Experimental combustion analysis of diesel engine

Abstract

Dizel motorlar, benzinli motorlara göre daha az yakıt harcadıkları için günlük yaşamda oldukça popülerdir. Çünkü dizel motorlar, benzinli motorlara kıyasla hem kısmi hem de tam yük koşullarında daha yüksek verim elde etmeyi sağlayan daha yüksek sıkıştırma oranına sahiptir ve kısılma kaybı yoktur. Ancak, Avrupa Komisyonu tarafından beyan edilen NOx ve kurum limitlerini sağlayabilmek için ek egzoz bileşenlerinin (DPF, SCR) kullanılması gerekmektedir. Öte yandan, elektrikli araçların satışları, içten yanmalı motorların sera gazı etkisini azaltmak ve petrol yakıtlarına bağımlılığı azaltmak için neredeyse dünyadaki tüm ülkeler tarafından teşvik edilmektedir. Örneğin, Avrupa Komisyonu, Paris Anlaşması kapsamındaki taahhütnamelere ulaşmak için binek otomobillerinden kaynaklanan CO2 emisyonlarını azaltmak için bir yasa önerisi getirmiştir. Avrupa Birliği, sıfır araç filolarının 2030 yılında 2021'e kıyasla ortalama emisyonlarında %30 azalma önermiştir. AB, hedefi gerçekleştirebilmek için üreticilerin sattığı araç filolarındaki hibrid elektrikli araç payını öngörülen gösterge seviyesinden (2025'te %15 ve 2030'da %30) daha fazla arttırmayı sağlayan üreticilere teşvik verecektir. Ayrıca, Almanya ve Fransa gibi birçok Avrupa ülkesi, elektrikli ve hibrit araçların pazardaki payını artırmak için yalnızca içten yanmalı motoru bulunan araçların doğrudan satışlarını sınırlamak için yeni düzenlemeler yaptığını açıklamıştır. Ayrıca, AB, 2009/28/EC direktifini açıkladıktan sonra, standart dizel yakıtına hacimce %10 oranına kadar ilave alternatif yakıt eklenmesine izin vererek, petrol yakıtının sera etkisini azaltmak için biyodizel kullanımını teşvik etmektedir. Çoğu araç üreticisi filolarına tamamen elektrikli, hibrid ve / veya menzili genişletilmiş elektrikli araçlar ekleyerek yeni çıkan düzenlemeleri karşılamayı planlamaktadır. Bununla birlikte, benzinli motorların kullanımı, hibrid uygulamalar için dizel motorlardan daha popülerdir, çünkü benzinli motorların egzoz sistemi dizel motorların egzoz sisteminden daha ucuz ve daha az karmaşıktır. Araştırmacılar ve otomotiv şirketleri, emisyon düzenlemelerinin yürürlüğe girmesinden bu yana dizel motorlarda yanma sürecinin detaylarını araştırmaktadırlar. İlk homojen dizel yanma, dumanı öldürmek için 1957'de denendi. Şimdiye kadar çok sayıda bilim insanı, benzinli (homojen) ve dizel (yüksek sıkıştırma oranı, kısılma kayıpsız) motorlarının avantajlarını birleştirmeyi amaçlayan farklı türde dizel yanma yöntemleri geliştirdi. Öte yandan, konvansiyonel dizel yanmasının tanımı yasal emisyon limitleri ve müşteri beklentileri nedeniyle 90 yıllardan günümüze değişmiştir. Önceden, tüm yakıt, üst ölü noktadan (aTDC) sonra yaklaşık 5 krank mili açısında (KMA) maksimum silindir içi basıncını elde etmek için üst ölü noktadan (bTDC) 10-15 KMA önce bir seferde enjekte edilip ve neredeyse enjekte edilen yakıtın tamamı difüzyon yanma durumunda yanmaktaydı. Ancak, günümüzde NOx emisyonunu azaltmak için EGR akışı ve parçalı püskürtme ile ön karışımlı yanma safhası elde etmek standart uygulama haline gelmiştir. Ayrıca, NOx ve kurum emisyonlarının üstesinden gelmek için alternatif yanma yöntemleri de incelenmeye başlanmıştır. Homojen Dolgulu Sıkıştırma ile Ateşlemeli (HCCI) ve Düşük Sıcaklıkta Yanma Metotları (LTC), gelişmiş yanma yöntemleri için kullanılan en yaygın isimlendirmelerdir. Birçok akademik çalışma kendi kabul ettikleri konvansiyonlara göre bu isimlendirmeleri kullanmıştır. Farklı isimler altında yapılan ileri yanma çalışmalarının temel amacı, yanma başlamadan önce daha homojen bir karışım hazırlayarak kurum oluşumunu engellemek ve NOx oluşum sıcaklık bölgesinin altında yanma işlemi gerçekleştirmektir. Araştırmacılar, gelişmiş yanma uygulayarak hem kurum hem de NOx emisyonunu aynı anda azaltmayı başarsa da, motorun bazı performans ve emisyon sonuçları bozulmuştur. Farklı adlandırmalar altında denenmiş yanma yöntemlerinin ortak dezavantajları; yüksek yakıt tüketimi, HC ve CO emisyonları, ateşleme başlangıç anının kontrolünün eksikliği ve sadece düşük ve orta yük koşullarında uygulanabilir olmasıdır. Bilim insanları bu dezavantajları iyileştirmek için yanma odasını (UNIBUS), enjektör tipini (NADI), yakıt tipini (RCCI), enjeksiyon konfigürasyonunu (HCCI, PCCI, PREDIC MULDIC, MK, HCLI) ve EGR oranını (LTC) değiştirerek araştırmalar yapmıştır. Ancak, gelişmiş yanma yöntemlerinin dizel uygulamalarında sınırlı gelişme sağlanabilmiştir. Benzinli motorlarda, Kontrollü Otomatik Ateşleme (CAI) adı altında sıkıştırma oranını arttırarak verimi artırmayı amaçlayan ileri yanma yöntemi denemeleri dizele göre daha popülerdir ancak benzinli motorlar içinde ilerleme sınırlı olmuştur. Temiz dizel yanmasını geliştirmeyi amaçlayan araştırmacılar, yanmaya başlamadan önce tamamen homojen bir karışım yerine, geleneksel yanmaya göre daha homojen bir karışım hazırlayarak ön karışımlı yanma fazını genişletmeye odaklanmıştır. Dizel yanma sürecinde ön karışımlı dizel yanma miktarını arttırmak için enjeksiyon parametreleri değiştirilmiştir. Kısmen önceden karıştırılmış yanma yöntemiyle umut verici sonuçlar elde edilmiştir. Bu sonuçlar, gelişmiş yanma yöntemi geliştirerek daha temiz dizel yanması sağlamayı hedefleyen tezin motivasyonunu güçlendirmiştir. Sunulan tezin amacı, literatürde mevcut olan alternatif dizel yanma yöntemlerini detayını anlamak ve yeni bir yakıt enjeksiyon stratejisi önermektir. Bu amaç doğrultusunda deneysel değerlendirmelerin yardımı ile dizel motorun verimliliğinden ödün vermeden emisyonları azaltan yeni bir enjeksiyon konfigürasyonu geliştirilmiştir. Gelişmiş yanma yöntemlerinin detayları hakkında deneyim kazanmak ve temiz dizel yanması için uygulanabilir bir yanma yöntemini önermek üzere beş farklı deney seti yapılmıştır İlk dört deney seti, 1.5 litrelik dizel motoru olan EURO-5 emisyon şartlarını karşılayan bir Ford Fiesta ile şasi dinamometresinde gerçekleştirilmiştir. Enjeksiyon parametrelerinde değişiklik yapmadan hem saf dizel hem de biyodizel karışımlı dizel ile yapılan ilk deneyler; tam yük koşulları, kısmi yük koşulları, Yeni Avrupa Sürüş Döngüsü (NEDC) ve Dünya Çapında Uyumlu Hafif Araçlar Test Döngüsüdür (WLTC). Bu deneylerin sonuçlarını değerlendirerek farklı yakıtların emisyon, performans ve yanma üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Ayrıca, çevrim testlerindeki motor çalışma noktaları, toplam tüketilen yakıt, harcanan enerji ve egzoz gazı emisyonları hesaplanmıştır. NEDC ve WLTC çevrimlerinin farklılıkları ortaya konulmuştur. İncelenen sonuçlara