Değişken Valf Zamanlamasının Türboşarjlı & Arasoğutuculu Bir Dizel Motorun Egzoz Isıl Yönetimi Üzerindeki Etkileri

Abstract

Dizel motorlar günümüzde dünyada öncü bir rol üstlenmektedir. Endüstri ve sanayiden tarıma, otomotiv araçlarından deniz taşıtlarına kadar hemen her alanda dizel motorlar oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak bu makinaların hayatımıza kattığı olumlu etkilerin yanı sıra, özellikle son zamanlarda çevremize oldukça olumsuz etkisi söz konusudur. Dizel motorlardan çevreye yayılan yüksek orandaki emisyonlar; küresel ısınmayı arttıcı etkileri ve insan sağlığına da olumsuz etkileri nedeniyle günümüz dünyasında ciddi bir sorun haline gelmiş bulunmaktadır. Günümüzde dizel motorlar için izin verilen NOx ve PM emisyon sınırlamaları çok düşük değerlere düşürülmüştür. Makina üreticileri dizel makinalardan çevreye yayılan bu yüksek orandaki emisyonları düşürmek için genellikle makina sistemlerinde egzoz ısısı yönetim sistemlerini kullanmaktadırlar. SCR, DPF ve DOC, bu sistemlerin dizel motorlarda en yaygın kullanılan türlerindendir. SCR göreceli olarak NOx emisyonlarını düşürmek için daha fazla kullanılırken, DPF yöntemi PM emisyonlarını azaltmakta tercih edilmektedir. DOC yöntemi ise, yanmamış hidrokarbon ve karbonmonoksit oranları için çevre koruma ajanslarınca dizel motorlara konulan sınırlamaların sağlanmasına yönelik bir sistemdir. Her ne kadar bahsi geçen bu ısıl yönetim sistemleri dizel motorlar için belirlenmiş emisyon sınırlarını sağlamak amacıyla kullanılmaktaysa da, pratikte kullanım sırasında her bir egzoz ısıl yönetim sisteminin kendisine has sıkıntıları ve yol açtığı zorluklar bulunmaktadır. Bu sistemlerde, yüksek emisyon dönüşüm verimi sağlayabilmek için genellikle yüksek egzoz gazı sıcaklıklarına ihtiyaç duyulmaktadırlar. Bir başka ifadeyle, bu sistemler sıcaklığa oldukça bağlıdır ve verimli olabilmeleri için katalizör taşıyıcı sıcaklıklarının 250oC'den yüksekte tutulması gerekmektedir. Bu da ancak motordan ısıl yönetim sistemlerine gönderilen egzoz gazı sıcaklığının 250oC'nin üzerinde sürekli bir şekilde seyretmesi ile sağlanabilir. Fakat, dizel motorlarda egzoz gazı sıcaklıkları, dizel motorun çalışma alanında (hıza ve yüke bağlı) özellikle hızın ve yükün nispeten daha düşük seyrettiği durumlarda genellikle 250oC'nin altında kalmaktadır. Düşük egzoz gazı sıcaklığı ile çalışma durumu da, oldukça verimsiz egzoz ısıl yönetimine ve dizel motorun bu koşulda çalıştığı noktalar için yeterli emisyon düşürümünün sağlanamamasına sebep olur. Makina imalatçılarının bu performans noktalarında gereken yüksek egzoz gazı sıcaklarına ulaşabilmek için çözümler üretmesi gerekmektedir. Dizel motorlarda; makina hızının ve makina yükünün nispeten daha düşük olduğu motor performans alanlarında, 250oC'den yüksek egzoz gazı sıcaklığı elde etmek için başvurulan güncel metodlardan birisi de değişken valf zamanlamasıdır (VVT). Emme ve egzoz valflerinin açılma ve kapanma zamanları değiştirilerek, VVT bir dizel motoruna herhangi bir hız veya herhangi bir yük durumu için uygulanabilir. Bu nedenle; bu çalışmanın amacı, 6 silindirli ve 4 stroklu bir dizel motorunun egzoz gazı sıcaklığının 250oC'nin altında kaldığı performans noktalarında, farklı hız ve farklı yük durumları için VVT yöntemini uygulayarak egzoz gazı sıcaklığını 250oC'nin üstüne çıkarabilmek ve dolayısıyla makina sisteminde daha verimli egzoz ısıl yönetimi elde edebilmektir. Valf açılma ve kapanma zamanlamalarının yanı sıra emme ve egzoz maksimum valf açıklıklarının değişimi de yine egzoz gazı sıcaklığını daha da arttırmak için uygulanmıştır. Çalışmadaki hedef, bu yüksek egzoz gazı sıcaklıklarını elde ederken, başlangıç emme