İçten yanmalı motorların iç dinamiklerini incelemek için termodinamik modeller ve sonlu elemanlar yöntemi gibi yöntemler kullanılmaktadır. Hibrid araç hesaplamalarında, sistemin karmaşık olması, optimizasyon hesaplarının gerekliliği nedeniyle içten yanmalı motor, yakıt tüketimi ve emisyon hesaplamaları, tablolar halinde gösterilmelidir.
Yakıt tüketimi ve emisyon haritaları deneysel yöntemler ile elde edilmektedir. Elde edilen veriler motorun sürekli rejime girdiği statik durumları için ölçülen değerleri ifade etmektedir. İçten yanmalı motorlar, gaz pedalı açıklığının değiştiği geçici rejim durumlarında daha fazla yakıt tüketmekte ve kirletici gaz emisyon miktarı da artmaktadır.
Motor modeli için yakıt tüketimi ve emisyon haritalarının kullanılması ile birlikte aşağıdaki kabuller yapılabilir:
– Silindirler ve her çevrimdeki farklılıklar ihmal edilebilir.
– Motor sürekli rejim sıcaklığında kabul edilebilir.
– Motorda dinamik rejimler göz ardı edilebilir.
Geçici rejimlerdeki motor çalışma bölgelerinin emisyon haritaları üzerindeki etkisi, yakıt tüketimi üzerindeki etkisinden daha büyüktür. Bu nedenle, yapılacak optimizasyon çalışmalarında geçici motor rejimlerinin parametrik olarak ifade edilmesi gerekmektedir. Yapılacak optimizasyon hesaplamalarında, gaz pedalının dinamik hareketleri de hesaplara dahil edilmelidir.
Boyuna hibrid elektrikli araç modelinde içten yanmalı motorun ürettiği tork ve gücü hesaplamak için pedal haritası kullanılmalı. Pedal haritasında motorun vereceği tork miktarı, pedal konumu ve motor hızına göre hesaplanmaktadır. Belirli pedal konumları ve motor devirleri için motorun negatif tork üretir. Motorun negatif tork vermesi, motor iç sürtünme kuvvetleri ve kompresyon freninden kaynaklanmaktadır.
Yakıt tüketimi hesaplamaları için yakıt tüketimi haritaları kullanılmıştır. Çevrim süresince harcanan toplam yakıtın hesaplanabilmesi için yakıt tüketimi haritası, motorun çalışma bölgelerinin optimizasyonu için ise özgül yakıt tüketimi haritası kullanılmıştır.
Otomotiv mühendisliğinde yakıt tüketimi genellikle, birim güç başına harcanılan yakıt miktarı (özgül yakıt tüketimi) ile ifade edilmektedir. Özgül yakıt tüketimi haritasında, kütlesel olarak püskürtülen yakıta karşılık elde edilen güç miktarı oranlandığından aynı zamanda yakıt tüketimi ve verim ilişkisi de kolay bir şekilde görselleştirilmektedir.
İçten yanmalı motorlarda yanma ürünü olarak su buharı (H2O), karbondioksit (CO2), ve azot oksit (NOx) gazları bileşenleri açığa çıkmaktadır. Yanmanın ideal şartlarda gerçekleşmemesi durumunda hidrokarbonlar (HC) ve karbon monoksit (CO) gibi kirletici gazlar da açığa çıkmaktadır. Yakıt içerisinde bulunan katkı maddeleri de göz önüne alındığında, içten yanmalı bir motorda gerçekleşen yanma sonucunda aşağıda verilen atık gazlar ortaya çıkar.
– Yanmamış hidrokarbonlar (HC)
– Karbon monoksit (CO)
– Azot oksitler, (NOx)
– Aldehitler (HC, HO vb.)
– İs ve partiküller
– Kükürt dioksit (SO2)
– Kurşun bileşenleri
İçten yanmalı motorlardan çevreye yayılan yanma ürünü gazlarının su buharı dışında tamamı insan sağlığına ve çevreye olumsuz etki yaptığından egzoz gazı emisyonlarına sıkı kısıtlamalar getirilmektedir. Bu nedenle hibrid elektrikli araç güç dağılımı optimizasyonu için egzoz gazları da probleme dahil edilmektedir. İçten yanmalı motorlarda CO emisyonları yüksek silindir içi sıcaklıklarında tam yanma nedeniyle azalırken, NOx gazlarının emisyonları artmaktadır. Motor haritalarında, araç yakıt tüketimi ve emisyon gazlarının her birinin en az oluştuğu bölgeler birbirleri ile çelişmektedir. Bu nedenle hem yakıt tüketiminin hem de tüm kirletici gaz emisyon miktarlarının azaltılması birbirleriyle çelişen hedefler ortaya çıkartmaktadır. Hibrid elektrikli araç kontrolünde, optimizasyon problemi tanımlanıyorken, bu durum dikkate alınarak amaç fonksiyonlarında her bir hedef için ağırlık katsayısı öncelik durumuna göre belirlenmelidir.
Kaynak: Ali Boyalı’nın Mayıs 2008’de İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’ne sunduğu “Hibrid Elektrikli Yol Taşıtlarının Modellenmesi ve Kontrolü” konulu doktora tez çalışmasından derlenmiştir.