3. KİRLETİCİ MADDELERİN MOTORLARDAKİ OLUŞUM MEKANİZMALARI. 3.1 Giriş

Transkript

1 3. KİRLETİCİ MADDELERİN MOTORLARDAKİ OLUŞUM MEKANİZMALARI 3.1 Giriş Son zamanlara kadara CO 2 bir kirletici olarak düşünülmüyordu. Motor içerisinde yalnızca karbon ve hidrojenden oluşan motor yakıtının tam yanması sonucunda diğer zararlı ürünler hariç sadece CO 2 ve H 2 O oluşacaktır. Ancak, yanma odasında oluşacak kimyasal reaksiyon prosesleri için çok az bir zaman söz konusudur ve hava yakıt karışımının homojen olmaması, sıcaklık dağılımının heterojen olması ve sıcaklıklardaki ani değişimler, kimyasal proseslerin ideal termodinamik denge durumuna ulaşmasına izin vermezler. Sonuç olarak egzoz gazları içerisinde tamamlanmamış yanma ürünleri bulunur. Ayrıca bu yanma ürünlerine ek olarak, havada seyreltici olarak bulunan inert azotun yüksek sıcaklılardaki oksidasyonuyla oluşan NO x lerde bulunur. Yine, bu kirleticilere ek olarak Diesel motorları, benzinli motorlarda neredeyse hiç bulunmayan karbon partikülleri yayarlar. Ortama atılan emisyon miktarları sadece motor tipine göre değil, aynı zamanda motorun dizaynına, yanma odası geometrisine ve çalışma şartlarına da bağlıdır. Motor yakıtlarının kükürt ihtiva etmesi sonucu kükürt oksitler ve alkol yakıtların kullanımı sonucu oluşan aldehitlerde yukarıda bahsedilen kirleticilere eklenebilir. Kirletici emisyonlarını kontrol eden en önemli değişken karışımın hava/yakıt oranı ya da bu değişkenin tersi olan yakıt/hava oranıdır. Hava/yakıt oranı, CO, NO, aldehitler ve yanmamış Hidrokarbon emisyonlarını direkt olarak etkiler. Fakir karışımlarda oluşan CO ve HC emisyon miktarları zengin karışımlara göre düşüktür. Bahsedilen fakir karışım yanması, yakıtın yanmadan egzoz sitemine atılmasına neden olan misfiring gibi (bazı çevrimlerde ateşlemenin olmaması ve silindir içine alınan dolgunun yakılamaması), yanmada bozulmaya neden olmaz. Tablo 3.1 Kirletici konsantrasyonları ve bağıl yayılma miktarları Kirletici Madde NO x CO HC Partiküller Konsantrasyonu (ppm) Bağıl Yayılma Miktarı (g/kg yakıt)

2 Şekil 3.1 Hava fazlalık katsayısına bağlı kirleticilerin değişimi 3.2 Azot Oksitlerinin Oluşumu Azot oksit (NO) ve Azot dioksit (NO 2 ) genellikle birlikte bulunurlar ve NO x ler olarak isimlendirilirler. NO x ler içerisinde miktar olarak NO yüksek oranlarda bulunur. NO nun ana kaynağı motorlarda yakıcı olarak kullanılan emme havası içerisindeki moleküler azottur. Benzin ve Diesel yakıtları NO oluşumu için etkili olmayacak miktarda çok az azot içerirler. Ancak, ağır akaryakıtlarda bu değer egzozda küçük oranlarda yakıt kaynaklı NO oluşumuna neden olabilirler. Atmosferik azottan NO oluşum mekanizması Zeldovitch mekanizması olarak bilinir. Stokiyometri civarında NO oluşum ve bozunum reaksiyonları (genişletilmiş Zeldovitch mekanizması) aşağıda görülmektedir. O + N 2 NO + N (3.1) N + O 2 NO + O (3.2) N+ OH NO + H (3.3) Verilen reaksiyonlardan 3.3 reaksiyonu temel olarak çok zengin karışım şartlarında oluşur. NO hem alev cephesinin içinde hemde alevin geçtiği alevin arkasında kalan bölgelerdeki gazın içerisinde oluşur. Yanmanın yüksek basınç altında gerçekleştiği motorlarda, alev içerisindeki reaksiyon bölgesi oldukça ince (yaklaşık 0.1 mm) ve kısa ömürlüdür. Alev reaksiyon bölgesi oldukça ince olduğundan NO oluşumunun esas olarak alevin arkasındaki yüksek sıcaklıklı yanmış gaz bölgesinde oluştuğu kabul edilebilir. Silindir içerisindeki basınç, yanmış gazların sıcaklığı yanmanın hemen ardından oluşan sıcaklıktan daha yüksek sıcaklıklara ulaştığı için, yanma süresince artar. Bunun sebebi, zengin yakıt/hava karışım bölgeleri hariç, NO nun yalnızca küçük bir bölümünün alev içerisinde oluşması ve geri kalan büyük bölümünün alevin geçtiği bölgede kalan gazlar içerisinde oluşmasıdır. 2

3 NO oluşumu yüksek sıcaklıklara bağlıdır. Şekil 3.2 de reaksiyonun değişik sıcaklıklarda zamana bağlı değişimi görülmektedir. Azot oksit oluşumunu tanımlayan ana denklem; N 2 + O 2 2NO (3.4) Şekil 3.2 N 2 + O 2 2NO reaksiyonunda sıcaklığın etkisi. NO oluşum reaksiyonları tüm durumlarda yanma reaksiyonlarından daha yavaştır. Egzoz gazları içinde ölçülen konsantrasyon değerleri reaksiyonun dengede olmadığını açıklar. Bu durum oksijen konsantrasyonu ile de yakından ilgilidir. Bu yüzden, yüksek sıcaklık ve yüksek oksijen konsantrasyonu, NO oluşum miktarını arttırır Azot dioksit Oluşumu Kimyasal denge hesaplamaları, yanmış gazlar içindeki NO 2 konsantrasyonunun NO ile kıyaslandığında önemsiz olduğunu göstermektedir. Bu durum Otto motorlarında daha etkindir, çünkü NO 2 oranı NO x ler içerisinde 2% civarlarındadır. Oksa ki, Diesel motorlarında, NO x ler içerisindeki NO 2 oranı 30% lara kadar çıkmaktadır. NO 2 nin sürekliliği ile ilgili bir açıklamada, alev içerisindeki NO oluşumunun hızlı bir şekilde NO 2 ye dönüşebilmesidir. NO + HO 2 NO 2 + OH (3.5) Eğer alev içerisinde oluşan NO 2 daha soğuk bir akışkanla karışarak sönmezse, daha sonra tekrar NO ya dönüşür. NO 2 + O NO + O 2 (3.6) 3

