Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 3, No: 2, 2011 (27-37) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 3, No: 2, 2011 (27-37) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri İ. Mutlu 1 and A. Keskin 2 1 University of Afyon Kocatepe, Afyonkarahisar/Turkey, 2 University of Abant İzzet Baysal, Bolu/Turkey, mutlu_i@gmail.com, keskin_a@ibu.edu.tr Özet Motorlu taşıtların hava kirliliğinde önemli bir payı bulunmaktadır. Bu ise emisyon kontrol teknolojilerinin geliştirilmesini zorunlu hale getirmektedir. Dizel motorlarının yüksek verimi, düşük kullanım maliyetleri, yüksek dayanım ve güvenilirlikleri onları ağır hizmet araç pazarında lider duruma getirmiştir. Son zamanlarda özellikle yakıt fiyatlarının yüksekliğinden dolayı dizel motorlarının hafif hizmet araç pazarındaki payı da giderek artmaktadır. Dizel motorlarında yanma sonucu oluşan egzoz gazındaki kirleticilerin en önemlileri partikül madde (PM), azotoksitler (NO x ), hidrokarbonlar (HC) ve karbonmonoksit (CO) tir. Dizel motorlu taşıt emisyonlarının azaltılması son zamanlardaki dizel motor kullanımının artmasıyla daha kritik bir konu haline gelmektedir. Bu ise motor teknolojilerinin geliştirilmesi, yakıtlar ve yanma sonrası cihaz kullanımı ile ilgili araştırmaları artırmaktadır. Bunlardan biri de dizel partikül filtreleridir (DPF). Bu çalışmada dizel partikül filtreleri ve dizel partikül filtrelerinin malzemeleri incelenecektir. Anahtar Kelimeler: Egzoz emisyonları, Dizel emisyon kontrolu, dizel partikül filtresi, dizel partikül filtre malzemeleri. Diesel Particulate Filters and Theirs Materials Abstract Motor vehicles have a great contribution to air pollution, which make the emission control technologies compulsory to be developed. The high efficiency of diesel engines, their low operating costs, high durability and reliability have provided them with a leadership role in the heavy-duty vehicle market. Recently, diesel engines also achieved a growing share of the light-duty vehicle market, especially in those areas where fuel costs are high. The most important pollutants formed at the exhaust gases of diesel engines are particulate matters (PM), nitrogen oxides (NO x ), hydrocarbons (HC), and carbon monoxides (CO). The control of diesel vehicles exhaust emission has become more critical because of the spreading use of diesel engines. This encourages the researches on engine technologies, fuels, and the use of post combustion devices, an example of which is particulate filters. In this study, diesel particulate filters, and materials of diesel particulate filters are investigated. Keywords: Exhaust emissions, Diesel emission control, diesel particulate filter, the materials of diesel particulate filter 1. GİRİŞ Motorlu taşıtların hava kirliliğinde önemli bir payı bulunmaktadır. Bu ise emisyon kontrol teknolojilerinin geliştirilmesini zorunlu hale getirmiştir. Dizel motorlarının yüksek verimi, düşük kullanım maliyetleri, yüksek dayanım ve güvenilirlikleri onları ağır hizmet araç pazarında lider Bu makaleye atıf yapmak için Mutlu.İ, Keskin.A,, Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, (3), How to cite this article Mutlu.İ, Keskin.A,., Diesel Particulate Filters and Theirs Materials, Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2011, (3) 27-37