ve egzoz valf açılma ve kapanma zamanlamaları ile başlangıç maksimum valf açıklıklarına kıyasla sistemde herhangi bir yakıt tüketimi artımına sebep olmadan VVT yöntemini birçok farklı hız ve yük durumu için uygulayabilmektir. Tez çalışmasında öncelikle altı-silindirli türboşarjlı ve arasoğutuculu marinize bir dizel motor sistemi LES motor simülasyon programı kullanılarak, egzoz gazı sıcaklıklarını ve egzoz gazı kütle akış oranlarını incelemek için modellenmiştir. Simülasyon programı, içerisinde marinize dizel motor sistemini oluşturan birçok farklı unsuru (silindirler, portlar, valfler, türboşarjer, arasoğutucu, elemanları birbirine bağlayan borular vs.) bulundurmaktadır. Simülasyonu oluşturan bu parçalar toplu olarak bir şekil üzerinde gösterilmiş ve ardından programda kullanılan kabuller ve programa bu elemanlara ait verilerin girişi detaylı bir şekilde gerek metin içinde gerekse de tezin Ek kısmında gösterilmiştir. Ayrıca, bu unsurlarda hesaplamalar için kullanılan matematiksel denklemler de yine ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Tez çalışmasının ilerleyen safhalarında LES programında modellenen marinize dizel motorun 1200 rpm hızında ve 2.50 bar sabit motor yükünde (ortalama efektif basınç) çalıştığı düşünülmüş ve emme valfi kapanma (IVC) zamanlamasının daha erken/geç kapanması durumu açık literatürdeki bir deneysel çalışma ile karşılaştırılmıştır. Yapılan inceleme ve kontroller sonucunda teorik modellemenin literatürdeki baz deney sonuçlarıyla uyumlu olduğu görülmüş, modellemenin kabul edilebilirliği ve doğruluğu anlaşılmıştır. Bilgisayar modellemesi ile hesaplanan türbin çıkış sıcaklığı (TET) ve hacimsel verim değerlerinin literatür deney sonuçları ile uyumlu olduğu gözlenmiştir. Böylece modelleme programının egzoz gazı sıcaklığı hesabında da rahatlıkla kullanılabileceği görülmüştür. Modellemenin doğrulama aşamasında; sabit yük koşulu altında, IVC'nin orijinal kapanma krank açısı (CA) değerinden 65 derece CA geriye ötelenmesi veya 100 derece CA ileriye ötelenmesinin TET değerinin 250oC'den yüksek olması için yeterli olduğu gösterilmiştir. IVC'nin ileri ve geri ötelenmesi ile 55oC'ye varana kadar TET artışı elde edilmiştir. Ayrıca, IVC'nin diğer makina performans parametreleri üzerindeki etkisi incelendiğinde IVC'nin erken ve geç kapanmasının yakıt tüketimini azalttığı gözlenmiştir. Erken kapanma geç kapanmaya kıyasla biraz daha fazla yakıt tasarrufu sağlamaktadır. İleri ve geri ötelenmiş IVC değerlerinin etkileri P-V indikatör diyagramında gösterilmiş, sonuçları orijinal IVC değerleri için açık literatürde ortaya konulan sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonunda yakıt tasarrufunun sistemdeki pompalama kayıplarının azalmasından kaynaklandığı görülmüştür. Öte yandan, bu erken ve geç kapanma zamanlamaları başlangıç değerine kıyasla, egzoz gazı kütle akış oranında oldukça yüksek düşüşlere neden olmaktadır. Erken IVC (EIVC); motorun hacimsel verimini, geç IVC (LIVC) zamanlamasına göre daha fazla düşürdüğü için egzoz gazı kütle akışında daha yüksek oranda azalışa sebep olmaktadır. Tez çalışmasının ilerleyen safhalarında ise egzoz gazı sıcaklıklarını 250oC'nin yukarısına çıkarmak ve bunu yaparken egzoz gazı akış oranında azalmaya yol açmamak için erken emme valfı düzenlemesine ek başkaca VVT seçenekleri de araştırılmıştır. Erken egzoz valf kapanması, geç emme valfi açılması ve erken egzoz valfi açılması (EEVO) uygulamalarının hepsi ayrı ayrı incelenmiştir. EEVO'nun EIVC ile birleştirilmesinin en iyi seçenek olduğu görülmüştür. Çünkü EEVO; hem egzoz gazı sıcaklığını hızlı bir şekilde arttırmakta, hem de egzoz akış oranı üzerinde olumsuz bir etki yaratmamaktadır. Ayrıca, her