Deney Sonuçları ile RSM Uygulaması

RSM ile yapılan deney tasarımında seçilen 7 farklı karışımın motor performans ve emisyon deneyleri yapılmıştır. Birçok istatiksel yazılım programı temel RSM özelliklerinden olan deney tasarımı ve optimizasyon tekniklerini içermektedir. Deneysel verileri analiz etmek için kullanılan bu istatiksel programlardan bir tanesi de Minitab yazılımıdır. Deney sonuçlarına göre Minitab16 programındaki RSM işlem sırası uygulanmıştır.

RSM’de ilk olarak çıktıyı etkileyen faktörlerin ve bu faktörlerin düzeylerini belirlemek gerekmektedir. RSM’de model, regresyon analizi yardımıyla oluşturulur. Bir girdi faktörünün çıktı değişkeninin değerlerinde ne derece önemli bir etkiye sahip olduğuna regresyon katsayıları yardımıyla karar verilir. Çıktı ve girdi faktörü arasındaki fonksiyonun matematiksel formu birden fazla değişken olduğunda ikinci dereceden bir polinomiyal ile belirlenmektedir. Matematiksel modelinin oluşturulması toplanmış verilerle (5.1) eşitliğindeki β katsayılarının tahmin edilmesiyle gerçekleştirilir.

Tam yük değişik devir test prosedürünün uygulandığı motor performans ve emisyon testlerinde 4400-1800 devirleri arasında 8 devir aralığı seçilmiştir. Optimum karışım oranının tespiti için yapılan RSM çalışmasına bütün devir aralıklarının katılmasında deney girdi faktörü olarak belirlenen üçlü karışımın euro dizel yakıtı ve n-bütanol karışım oranlarının yanında üçüncü bir değişken faktör olan motor devri ile çıktılar arasında %95 güven olasılığı ile kurulan matematiksel modelde R2 doğruluk değeri bakımından anlamlı sonuçlar elde edilememiştir. Çünkü R2 değeri ne kadar yüksek ise modelin anlamlılık düzeyi de o kadar yüksek olmaktadır [158-160].

Dizel motorları en düşük yakıt tüketimini belli bir dönme sayısında sağlarlar. Bir dizel motorun saatlik yakıt tüketimi eğrisi incelendiğinde motor devrinin artmasıyla, dakikadaki dönme sayısının artmasına bağlı olarak, çevrim sayısı da artmakta ve saatlik yakıt tüketimi yükselmektedir. Buna göre harcanan yakıt miktarına bağlı olarak elde edilen motor gücü göz önüne alındığında motorun birim kW güç çıkışı için yakıtın en verimli yandığı ve yakıt tüketiminin en az olduğu devir maksimum momente karşılık gelen devirdir.

Test motorunun özelliğine göre, en düşük yakıt tüketiminin oluştuğu ekonomik dönme sayısı maksimum moment devri olan 2200 d/dk.’dır. Bu devir motorun en kararlı çalıştığı devirdir. Literatürde yapılan çalışmalarda da ekonomik devir aralığı olarak maksimum moment devri gösterilmektedir [24,33,63,74,82,104]. Bu maksatla RSM çalışmasında deney motorunun 2200 d/dk.’daki motor performansı ve egzoz emisyon değerleri esas alınmıştır.

5.2.10.1 Matematiksel Modelin Kurulması

Tez çalışması için yapılan deney tasarımında deneye etki eden faktörler bileşenlerin karışım oranlarıdır. Bu üçlü karışımları oluşturan hacimsel oranlardan dizel yakıtı (D (%)) ve n-bütanol (nB (%)) karışım oranları alınmıştır. Üçüncü bileşen olan pamuk yağının karışım oranı ise diğer iki bileşenin toplamından geriye kalan kısımdır. Bu iki girdi faktörünün etkisi ile yapılan deneyler sonucunda elde edilen ve Tablo 5.10’da görülen 12 farklı değer çıktı olarak tanımlanmıştır.

Tablo 5.10: 2200 d/dk.’daki deney çıktıları

Minitab 16 programındaki RSM’de maksimum moment devrinde elde edilen deney sonuçları ile kullanılmıştır. Her bir çıktı değerinin (y), girdiler ile ilişkisini gösteren yüzeyin belirlenmesi için RSM ile (5.1) eşitliği esas alınarak (5.10) eşitliğine göre ikinci dereceden (full quadratik) matematiksel modelleri kurulmuştur.

y = βo+β1.D+ β2.nB+ β3.D2+ β4.nB2+ β5.D.nB

Her bir çıktı için ayrı sabit değer βo, dizel karışım oranının katsayısı β1ve alkol karışım oranının katsayısı β2ile ifade edilmektedir.

