Modelling formation of fuel-in-oil due to post injections in diesel applications

Abstract

Post injections are frequently used for different purposes in diesel engines. However, post injections with specific configurations can cause oil dilution due to fuel percolating through cylinder walls. The fuel addition to the oil can cause deterioration in engine oil properties, which may result in engine failure. Therefore, the fuel concentration in oil needs to be monitored, and configurations of post injections are required to be optimized against oil dilution. Usage of post-injection can be grouped under three different purposes; regeneration of Diesel Particulate Filter (DPF), desulfation of Selective Catalytic Reaction (SCR) and heat management strategies. As a consequence of the increasing necessity of post-injection in three explained conditions, there will be an enormous increase in usage of post-injection strategies with new legislation, and oil dilution caused by post injections will become an emerging problem for all truck manufacturers and a more complex problem to contain for light and medium-duty vehicle applications. There are two main mechanisms which are controlling the rate of oil dilution due to post-injection. The first mechanism is that fuel going into the oil pan through cylinder walls due to fuel contact with the wall, and the second mechanism is that fuel vapour in the oil pan might be recovered if it reaches enough vapour pressure. The first mechanism is affected by engine design parameters such as fuel injectors, ring pack and bowl design and calibration strategies such as post-injection timing and quantity and other calibration parameters. The second mechanism is mainly controlled by system design parameters such as oil operating temperature and oil volume. There is also the influence of engine speed on oil recovery. The oil dilution rate can be defined as a balance between the first and second mechanisms. In this study, the effect of calibration parameters on the first mechanism is focused, so post-injection strategies were activated for all times during steady and transient tests. The impact of the second mechanism on oil dilution measurements is normalized based on test data. A recovery test without post injections is conducted to analyze the effect of the second mechanism. Oil properties such as viscosity with increasing fuel in oil concentration can deteriorate. As a result of viscosity change, oil dilution has specific effects on engine oil pumps and other engine components lubricated with oil. Fuel in oil concentration limit is lower in heavy-duty vehicles than other applications since in-service conformity is exceptionally high in heavy-duty vehicles. Three locations are sensitive against excessive oil dilution: crank bearing, cylinder liner and turbine-compressor shaft bearing. Besides these critical regions, excessive fuel in oil can lead to the fuel-oil mixture reaching intake via blow-by. In such a case, the engine may face over speed risk. The engine can handle the deterioration in oil properties to a certain level. There is a trade-off between oil dilution rate, maximum oil deterioration that can engine bear and oil interval demand. Several different measurement techniques can be used to analyze fuel concentration in engine oil. These measurement methods can be divided into three groups. The first group of measurement methods includes comparing total hydrocarbon input and output at the system level. The second group aims to estimate the concentration of fuel in the oil sample by comparing the physical condition of the sample with the fresh sample. And finally, the third group can be sorted as measurement methods aiming to measure fuel concentration in oil samples directly. Gas Chromatography and Flame Ionized Detector (GC&FID) was used to measure fuel concentration in samples in this study. This method is under the third group of the measurement categories. The third measurement group offers the best practice in terms of accuracy among all three above mentioned options since the third group aims to measure fuel concentration directly. However, GC&FID requires 4-6 hours in total for testing and measurement. So online optimization based on the most accurate measurement method is not possible. Therefore, the modelling studies can compensate for the disadvantage of the third group of measurement methods. A series of different tests are conducted. During these tests, 208 oil samples were analyzed in GC&FID. Firstly, steady-state testing in 56 different operating conditions is completed with 168 oil samples. As an intermediate step, the recovery of Fuel in oil is characterized in the second test with 10 oil samples. In the final testing activity, 10 set of transient cycles in 5 different traces are completed with 30 additional oil samples. By these tests, the characterization of oil dilution mechanisms is aimed to be defined. Possible input sets are determined based on a literature search and test data. The necessary input parameters are calculated in the Matlab Simulink environment. The correlation investigation is done with Python libraries. Finally, four modelling methods are applied, and the results are compared. The best input set and modelling approach indicated based on model results over transient test data.