4 Otto motorlarında rölantide çalışma süresinin uzun tutulması NO 2 oranının bir hayli artmasına neden olur. Bu durum Diesel motorlarında, NO 2 nin NO ya dönüşümünü engelleyebilecek birçok soğuk bölge bulunduğundan dolayı kısmi yüklerde görülür. NO 2 aynı zamanda düşük hızlarda, gazların daha uzun süre oksijenle temas halinde bulunduklarından dolayı egzoz sistemi içerisinde de oluşur. Şekil 3.3, bir Diesel motorunda, hız ve yükün fonksiyonu olarak toplam NO x e göre NO 2 yüzdesini göstermektedir. NO 2 yüzdesi hıza bağlıdır ve kısmi yüklerde de daha yüksektir. Otto motorlarında, yakıt/hava oranı 0.85 için bu oran 2% yi geçmez. Şekil 3.3. Değişik yük ve hızlarda Diesel motorlar tarafından atılan NO 2 oranı Diazotoksit Oluşumu Diazotoksit esas olarak gaz fazda, ara ürün olan NH ve NCO nun NO ile reaksiyona girmesi sonucu oluşur. NH + NO N 2 O + H (3.7) NCO + NO N 2 O + CO (3.8) Bu oluşum mekanizmasını oksidasyon bölgesi sınırlar. Burada, hidrojen atomu konsantrasyonu her zaman yüksektir ve diazotoksitin yoğun bir şekilde bozunumuna neden olur. N 2 O + H NH + NO (3.9) N 2 O + H N 2 + OH (3.10) Bu durum benzin motorlarında ön karışımlı gaz karışımının yanmasının sonucudur ve bu motorlar çok az miktarda (yaklaşık 3-8 ppm) diazotoksit yayarlar. Diesel motorları da otto motorlarına benzer miktarlarda diazotoksit üretirler. 4

5 3.2.3 Benzin Motorlarında Azot Oksit Oluşumu Otto motorları yakıt/hava karışımının yanma odasındaki varlığıyla karakterize edilirler ve bu tür motorlarda emme stroku süresince emme sistemi içerisindeki karışım homojendir. Yanmanın neden olduğu basınç artışı süresince, yüksek sıcaklıklarda, yanmış gaz bölgelerinde oluşan NO konsantrasyonları sabittir. Alev cephesinin ilerlemesi ile yanan karışımın bulunduğu bölgede NO oluşumu temel prensiplere uygun olarak gerçekleşir. Fakir karışımlarda, genişleme strokunun başlarında pistonun AÖN ya doğru hareketi ile yanmış gazlar genişlemeye ve soğumaya başlar. Soğumayla birlikte donma tabir edilen durum oluşur ve NO oluşumu durur, az miktarda NO bozunumu gerçekleşir. Zengin karışımlarda donma, dolgu tam olarak yandıktan sonra genişleme sotrokunun sonlarına doğru oluşur ve önemli miktarda NO bozunumu gerçekleşir. NO x oluşumu içerisindeki, en yüksek NO katkısına fraksiyonlardan dolayı ilk yanan kısmın büyük etkisi vardır. Yanma odasında yeterli hava hareketleri olmadığı durumda, en yüksek NO konsantrasyonu buji civarında oluşur. Bu sayede, sıcaklık dağılımına bağlı olarak yanma odasındaki NO konsantrasyonu dağılımı gözlemlenebilir. NO emisyonlarını etkileyen en önemli faktörler yakıt/hava oranı, silindir içerisinde yanmamış karışım içinde bulunan art gaz miktarı ve ateşleme zamanıdır. Bu parametreler kıyaslandığında, yakıt özelliklerindeki olağan değişimlerin NO oluşumu üzerine katkısı önemsizdir Yakıt/Hava Oranının Etkisi Benzinli motorlarda hava fazlalık katsayısının değişimi yanma sırasında ulaşılan sıcaklıları etkilerken aynı zamanda yanma odasında mevcut oksijen miktarını da belirlemektedir. NO x lerin oluşumu hem sıcaklığın, hem de mevcut oksijen miktarının fonksiyonu olduğu için hava fazlalık katsayısından önemli ölçüde etkilenmektedir. Karışımın fakirleştirilmesi sonucunda yanma sıcaklığı düştüğü için, karışımın zenginleştirilmesi sonucunda da oksijen konsantrasyonu azaldığı için NO x emisyonu azalma göstermektedir. Yanmış gazların maksimum sıcaklıkları, yaklaşık olarak yakıt/hava oranının 1.1 (az zengin) olduğu civara denk gelmektedir. Ancak bu şartlarda, oksijen konsantrasyonu azdır. Yakıt/hava oranı düşerken, oksijenin kısmi basıncındaki artmanın etkisi NO oluşumunu azaltma eğilimi olan yanmış gaz sıcaklıklarının düşmesini engeller. Böylece, maksimum NO emisyonları az fakir karışım bölgesi olan yakıt/hava oranının yaklaşık olarak 0,9 olduğu durumda görülür. Ancak, hava fazlalık katsayısı artarsa ve karışım maksimum NO nun ötesinde bir fakirliğe ulaşırsa, alev sıcaklığındaki düşme (3.1) ve (3.2) denklemleri ile belirtilen reaksiyon oluşum oranlarını yavaşlatır. Bu durum fakir karışımlara doğru gidildikçe NO x emisyonlarındaki azalmayı açıklar Art Gazların Etkisi Yanma oluşmadan önce, yanma odasındaki karışım, hava, yakıt buharı ve yanmış gaz olan art gazları içerir. Bu yanmış gazlar, bir önceki çevrimden kalan art gazlar veya NOx emisyonlarını kontrol etmek için yeniden silindir içerisine yollanmış yanmış egzoz gazlarıdır. Art gaz miktarı, yüke, supap zamanlamasına ve özelliklede supap bindirmesine bağlıdır. Yüksek supap bindirmesi süresi karışımın seyreltilmesini arttırır ve NO emisyonlarını azaltır. 5

