Egzoz gazında bulunan ve havayı kirleten bileşenler egzoz emisyonları diye adlandırılır. Bu bileşenlerden bazıları şunlardır:

Transkript

1 2.9. MOTORLARDA EMİSYON ÖLÇÜM DENEYİ 1.DENEYİN AMACI Buji ateşlemeli bir motorda egzoz emisyonlarının belirlenmesi, motor performans parametreleri ile ilişkilerinin incelenmesi ve emisyon kontrol yöntemlerinin tanıtılması. 2. TEORİK BİLGİLER Egzoz gazında bulunan ve havayı kirleten bileşenler egzoz emisyonları diye adlandırılır. Bu bileşenlerden bazıları şunlardır: Karbonmonoksit Karbondioksit Hidrokarbonlar Azotoksitler İs ve Kül Karbonmonoksit: Egzoz emisyonları arasında CO bulunmasınınn en önemli nedeni oksijenin yetersiz olmasıdır. Bunun nedeni olarak silindir içerisine alınan oksijenin yetersiz olması yada yanma odasındaki karışımın homojen bir karışımdan uzak olması gösterilebilir. CO oluşumu hava fazlalık hava - yakıt oranının bir fonskiyonudur. Kokusuz ve zehirleyici özelliği yüksek olan bir gaz olup, akciğerler tarafından emilimi oksijene göre kat ve kat fazladır, bu nedenle ölümcül etkilere sebep olabilir. Karbondioksit: Egzoz emisyon starndartlarının ortaya çıktığı ilk dönemlerde emisyon gazı olarak adlandırılmayıp özellikle küresel ısınmanın popülaritesinin ve etkilerinin artması ile birlikte emisyon standartları içerisine bir emisyon gazı olarak dahil edilmiştir. Yanma sonrası ortaya çıkan CO 2 gazı atmosferde birikerek sera etkisine neden olur. Normalde Güneş üzerinden Dünya ya gönderilen ışınların yaklaşık 2/3 ünün geri Dünya üzerinden yansıması gerekmektedir. CO 2 gazı atmosferde birikerek gelen ışınların yaklaşık 1/3 ünün geri gönderilmesine müsade eder ve ısıyı soğurarak yerkürenin sıcaklığının yükselmesine neden olur. Hidrokarbonlar: Yakıt içerisindeki alt moleküler bileşiklerden oluşur. Ana oluşum nedeni silindir içerisine alınan yakıtın tam olarak yanmamasıdır. HC oluşumunun başlıca sebepleri olarak; yakıt buharı, yanma odasında oluşan üfleme gazları, piston-silindir temas yüzeyinde bulunan yağlama tabakası, piston-segman-silindir bağlantılarında bulunan alevin ulaşamadığı alanlar, yakıtların içerdiği yüksek oranda aromatikler ve olefinler, vb. sayılabilir. gazları içerisindeki HC ların bulunuş nedeni, CO ve NO x lerin aksine yüksek sıcaklıkların mevcudiyeti değildir. Azotoksitler: Havanın yaklaşık %78 i azottan meydana gelmektedir. Azotoksitlerin ana oluşum nedeni hava içerisindeki azottur. Emme havası içerisindeki azotun, NO x dönüşümü ise yanma işlemi sonucunda yanma odası içerisindeki sıcaklığın yükselmesi nedeniyle oluşmaktadır. Yanma odasında serbest halde bulunan N 2 ve O 2 molekülleri yanma odasındaki sıcaklığın yükselmesi ile reaksiyona girerek NO, NO 2 gibi yapıları meydana getirir. Tam yanmaya yaklaşıldıkça, yakıtın enerjisi daha fazla kullanıldığı için yanma

