Dizel Motorlarında Azotoksit Oluşumunun Teorik Ve Deneysel İncelenmesi

Abstract

Kara, hava ve deniz taşıtlarında kullanılmak üzere üretilen dizel motorlar, yüksek rekabet ve keskin emisyon standartları nedeniyle hızla geliştirilerek yüksek performans ve düşük emisyon sağlayacak şekilde üretilmektedir. Daha yüksek performans ve daha düşük emisyon seviyelerine ulaşmak için ise yanma ve tutuşma dahil silindir içi fiziksel ve kimyasal olayları tanımlayabilecek matematik modellerin oluşturulması gerekmektedir. Bu tez kapsamında “Yanma Kanununu” belirleyen Vibe denklemi, termodinamiğin I. Kanunu, ideal gaz ve piston hareketine bağlı olarak silindir hacminin değişimi denklemleri, azot oksit oluşumunun Zeldoviç mekanizması ve 11 kimyasal reaksiyon esasında oluşturulmuş dizel motorların gerçek çevriminin matematik modeli oluşturulmuştur. Bu model için daha önceden yapılmış MATLAB programına azot oksit oluşumu için yeni hesaplama algoritması eklenmiştir. Bu sayede dizel motorun hem azot oksit hem de performans parametrelerinin gerçek değerlerine ulaşılmaya çalışılmıştır. Yanma kanunun hızını ve süresini belirleyen Vibe parametrelerinin, motorun yakıt tüketimi, performans ve azot oksit emisyonu üzerindeki etkileri detaylı bir biçimde incelenmiş, yapılan model sayesinde farklı motor tiplerinin teorik indikatör diyagramları çıkarılarak deneysel olarak çıkarılması çok fazla tecrübe isteyen ve zaman alan sistemler çok kısa bir sürede elde edilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmada azot oksit oluşumunun üç aşamalı geliştirilmiş hesap yöntemi deneysel verilerle birlikte incelenmiştir. TÜMOSAN fabrikasında üretilen 4 silindirli 95 BG gücündeki turbo dizel traktör motoruna ait deneysel veriler geliştirilen yeni hesap yöntemiyle karşılaştırılmış ve olumlu sonuçlar alınmıştır. Özelikle motorun farklı yük ve devirlerde silindir içi basınçları ve yakıt hattı basınçları ölçülerek motorun yanma kanunu hakkında önemli bilgiler elde edilmiş ve bu bilgiler sayesinde motorun yanma kanununa bağlı olarak emisyon ve performans değerleri arasında karşılaştırma yapılmıştır. Optimum yanma kanununu ile çalıştığında emisyon, performans ve dayanaklılık durumu değerlendirilmiştir ve optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu optimizasyon çalışmaları sonucu azot oksit emisyonlarında yüksek miktarda düşüşler gözlemlenmiştir. Ayrıca motor indikasyonu sayesinde (silindir içi basınç ve yakıt hattı basıncı ölçümü) hesaplanabilen değerler ayrıntılı olarak incelenmiş ve tasarım, optimizasyon ve geliştirme faaliyetleri için gerekli olan temel parametrelerin nasıl elde edilebileceği üzerinde durulmuştur.

Diesel engines are produced for using vehicles, marine and air transportation. Due to high competition and strict emission standards diesel engines have been developed rapidly to provide higher performance and lower emissions. To achieve lower emissions and higher performance, mathematical models, which describe physical and chemical phenomenon including combustion and ignition, have to be made up. In this thesis, Vibe equation which determines burn law, first law of thermodynamic, ideal gas equation, change of the cylinder volume depending on piston movement and equation of nitrogen oxides formation with ‘Extended Zeldovich Mechanism’ and 11 chemical reactions of the burnt gases were used to understand real cycles of diesel engine with a mathematical model. MATLAB code which was written by Enishan Özcan was arranged according to new calculation algorithm. In this way, this model is used to reach to real values of the performance and emissions of the diesel engine. The effects of Vibe parameters, which describe burn law speed and combustion duration, on engine fuel consumption, performance and nitrogen oxide formations are analyzed in depth. Thanks to this mathematical model, experiences which are hard to achieve experimental indicator diagrams, theoretical indicator diagrams are achieved quickly for different engine types. In this study, advanced three zones nitrogen oxides formation was compared with experimentally derived results. Data of the 4-cylinders 95 HP turbo diesel tractor engine which was produced in TÜMOSAN and data of the new mathematical model were compared and achieved assertive results. Particularly, in-cylinder pressure and fuel line pressure were measured for different load and engine speed, important knowledge was gained about burn law. With this knowledge, a lot of comparisons were made depending on burn law between emissions and performance of engine. When engine operated optimum burn law, performance, emissions and durability of the engine were interpreted and some optimization studies were made. End of the optimization studies, significantly reduction of nitrogen oxides amounts were achieved in a diesel engine.