, termal parçalanma ve hidroliz reaksiyonları, amonyak oluşumu ve SCR katalizöründeki kimyasal dönüşüm süreçlerini dikkate alarak oluşturulmuştur. NH₃'ün gaz fazında oluşumu, katalizör yüzeyine taşınımı, adsorpsiyonu, yüzey reaksiyonları ve desorpsiyonu gibi adımlar modelde ayrı ayrı ele alınmıştır. Ayrıca sıcaklık, basınç, egzoz debisi gibi dış parametrelerin reaksiyon verimliliğine etkisi de modele entegre edilerek, fiziksel gerçeklik artırılmıştır. Modelin kalibrasyon ve doğrulama süreci, dinamometre testlerinden elde edilen deneysel veriler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. WHTC çevrimi boyunca toplanan veriler ile simülasyon çıktıları karşılaştırılmış; egzoz çıkışındaki NOₓ konsantrasyonu, AdBlue tüketimi ve tailpipe NOₓ değerleri analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, simülasyon çıktılarının deneysel verilerle büyük ölçüde örtüştüğünü göstermiştir. Tüm bu parametreler için %5'in altında hata oranları gözlenmiş ve bu doğrulama sonuçları, geliştirilen modelin dinamik koşullarda yüksek tahmin gücüne sahip olduğunu ortaya koymuştur. Doğrulama sürecinin ardından, SCR sisteminin performansını etkileyen çeşitli parametreler üzerinde sistematik bir parametrik analiz gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde katalizör hacmi, enjektör kapasitesi, katalizör yaşlanması ve dozaj kontrol stratejileri gibi faktörler ele alınmış ve bu parametrelerin NOₓ dönüşüm verimliliği ile AdBlue tüketimi üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Örneğin, katalizör hacmi arttıkça tepkime için daha uzun bir temas süresi elde edilmekte ve dönüşüm verimliliği artmaktadır. Ancak bu durum aynı zamanda sistem hacmini ve maliyeti de artırmaktadır. Benzer şekilde, enjektör kapasitesinin yüksek olması hızlı tepkime avantajı sağlarken, fazla AdBlue kullanımı sonucunda amonyak kaçağı (NH₃ slip) riskini artırmaktadır. Yaşlanmış katalizör simülasyonları ise reaksiyon hız sabitlerinin düşmesiyle NOₓ dönüşüm verimliliğinin azaldığını göstermektedir. Bu analizler, tasarım kararlarının sistem performansı üzerindeki etkilerini daha iyi kavramayı sağlamıştır. Bu çalışmada SCR sistemi içerisinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar ve bu süreçlerin katalizör üzerindeki kinetiği de detaylı bir biçimde ele alınmıştır. SCR sistem performansı, NH₃'ün NO ve NO₂ ile uygun sıcaklık aralığında ve yeterli yüzey temas süresi içinde etkin biçimde reaksiyona girmesine bağlıdır. Reaksiyonlara yönelik termodinamik ve kinetik yaklaşımlar kullanılarak sistemin davranışı doğru şekilde modellenmiş; adsorpsiyon, yüzey reaksiyonu ve desorpsiyon adımları dahil edilmiştir. Bu yaklaşım, yalnızca sistem çıktılarının değil, aynı zamanda mikroskobik süreçlerin de fiziksel gerçekliğe uygun biçimde temsil edilmesini sağlamıştır. Geliştirilen model yalnızca mevcut sistemlerin analizini gerçekleştirmekle kalmayıp, aynı zamanda gelecekteki araştırma ve geliştirme çalışmalarına da temel oluşturmaktadır. Bu doğrultuda, modelin gelecek çalışmalarda üç ana eksende geliştirilmesi planlanmaktadır: Gerçek zamanlı HIL (Hardware-in-the-Loop) uygulamalarına entegre edilerek kontrol algoritmalarının test edilmesi, katalizör yaşlanmasının zamanla reaksiyon kinetiğine etkisinin modellenmesi, termal yönetim stratejileri ile sistemin düşük sıcaklıklardaki performansının iyileştirilmesi. Bu gelişmelerle birlikte, modelin hem akademik hem de endüstriyel uygulamalarda kullanımı yaygınlaşacaktır. Simülasyon temelli analizler, model tabanlı geliştirme (Model-Based Development - MBD) yaklaşımının mühendislik süreçlerine sağladığı katkıyı açıkça ortaya koymaktadır. Fiziksel prototiplere ihtiyaç duymadan farklı senaryoların ve tasarım kombinasyonlarının düşük maliyetle değerlendirilmesine olanak tanıyan bu yöntem, geliştirme sürecini hızlandırmakta ve kaynak kullanımını optimize etmektedir. Geliştirilen model, yalnızca akademik bir değerlendirme aracı değil, aynı zamanda endüstride kullanılabilecek pratik bir simülasyon platformu olarak da işlev görebilecek niteliktedir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında geliştirilen kapsamlı SCR simülasyon modeli, Euro VI emisyon düzenlemelerine uyumlu ağır vasıta motorlarında egzoz sonrası arıtım sistemlerinin etkinliğini değerlendirmek, kontrol stratejilerini test etmek ve tasarım optimizasyonlarını gerçekleştirmek için güçlü bir mühendislik aracı sunmaktadır. Gerçekleştirilen doğrulama çalışmaları, modelin dinamik koşullarda bile güvenilir tahminler sağlayabildiğini kanıtlamış; parametrik analizler ise sistem performansını etkileyen unsurlar hakkında detaylı öngörüler sunmuştur. Bu yönüyle çalışma, modern otomotiv mühendisliğinde model tabanlı yaklaşımların önemine ve emisyon kontrol teknolojilerinin geliştirilmesinde oynadığı role dikkat çekmektedir.