2 odasındaki sıcaklık artacaktır ve yanma odasında oksijen kalması halinde NO x oluşumu da artacaktır. İs ve kül: İnsan ve çevre sağlığ için çok tehlikeli yapılar olup 2.5 µm den küçük katı ve sıvı taneciklerdir. Daha çok dizel motorlarda meydana genel difüzyon alevinde, genel olarak hidrojenin karbona oranla oksijene karşı daha aktif olması nedeniyle yanmanın tamamlanmaması sonucunda is ve kül yapıları meydana gelir. İs karbon moleküllerinin bir araya gelerek oluştuğu yapı olup buna karşın kül yapısı sadece karbon değil, hidrojen ve organik yapılı molekülerden meydana gelen bir yapıdır. İs oluşumu zengin karışımlara doğru gidildikçe artmaktadır. Ayrıca motor aksamına ait tribolojik yapılar ve akış sistemleri is ve kül oluşumuna etki etmektedir. Egzoz gazındaki kirleticileri zararsız veya daha az zararlı bileşenlere dönüştürmek amacıyla taşıtların egzoz sistemlerine katalitik konvertör, egzoz gazı resirkülasyon sistemi gibi sistemler ilave edilmektedir. Katalitik konvertör: Motorların egzoz gazlarının çevreye göndermiş oldukları zararlı maddeleri daha az zararlı maddelere dönüştüren aygıt olup en yaygın uygulaması taşıtlardadır. Bir katalitik konvertörün yaptığı, tam olarak yanmamış hidrokarbonlara ikinci bir yanma ve kirletici gazlara bir indirgenme ortamı sağlamaktır. Bu yanma ve indirgenme birtakım katalizörler (platin, palladyum ya da rodyum) kullanılarak yapılır. İkinci yanma işlemi motor dışında gerçekleştiğinden bundan işe dönüştürülebilir enerji elde edilmez. Katalitik Konvertör kanalları Platin, Paladyum, Rodyum ve Seryum ile kaplanmıştır. Konvertör içindeki Paladyum ve Platin HC ve CO lerin oksitlenmesini, Rodyum ise NO x 'lerin indirgenmesini sağlar. Seryum ise zengin ve fakir çalışma esnasında değişiklik gösteren oksijen miktarını, oksijeni depolayarak gerekli miktarda katalizörde tutmaya yarar. EGR (Egzoz gazı resirkülasyonu): Bir kısım egzoz gazları yanma odası içerisinde tutularak NO x in kontrolü için kullanılır. Bu egzoz gaz resirkülasyonu (geri dönüşüm- EGR) ile sağlanır. Yanma sonundaki sıcaklığı düşürmek amacıyla yanma odası içerisine egzoz gazları tekrar gönderilir ve egzoz gazlarının seyreltilmesi sonucu yanma sonu sıcaklıkları, dolayısıyla üretilen NO x miktarı düşmektedir. Hava - Yakıt oranı 15/1 oranına getirildiği zaman nitrojenin oksitlenmesi daha da artmaktadır ve NO x oranında büyük bir artış görülmektedir. Hava - Yakıt oranını 18/1 veya 20/1 seviyelerinde tuttuğumuz zaman yanma sonu sıcaklığı düştüğü için NO x miktarında da düşme meydana gelmektedir. Öte yandan karışım oranının fakirleşmesinden dolayı da motor performansında büyük bir düşme meydana gelmektedir. Motor dizaynına bağlı olarak emme manifolduna giren egzoz gaz miktarı %6 ile %13 arasında değişir. Buji ateşlemeli motorlarda, egzoz gazı geri resirkülasyonu yanma odasına emilen toplam dolgunun %10 u düzeyinde olduğundan NO x emisyonu % kadar azalmaktadır. Zengin hava - yakıt karışımını seyreltmek amacıyla N 2, H 2 O (b) ve CO 2 gazı silindir içerisine gönderilerek yanma sonunda egzoz gazlarının emisyonları azaltılmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda bu yöntemin, yakıtın daha hızlı buharlaşarak karışımın oluşmasını hızlandırma ve tutuşmaya hazırlama gibi bir faydası da vardır. EGR sistemi buji ateşlemeli motorların verimini arttırır. Bu şekilde, özellikle düşük yüklerde HC ve CO emisyonlarında da iyileşme elde edilmektedir. Taşıtlarda egzoz gazının kirletici özelliği çok sayıda faktöre bağlıdır. Bunlar; motor türü, kullanılan yakıt türü, motor ömrü, motor bakım durumu, motor teknolojisi, aracın çalışma modu, yük durumu, trafik ve yol koşulları gibi parametrelerdir.