6 Art gaz miktarı, aynı zamanda motor hızına, yakıt/hava oranına ve volumetrik sıkıştırma oranına da bağlıdır. Volumetrik sıkıştırma oranının azaltılması NO emisyonlarının düşmesine de neden olur. Art gazlar karışımda seyreltici olarak etki ederler ve art gaz miktarının artmasıyla yanma sonrası ulaşılan sıcaklıklar düşer. Sonuç olarak art gaz miktarının artması NO x emisyonlarını azaltır. Ancak yanma oranı da eşzamanlı olarak azalır ve aşırı derecedeki yüksek art gaz miktarı istikrarsız çalışmaya neden olabilir. Şekil 3.4 farklı yakıt/hava oranları için egzozdaki NO konsantrasyonu üzerine EGR adı ile anılan yanmış yaz resirkülasyonunun etkilerini göstermektedir % EGR oranıyla NO emisyonlarında önemli bir azalma sağlanır. Bu oran kısmi yüklerde izin verilebilir maksimum orandır. Art gazlarla seyreltme sonucu alev sıcaklığındaki düşmenin nedeni, yanma esnasındaki sıcaklıklarda silindir içerisinde bulunan art gazın ısı kapasitesindeki artıştır. Egzoz sistemine atılan NO x kütlesinin reaksiyonu düşük sıcaklıklarda da devam etmektedir. Reaksiyonlar yaklaşık 300 C civarında seyreltici gazın sabit hacimdeki özgül ısısıyla birlikte artar. Bununla birlikte seyreltme yanma kalitesini bozar. Bunun sonucu kısmi yanma veya hiç yanma olmamasıdır. Yanma kalitesi bozulmadan uygulanan maksimum EGR ile minimum yakıt sarfiyatı sağlanırken, stokiyometrik karışımlar için en düşük NO emisyonları elde edilir. Şekil 3.4 Benzinli motorda %EGR nin fonksiyonu olarak egzozdaki NO konsantrasyonunun değişimi Ateşleme Zamanının Etkileri Ateşleme zamanı NO emisyon seviyelerini önemli ölçüde etkiler. Ateşleme avansın arttırılması, çevrimde yanmanın daha erken olmasına neden olur ve basınç maksimum değerlerini yükseltir. Bunun nedeni, yakıtın büyük bir bölümü ÜÖN dan önce yakıldığı içindir ve yanma sonucu oluşan basınç pikleri de yanma odası hacminin daha küçük olduğu ÜÖN civarında oluşur. Yüksek silindir basınçları, yanmış gazların maksimum sıcaklıklarının daha yüksek değerlere ulaştırır ve buda yanmış gazların yüksek sıcaklıklarda daha uzun süre kalmasına neden olur. Bu iki durum NO oluşumunu arttırır. Tersine, ateşleme avansındaki bir azalma, yakıtın büyük bir kısmı ÜÖN dan sonra yakılacağı için, maksimum basınç değerlerini düşürür. 6

7 Ortalama motor hızı ve yük şartları altında çalışan bir motorda, ateşleme avansının 10 KMA kadar azaltılması sabit güçte NO emisyonlarının yaklaşık olarak 20-30% kadar azaltabilir. Şekil 3.5 te bu durum farklı yakıt/hava oranları için görülmektedir. Ateşleme avansının azaltılması aynı zamanda egzoz sistemindeki sıcaklıkları arttırarak hidrokarbonların oksidasyonuna yardımcı olur. Fakat bu durum, özgül gücün düşmesine ve yakıt sarfiyatın artmasına neden olur. NO x için ateşleme avansının etkisi fakir karışımlarda daha fazla, zengin karışımlarda ise daha az olmaktadır. Ancak genelde ateşleme avansının arttırılması NO x emisyonunu arttırıcı yönde etki etmektedir. Şekil 3.5 Ateşleme avansın bağlı NO konsantrasyonu değişimi Diesel Motorlarında Azot Oksit Oluşumu Diesel motorlarının benzinli motorlardan farkı, yakıtın yanma başlatılmadan hemen önce silindir içerisine püskürtülmesidir. Yanma süresince yakıtın silindir içerisindeki heterojen dağılımı, yanmış gaz sıcaklıklarının ve kompozisyonunun da heterojenliğinin artmasına neden olur. Diesel yanması iki fazdan oluşur. Bunlar tutuşma gecikmesinden hemen sonra oluşan ön karışımlı alevde yanma fazı (ön karışımlı alev fazı) ve hemen ardından gelen difüzyon alev fazıdır. Ön karışımlı alev fazında karışımın kompozisyonu stokiometri civarında oldukça değişkendir. Difüzyonlu alev fazında karışım stakiometriye daha yakın olarak kalır. Benzinli motorlardaki gibi, Diesel motorlarında da ulaşılan maksimum sıcaklıklar NO oluşumunu kontrol eder. Yanma prosesinin başlarında yanan karışımın miktarı önemli bir etkiye sahiptir. Çünkü yanma sonucu oluşan basınç yanmamış karışımı sıkıştırarak sıcaklıkların daha da arttırması neden olur ve böylece NO oluşumu da artar. Bu gazlar daha sonra güç stroğunda genişletilir ve havayla ya da daha soğuk yanmış gazlarla karıştırılarak oluşan NO miktarının korunumu neden olur. Yanma odası içerisinde soğuk havanın varlığı diesel yanmasına özgüdür ve bu durum benzinli motorlara göre diesel motorlarında neden NO sönmesinin daha hızlı oluştuğunu ve NO bozunum eğiliminin neden daha az olduğunu açıklar. Yapılan ölçümler, hemen hemen oluşan tüm NO nun yanmanın başlangıcını takip eden ilk 20 KMA da oluştuğunu göstermektedir. Püskürtme geciktirildiğinde NO oluşumuyla birlikte yanmada daha geç başlar. Bu durumda sıcaklık pikleri daha düşük olduğu için ulaşılan NO konsantrasyonları da daha düşüktür. Şekil 3.6 da yakıt/hava oranına bağlı Azot Oksit değişimi görülmektedir. NO konsantrasyonu yakıt/hava oranıyla da artar. Yakıt/hava oranının azalmasıyla NO seviyelerinin azalması diesel motorlarında yakıt dağılımı uniform 7

