Karbonmonoksit (CO) Oluşumu

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "Karbonmonoksit (CO) Oluşumu"

Elmas Türel
5 yıl önce
İzleme sayısı:

1 Yanma Kaynaklı Emisyonların Oluşum Mekanizmaları Karbonmonoksit (CO) Oluşumu Karbonmonoksit emisyonlarının ana kaynağı benzinli taşıt motorlarıdır. H/Y oranının CO emisyonu üzerine etkisi çok fazladır. H/Y oranının küçük değerlerinde (zengin karışım) CO emisyonları maksimum olmasına karşın NO emisyonları en düşük değerdedir. CO oluşumuna H/Y oranı dışında etki eden diğer bir parametre de karışımın homojenlik derecesidir. 1/23

2 CO emisyonunun hava fazlalık katsayısı ile değişimi 2/23

3 Yanma esnasında CO oluşumu su gazı dengesi ile belirlenmektedir. Yüksek alev sıcaklıklarında bu denge reaksiyonu daha fazla CO üretir. Sıcaklık düştükçe CO in CO 2 ye oksidasyonu söz konusudur. Bu nedenle fakir veya stokyometrik karışımlarda CO miktarı daha az olurken zengin karışımlarda soğuk egzoz gazlarının içinde bile oksijen yetersizliği nedeniyle fazla miktarda CO bulunur. 3/23

4 Yanma esnasında alev cephesinin iç tarafındaki yüksek sıcaklık bölgesinde çok miktarda CO oluşmaktadır. Daha sonra gazların genişlemesi ve soğuması esnasında CO in bir kısmı CO 2 e okside olmaktadır. Genişleme esnasında sıcaklıkların daha da düşmesi nedeniyle denge reaksiyonu sıcaklıktaki bu düşüşü takip edemediğinden egzoz gazları içindeki CO miktarı beklenenden daha fazla olmaktadır. 4/23

5 Yanma sonrası CO konsantrasyonunun değişimi 5/23

6 H/Y oranının CO emisyonuna etkisi benzin motorlarında oldukça büyüktür. Deney sonuçları egzozda ölçülen CO miktarı yanma odasındaki değerler ile egzozda denge durumundaki değerler arasında kaldığını göstermektedir. 6/23

7 Benzin motorları kısmi yükte stokyometriğe yakın, tam yükte ise zengin karışım ile çalıştıklarından CO emisyonları önemli mertebelerdedir ve kontrol edilmesi gerekir. Dizel motorlar ise genelde fakir karışım ile çalıştıklarından CO emisyonları benzinli motorlara kıyasla oldukça düşüktür. Motorun soğuk ilk hareketi esnasında zengin karışımla çalıştığından CO emisyonları sıcak motor çalışmasına göre oldukça fazladır. 7/23

8 Azot oksitlerin oluşumu (NOx) Yanma esnasında NOx oluşumu üç farklı mekanizma ile gerçekleşmektedir. (1) Termal NOx oluşum mekanizması, (2) Yakıt kaynaklı NOx oluşum mekanizması, (3) Prompt NOx oluşum mekanizması. 8/23

9 NOx içerisinde ana eleman olarak NO bulunmaktadır. Egzoz gazlarının atmosfere atılması esnasında oksijenle temas sonucu NO in bir kısmı NO 2 ve diğer azot oksitlere dönüşmektedir. Denge hesaplamaları ile elde edilen NOx miktarı motorun gerçek çalışma şartlarında ölçülen değerlerle uyuşmamaktadır. 9/23

10 Bunun nedeni, yanma sürecinde yanma ürünlerinin kimyasal dengeye ulaşmak için yeterli zamanı bulamamasıdır. Kimyasal denge durumundan diğer bir sapma da yanma gazlarının soğuması esnasında gerçekleşir. Sıcaklığın düşmesi ile NOx lerin tekrar N 2 ve O 2 ye ayrışması işlemi düşük sıcaklıklarda yavaşlar ve NOx miktarı dondurulmuş olur.. 10/23

11 Azot oksit konsantrasyonunun değişimi 11/23

12 Yakıt Kaynaklı NOx oluşum mekanizması Yakıtın içeriğinde azot varsa, yanma esnasında bu azot, okside olarak NOx oluşumuna yol açar. Kömür ve fuel-oil gibi nispeten fazla miktarda azot içeren yakıtların yanması esnasında yakıttaki azotun yaklaşık %20-60 ı okside olur. Kömürle çalışan yakıcılarda yakıt kaynaklı NOx, toplam NOx emisyonlarının yaklaşık %50-70 ini oluşturmaktadır. Yakıttaki azot alev sıcaklığı ve oksijen konsantrasyonuna bağlı olmaksızın oksijen ile reaksiyona girerek NOx oluşumuna neden olur. Çünkü, yakıttaki karbon-azot bağları, havadaki N 2 den çok daha kolay olarak parçalanır ve bu nedenle termal NOx dan daha fazla NOx oluşabilir. 12/23