3 Avrupa Birliği nde EURO normları 1990 yılından beri uygulanmaktadır ve yürürlükte olan EURO normları giderek yükseltilmektedir. EURO emisyon normları, üretilen her birim güç için motor tarafından salınabilecek azami kirletici madde düzeyini belirlemektedir. Üretici firmalar, araçlarının çıkardığı egzoz gazının EURO normlarına uygun olmasını sağlamak zorundadır. Türkiye'de 2014 yılı Ağustos ayı itibari ile EURO 6 egzoz emisyon standardı uygulamaya geçmiştir. Buji ateşlemeli ve sıkıştırma ateşlemeli motorlara ait EURO normları Tablo 1 ve Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 1. Buji Ateşlemeli Motorlu Araçlar İçin Emisyon Değerleri (* Direk Enjeksiyonlu) Tablo 2. Sıkıştırma Ateşlemeli Motorlu Araçlar İçin Emisyon Değerleri 3. EGZOZ EMİSYON ÖLÇÜMÜ Egzoz emisyon testinde ölçüm yapılacak olan motor test şartları önceden belirlenir. Motor çalıştırılarak kararlı hale gelmesi sağlanır. Test öncesinde egzoz gaz analizörünün kararlı çalışma sıcaklığına ulaşması amacıyla çalışması sağlanır. Bu işlemin sonunda egzoz gazı analizörünün ölçüm probu cihaza takılarak probun numune hattının sızdırmazlık kontrolü tamamlanır. Bu işlemin tamamlanmasıyla ölçüm cihazı ölçüme hazır hale gelir. Testi yapılan motorun egzoz hattı üzerinde bulunan numune alma noktasına, egzoz gaz analizörünün probunun yerleştirilmesiyle ölçüme hazır hale gelinir. Probun egzoz hattına yerleştirilmesinden sonra egzoz gaz analizörünün ekranı üzerinden egzoz gazı emisyon değerlerinin stabil hale gelmesi için beklenir. Sistem kararlı hale geldikten sonra egzoz ölçüm cihazının bağlı olduğu monitör üzerinden görüntüleme ve kayıt alma prosesi gerçekleştirilir. Kullanılan motor test yazılımı vasıtasıyla motora ait performans karakteristikleri ölçülürken aynı şekilde kullanılan egzoz emisyon ölçüm cihazı vasıtasıylada O 2, CO 2, CO,

4 HC ve NO x değerleri ölçülür. Buna ek olarak egzoz emisyon ölçüm cihazına tanımlanmış olan Brettschneider denklemi (1) kullanılarak λ (lambda) cihaz tarafından hesaplanır. (1) λ : hava - yakıt oranı [ ] : % hacim biriminde konsantrasyon K 1 : dönüştürme faktörü (=8) H cv : yakıttaki hidrokarbon oranı O cv : yakıttaki oksijen oranı Egzoz emisyon ölçüm deneyinde sabit bir gaz kolu kelebek açıklığı için 4 farklı devir sayısında ölçüm alınarak aşağıda verilen Tablo 3 oluşturulur. Hesaplamalarda kullanılacak bazı tanımlamalar ve formulüzasyonlar aşağıda verilmektedir: Döndürme Kuvveti (Fd [N]): Manyetik dinamometreye bağlı yükleme ünitesinden tork değeri okunduktan sonra moment kolu uzunluğu 0,185 m alınarak öndürme kuvveti aşağıda verilen (2) bağıntısından hesaplanabilir. F d = M d / l (2) Efektif Güç (P e [kw]): Devir sayısı n[d/dk] ve M d [Nm] döndürme momenti bilindiğinde, efektif güç verilen (3) bağıntısından bulunur. P e = M d n 9550 (3) Motor deneyinin yapıldığı P 0 [MPa], T 0 [K] dış ortam koşulları ve havanın nemi motor performansını etkileyebilir. Deney sonunda belirlenen P e,1 efektif gücü, buji ateşlemeli motorlar için (4) bağıntısından bulunur. P e,1 = P e 0,1013 P 0 T (4)