göre hacimce %10, %20, %30 ve %50 oranında harmanlanmış biyodizel dizel karışımları arasında en dengeli iyileştirmenin %10 biyodizel kullanımı ile elde edilmiştir. %10 biyodizel kullanımının, CO, HC ve is emisyonlarını sırasıyla %30, %20 ve %25 oranında azalttığı, NOx emisyonu ve yakıt tüketiminde ise sırasıyla %5 ve %2 artışa sebep olduğu gözlenmiştir. Öte yandan, WLTC'nin NEDC'ye kıyasla daha değişken ve yüksek motor çalışma noktalarına sahip olduğu değerlendirilmiştir. Bu sebepten, WLTC testindeki yakıt tüketimi NEDC'den %3 daha fazla olduğu ölçülmüştür. Ayrıca, egzoz gazı sıcaklığının NEDC'ye kıyasla WLTC çevriminde daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir çünkü WLTC'de daha az rölantide çalışma süresi bulunmaktadır. Bu sayede yüksek Dizel Oksidasyon Katalizörü (DOC) dönüşüm verimliliği sağlanmıştır ve WLTC testinde NEDC'ye kıyasla %60 daha düşük CO ve HC emisyonu oluşmuştur. Öte yandan, biyodizelin kullanımının WLTC testindeki emisyon ve performansa olan yüzdesel etkisi, NEDC testinin emisyon ve performansına olan etkisine kıyasla daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, ilk dört deney grubunun sonuçları, motorların kullanım ömrü boyunca yaygın olarak kullanılabileceği ve gelişmiş yanma deneyleri için uygun olan motor çalışma koşullarını belirlemeyi sağlamıştır. NEDC ve WTLC çevrimlerinde motorun sık çalışma koşulundan seçilen motor çalışma devrinde yakıt enjeksiyon parametreleri değiştirilerek beş farklı grup deney yapılmıştır. NEDC testindeki sabit seyir hızına denk gelen ve WLTC testinde de yaygın çalışma noktası olan 2000 devir/dakikada optimizasyon çalışması yapılmıştır. Konvansiyonel dizel yanmasına alternatif gelişmiş yanma yöntemleri önerebilmek için yakıt enjeksiyon konfigürasyonu değiştirilerek deneyler yapılmıştır. 2000 devir/dakikada enjekte edilen yakıtın (çevrim başına 6.6 mg) sabit tutulduğu 300'den fazla deney yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucu hem emisyonların azaldığı hem de verimin arttığı, yakıtın çoğunun ön karışımlı yanma fazında yandığı dizel yanması elde edilebilmiştir. Konvansiyonel dizel çalışma koşullarına kıyasla yüksek EGR bulunan yanma odasına yakıtın çok erken püskürtülmesi yöntemi ile yakıt tüketiminin %30'dan fazla azaldığı, NOx ve kurum emisyonlarının da sırasıyla %35 ve %60 oranında azaldığı gözlemlenmiştir. Tüm enjeksiyon konfigürasyonları için benzer sonuçlar elde edilebilmiştir. Saf dizel çalışmalarına ek olarak, tek püskürtmeli enjeksiyon stratejisinde biyodizel katkılı yakıtın gelişmiş yanma yöntemine olan etkisi de incelenmiştir. Yakıtın tek seferde yüksek EGR bulunan yanma odasına çok erken püskürtüldüğü konfigürasyonda biyodizel kullanımının da motorun orijinal çalışma koşullarına kıyasla gücü ve kurum emisyonunu iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Ancak biyodizelin içerdiği yüksek oksijen konsantrasyonundan dolayı NOx emisyonunu artırdığı ve EGR kullanımı ile sağlanabilen uzun tutuşma gecikmesi süresini azalttığı gözlemlenmiştir. Biyodizel ile de motorun orijinal çalışma durumuna göre iyileştirme sağlanabildiği ancak tutuşma gecikmesi ve NOx emisyonuna olan olumsuz etkisinden dolayı gelişmiş yanma yöntemi çalışmasında saf dizele kıyasla daha az iyileştirme sağlayabildiği anlaşılmıştır. Ayrıca biyodizelin tutuşma gecikmesini etkilediğinden saf dizel ile yapılan optimizasyon çalışması sonucu elde edilen enjeksiyon parametrelerinin birebir uygulanmaması gerektiği, biyodizel harmanlanmış yakıt ile ayrı bir optimizasyon çalışması yapılması gerektiği anlaşılmıştır. 