8 olmadığından dolayı benzinli motorlara göre daha azdır. Diesel yanmasında yakıt/hava oranı püskürtülen yakıtın miktarıyla direkt olarak arttığı için, NO emisyonları yaklaşık olarak bu yakıt miktarına oransaldır. Yüksek basınç piklerine neden olan yüksek yüklerde, NO seviyesi artar. Endirekt püskürtmeli (Bölünmüş yanma odalı) Diesel motorları üzerinde yapılan modelleme çalışmaları, NO oluşumunun küçük bir miktarının ana yanma odasında oluştuğunu (%35) ve geri kalan kısmının (%65) ön yanma odasında oluştuğunu göstermektedir. Kısmi yükler hariç yanma, ek NO oluşumuna neden olan aşırı zengin bir ortamda oluşur. Bunun nedeni ön yanma odasında NO bozulması için yeterli sürenin bulunmaması ve ana yanma odasına transfer edilen NO nun dönüşüm reaksiyonunu hızlı bir şekilde donduran soğuk hava ile karşılaşmasıdır. Konsantrasyonların sönmesi ÜÖN dan yaklaşık 15 KMA sonra oluşmaktadır. Benzinli motorlardaki gibi, seyreltme işlemi (genellikle EGR) yanmış gaz sıcaklıklarını düşürerek NO emisyonlarının azalmasına neden olur. Bununla birlikte Diesel motorlarında, bu etki daha çok motor yüküne bağlıdır. Kısmi yüklerde, temel olarak düşük özgül ısıya sahip atmosferik Azot üretilirken, yüksek yüklerde, egzoz büyük oranlarda yüksek ısı kapasiteli CO 2 ve su buharı gibi maddeler içerir. Diğer taraftan, kısmi basınçtaki bir artış alev sıcaklıklarında artmaya neden olduğu için NO emisyonları da artar. Bu özellikle aşırı doldurmalı motorlarda oluşur. Şekil 3.6 Diesel motorunda yakıt/hava oranına bağlı NO x ve NO değişimi. 3.3 Karbon monoksit (CO) Oluşumu CO oluşumu, esas olarak son ürün CO 2 neden olan hidrokarbon oksidasyon prosesi içindeki bir ara kademedir. RH R RO 2 RCHO RCO CO (3.11) Burada R hidrokarbon radikalini göstermektedir. Oluşan CO daha sonra düşük reaksiyon hızlarında CO 2 ye okside olur. Reaksiyon denklemi, 8

9 CO OH CO 2 + H (3.12) Yakıtın oksidasyon hızı mevcut oksijen konsantrasyonuna, gazların sıcaklığına ve belli bir motor hızında oluşacak reaksiyon için gerekli zamana bağlıdır. CO emisyonlarını kontrol eden ana parametre karışımın yakıt/hava oranıdır. Zengin karışımlarda, CO konsantrasyonu yakıt/hava oranı ile birlikte sürekli olarak artar ve oksijen eksikliği eksik yanmaya neden olur. Gazlar içerisindeki CO konsantrasyonuna ilk varsayım yaklaşık K sıcaklıklar için su gazı reaksiyonu olarak bilinen denge reaksiyonuyla verilir. CO + H 2 O H 2 + CO 2 (3.13) Yanma ürünleri arasında CO bulunmasının ana nedeni oksijen yetersizliğidir. Yanma odasının tümü ele alındığında genel olarak oksijen yetersiz olabileceği gibi, karışımın tam homojen olmaması durumunda yanma odasının herhangi bir bölgesinde yerel olarak ta yetersiz olabilir. Yüksek alev sıcaklıklarında su gazı reaksiyonu olarak verilen (3.13) denkleminden CO 2 miktarına oranla daha fazla CO elde edileceği görülmektedir. Ancak sıcaklık düştükçe CO nun CO 2 ye oksidasyonu söz konusudur. Bu bakımdan fakir ve stokiyometrik karışımlarda egzoz gazları içerisindeki CO miktarı daha az olurken, zengin karışımlarda soğuk egzoz gazları içerisinde bile oksijen yetersizliği nedeniyle yüksek miktarda CO bulunmaktadır. Yanma sırasında yüksek sıcaklıktan dolayı alev cephesinde çok miktarda CO oluşmaktadır. Ancak daha sonra gazların genişlemesi ve soğuması sırasında, oksidasyon sonucu Karbon monoksit CO 2 ye dönüşmektedir. Sıcaklıkların genişleme strokunda daha da düşmesi halinde, denge reaksiyonu sıcaklıktaki düşüşü takip edemediğinden egzoz gazları içerisindeki CO miktarı beklenilenden daha fazla olacaktır. CO 2 CO + ½ O 2 (3.15) şeklinde tanımlanan bu denge reaksiyonu sıcaklığa bağlı olarak oluşmaktadır. Bu nedenle yanma odası sıcaklığının düşürülmesi CO emisyonlarını azaltmaktadır Benzinli motorlarda CO oluşumu Benzinli motorlar değişik çalışma şartları altında çalışır. Bu motorlarda yük kontrolü hava/yakıt oranıyla sağlanır. Kısmi yüklerde karışımın yakıt/hava oranı stokiyometriye yakınken, tam yük durumunda ve ilk hareket ile rölanti esnasında yakıt/hava oranı zengin karışım oluşturacak şekildedir. Zengin karışım şartları altında CO emisyonları önemli miktarlarda oluşmaktadır. CO emisyonunu azaltılması için, karışımın homojenliğinin arttırılması ve fakirleştirilmesi gerekir. Çok silindirli motorlarda, silindirler arasındaki yakıt/hava oranındaki dağılım dengesizliği CO emisyonunun artmasındaki en büyük nedenlerden biridir. Günümüzde benzinli motorlarda, porta püskürtme ya da direkt püskürtme yapılarak karışımın silindirlere dengesiz dağılım durumu hemen hemen ortadan kaldırılmıştır. Yine, ani ivmelenme ve yavaşlama durumlarında, kullanılan yakıt miktarının kontrolü CO konsantrasyonunun azaltılması için önemli bir noktadır. 9