5 Tablo 3. Egzoz Emisyon Deneyi Ölçüm Tablosu Gaz Kolu Kelebek Açıklığı (%) Yakıt Alt Isıl Değeri (Hu) (kj/kg) Yakıt Yoğunluğu (kg/m 3 ) 745 Yakıttaki Hidrokarbon Oranı 1,7261 Yakıttaki Oksijen Oranı 0,0175 Silindir Sayısı 4 Silindir Çapı (mm) 73 Strok Uzunluğu (mm) 80 Sıkıştırma Oranı 10,8:1 Maksimum Güç (kw) Maksimum Tork (Nm) 63 (5700 d/dk) 119 (2800 d/dk) Çevrim Oranı (i) (çev/d) 0,5 n [d/dk] Ortam Sıcaklığı ( ο C) Ortam Basıncı (kpa) P e [kw] M e [Nm] V yakıt [lt/h] (Şekil 1) λ (Lambda) O 2 (%vol) CO 2 (%vol) CO (%vol) HC (ppmvol) NO x (ppmvol)

6 Yakıt Tüketimi (lt/h) 18 5% % 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% Devir Sayısı (d/dk) Şekil 1. Gaz Kolu Kelebek Açıklığına Bağlı Olarak Yakıt Tüketimi Devir Sayısı Değişimi Özgül Yakıt Sarfiyatı (b e [g/kwh]): Bir motorun birim zamanda harcadığı yakıtın kütlesi [kg/h] olarak bilinirse, özgül yakıt tüketimi aşağıdaki (5) gibi hesaplanır. b e = 3600 m yakıt P e (5) Ortalama Efektif Basınç (P me [kpa]): Efektif güç, devir sayısı, motorun strok hacmi ve motorun diğer özellikleri mevcut ise ortalama efektif basınç aşağıdaki (6) gibi hesaplanır. P me = P e V H i n (6)

7 Efektif İş (W e [kj]): Bir çevirmden efektif olarak elde edilen iştir. Aşağıdaki (7) gibi hesaplanır. W e = P me V H (7) Efektif Verim (η e [%]): Özgül yakıt tüketimi ile efektif güç arasındaki bağıntı kullanılarak efektif verim aşağıdaki (8) gibi hesaplanır. η e = P e Hu m yakıt (8) Yakıtla Giren Isı Enerjisi Miktarı (Q yakıt [kj/h]): Motora yakıtla giren ısı enerjisi miktarı toplam yakıt tüketimi ve yakıtın ısıl değerine bağlı olarak aşağıdaki (9) gibi hesaplanır. Q yakıt = Hu m yakıt (9) Volümetrik Verim (η v [%]): Volümetrik verim gerçekte silindire emilen havanın, verilen koşullarda teorik olarak silindire alınması gereken havaya oranı olarak tanımlanır. Hava debisi yukarıdaki gibi belirlendikten sonra volümetrik verim aşağıdaki bağıntıdan hesaplanır. m hava,teorik = ρ hava V H i n ( kg s ) (10) η v = m hava,gerçek m hava,teorik (11) Hava Yakıt Oranı (Lambda (λ)): Her yakıt için, kimyasal yapısına bağlı olarak tam yanmasını sağlayacak teorik bir hava miktarı vardır. Birim ağırlıktaki yakıtı yakmak için gerekli olan bu miktara stokiometrik hava miktarı adı verilir. Hava Yakıt oranı motorun gerçekte silindir içerisine aldığı hava yakıt oranının, teorik olarak silindir içerisine alınması gereken hava yakıt oranına oranıdır. Bu oran 1 den büyük olursa karışım fakir karışım, 1 den küçük olursa zengin karışım olarak adlandırılır ve aşağıdaki (9) gibi hesaplanır. Benzin yakıtı için teorik olarak silindir içerisine alınması gereken hava yakıt oranı yaklaşık olarak 14,7 [kg hava / kg yakıt] değerindedir.