2000 devir/dakikada çevrim başına 6.6 mg dizel enjekte edilerek yapılan testlere ek olarak, yüksek miktarda EGR bulunan yanma odasına erken püskürtme yapılarak elde edilen iyileştirmenin daha yüksek motor gücü koşullarında da uygulanabilir olduğunu göstermek için 2000 devir/dakikada çevrim başına 12mg yakıt enjekte edilerek deneyler yapılmıştır. Deneylerde püskürtülen yakıtın büyük kısmının ön karışımlı yanma fazında gerçekleştirilebilmesi için optimizasyon çalışması yapılmıştır. Farklı EGR oranı ve püskürtme zamanında 50'den fazla deney yapılarak 2000 devir/dakika, 12 mg çalışma noktasının EGR ve püskürtme zamanına göre emisyonların, performansın ve yanma parametrelerinin haritasını çıkartılmıştır. Deneyler sonucu elde edilen en optimum çalışma noktasının motorun orijinal çalışma noktasına kıyasla %30 daha yüksek güce, %32 daha az NOx ve %20 daha az opasiteye sahip olduğu gözlemlenmiştir. Böylece, önerilen enjeksiyon konfigürasyonunun orta-yüksek yük (10kW) koşullarında da emisyonu azaltıp ve performansı artırabileceği görülmüştür. Ayrıca değerlendirilen sonuçlar, yaygın olarak bilinen gelişmiş yanma yöntemlerinin farklarının anlaşılmasını da sağlamıştır. Tezin son bölümünde, test edilen Ford Fiesta'nın menzil uzatıcılı hibrit elektrikli taşıt modeli oluşturulmuştur. Modelin emisyon ve yakıt tüketim sonuçları dizel motorun geliştirilen yanma yöntemi ile çalıştığı varsayımı ile hesaplanmıştır. Konvansiyonel bir aracın hibrit elektrikli araca dönüştürülebilmesi için gerekli bileşenlerin (elektrik motoru, motor sürücü, batarya) enerji dönüşüm verimleri hesaba katılarak menzil uzatılmış aracın enerji tüketimi hesaplanmıştır. Model sonuçları önerilen yanma yöntemi ile çalışan hibrid aracın, EURO-5 egzoz sistemine sahipken EURO-6 emisyonunu sağlayabileceğini göstermiştir. Orijinal aracın WTLC testindeki toplam yakıt tüketimi ve NOx emisyonu salınımı sırasıyla 1125 ml 8607 mg'dır. Önerilen gelişmiş yanma yöntemi ile çalışan menzili uzatılmış elektrikli aracın ise aynı çevrimi 861 ml dizel tüketip ve 703 mg NOx emisyonu salarak tamamlayabileceği hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, yakıt tüketimi ve emisyonların geleneksel araçlara kıyasla daha iyi hale getirilebileceği görülmüştür. Tezin özgünlüğü, EGR kullanımının dizel motorunun verimini artırırken, NOx emisyonunun azalttığı bir dizel yanması önermesinden kaynaklanmaktadır. Yüksek oranda EGR kullanımı yakıtın ön karışım yanma fazında yanmasını sağlayarak motorun orijinal çalışma durumuna kıyasla daha verimli bir çalışma sağlarken, NOx ve kurum emisyonlarını da azalttığı keşfedilmiştir. Dahası, menzili uzatılmış elektrikli araç modeli sonuçları; EURO-5 egzoz sistemine sahip bir dizel motorun önerilen yöntem ile çalıştığında EURO-6 emisyon limitlerini sağlayabildiğini ve yakıt tüketimini azaltabildiğini göstermiştir. Bu imkân araç üreticilerinin hibrit elektrikli araç uygulamaları için dizel motorları kullanmalarının önünü açabilir ve gelecekteki uygulamalar için dizel motorların kullanımını artırabilir.