10 3.3.2 Diesel motorlarında CO oluşumu Diesel motorları her zaman aşırı fakir karışımlarda çalıştırıldıkları için CO emisyonları benzinli motorlara göre çok daha düşük durumdadır. Ancak, karışımın heterojen olması, dolayısıyla yerel oksijen yetersizlikleri, sıcaklık seviyelerinin yüksek olması ya da CO 2 oluşumu için yeterli zamanın olmaması ve yanmanın eksik olmasından dolayı CO emisyonları oluşabilir. Bu durum genellikle Diesel motorlarında, kısmi yüklerde ve yüksek hızlardaki maksimum motor frenleme yüklerinde oluşabilir. 3.4 Yanmamış Hidrokarbonların Oluşumu Yanmamış hidrokarbon emisyonları veya genelde organik maddeler hidrokarbonların tamamlanmamış yanması sonucu oluşurlar. Yüksek sıcaklıklarda homojen fazda oluşan CO ve NO x lerin aksine hidrokarbonlar düşük sıcaklılarda ve silindir cidarlarına yakın bölgelerde karışımdaki heterojen etkiler sonucu oluşurlar Alev Sönme mekanizması Soğutma sistemi tarafından soğutulan silindir gömlekleri ve alev içerisinde oluşan serbest radikallerin yeniden birleşme reaksiyonları yanmakta olan gaz karışımının ısısını absorbe etme özelliğine sahiptirler. Bu yüzden alevin sönmesi özellikle yanma odası cidarlarında oluşur. Alev sönmesi değişik şartlar altında oluşabilir. Alev yanma odası cidarına dik ya da eğimli olarak yayılabilir ve bir darboğazla yanma odasına bağlanan ufak ölü hacimlerin girişinde (piston başı ve silindir cidarı arasında kalan üst segman bölgesi hacmi gibi) tıkanabilir. B C F GB GF P S Z Buji Silindir Kafası Alev Cephesi Yanmış Gazlar Taze Dolgu Piston Segmanlar Alev Sönme Bölgesi Şekil 3.7 Yanma odası cidarlarındaki sönme sonucu yanmamış hidrokarbonların oluşumu. 10

11 Alev söndüğü zaman, silindir kafası, piston, silindir cidarı ve supaplar gibi farklı yüzeyler üzerinde ve küçük hacimler içerisinde yanmamış veya kısmen yanmış ince bir hidrokarbon tabakası bırakır. Bu sönme tabakasının kalınlığı, gaz karışımının basınç ve sıcaklığı, yoğunluğu, alev yayılma hızı, termal iletkenlik, özgül ısısı, cidar sıcaklığı, yüzey yapısı ve tortu birikimi gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Alev sönmesi iki kademede oluşmaktadır. İlk safhada, alev tarafından oluşturulan ısı silindir cidarı tarafından absorbe edildiği zaman alevin sönmesidir. İkinci safha art sönme difüzyon ve oksidasyon safhasıdır. Bu safha, ilk sönmeden birkaç ms sonra, sönme süresince oluşmuş olan kimyasal türler reaksiyonun donmasından dolayı yayılırlar ve okside olurlar. Sonuç olarak sönme esnasında oluşan kimyasal türlerin konsantrasyonu sönme esnasında ulaşılan değerden daha düşük seviyelere iner. Üstelik alevin tıkanmasından dolayı birinci oksidasyon prosesinden kaçan hidrokarbonlar, genişleme ve egzoz strokları süresince okside olabileceklerdir. Yanma odası cidarlarını kaplayan yağ tabakası da, genellikle yakıtın büyük bir kısmı alevlenmeden önce, hidrokarbonları tutabilir ve bunları genişleme stroku sürecinde yanmış gazların içerisine salıverebilir. Bu soğurma ve salıverme mekanizması egzozdaki yanmamış HC açısından önemli bir kaynak olabilir Benzinli Motorlarda Yanmamış HC Oluşumu Benzin motorları egzozu genellikle 1000~3000 ppm HC içerir. Bu motora gönderilen yakıtın yaklaşık %1 ila %2,5 karşılık gelir. HC emisyonları yakıt/hava karışım oranının artmasıyla birlikte hızla artar. Eğer karışım çok fakirse, yakıt/hava oranının düşmesinden dolayı HC emisyonları, yanmanın bozulmasına ve ateşlemenin oluşmadığı çevrim sayısına bağlı olarak keskin bir şekilde artar. Benzinli motorlarda yanmamış HC oluşumuna çeşitli mekanizmalar etki etmektedir. Bu mekanizmalar; Alevin yanma odası cidarlarında sönmesi sonucu yüzeyler üzerinde yanmamış karışımdan oluşan ince bir tabaka bırakması, Alev küçük hacimlerin girişindeki darboğazları geçemediği için bu hacimleri dolduran karışımın ilk yanma prosesine katılmaması, Emme ve sıkıştırma strokları sırasında yanma odası çeperlerini kaplayan yağ filmi tarafından absorbe edilen yakıt buharının, genişleme ve egzoz stroklarında yakıt buharı formunda tekrar geri bırakılması, Yakıt/hava oranı, ateşleme zamanı ya da özellikle hızlanma ve yavaşlama esnasında ayarsız EGR gibi faktörlerden dolayı yanma bozulması ve çevrimlerin bir kısmında tamamlanmamış yanmanın oluşması (kısmi yanma veya ateşleme bozukluğu), Yanma odasındaki tortularda yukarıdaki mekanizmaları değiştirerek HC emisyonlarının daha da artmasına neden olabilirler. Ateşleme bozukluğu hariç tüm bu prosesler cidarlara yakın bölgelerde yüksek miktarlarda yanmamış HC konsantrasyonun oluşumuna neden olurlar. 11