Dizel motorlarda art püskürtmeler sıklıkla kullanılmaktadır. Belirli koşullarda yapılan art püskürtmeler silindir duvarı üzerinden yağ ve yakıt karışımı şeklinde süzülerek yağ seyrelmesine sebep olabilmektedir. Yağdaki artan yakıt konsantrasyonu yağın özelliklerinde motorun zarar görmesine sebep olabilecek bozulmalara sebep olabilir. Bu sebeple, yağ içerisindeki yakıt konsantrasyonu sürekli olarak takip edilmelidir ve art püskürtmelerin zamanlamaları ve miktarları yağa giden yakıt miktarını en aza indirilecek şekilde optimize edilmelidir. Art püskürtmelerin kullanım sebepleri üç grupta toplanabilir; DPF'in temizlenmesi, SCR'ın temizlenmesi ve termal yönetim stratejileri. Bu kullanım alanlarında yeni gelen emisyon regülasyonları sebebiyle artış beklenmektedir. Art püskürtmelere olan ihtiyacın artmasıyla birlikte art püskürtmelerdan kaynaklanan yağ seyrelmesi ağır ticari araçlar için yeni ve hafif/orta ticari araçlar içinde çözülmesi daha zor olan bir problem haline gelmektedir. Yağ ile yakıtın birbiriyle olan etkileşim mekanizmaları incelendiğinde iki temel mekanizmadan söz etmek mümkündür. İlk mekanizma yapılan art püskürtmenin silindir duvarı ile teması sonrasında piston haraketiyle silindir duvarındaki yağ ve yakıt karışımının yağ karterine süzülmesi olarak tanımlanabilinir. Bu mekanizmaya yanma sırasındaki silindir içerisindeki basınçlı hava-yakıt karışımının sekmanlar aracılığıyla kartere ulaşması da dahil edilebilinir. Yağ karteri içerisindeki yakıt, yağ çalışma sıcaklığına bağlı olarak yanma odasına geri dönmektedir. Bu geri dönüşüm mekanızması da ikinci temel mekanizma olarak ifade edilebilinir. İlk mekanizma yakıt enjektörü geometrisi, sızdırmazlık elemanlarının durumu ve yanma odası tasarımı gibi değişkenlerden etkilenebildiği gibi ray basıncı, art püskürtme miktarı ve zamanlaması gibi çeşitli kalibrasyon parametrelerinden de etkilenebilmektedir. İkinci mekanizma daha ziyade yağ çalışma sıcaklığı ve yağ hacmi gibi sistem tasarım parametrelerinden etkilenmektedir. Motor devri her iki mekanizma üzerinde de etkilidir. Bu çalışmada ilk mekanizmanın üzerindeki kalibrasyon parametrelerinin etkisi incelenecektir, bu sebeple tüm çalışma boyunca art püskürtmeler aktif edilmiştir. İkinci tanımlanan mekanizmanın karekterizasyonu içinde ek test yapılmıştır ve art püskürtme olmaksızın tamamlanmıştır. Viskozite gibi yağ özellikleri artan yağdaki yakıt konstrasyonuyla birlikte bozulabilmektedir. Viskozite değişiminin sonucu olarak yağ pompası ve farklı motor parçaları zarar görebilmektedir. Ağır ticari araçlar yağ özelliklerinde bozulmalara hafif ve orta ticari araçlara kıyasla, kullanım ömürleri oldukça uzun olması sebebiyle, daha hassastır. Yağ özelliklerinin değişiminden etkilenen üç temel bölge vardır; krank şaft yatakları, silindir içi duvarları ve türbin-kompresör arasındaki şaft olarak sıralanabilinir. Yağdaki yakıt konstantrasyonun artmasıyla birlikte karterdeki yağ ve yakıt karışımı hacmi artış göstermektedir. Eğer yağdaki yakıt konstrasyonu kontrol edilmez ve aşırı yükselirse, hava yoluna yağ-yakıt karışımı ulaşabilir ve motoru aşırı yüksek devre zorlayıp, zarar görmesine sebep olabilir. Yağ özelliklerindeki bozulma motor dayanımı açısından belirli bir noktaya kadar sorun oluşturmayabilir fakat yağ seyrelmesi şiddeti, motorun dayanabileceği maksimum yağ bozulması ve müşterinin yağ değişim aralığı isteği arasında