ne kadar EEVO yöntemi yakıt tüketimini arttırsa da, EIVC metodunun sistemde sağladığı yakıt tasarrufu ile bu yükseliş en aza indirilebilir ve hatta dengelenerek başlangıçtaki yakıt tüketim değeri korunabilir. Bu nedenle, birleştirilmiş EIVC & EEVO yöntemi sisteme sabit yük altında uygulanmıştır. EIVC başlangıç zamanından sadece 40 derece CA geriye ötelenmiş ve EEVO da başlangıç açılma değerinden 70 derece CA daha önce açılmıştır. Her ne kadar sistemde 250oC'ye oldukça yakın egzoz gazı sıcaklığı elde edilmiş olsa da, birleşik valf zamanlaması metodu başlangıç valf zamanlamasına nazaran 1 %'den biraz daha fazla bir oranda yakıt tüketiminde artışa neden olmuştur. Sonraki aşamada, emme ve egzoz maksimum valf açıklık değerlerinin değişimi incelenerek simülasyonda oluşan bu % 1'lik yakıt tüketimi artışı giderilmeye çalışılmıştır. Başlangıç valf açıklıklarına kıyasla daha küçük emme valfi maksimum açıklığı ile daha yüksek egzoz valfi maksimum açıklığı kullanıldığında, TET değerinin 250oC'den çok daha yüksek değere ulaşabilmesi sağlanmıştır. Ancak bundan daha da önemli olan sonuç, bu yüksek egzoz gazı sıcaklığı elde edilirken, sistemdeki yakıt tüketiminin başlangıç valf zamanındaki değere düşürülebilmiş olmasıdır. Yöntem, her ne kadar egzoz kütle debisini biraz azaltsa da, TET değerini başlangıç valf maksimum açıklık değerlerine nazaran yeterince arttırdığı için ısıl sisteme gönderilen egzoz gazı termal gücü sabit kalabilmektedir. Son aşamada, yöntemin başarılı olduğunun görülmesi üzerine, metod farklı makina hızlarına (1000 rpm'den 2000 rpm'e) ve birçok farklı makina yük durumuna (1.0 bar'dan 5.0 bar'a) uygulanmıştır. VVT metodu ile, başlangıç valf açılma ve kapanma zamanları ile başlangıç valf maksimum açıklık değerlerine kıyasla, çok daha düşük makina yüklerinde egzoz gazları 250oC TET değerine ulaşabilmektedir. Örneğin, 1200 rpm makina hızı için; dizel motor başlangıç valf değerlerinde, 250oC'nin üstünde egzoz kütle akışını ancak 4.50 bar yüklü durumda sağlayabilirken, VVT ve değişken valf açıklık değerleri ile aynı sıcaklığa 2.50 bar motor yükü durumunda ulaşabilmektedir. Yük durumundaki iyileştirme farklı motor hızlarında farklı değerler alsa da, 250oC egzoz gazı TET eğrisi bu yöntem ile motorun çalıştığı bütün hızlarda daha düşük makina yük durumlarına indirilebilmektedir. Bu da dizel motorun, başlangıç valf durumuna nazaran, çalışma bölgesinin çok daha büyük bir kısmında daha verimli egzoz ısıl yönetimine sahip olabilmesi ve emisyon değerlerini izin verilen sınır değerlerde tutabilmesi demektir. Daha da önemli olan sonuç ise, bu sonucun orijinal valf zamanlamasına nazaran fazladan bir yakıt tüketimi gerektirmeden gerçekleşmiş olmasıdır. Ayrıca, her ne kadar egzoz gazı kütle akışında düşüş gözlense de; hesaplanan azalma, yalnızca IVC zamanlamasının ileri ve geri ötelenmesi ile 250oC TET değerinin elde edildiği durumdaki kadar yüksek olmamaktadır. Tezin sonuç kısmında modelleme sonuçları tartışılmış, araştırmanın genel değerlendirmesi yapılmış ve gelecekte bu yönde çalışma yapacak araştırmacılar için çalışma alan önerileri belirtilmiştir. Bu çalışmayla VVT tekniğinin marinize dizel motorların özellikle manevra veya liman içi gibi düşük yükte çalışma durumlarında egzoz gazı sıcaklıklarının 250oC'nin üzerine nasıl çıkarılabileceği ortaya konuluştur. Teorik araştırmanın deneysel araştırmayla desteklenerek gelecekte emisyon azaltımı ile alakalı çalışmalara yöntem bazında fikir vermesi, yol göstermesi ve katkı sağlaması umulmaktadır. Tez bulgularıyla marinize dizel motorların egzoz ısıl yönetim sistemleri çok daha verimli hale getirilebilir ve aranan/izin verilen emisyon kriterleri karşılanabilir.