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri duruma getirmiştir. Son zamanlarda özellikle yakıt fiyatlarının yüksekliğinden dolayı dizel motorlarının hafif hizmet araç pazarındaki payı da giderek artmaktadır. Önümüzdeki yıllarda özellikle Asya ve Avrupa da satışların önemli ölçüde artacağı beklenmektedir. Dizel motor pazarının bu büyüme trendi çevreyle ilgili etkilerin dikkatli bir biçimde değerlendirilmesini gerektirmektedir [1]. Dizel motorlarında yanma sonucu oluşan egzoz gazındaki kirleticilerin en önemlileri partikül madde (PM), azotoksitler (NO x ), hidrokarbonlar (HC) ve karbonmonoksit (CO) tir [2]. Dizel motorlu araçlar dizel motorların termal verimlerinin yüksek olması sebebiyle benzin motorlu araçlardan daha az CO ve yanmamış HC çıkarırlar. Fakat PM ve NO x emisyonları hala yüksektir [3]. Emisyonların azaltılması konusunda başlıca uygulamalar; motor tasarımında iyileştirmeler, yakıt ön işlemleri, yanma işleminin daha iyi ayarlanıp daha basitleştirilmesi, yakıt formülünün modifikasyonu, alkoller ve esterler gibi fosil olmayan alternatif yakıt kullanımı ve yanma sonrası cihaz kullanımı şeklinde belirtilebilir [4]. Sadece motorlarda yapılacak düzenlemelerle PM ve NO x emisyonları yasal düzenlemelerdeki değerlerine düşürülemeyeceği için dizel egzoz emisyonlarının eş zamanlı olarak düşürülmesi için yanma sonrasında kullanılmak üzere cihazlar geliştirilmektedir [3]. Bunlardan biri de dizel partikül filtreleridir. Şekil 1 de egzoz emisyon standartları ve kullanılabilecek emisyon kontrol yöntemleri gösterilmiştir. Şekil 1: Egzoz emisyon standartları ve kullanılabilecek emisyon kontrol yöntemleri [5]. Dizel motor emisyonları oldukça kompleks karışımlardır. Dizel egzoz kompozisyonu büyük ölçüde motor tipi ve kullanım şartları, yakıt, yağlama yağı ve emisyon kontrol sistemi kullanılıp kullanılmadığına bağlı olarak değişmektedir. Dizel emisyonları büyük oranda gaz ve partikül fazları arasında dağılmış olan organik ve inorganik bileşiklerden oluşmaktadır. Bunlar; CO, CO 2, NO, NO 2, N 2 O, NH 3, uçucu organik bileşikler ve su buharı, HC, polinükleer aromatik hidrokarbonlar (PAH), karboksil bileşikleri, organik asitler, halojenli organik bileşikler, kükürtdioksit ve dioksinlerdir [6]. Dizel egzoz partikülleri başlıca toplanmış katı karbonlu malzeme ve kül ve uçucu organik ve kükürt bileşiklerinden oluşur [7] (Şekil 2). PM nin sağlık etkileri, iklim değişikliği, ekolojik etkiler ve görünürlük gibi potansiyel çevresel etkileri yaygın bir şekilde tartışılmaktadır [8]. 28

3 Mutlu İ., Keskin A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Şekil 2: Partikül maddenin bileşenleri [9]. Motorların çevreye daha az atık bırakması yönünde Avrupa daki ilk adım 1993 yılında Euro 1 standardının yürürlüğe girmesi ile atılmıştır. Bugün ise Avrupalı ticari araç üreticileri, taşıtlarını Ekim 2008 de yürürlüğe giren Euro 5 normlarına uygun üretmek zorundadırlar. Türk idari otoriteleri normları Avrupa daki gelişmelere göre düzenlemektedirler. Yüksek normlu motorların istenilen biçimde ve verimde çalışması