12 Şekil 3.8 Dört stroklu bir benzin motorunda HC, NO ve CO emisyon kaynakları. 12

13 Cidarlarda Alevin Sönmesi Alev sönme tabakasının kalınlığı 0.05 ile 0.4 mm arasında değişir ve bu tabakanın kalınlığı düşük yüklerde daha da incedir. Alev sönme bölgesini oluşturan bu tabaka, düşük sıcaklıklarda oksidasyon reaksiyonlarının oluştuğunu gösteren HCHO ve CH 3 CHO gibi aldehitleri içerir. Bu ürünler daha sonra yanmış gaz kütlesinin içine yayılırlar ve çoğunlukla orada okside olurlar. Yanma odası cidarlarının yüzey dokusu yanmamış HC seviyesini etkileyebilir. Silindir cidarlarının parlatılması (Polisajlama yapılması), döküm yüzeylerle karşılaştırıldığında HC emisyonlarını yaklaşık %14 oranında azaltabilmektedir. Yanma odası cidarlarında biriken tortularda HC oluşumu üzerinde bu cidarlardaki kaba yüzey yapısına benzer bir etkiye sahiptirler Yanma Odasında Küçük Hacimleri Oluşturan Yarıkların Etkisi Yanma odasındaki küçük hacimleri oluşturan yarıklar yanmamış HC emisyonunun ana kaynağı olarak düşünülebilir. Bu küçük hacimlerden en büyüğü, piston, segmanlar ve silindir cidarı arasında bulunan üst segman bölgesi hacmidir. Diğer ölü hacimler, bujinin silindir kafasına giren kısmında diş açılmış olan bölgede, buji merkez elektrotunun etrafındaki boşlukta, emme ve egzoz supap başlarının etrafında ve silindir kafa contası kesim kısmında bulunur. Sıkıştırma stroku esnasında basınç artarken, karışım küçük hacimleri oluşturan yarıklara doğru girmeye zorlanır. Bu boşluklar büyük yüzey/hacim oranı sahip olduğu için, içeri giren gaz, cidarlar ile ısı alışverişi sonucu çok hızlı bir şekilde soğur. Yanma prosesi esnasında basınç artmaya devam eder ve bu küçük hacimlere bir miktar daha karışım girer. Alev küçük hacim bölgelerine ulaştığında, içeriye girerek orda bulunan karışımın tamamını ya da bir kısmını yakabileceği gibi küçük hacmin girişinde sönebilir de. Son olasılık yarık giriş geometrisine (yapılan testler, alev sönmesinin piston ile silindir gömleği arasındaki boşluğun 0.18 mm den daha az olduğu zaman oluştuğunu göstermektedir), yanmamış karışımın kompozisyonuna ve karışımın termodinamik durumuna bağlıdır. Alevin ulaşmasından ve sönmesinden sonra yanmış gazlar silindir içindeki basınç düşmeye başlayana kadar küçük hacimlere girmeye devam eder. Küçük hacim içerisindeki basınç silindir basıncından daha yüksek olmaya başladığı zaman (yakalaşık ÜÖN dan 15 KMA sonra) sıkışmış olan gazlar bu sefer silindire doğru geri akarlar. Şekil 3.9 Silindir kafasında muhtemel yanmamış HC kaynakları. 13