13 Prompt NOx oluşum mekanizması HC esaslı yakıtlarda alev bölgesine yakın kısımlarda NOx oluşumu yukarıda anlatılan termal NOx oluşum mekanizmasına kıyasla daha az sıcaklığa bağımlıdır. Alev bölgesine komşu bölgelerde O ve OH gibi radikaller NOx oluşum hızını artırırlar. Böylece, bu bölgelerde alev sıcaklığı ve oksijen konsantrasyonunun kontrolü ne kadar sıkı olarak yapılırsa yapılsın, bir miktar NOx oluşacaktır. 13/23

14 Termal NOx oluşum mekanizması Termal NOx oluşumu ilk olarak Zeldovich tarafından aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır. İlk önce moleküler oksijen atomik oksijene dönüşmektedir Daha sonra zincirleme reaksiyonlarla NO oluşumu gerçekleşmektedir Toplam reaksiyon 14/23

15 NO oluşum hız aşağıdaki denklemle ifade edilmektedir Denklemden de görüleceği üzere, yüksek sıcaklık ve yüksek oksijen konsantrasyonu yüksek NO oluşumuna neden olmaktadır. Böylece, Nox oluşumunu etkileyen temel parametreler: Alev sıcaklığı Yanma gazlarının o sıcaklıkta kalma süresi Alev bölgesinde mevcut olan fazla hava miktarı 15/23

16 Benzin motorlarında NO oluşumu temel prensiplere uygun olarak gerçekleşmektedir. Alev cephesinin ilerlemesi ile yanan karışımın bulunduğu bölgede NO oluşumu da başlamaktadır. Yanma tamamlanıp pistonun AÖN ya hareketi ile yanmış gazlar genişlemeye ve soğumaya başladığından NO oluşumu da durmaktadır. Bujiye yakın bölgelerde yanma daha erken başladığından NO oluşumu için tanına süre de daha uzun olmakta ve bu bölgelerde NO miktarı da daha fazla olmaktadır. Aşağıdaki şekilde bir CFR deney motorunda yanma odasına açılan iki pencereden gözlemlenen NO konsantrasyonu değerleri görülmektedir. P1 penceresi bujiye daha yakın konumda bulunmaktadır. 16/23

17 Yanma odasında farklı konumlarda NO konsantrasyonun değişimi 17/23

18 Dizel motorlardaki heterojen yanmada önceden hazırlanmış bir karışım bulunmamakta, yakıt ile havanın karışımı ve yanma olayları iç içe gerçekleşmektedir. Yakıt damlacığının buharlaşması ve yanması sonucu damlacık etrafında oluşan alev bölgesinde yüksek sıcaklıklar oluşmaktadır. Damlacıktan uzaklaştıkça sıcaklık düşerken oksijen konsantrasyonu artmaktadır. Bu nedenle benzinli motorlara göre karmaşık bir durum söz konusudur. Toplam NO oluşumu sıcaklığa ve damlacık etrafındaki akış alanını etkileyen bir çok parametreye bağlı olarak değişmektedir. Ayrıca dizel motorlarda karışım oranı motorun yük durumuna göre değiştirildiğinden, artan yükle birlikte NOx miktarı da artmaktadır. Ancak bu durum ön yanma odalı motorlarda farklıdır. 18/23

19 Yakıt damlası etrafında difüzyon alevi ve NO konsantrasyonu 19/23

20 Direkt püskürtmeli ve ön yanma odalı dizel motorlarda Nox konsantrasyonunun Y/H oranı ile değişimi 20/23

21 Yanma esnasında alev bölgesinde oluşan NO aşağıdaki reaksiyonla hızlı bir şekilde NO 2 ye dönüşebilir. Daha sonra oluşan NO 2 aşağıdaki reaksiyonla tekrar NO e dönüşür. Atmosferde NO in NO 2 ye dönüşümü ise aşağıdaki reaksiyonla gerçekleşir.. 21/23

22 NOx ler genellikle 1800 K üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelmektedirler. Benzin motorlarında yanma sonucu oluşan NOx in %92-98 i NO ve %2-8 i ise NO 2 olarak atmosfere verilmektedir. Dizel motorlarda ise egzoz gazlarıyla atmosfere atılan NO 2 miktarı toplam NOx emisyonlarının %10-30 u civarındadır 22/23

23 a) Benzin NO ve NO 2 konsantrasyonları (1500 dev/dak) b) Dizel motorunda NO 2 emisyonlarının NOx emisyonunun yüzdesi 23/23

Benzer belgeler

Bölüm 2 Kirletici Maddelerin Oluşumu

Egzoz Gazları Emisyonu Prof.Dr. Cem Soruşbay Bölüm 2 Kirletici Maddelerin Oluşumu İstanbul Teknik Üniversitesi Otomotiv Laboratuvarı İçerik Motorlu taşıtlarda kirletici maddelerin oluşumu Egzoz gazları