Diesel engines are quite popular in daily life as they have lower fuel consumption than gasoline engines. Because, diesel engines have higher compression ratio and no throttle loss that enable to achieve higher efficiency at both part-load and full-load conditions compared to gasoline engines. However, additional exhaust components (DPF, SCR) need to be utilized to achieve the limits of NOx and soot that were declared by the European Commission. Researchers and automotive companies have been conducting studies on the combustion of diesel engines since the introduction of emission regulations by the governments. First homogenous diesel combustion were tried at 1957 to kill the smoke. Numerous scientists up to now have studied different type of diesel combustion methods that aim to combine the advantages of gasoline (homogeneity) and diesel (high compression ratio, no throttling loss) engines. On the other hand, definition of the conventional diesel combustion was changed from 90s to nowadays due to obligatory emission regulations and customer expectations. Previously, all fuel was injected into cylinder in single injection before top dead center (bTDC) to achieve the maximum in-cylinder pressure approximately 5 crank angle after top dead center (aTDC) and to burn all injected fuel in diffusion combustion state. However, nowadays application of Exhaust Gas Recirculation (EGR) and pilot injection are standard to reduce NOx emission by reducing the combustion temperature. Besides, alternative combustion methods are also started to be studied to reduce the NOx and soot emissions. Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) and Low Temperature Combustion (LTC) are the most common naming for the advanced combustion methods. Researchers have been utilizing these naming according to their convention. The main goal of the advanced combustion studies under different naming was to prepare more homogenous mixture, which prevent soot formation, before the start of combustion and perform the combustion below the NOx formation region. Although researchers achieved to reduce both soot and NOx emission simultaneously by applying advanced combustion, some results of the engine was deteriorated. The common disadvantages of the tried advanced combustion methods were; high fuel consumption, HC and CO emissions, lack of control of start of ignition and only applicable at low and medium load conditions. Researches have been performed to improve these drawbacks by modifying combustion chamber (UNIBUS), injector type (NADI), fuel type (RCCI), injection configuration (HCCI, PCCI, PREDIC MULDIC, MK, HCLI), and EGR rate (LTC). However, limited improvements were achieved in diesel applications of the advanced combustions. Although, there are more study for the application of advanced combustion methods for gasoline engines that aim to increase the compression ratio under naming Controlled Auto Ignition (CAI), the progress is also limited for gasoline engines. Researchers that aim to develop clean diesel combustion have started to focus on expanding the premixed combustion phase by preparing more homogenous charge than conventional combustion instead of having fully homogenous charge before the start of combustion. Injection parameters were modified to increase the premixed combustion conditions in the overall combustion process. Promising results were achieved under partially premixed combustion method. These results strengthened motivation of the thesis to study advanced combustion methods that enable cleaner diesel combustion. Purpose of the presented thesis is to propose fuel injection strategy by improving the understanding of the alternative diesel combustion methods available in the literature. A new injection configuration was developed with the help of the experimental evaluation that reduced the emissions without sacrificing efficiency of diesel engine. Five set of experiments were performed in the scope of the thesis to gain experience about the details of advanced combustion methods and propose applicable engine operation configuration for clean diesel combustion. First four set of experiments were performed at chassis dynamometer on a Ford Fiesta that satisfy EURO-5 emission limit with its 1.5-liter diesel engine. Experiments were conducted with pure diesel and biodiesel blended diesel without modifying injection parameters at; full-load conditions, part-load conditions, New European Driving Cycle (NEDC), and Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC). Evaluation of the results of these experiments enable to determine the effects of different fuel on emission, performance, and combustion. Besides, engine operation points under regulation cycles, total consumed fuel and energy, total emitted exhaust gases, and differences of the NEDC and WLTC were evaluated. According to the investigated results, it was evaluated that the use of 10% biodiesel has the most balanced improvement among the blended volumes 5, 10, 20, 30 and 50%. The use of 10% biodiesel enable to reduce