için yakıt ve yağ üretiminde de uygunluk gerekmektedir [10]. PM ile ilgili emisyon düzenlemelerinde partikül maddelerin kütlesi esas alınmaktadır. Bu gerçek PM emisyonlarının gösteriminde yanılgıya yol açabilir. Küçük ve büyük partiküllerin partikül kütlesi ve partikül sayılarına katkısı Şekil 3 de görülmektedir. Partikül kütlesinde en önemli yeri tutan birikme (acumulation) modunu oluşturan daha büyük partiküllerin sayıları diğerlerine oranla daha küçük iken çekirdeklenme (nuclei) modunu oluşturan çok küçük partiküllerin en çok sayıda olduğu açıktır, fakat toplam kütleye katkısı azdır [11]. Günümüzde partikül maddelerle ilgili araştırmalar ince tozların etkisinin etkili bir şekilde nasıl azaltılabileceği ve büyük şehirlerdeki sağlık risklerinin nasıl önlenebileceği hakkındadır. İnce toz diğer kaynaklardan ve filtre edilmemiş dizel motor egzozundan üretilen çapı 10 mikrondan küçük olan çok küçük parçacıklardır. Mikro partiküller sağlık riski oluşturduğu için Avrupa Birliği tarafından şehir bölgelerinde her metreküp havada maksimum 50 mikrograma kadar izin verilmiştir [12]. Bu çalışmada dizel partikül filtreleri ve dizel partikül filtrelerinin malzemeleri incelenecektir. Şekil 3.PM nin boyutlarının sayı ve kütle bazında dağılımı [7]. 29

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri 2. DİZEL PARTİKÜL FİLTRELERİ VE FİLTRE SİSTEMLERİ Dizel partikül filtreleri PM nin azaltılmasında teknik olarak en uygun çözümlerden biridir. Dizel partikül filtresi egzoz gazlarının sistem boyunca geçişine izin verirken katı ve sıvı partikül madde emisyonlarını biriktirmek için tasarlanıp egzoza yerleştirilmektedir. Genellikle bir yanma sonrası PM kontrol sistemi dizel egzozundaki PM veya isi tutabilen gözenekli metal veya seramik bir filtreden oluşur. Filtreden düşük bir basınç azalması ve yüksek is tutma kapasitesine sahip olması istenir. Günümüzde ticarileşmiş dizel partikül filtreleri silikon karpit, kordierit veya metalden yapılmaktadır (Şekil 4). Şekil 4: Dizel partikül filtreleri: Silikon karpit (solda) ve kordierit (sağda) DPFleri [13]. Bu çeşitli filtrelerin biriktirme verimleri kütlesel olarak %30-90 arasında değişmektedir, ancak çoğu DPF son derece ince partikül sayıları olarak ifade edildiğinde %99'un üstünde başarı sağlamaktadırlar. Dizel partikül filtreleri difüzyonal çöküntü, eylemsiz çöküntü veya akışı engelleme gibi derin yatak filtreleme mekanizmaları ve yüzey mekanizmalarının kombinasyonuyla partikül madde emisyonlarını tutar. Biriken partiküller sürekli veya periyodik termal rejenerasyon aracılığıyla filtreden uzaklaştırılır. Dizel partikül filtreleri PM emisyonunun katı kısımları üzerinde çok etkilidir, fakat katı olmayan kısımlarında etkisiz olabilir. Wall-flow monolitler (tek parça filtreler) en popüler dizel filtre tasarımıdır. Filtre olarak görev yapan gözenekli duvarlar boyunca gaz akışını zorlamak için kanal sonları alternatif olarak tıkanmış olan akış boyunca katalist desteklerden oluşur (Şekil 5). Bir diğer filtre çeşidi ise partial filtrelerdir. Bu fitrelerin filtreleme verimleri %50-85 arasındadır [14]. Dizel motorlu araçlarda üç filtre sistemi kullanılmaktadır. Birinci sistemde kısmi olarak yanmış yakıtı