Özet (Çeviri)
This study aims to develop and optimize a simulation model of a Selective Catalytic Reduction (SCR) system for a 12.7-liter heavy-duty diesel engine that complies with Euro VI emission standards under transient operating conditions. Euro VI regulations have significantly tightened nitrogen oxide (NOₓ) emission limits for heavy-duty engines. Achieving such high NOₓ conversion efficiency under real driving conditions poses a considerable engineering challenge. Therefore, it is critically important to carefully design advanced aftertreatment solutions like SCR. In this context, modeling the performance of the SCR system under dynamic operating conditions, such as the World Harmonized Transient Cycle (WHTC), provides valuable insights into system behavior and optimization possibilities. In this study, the SCR system was modeled in MATLAB/Simulink, including both its physical components and control algorithms. The developed comprehensive simulation model covers the NOₓ emission source at the engine outlet, the AdBlue injection system, and the behavior of the SCR catalyst. Data obtained from WHTC test cycles were used for model calibration and validation. This ensured that the model could accurately reflect the emission behavior of the engine and the catalyst conversion performance under transient conditions. Model validation was carried out by comparing simulation results with experimental data. During this process, key performance indicators such as NOₓ concentration at the exhaust outlet and AdBlue consumption were evaluated. The simulation results largely aligned with the experimental data obtained at different engine load and speed conditions throughout the transient cycle. The model successfully predicted NOₓ reduction efficiency and urea consumption with near-realistic accuracy. This confirms that the model effectively captures the dynamic behavior of the SCR system and its control under real-world driving conditions. Following validation, a series of parametric studies was conducted to examine how different design and operating parameters affect SCR performance. Parameters such as catalyst volume, injector (AdBlue) capacity, catalyst aging, and dosing control strategy were systematically varied. The effects of each variable on NOₓ conversion efficiency and AdBlue consumption were analyzed. The analyses investigated the impacts of catalyst size, injector capacity, and catalyst aging on NOₓ emissions and the required AdBlue dosing amounts. The results highlight the benefits of the Model-Based Development (MBD) approach in designing and developing SCR systems. By using the simulation model, design optimizations and control improvements can be rapidly evaluated without the need for comprehensive physical prototypes. This allows a wide range of scenarios to be analyzed cost-effectively in a virtual environment. Through this approach, engineers can determine optimal system configurations and control strategies that ensure maximum NOₓ reduction while minimizing excessive AdBlue consumption and preventing ammonia slip. Thus, strict emission regulations can be met with significant time and resource savings. In conclusion, this thesis presents a comprehensive SCR system model and demonstrates its capability to effectively guide the design and optimization of exhaust systems for heavy-duty engines. The developed model serves as a powerful tool for predicting system behavior under transient operating conditions and guiding design decisions in an informed manner. Overall, this study contributes to the development of effective SCR system solutions for Euro VI compliance and emphasizes the role of simulation and model-based methods in modern automotive engineering.
Benzer Tezler
- Gemilerde kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinde tortu oluşumunun ve azot oksit indirgeme performanslarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of urea-deposit formation and nitrogen oxide reduction performances in selective catalytic reduction systems used on marine vessels
TALAT GÖKÇER CANYURT
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Design simualtion and analysis of piezoresistive microcantilever for biosensing applications
Biyolojik tespit uygulamaları için piezoresistive mikrokantilever tasarım, simülasyon ve analizi
AMAL AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Elektrik motoru seçim kriterleri ve kontrol organına bir limiter konulmuş motorun optimal parametrelerinin simpleks metodu ile tayini
Başlık çevirisi yok
VOLKAN ÇAKMAKÇI
- Integrated simulation and optimization of decentralized Turkish electricity market
Türkiye elektrik piyasasının modellenmesı ve bütünleşik benzetım/eniyileme uygulaması
SONER ÖZDİNÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. İLHAN OR
- Design and optimization of an atmospheric distillation unit in an oil refinery
Bir petrol rafinerisindeki atmosferik damıtma ünitesini tasarım ve optimizasyonu
KHALED HUSEIN E. SOWANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Karşılaştırmalı EdebiyatAtılım ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAKAN KAYI
PROF. DR. ERDOĞAN ALPER