CO, HC and PN respectively 30%, 20% and 25% while 5% and 2% increase was observed at NOx emission and fuel consumption. On the other hand, it was evaluated that the WLTC has more disturbed and higher engine load condition compared to the NEDC. This led 3% higher fuel consumption under the WLTC than the NEDC. Moreover, exhaust gas temperature was higher under the WLTC compared to the NEDC due to lower idling period of the WLTC. This resulted in high Diesel Oxidation Catalyst (DOC) conversion efficiency and therefore more than 60 percent lower CO and HC emission was observed under the WLTC compared to the NEDC. On the other hand, the WLTC was more sensitive to use of biodiesel than the NEDC, because emissions and fuel consumption of the WTLC was more affected from biodiesel blended diesel compared to the NEDC. Besides, outcomes of the first four set of experiments enabled to define appropriate engine operation conditions for advanced combustion experiments that can be widely utilized during the operational life of the engines. Fifth set of experiments were performed by modifying fuel injection parameters at selected engine operation conditions. Optimization study was performed at 2000 rpm, which is the engine load condition of the cruise speed of the NEDC and common operation point of the WLTC. Fuel injection configuration was modified to investigate alternative advanced combustion methods. More than 300 different experiments were performed at 2000 rpm while injecting 6.6 mg diesel per stroke. Partially premixed combustion was achieved among conducted experiments that improved both emissions and efficiency. Results of the pure diesel experiments showed that it was possible to reduce fuel consumption 30% while reducing the NOx and opacity 35% and 60% respectively by injecting the fuel very early under heavy EGR compared to the original working condition of the engine. Similar results were also obtained for double and triple injection configurations. Besides, contribution of biodiesel to advanced combustion method was investigated in the single injection strategy. Use of biodiesel for early injection also improved the power and soot compared to the original working condition of the engine. However, higher oxygen content of the biodiesel worsen the NOx emission and reduce the ignition delay effect of EGR compared to pure diesel. This caused less power and NOx improvement with biodiesel blended diesel compared to the pure diesel. On the other hand, it is found that optimization study for biodiesel blended fuel should be performed separately as start of combustion is affected from biodiesel. In addition to 6.6 mg injection tests, a moderate load condition was also studied to investigate the applicability of heavy EGR under high load conditions. Optimization study that aims to achieve partially premixed combustion with more homogenous fuel-air mixture was conducted. More than 50 experiments were executed to generate the map of emissions, performance, and combustion parameters according to start of injection and EGR rate for single injection of 12 mg diesel. The optimum condition among 50 experiments had 30% higher power, 32% less NOx and 20% less opacity compared to the original working condition. Therefore, promising emission and performance was achieved that can be utilized for high load conditions. Moreover, evaluated results enable to distinguish different advanced combustion methods. In the last section of the thesis, a range extended hybrid electric vehicle model of the tested Ford Fiesta was proposed by adapting the new advanced combustion method. Energy consumption of the range extended vehicle was calculated by implementing the energy conversion efficiencies of the components that are necessary to convert the conventional diesel vehicle to hybrid electric vehicle. Proposed combustion method enable to achieve EURO-6 emission with EURO-5 exhaust layout. Original vehicle consumed 1125 ml diesel and had 8607 mg NOx emission under the WTLC, while proposed range extended vehicle that run with advanced combustion had 861 ml diesel consumption and 703 mg NOx emission according to model. The results showed that fuel consumption and emissions of the vehicle was improved compared to the conventional vehicle by applying advanced combustion methods. The originality of this thesis arise from proposing a partially premixed combustion in which utilization of EGR improve efficiency while reducing NOx. It is discovered that the effect of EGR enabled to achieve more efficient operation compared with conventional operation point of the tested engine while reducing both NOx and soot emissions. Moreover, prepared range extended electrical vehicle power consumption analysis showed that it is possible to satisfy EURO-6 emission limits by reducing fuel consumption by using diesel engine that has EURO-5 exhaust configuration. This may attract the OEMs to utilize diesel engines for hybrid electric vehicle applications and regain the popularity of the diesel engines for future applications.