yüksek sıcaklıklarda yakmak için filtreden önce bir oksidasyon katalisti ve PM yanma sıcaklığını düşürmek için bir yakıt katkısı kullanılmaktadır. İkinci sistemde oksidasyon katalisti yine kullanılmakta yakıt katkısı kullanılmamaktadır. PM nin yanmasını hızlandırmak için filtre katalistli yapılmaktadır. Üçüncü sistemde gerekli katalist fonksiyonlarının hepsi bir filtrede birleştirilmiştir (Twigg, 2006) [15]. A. Dizel Partikül Filtrelerinin Rejenerasyonu DPF de birikmiş olan is fazla yakıt harcanmaması, motor ve filtrenin zarar görmemesi için uzaklaştırılması gerekir. İsin uzaklaştırılması rejenerasyon olarak ifade edilen oldukça kompleks bir işlemdir. Rejenerasyonun filtreye zarar vermeden yapılabilmesi için çoğu işlem parametresi uyuşmalıdır. Ana parametreler egzoz gaz sıcaklığı, egzoz gaz geri basıncı, egzozda kalan oksijen miktarı, hacimsel akış oranı vb.leridir. Bir DPF sinde sıcaklık gerekli is ateşleme sıcaklığının üzerine çıkarsa dizel partikül maddeleri yanar ve geri basınç düşer. Rejenerasyon prensipleri esas alındığında filtreleme sistemleri aktif ve pasif olmak üzere sınıflandırılabilir. 30

5 Mutlu İ., Keskin A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) PM = partikül madde, HCs = hidrokarbonlar, PAHs = poliaromatik hidrokarbonlar Şekil 5. Wall-flow DPF nin şematik şekli [16]. Pasif rejenerasyonda is bir katalitik reaksiyonla yakılır. Bu amaçla katalitik olarak aktif demir ve seryum içeren dizel yakıt katkıları is partiküllerinin alevlenme sıcaklığını normal egzoz gaz sıcaklığına düşürür. Diğer pasif regenerasyon yöntemleri katalitik kaplı filtreler, sürekli rejenerasyon (Continuously Regenerating Trap-CRT) ve sürekli katalitik rejenerasyon (Catalytic Continuously Regenerating Trap-CCRT) yöntemleridir. Pasif rejenerasyonda tutulan PM nin yanması aracın normal kullanımı esnasında gerçekleşir. Yani, ne araç kullanıcısı ne de araç motor yönetim sistemi DPF rejenerasyonunu başlatmak için bir şey yapmak zorunda değildir. Pasif DPF teknolojilerinin uygulaması egzoz gaz sıcaklığıyla sınırlandırılır. Çoğu dizel motor uygulamalarında sıcaklıklar pasif rejenerasyonu sürekli devam ettirmek için yeterli değildir. Bunun için tutulan isin sıcaklığını oksitlemenin başlayacağı sıcaklık değerine kadar ( C) artırmak bu problemin çözümünde kullanılan yöntemlerden biridir. Bu yönteme aktif rejenerasyon sistemi denmektedir. Böyle durumlarda aktif rejenerasyonu periyodik olarak başlatmak için dışarıdan enerji sağlanabilir. Bu sistemler rejenerasyon için gerekli sıcaklığa ulaşmak için gerekli enerjiden dolayı yüksek yakıt ekonomisine sebep olabilir. Aktif rejenerasyon hızlı bir prosestir. Onu kontrol etmek için kompleks proses kontrolu ve bazı motor yönetim kontrolu gerekmektedir. Aktif DPF leri rejenerasyon için kullanılan enerji tipine göre elektrikli, yakıt brülörlü ve mikro dalgalı, kontrol metoduna göre ise otomatik ve manuel destekli olarak sınıflandırılabilir (Keskin, 2008). Şekil 6 da bir aktif dizel partikül filtre kontrol sistemi gösterilmektedir [14]. 3. DİZEL PARTİKÜL FİLTRE MALZEMELERİ Genellikle bir yanma sonrası PM kontrol sistemi dizel egzozundaki PM veya isi tutabilen gözenekli metal veya seramik bir filtreden oluşur. Filtreden düşük bir basınç azalması ve yüksek is tutma kapasitesine sahip olması istenir. Bunun için bir filtrenin yüksek gözenekliliğe ve hedeflenmiş 31