8 λ = ( m hava m ) yakıt ( m hava m ) yakıt gerçek teorik (9) Benzin yakıtının formülü C 7 H 16 şeklinde alınırsa: C 7 H 16 + λ.a (O 2 + 3,76N 2 ) b.co 2 + c.h 2 O + d.n 2 λ: hava yakıt oranı ve a, b, c, d: teorik yanma denklemindeki katsayılardır. Stokiometrik oran 1 olduğu zaman yanma teorik olarak tam gerçekleşir. Uygulamada lambda değeri kayıplar düşünülerek benzin yakıtı kullanılan motorlar için yaklaşık olarak 1,05 değerine ayarlanır ve bu değere göre kontrol edilir. Dizel yakıt kullanılan motorlarda ise lambda değerinin 1,4 değerinden aşağı olması halinde motor is sınırına girer ve bu durum sıkıştırma ateşlemeli motorlar için istenmeyen bir durumdur. Yanma kendi içerisinde hava - yakıt karışımı yapısı ve emisyon oluşum tiplerine göre 4 kısımda incelenir. Bu adlandırmalar teorik tam yanma, tam yanma, eksik yanma ve kısmi eksik yanma olarak tanımlanır. Teorik Tam Yanma: Reaksiyona giren yakıt moleküllerinin ürün olarak CO 2, H 2 O, SO 2, N 2 verdiği ve minimum oksijen miktarı kullanan, böylece egzozdan çıkan gazlar içerisinde O 2 bulunmayan yanma şeklidir. Hava yakıt oranı 1 dir. Tam Yanma: Gerekli hava miktarı teorik tam yanma halindekinden fazla ise egzozda O 2, CO 2, H 2 O, SO 2 ve N 2 görülen yanmadır. Eksik Yanma: Oksidasyonun tam olmayışından dolayı egzozdan çıkan gazlar arasında CO, CO 2, H 2 O, H 2, SO 2 ve N 2 bulunan yanma şeklidir. Eksik yanma enerji kaybı ile sonuçlandığından uygulamada yanmanın tam olarak gerçekleşmesine çalışılır. Bunun için de çoğunlukla teorik hava miktarından daha fazla havanın kullanılması gerekir. Eksik yanma ile verim düşer, yakıt sarfiyatı artar ve CO oluşumu ile çevre kirliliği artar. Kısmi Eksik Yanma: Hava yakıt oranının 1 den büyük olmasına rağmen sıcaklıkta CO 2, H 2 O molekküleri ısıl ayrışma ile CO, H 2 gibi eksik yanma ürünleri doğururlar. Bu moleküllerin düşük sıcaklığa hızlı bir şekilde getirilmeleri yeniden birleşme reaksiyonlarına yeterli zaman bırakmaz, diğer bir ifade ile belirli bir sıcaklıkta reaksiyonda donma oluşur. Böylece egzozda eksik yanma ürünleri gözlenir.

9 4. RAPOR HAZIRLANIŞI a) Deney föyünü, Tablo 3 ve Şekil 1 de verilmiş olan verileri kullanarak aşağıdaki Hesaplanan Değerler Tablosunu Excel de oluşturunuz. b) Deneye ait olarak doldurulması istenen ve aşağıda indirme linki verilmiş olan dosyayı indirip hazırlayarak, dosya içerisinde yer alan adresine hazırlamış olduğunuz Excel dosyası ile birlikte gönderiniz. (Dosyaları Öğrenci Numaranız ve Adınız Soyadınız şeklinde isimlendiriniz.) link: Hesaplanan Değerler Tablosu n [d/dk] n 1 = n 2 = n 3 = V H (cm 3 ) F d [N] P e,1 [kw] P me [kpa] m yakıt [g/h] b e [g/kwh] η e [%] m hava [g/h] η v [%] W e [kj/h] Q yakıt [kj/h] λ* * Ölçülmüş olan emisyon değerlerini kullanarak Brettschneider denkleminden hesaplanacak