Emissions from diesel engines have become recently a significant problem due to their positive effect on global warming and negative effects on human health. Recently, NOx and PM emission regulations for diesel engines have become quite strict and the emission limits have decreased to very low numbers. Engine producers generally use exhaust thermal management systems to reduce the high rates of emissions discharged from diesel engines. Some typical aftertreatment systems are SCR, DPF and DOC. SCR is used to decrease NOx emissions, DPF is utilized to reduce PM emissions and DOC is mostly applied in a diesel engine system to diminish unburned hydrocarbons (HCs) and carbon monoxide. Although these aftertreatment systems are indeed effective to meet stringent emission regulations on diesel engines, they have a major drawback. These systems generally require high exhaust gas temperatures in order to have high emission conversion efficiencies. In other words, they are temperature-dependent and mostly need higher than 250oC catalyst temperatures to perform efficiently. However, exhaust gas temperatures are generally lower than 250oC for diesel engines operating at lower engine speed and lower engine loading conditions on the performance map. That not only leads to inefficient aftertreatment systems but also insufficient emission reduction for those engine performance points. One of the current methods to achieve greater than 250oC exhaust gas temperatures for these lower engine speed and lower engine loading areas is to use VVT. Changing the opening and closing timings of intake and exhaust valves, VVT can be applied to a diesel engine at any speed and at any load. Therefore, the aim of this study is to try to increase the exhaust gas temperatures of a diesel engine above 250oC for different engine speeds and different engine loadings via utilizing VVT. Change of inlet and exhaust maximum valve lifts is also examined in order to rise exhaust temperatures more in the system. The intention is to attain those high exhaust gas temperatures without causing any fuel consumption penalty in comparison to nominal valve timings. Firstly, a six-cylinder turbocharged and intercooled diesel engine system is modelled to analyze exhaust gas temperatures and also exhaust gas flow rates by using Lotus Engine Simulation (LES) program. The simulation has different elements (cylinders, pipes, ports, valves, turbocharger, intercooler etc.) and these components are explained in a detailed manner with mathematical formulations. Secondly, validation of the simulation is achieved for earlier and later intake valve closing (IVC) timings on a particular engine speed and engine loading point (1200 rpm and 2.50 bar bmep). The results of the simulation for turbine out temperature and for volumetric efficiency are generally compatible with the experimental results. It is shown on the validation that advancing IVC timing 65 degrees CA or retarding it 100 degrees CA from nominal timing is adequate in the system to reach 250oC turbine exit temperature (TET). Up to 55o C TET rise is obtained by sweeping IVC timings forward or backward. Also, when effect of IVC on other diesel engine performance parameters is examined, it is seen that advanced and retarded IVC timings results in fuel-saving. However, these timings also cause high exhaust flow rate reduction compared to nominal valve timings in the system. Early IVC (EIVC) leads to more exhaust flow reduction, but it is also found to be more fuel-efficient than later IVC. Thirdly, other VVT options are searched to combine with EIVC so as to attain higher than 250oC exhaust gas temperatures without causing a substantial reduction on exhaust flow rate. EEVC, LIVO and EEVO are all examined. EEVO is found to be the best option to combine with EIVC. Therefore, combined EIVC&EEVO is applied to the system. IVC is advanced 40 degrees CA from stock IVC timing and EVO is also advanced 70 degrees CA from nominal EVO timing. Although it is successful to satisfy 250oC TET in the system, it also causes a little bit more than 1 % bsfc penalty in comparison to nominal valve timings. Later, inlet and exhaust maximum valve lifts are analyzed to reduce the fuel penalty on the system. It is seen that when lower inlet and higher exhaust maximum lifts compared to nominal maximum lifts is utilized, not only does it enable the system to acquire greater than 250oC TET, but also it decreases bsfc penalty down to zero percent in comparison to nominal valve timings. Then, the method is implemented for different engine speeds (1000 rpm to 2000 rpm) and several engine loadings (1.0 bar to 5.0 bar bmep). When it is compared with TET and exhaust flow figures at nominal valve timings calculated on the previous part of the study, it is seen that 250oC target TET line can be decreased to lower engine loadings. For instance, for 1200 rpm engine speed, TET is obtained at only 2.50 bar bmep rather than satisfying the same temperature at 4.50 bar bmep with nominal valve timings and nominal maximum lifts. More importantly, this is achieved without requiring any extra fuel consumption compared to stock valve timings. Also, reduction of exhaust gas flow rates is not as high as the case where only IVC is used to meet the target TET for more efficient exhaust thermal management. Finally, general evaluation of the study is done by discussing the results achieved in the analysis and the study is concluded on the final part with recommendations for future work. This study is expected to provide insight into the utilization of VVT technique on diesel engines to raise TET particularly on lower engine speed and lower engine loading points of the engine performance map. In this way, more efficient aftertreatment systems can be performed to fullfill the stringent emission criteria.