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri Şekil 6: Bir aktif dizel partikül filtre kontrol sisteminin şematik gösterimi [17]. spesifik gözenek boyutu dağılımına (düşük geri basınç sağlamak için) sahip olması tercih edilir [18] (Şekil 6). Tek parça seramik, dokunmuş silis elyaf sarımı, seramik köpük, tel ızgara ve sinterlenmiş veya şekillendirilmiş metaller içeren birkaç filtre malzemesi kullanılmaktadır [19]. Dizel partikül fitre malzemeleriyle ilgili çalışmalar bu malzemeler ve farklı malzemelerle ilgili olarak devam etmektedir [20-26]. Şekil 7 de çeşitli dizel partikül filtre malzemelerinin gözenekli yapıları bilgisayar yardımıyla çizilmiş gözenek yapıları verilmiştir. Filtre malzemesi yüksek sıcaklık dayanımı, termal gerilmelere karşı direnç, korozyon dayanımı ve yeterli mekanik dayanım şartlarını filtreleme, rejenerasyon ve bir sistemde uygulanması sırasında yerine getirmelidir. Filtrenin termal gerilme etkilerinin daha az olması için düşük Young modülü, düşük termal genleşme katsayısı ve iyi termal iletkenliğe sahip olması gerekir. Otomotiv uygulamalarında seri üretimde kullanılabilmeleri için düşük fiyat ve düşük ağırlık ön şarttır. Yaygın olarak kullanılan malzemeler ele alındığında, bütün bu talepleri mükemmel olarak yerine getiren malzeme yoktur. Tablo 1 de dizel partikül filtreleri için malzeme adaylarının saf malzeme özellikleri verilmiştir. Yüksek miktardaki bir gözeneklilik termal iletkenlik, Young modülü ve dayanımı önemli bir değerde değiştireceğine dikkat edilmelidir. Silikon yalnız başına değil SiC ile kombinasyonuyla kullanılmaktadır [27]. A. Kordierit Kordierit doğal malzeme olan kaolin ve talktan elde edilen MgAl-silikattır(Mg 2 A1 4 Si 5 O 18 ). Kordierit seramikler yaklaşık 1250 C de hava ortamında sinterlenir. Düşük fiyatının yanında kordieritin başlıca avantajı rejenerasyon sırasında termal gerilmeleri azaltan ekstrüzyon yönüne paralel olarak 0.4*10-6 1/K ya kadar optimize edilebilen çok düşük termal genleşme katsayısının olmasıdır. Bu yüzden kordierit DPF kompakt monolit olarak örneğin 144 mm (5.66 inç) çapında üretilebilir. Corning ve NGK firmaları kordieritten yapılan 32

7 Mutlu İ., Keskin A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Şekil 7: Çeşitli gözenekli filtrelerin yapıları [28]. Tablo 1: Dizel partikül filtreleri için malzeme adaylarının saf malzeme özellikleri [27]. Malzeme Kordierit SiC Silikon Mullit Al-Titanat FeCrNi Yoğunluk (g/cm 3 ) 2,1 3,1-3,2 2,33 2,9 3,3 8,1 Termal iletkenlik , (W/mK) CTE C (10-6 1/K) 0,9-2,5 4,7-5,2 4,4 4,4-0, Young modülü (GPa) Uygulama için termal sınır hava ( o C) Korozyon direnci * Fiyat * * Bu özellikler doğrudan karşılaştırılamaz. Kaba bir tahmin verir. ++ çok iyi, + iyi, 0 ambient, - negatif, -- çok negatif DPF üretmişlerdir. Kordierit filtrenin ana problemi malzemenin erime noktasını aşan elverişsiz rejenerasyon şartlarında termal benek oluşumunu sonuç veren düşük termal iletkenlik olarak görünmektedir. Bu durumun iyileştirilmesi için çalışmalar devam etmektedir. Bir