14 Şekil 3.8 de Z bölgesi olarak gösterilen, piston, segmanlar ve silindir cidarı arasında kalan hacim bu küçük hacimlerin en önemlisidir. Bu hacim, segman, yuvası içerisinde aşağı yukarı girişleri kapatacak şekilde hareket ederken (segman titreşimi) geometrisi değişen, segman boşluğu ve segman ağız aralığı gibi kesitsel özelliklere bağlı birçok küçük hacimlerden oluşur. Bu hacimler, silindir içerisindeki dolgunun 5-10% luk bir kısmını tutabilirler ve bu sayede birincil yanmaya katılmamalarına neden olurlar. Genişleme stroku esnasında akış silindire geri döndüğü zaman bu dolgunun %50 den fazlası değişmeden ana yanma odasına çıkabilmektedir. Bujinin konumu da HC emisyonlarını etkileyebilir. Buji eğer küçük hacimlere yakınsa, küçük hacim muhtemelen yanmış gazlarla dolacaktır. Aksine, buji küçük hacimlere uzaksa yarık taze dolguyla dolacaktır. Çoğu durumda bu fark yaklaşık 20% civarındadır. Sıkıştırma ve yanma stroku sırasında, segman boşluklarından silindirden karter e geçen Blowby gazları (üfürme gazları, kaçak gazlar) atmosfere direk atılan yanmamış HC emisyon kaynaklarından biridir. Günümüzde, bu gazlar tekrar yanma odasına gönderilmektedir. Bu yeni şartlarda kaçak gaz hacmindeki bir artış, tekrar emme sistemine geri gönderilmeleri ve tekrar yanmaları HC emisyonlarının azaltılması anlamına gelebilir Yağ Filmlerinde Soğurma ve Geri Bırakma HC emisyonu, yakıta yağın katılmasıyla birlikte (Yağlama işlemi yakıta katılan yağla yapılan iki stroklu motorlarda olduğu gibi) artar. Bu emisyonlar aslında yağlama yağındakinden ziyade yakıt orijinli parçalanmış ya da parçalanmamış hidrokarbonları gösterir. Temiz motor yakıtı içerisine 5% oranında yağ katılması 10 dakikalık bir süre içerisinde oluşacak yanmamış HC emisyonlarını yaklaşık iki ya da üç kat arttırabilir. Emme stroku esnasında, cidarları kaplayan yağ filmi, ortam basıncında, yakıttan kaynaklanan hidrokarbon buharıyla doyurulur. Bu işlem sıkıştırma ve yanma strokunda yüksek basınçlarda devam eder. Yanmadan dolayı yanama odasındaki karışım konsantrasyonu düşmeye başladığı zaman, yanmış gazlara doğru bir salıverme başlar ve bu olay genişleme ve egzoz stroku süreçleri boyunca da devam eder. Salıverilen HC buharının bir kısmı yüksek sıcaklıktaki yanmış gazlarla karışır ve daha sonra oksitlenir. Geri kalan HC buharı, soğuk gazlarla karışır ve oksidasyona uğramadan diğer HC formunda kalarak diğer HC emisyonlarına katılır. Bu etki yağ içerisindeki yakıtın çözünürlüğü ile orantılıdır ve gaz yakıtlarda çözünme olmadığı için bu durum gaz yakıtlarda hemen hemen hiç görülmez. Ayrıca, yağlayıcı sıcaklığının artması, çözünürlüğü azalttığı için HC emisyonları içerisindeki yağdan dolayı olan katılımı azaltır. Bu durum, motorun ilk harekete geçişi esnasında gözlenen daha yüksek yanmamış HC emisyonlarının da nedenidir. Çünkü ilk hareket şartlarında henüz yağlayıcının ısınması için yeteri kadar zaman yoktur. Yanma odasında büyük oranlarda yağ filminin bulunması HC emisyonunun oluşum nedenlerinden biridir ve aynı zamanda yağ sarfiyatının artmasına da neden olur. Yağ sarfiyatını azaltacak şekilde uygun segman profillerinin tasarımı HC emisyonlarının azalmasına da yardımcı olur Yanma Kalitesinin Bozulması Belirli motor çalışma şartları altında, yanma odası içerisinde, alev cephesi cidarlara ulaşmadan önce alevin sönmesi, yanmamış HC oluşumuna neden olan önemli kaynaklardan biridir. Eğer basınç ve sıcaklık çok hızlı düşerse alevi söndürebilir. Bu durum, motor hızının düşük, art gaz miktarının fazla (aşırı EGR ile yüksek seyreltme ya da karışımın çok fakir 14

15 olması) ve ateşleme avansının düşük olduğu rölanti veya kısmi yük şartlarında oluşur. Motor ayarları kararlı bir çalışmayı sağlayacak şekilde doğru ayarlanmış olsa bile, alev sönmesi, hızlanma ve yavaşlama gibi geçici şartlar altında oluşabilir. Yanmanın olmadığı çevrimlerde karışım, emme strokunda silindir içerisine alındığı haliyle direkt olarak egzozdan dışarı gönderilir. Yanmanın olmadığı çevrimlerin neden olduğu düzensizlikler ve NO x emisyonunun azaltılması için uygulanan yüksek EGR oranıyla oluşan yanma sorunları, yanma odasında iki buji kullanılarak giderilebilir Tortuların Etkisi Taşıtların birkaç bin kilometre kullanımından sonra yanma odasında gözlenen tortuların oluşumu (Kurşunlu benzinler nedeniyle oluşan kurşun oksit ve aşırı zengin karışım sonucu oluşan karbon partikülleri), yanmamış HC emisyonlarında artışa neden olduğu bilinmektedir. Bu tortular tarafından hidrokarbonların soğurulma ve geri bırakılması yağ filmine benzer bir etkiye sahiptir. Yarıklarda biriken tortular ise karışımın içeri nüfuzunu azaltarak HC oluşumunu azaltabilir. Fakat bu tür birikimler aynı zamanda giriş kesitlerini de daralttığı için alevin sönmesine yardımcı olarak emisyonları arttırmaktadır Hidrokarbonların Yanma Sonrası Oksidasyonu Yanma fazı süresince ana yanma prosesine katılmayan hidrokarbonlar egzozda olduğu gibi aynen gözükmezler. Alev sönmesi sonrası yüksek sıcaklıktaki yanmış gazlarla karışarak yeterli oksijenin bulunduğu durumlarda hızla oksitlenirler. Böylece hidrokarbonlar yanmamış yakıt karışımı ve kısmen yanmış ürünler oluştururlar. Hidrokarbonlar egzoz sisteminde de oksitlenirler. Stakiometrik oran, yüksek hız, ateşleme gecikmesi gibi motor çalışma şartları yüksek egzoz sıcaklığı oluşturabilir. Hidrokarbonların yeterli süre bu ortamda kalması hidrokarbon emisyonunun önemli ölçüde azalmasını sağlar. Ateşlemenin geciktirilmesi yanmanın ÜÖN dan sonraya kaymasına neden olurken egzoz sıcaklığını yükseltir. Bu art yanma hidrokarbonun yanma sonrası oksitlenmesi için uygulanan bir yöntemdir. Diğer bir yöntem ise egzoz sistemini mümkün mertebe sıcak tutabilmek için ısı kayıplarını engelleyecek şekilde sistemi düşük ısı iletkenlik katsayısına sahip bir madde ile kaplamaktır Diesel Motorlarda Yanmamış HC Oluşumu Karışımın, kendiliğinden tutuşmayı ve alevin yayılmasını sağlayacak mertebede çok zengin veya fakir olabilir. Eğer yakıt tutuşma gecikmesi sürecinde püskürtülürse birleşme hızlı olacağından karışım karakteristiği fakir olacaktır. Bölünmüş yanma odası kullanımı durumunda ise karışım fazla yavaş bir şekilde oluşurken karışım karakteristiği de zengin olur. Zengin karışım daha sonradan hava ile karışarak iyi bir yanma oluşturabilirken fakir karışım yanmamış ürünlerin artmasına neden olur. Normal çalışma koşullarında diesel motorlarında HC emisyonlarının oluşumunun iki ana nedeni vardır. Birincisi; tutuşma gecikmesi süresince püskürtülen yakıtın hava ile çok geniş bir aralığa sahip karışım oluşturmasıdır. Bu yakıtın bir kısmı tutuşabilirlik sınırları dışında çok fakir bir karışım oluştururken, bir kısmı tutuşabilirlik sınırları içerisinde diğer bir kısımda tutuşabilirlik sınırları dışında çok zengin karışım oluşturur. Aşırı fakir karışım kendiliğinden tutuşamaz. Yanma, yanabilirlik sınırlarındaki karışımda başlar. Bu karışım, hava ile hızlı bir karışım 15