bir denge kurulması gereklidir. Bu dengede doğru yerde konumlanabilmek için yağ seyrelmesinin modellenmesi gerekmektedir. Yağın içerisindeki yakıt konsantrasyonunu ölçmek için farklı teknikler mevcuttur. Bu teknikleri genel olarak üç gruba ayırabiliriz. Birinci grup olarak yağa giden yakıt miktarının anlık olarak ölçülmesinin hedeflendiği metodlardan bahsedilebilinir. Bu metodlarda egzoz gazı içerisindeki toplam karbon konstantrasyonu ölçülmektedir, egzoz gazı debisi de kullanılarak sistemden atılan toplam karbon miktarı hesaplanmaktadır. Sistemden atılan toplam karbon miktarı yakıt debisi ölçüm cihazı ile karşılaştırılarak aradaki anlık fark yağa giden yakıt miktarı olarak hesaplanmaktadır. Bu metod ile teoride karşılaştırılabilinir sonuçlar elde edilebilinir fakat uygulamada bu yöntemin ihtiyaç duyduğu üç alt ölçüm cihazının ölçüm hassasiyetini sürekli olarak aynı noktada tutmak mümkün değildir. İkinci ölçüm metodu olarak yağın içerisindeki yakıt miktarının dolaylı olarak ölçüldüğü yöntemler belirtilebilinir. Yağın kinematic viskozitesinin değişimi üzerinden yağın içerisindeki yakıtın konsantrasyonun hesaplanması bu yönteme girmektedir. Fakat yağın özelliklerini etkileyecek tek parameter yağ seyrelmesi olmayacağı için bu metod ile yapılan analizlerin sonuçları sadece belirli şartlar altında doğru olacaktır. Üçüncü metod ile yağ içerisindeki yakıt miktarının direk ölçümü yöntemidir. Bu yöntem için GC & FID kullanılmaktadır, dolayısıyla yağın içerisindeki tüm yakıt molekülleri teker teker buharlaştırılarak ölçülmektedir. Bu yöntemde ölçümün yapılabilmesi için yağ içerisindeki yakıt konsantrasyonunun yükselmesi gerekmektedir. Dolayısıyla, sabit şart altında yağ seyrelmesinin şiddetinin tek bir çalışma noktasında ölçülebilmesi için 4-6 saat test edilmesi gereklidir. Bu süre aralığı düşünüldüğünde bu ölçüm yöntemine göre anlık olarak art püskürtme stratejilerinin optimizasyonu mümkün olmayacaktır. Yağa süzülen yakıt miktarının karekterizasyonu için tez kapsamında pek çok aşamalı motor testleri yapılmıştır. Bu testler sırasında toplam 208 adet numune GC & FID metoduna göre analiz edilmiştir. Duragan testlerde 56 farklı çalışma noktasında toplam 168 örnek toplanmıştır. Ara bir adım olarak, yağın içerisindeki yakıtın geri dönüşünün karekterizasyonu için 10 numune daha ayrı bir test sırasında alınmıştır. Tez kapsamında son test çalışması olarak 5 farklı hız profilinde yağ seyrelmesi test edilmiştir, bu test sırasında da 30 ek numune daha alımıştır. Yağ seyrelmesi şiddeti ile korelasyonu olabilecek parametreler literatür araştırması ve makine öğrenmesi yöntemleriyle belirlenmiştir. Parameterlerin hesaplanması Matlab Simulink ortamında yapılmıştır. Korelasyon ve modelle çalışmaları Python ortamında pek çok kütüphane kullanılarak yapıldı. İki farklı modelleme metodu duragan test sonuçlarına uygulanarak, modelleme yöntemleri yağ seyrelmesi problemi için birbirleriyle kıyaslanmıştır. Yapılan çalışmaların sonucu olarak, yakıt sebebiyle oluşan yağ seyrelmesinin motor kalibrasyon parametrelerine duyarlı şekilde modellenmesi başarılmıştır. Tezde tanımlanan modelleme metoduyla, aktif DPF rejenerasyon motor kalibrasyonun yağ seyrelmesi açısından incelenmesi mümkündür. Dolayısıyla kalibrasyon geliştirme sürecinde gerçekleştirilen bazı tekrarlı adımların iyileştirilmesi ve toplam ürün geliştirme maliyetinin azaltılması mümkündür.