diğer problem sodyum bileşikleri gibi kül bileşenlerine karşı korozyon direnci kısıtlamasıdır. B. Alüminyum titanat Mükemmel termal şok direnci nedeniyle katalist taşıyıcılarda ara kısımlar (segment) ve portliner kaplamalar için otomotiv endüstrisinde de kullanılmıştır. Aluminyum titanat kristalleri, kordierit gibi, fakat daha geniş aralıkta düşük dayanım ve düşük Young modülünün neden olduğu polikristal malzemede mikro çatlaklara da yol açan termal genleşme katsayısının yüksek bir anizotropikliğini gösterir. Corning firması aluminyum titanat esaslı özellikle hafif hizmet taşıtları için filtre malzemesi geliştirdiğini duyurmuştur. 33

8 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri C. Silikon karbit Farklı yapıları ve atom bağlarına sahip silikon karbit seramikler çok farklı endüstriyel uygulamalarıyla bilinmektedir. Bu malzemelerin silikat bağlı veya rekristalize SiC gibi bazı çeşitlerin doğal yapısı gözeneklidir. SSiC veya LPS-SiC gibi diğer türleri ise yoğun malzeme olarak geliştirilmişlerdir. Bununla birlikte genel olarak bu malzemelerin hepsi DPF olarak kullanılmak üzere gözenekli bir malzeme olarak ayarlanabilir. RSiC argon gazı korumasında 2200 C nin üzerindeki sıcaklıklarda ısıtılarak şekillendirilen bir bimodal SiC tozları karışımının oluşturduğu saf bir SiC malzemedir. SiC filtreler genellikle bölünmüş tuğla gibi yaklaşık 35*35 mm bal peteği kesitlidir ve alümosilikat fiberler, SİC toz ve silika bağlarından oluşan düşük modüllü bir çimentoyla yapıştırılırlar. Bu SiC kordieritten daha yüksek termal genleşme katsayısına sahip olduğu için düzensiz rejenerasyon sırasında meydana gelebilecek gerilmeleri düşük tutmak için gereklidir. Silikon SİC ye çok benzer termomekanik özellikler gösterdiği için silikon bağlı SiC (Si SiC), RSiC ile karşılaştırıldığında dayanıklılık ve gözenek sağlamlığı benzerdir. Ayrıntılı incelendiğinde silikon bağının termal kararlılığı ve kimyasal direnci saf SiC den daha düşüktür. NGK firması 2000 yılında silikon bağlı SiC filtre malzemesini geliştirme çalışmalarına başlamıştır. Gözenekli silikat bağlı SiC filtre malzemeleri akışkan yataklarda 850 C ye kadar sıcak gaz temizlemesinde başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. SiC seramikler gibi bal peteği şeklinde segmentsiz DPF olarak tasarımları da vardır. Hava ortamında yaklaşık 1350 C gibi oldukça düşük sıcaklıklarda sinterlenebildiği için düşük fiyatı avantajdır. D. Silikon nitrit Si3N4 de DPF için seramik malzeme seçenekleri arasındadır. SiC ile karşılaştırıldığında daha yüksek dayanım sergiler. Si 3 N 4 tozları kullanılırsa biraz daha düşük termal genleşme katsayısı, fakat orta derecede termal iletkenlik ve daha yüksek fiyat elde edilir de Asahi firması silikonun nitridasyonuyla Si 3 N 4 filtre ürettiğini açıkladı. Fırça şekilli yüzey pürüzleriyle iyi bir termal şok dirençli ve yüksek dayanımlı malzeme olduğu belirtildi. Böyle fırça şekillerinin daha az is kalıbı ürettiği ve bu yüzden daha az basınç düşüşü olduğu düşünülmektedir. Bununla birlikte fırça biçimindeki parçalar çevreye salınırsa sağlık açısından risk oluşturabilir [27]. E. Mullit Mullit (3Al 2 O 3.2SiO 2 ) mükemmel yüksek sıcaklık direnci, yüksek