16 sonucu sönmez ise hızlı bir şekilde tükenir. Aşırı zengin karışımın tamamen yanabilmesi, sonraki aşamada hava ile veya yanmış aşırı fakir karışımla genişleme ve soğuma öncesi karşılaşmasına bağlıdır. İkinci neden; tutuşma gecikmesinden sonra yanma işleminin son aşamasında yakıt püskürtülmesi sona erdiğinde, enjektör memelerinden düşük hızla çıkan yakıtın hava ile yeterince karışamamasıdır. Bu çok zengin karışım tamamen yanamayarak egzozda HC emisyonlarına neden olur. Şekil 3.10 Yakıt demeti Alev Sönmesi ve Ateşlememe Yakıt demetinin silindir duvarlarına çarpmasına bağlı olarak alevin çeperlerde sönmesi Diesel motorları için bir hidrokarbon kaynağıdır. Hidrokarbonun yükselmesine neden olan ateşlemenin yetersizliği normal çalışan motorlar için nadir görülen bir durumdur. Diesel motorlarda ateşleme kusurları, soğuk motorun ilk hareketi esnasında, esasen yanmamış yakıtın küçük damlacıklarının oluşturduğu sis olan beyaz duman formuyla oluşur Partiküllerin Oluşumu Benzinli Motorlarda Partiküllerin Oluşumu Benzinli motorlarda partiküllerin üç farklı kaynağı vardır. Bunlar; yakıt içerisindeki kurşun, yakıt bünyesinde bulunan kükürdün neden olduğu sülfatlar ve is dir. Sülfat emisyonları esasen taşıtların egzoz sisteminde yanma sonrası oksitleme yapan katalitik konverter tarafından üretilirler. Kükürt, yanma prosesinde SO 2 ye dönüştürüldükten sonra konverterde SO 3 e kadar oksitlenir. Daha sonra su molekülü ile tepkimeye girerek H 2 SO 4 buharı oluşturur. Kükürt kaynaklı emisyonun seviyesi doğrudan yakıt içindeki kükürt oranına bağlıdır. Vuruntuyu önlemek amacıyla, katkı maddesi olarak benzine eklenen kurşun alkiller (Litre başına 0.15 g kurşun içeren kurşunlu yakıtların kilometre başına mg partikül emisyonu oluştururlar) yanma sonucunda egzoz gazları içerisinde kurşun ve kurşun bromür 16

17 gibi bileşenlerin oluşmasına neden olurlar. Bu tip partiküller egzozdan atılan kurşun tuzlarının yoğuşması ile oluşurlar. Kurşun tuzları egzoz sistemi çeperlerinde de yoğuşur. Bunlar egzoz akışının ani yükseldiği durumlarda, çeperlerden pas ve tortular ile birlikte ayrılarak hızlı bir şekilde egzozdan atılabilirler. Ayarları düzgün olan benzin motorları için is oluşumu anormal bir durumdur. Zira benzinli motorlarda is oluşumu sadece aşırı zengin karışımla çalışma durumunda ortaya çıkar Diesel Motorlarda Partiküllerin Oluşumu Diesel partikülleri yanma esnasında meydana gelen, çeşitli organik parçaların (SOF) adsorbe edildiği, yanmayı takip eden safhalarda üzerinde yoğuşmuş partiküllerden oluşan bir karbon (is) oluşumudur. SOF, yanmamış hidrokarbonları, ketonlar, esterler, aldehitler gibi oksitlenmiş türevleri ve polisiklik aromatik hidrokarbonları içerirler. Bunlara ek olarak az miktarda SO2, NO2 ve sülfatlarda is bünyesinde bulunur. Diesel motorlarında silindir içerisinde sıvı halde bulunan yakıt damlasının içindeki H2 molekülleri karbona göre hızlı bir şekilde reaksiyona girmekte ve geriye kalan karbon yeterli miktarda O2 bulamadığından yanamayarak katı partikül (is) şekline dönüşmektedir. İs partiküllerinin içeriği motor çalışma koşullarına ve özellikle egzoz sıcaklığına bağlıdır. İs partikülleri 500 C üzerinde çapları yaklaşık 15 ila 30 nm olan karbon küreleri oluşturacak şekilde bir araya gelirler. Bu sıcaklığın altında partiküller SOF ile kaplanırlar. İs partikülleri yakıtın tipine, yakıt molekülündeki karbon atomu sayısına ve yakıtın C/H oranına bağlıdırlar. 17