RSM’de %95 güven olasılığı ile her bir çıktı için kurulan ikinci dereceden matematiksel modelin katsayıları Tablo 5.11’de görülmektedir.

Tablo 5.11: Matematiksel modelin katsayıları

Regresyon analizi ile elde edilen R2_{doğrulama değerleri, kurulan matematiksel} modelin doğruluğunu göstermektedir. Gerçek deney çıktıları ile RSM çıktıları arasındaki hata miktarı ile değişkenlerin birbirini ne kadar etkilediğinin ve karşıladığının bir göstergesi olan R2 _{değerleri ile RSM çıktı değerleri Tablo 5.12’de} görülmektedir. Çıktı parametrelerinden biri olan güç için R2 _{değeri %99,94 olarak} bulunmuştur. Kontrol edilebilen girdi parametresi olan karışım oranları, çıktı parametresi olan gücün oluşmasında %99,94 etki göstermektedir ve geriye kalan %0,06’lık kısım ise kontrol edilemeyen faktörleri temsil etmektedir. Diğer çıktı parametreleri için analiz edilen R2_{değerleri de güven aralığı içerisinde yer aldığı için} matematiksel modelin doğruluğu kabul edilmiştir.

5.2.10.2 RSM ile Optimizasyon

Optimizasyon süreçlerinde Şekil 5.34’te görüldüğü gibi sistemin çalışma alanı içerisinde en ideal çıktı parametrelerinin elde edilebilmesi için girdi parametrelerinin çalışma alanının bulunması yer almaktadır. Böylece deney sayısı etkili bir şekilde azaltılarak istenilen sonuca ulaşılabilmektedir.

Şekil 5.34: Optimizasyon süreci

RSM modelleme ve analiz uygulamalarında birkaç değişkenden etkilenen çıktıların arzu edilen seviyede olması için girdilerin optimize edildiği, matematiksel ve istatiksel teknikleri bir arada toplayan bir etkili bir yaklaşımdır. Matematiksel modelin doğruluğu sağlandıktan sonra yapılan RSM çalışmasının son adımı ise arzu edilen çıktı değerlerini sağlayacak girdilerin en ideal değerlerinin bulunmasını sağlandığı optimizasyon adımıdır.

RSM=Deney Tasarımı+Matematiksel Model+İstatiksel Analiz Optimizasyon

Optimizasyon parametresi olarak dizel motor performansı için belirleyici olan moment, efektif güç, özgül yakıt tüketimi, efektif verim, ortalama efektif basınç parametreleri ile dizel motorlardan kaynaklanan kontrol edilmesi gereken egzoz emisyonlarından NOx, CO ve HC parametreleri esas alınmıştır. Referans yakıt olarak euro dizel yakıtının ve 7 karışımın deney sonuçlarının maksimum ile minimum değerlerine göre optimizasyon parametrelerinin arzu edilen değerleri belirlenmiştir.

Minitab 16 programında RSM optimizer adımından çıktıların girdilerle oluşturduğu yüzeyin matematiksel modelinin ortak çözümü aracılığıyla istenilen çözüm aralıklarını bulmak maksadıyla, arzu edilen çıktı değerlerinin her birinin Tablo 5.13’te gösterilen maksimum, minimum ve hedef değerleri belirlenmiş ve bu değerleri sağlayacak girdi olarak belirtilen optimum üçlü karışımın hacimsel karışım oranının tespiti için optimizasyon yapılmıştır.

Tablo 5.13: Optimizasyon parametre değerleri

5.2.10.3 Optimize Karışımın Doğrulama Deneyi

Optimize karışımın Tablo 5.14’te görülen Minitab 16’daki RSM optimizasyonu çıktı değerleri ile gerçek deney sonuçlarını karşılaştırmak için deney yakıtı hazırlanarak doğrulama deneyi yapılmıştır.

Tablo 5.14: Optimize karışımın çıktı değerleri Parametre Birim R2 (%) Ulaşılması istenen En düşük değer Hedef değer En yüksek değer Moment Nm 99,99 Maksimum 210 234 -- Efektif güç kW 99,94 Maksimum 50 57 --

Özgül yakıt tüketimi g/kWh 99,22 Minimum -- 195 375

Efektif verim % 98,54 Maksimum 28 42 --

Ortalama efektif basınç bar 99,94 Maksimum 10 12 --

NOx ppm 89,02 Hedef değer 900 1000 1100

CO ppm 99,51 Minimum -- 200 550

HC ppm 97,72 Minimum -- 50 150

Optimizasyon

parametresi Optimizasyonçıktı değeri

Moment 220,62 Nm

Efektif güç 54,07 kW

Özgül yakıt tüketimi 224,90 g/kWh

Efektif verim %37,94

Ortalama efektif basınç 11,83 bar

NOx 998,9 ppm

CO 311,5 ppm