dayanım ve kimyasal olarak etkilenmeme özellikleri olan bir malzemedir. Mullit 1200 C nin üzerinde ısıtıldığında eşeksenli ve iğnemsi taneli karışım oluşturma eğilimine sahip kolayca elde edilebilen iyi bilinen seramik bir malzemedir. İğnemsi yapıdaki mullitten yapılan dizel partikül filtreleri yüksek filtreleme verimi, az basınç düşümü, hızlı rejenerasyon yüksek sıcaklık kimyasal dayanımı ve yüksek mekanik dayanım göstermektedir [29]. Bununla birlikte mullit iyi termal iletkenlikten yoksundur. F. Fiberler Daha belirsiz ve kaba gözenek yapısı yüzünden fiber filtre malzemeleri partikül madde biriktirmek için daha fazla duvar kalınlığına ihtiyaç duyarlar. Fiber filtreler %95 den daha fazla çok yüksek gözenek hacmi ve iyi geçirgenlik gösterir fakat dayanımı düşüktür. Bağsız fiberlerden yapılan keçeler veya örgülü yapılar çok esnektir ve mükemmel termal şok direnci gösterir. Camsı fazın yüksek bir miktarda olduğu yaygın ve ucuz fiberler yeterli termal direnç göstermezler. SiC veya saf alüminadan yapılan yüksek sıcaklık dirençli fiberler DPF uygulamaları için oldukça pahalıdır. Normal cam fiberlerden daha kırılgan olmaları yanında örme veya dokuma yoluyla üretimleri zordur. Kırılan fiber kalıntıları sağlık riski de oluşturabilir. Genel sakıncaları daha düşük filtreleme verimi ve uzun süreli dayanımının sınırlı olmasıdır. Bununla birlikte fiber filtreler daha iyi termal şok kararlılığı, daha az basınç düşümü ve ağırlık özelliklerine sahiptir. Şu anda sadece sınırlı ve özel uygulamalarda çoğunlukla yol dışı ve sabit dizel motorlarında uygulanmaktadır. 34

9 Mutlu İ., Keskin A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) G. Açık hücreli köpükler Polimer köpüklerin replikasyon tekniğiyle yapılmalarından dolayı % 90 dan fazla gözeneklilik ve bazen 100 μm ye varan bir rijit üniform hücreler ağı oluştururlar lerde test edilen alümina ve kordierit köpük DPF ler fiber esaslı sistemler gibi hemen hemen aynı avantajları göstermektedir. Silikonize SiC den yapılmış özel bir köpük 1996 da geliştirilmiş ve farklı filtre konfigürasyonları çoğunlukla retrofit uygulamaları için ümit verici sonuçlar ortaya koymaktadır. H. Metaller Yüksek sıcaklık dirençli metallerden yapılan gözenekli malzemeler aynı gözenek yapılarına sahip seramik malzemelere benzer bir filtreleme verimine sahiptir. Metal filtrelerin genel avantajları oldukça iyi bir termal şok direnci sonucunda yüksek dayanım ve yüksek termal iletkenliğidir. Ek olarak iyi gelişmiş mühendislik teknolojileri filtre dizaynı ve prosesinde kullanılabilir. Yüksek termal genleşme katsayısı ve daha yüksek yoğunluk ve yüksek sıcaklık ve korozyon dayanımıyla ilgili başlıca problemler ve ek olarak özel alaşımlı tozlar veya fiberlerin fiyatı dezavantajlarıdır [27]. Günümüzde HJS firması otomobil retrofit uygulamaları için kıvrımlı filtre tasarımı üzerine çalışmalarını yoğunlaştırmıştır. Bosch firması da orijinal ekipman üreticileri seri uygulamaları için benzer bir uygulamasını yapmıştır [30] (Şekil 7). Emitec firması retrofit uygulamarı için açık kanallı bir sistem geliştirmiştir. Sistem kanallı bir metal katalist destekle birlikte tabakalar arasındaki dokunmamış metal fiber hasırdan ibarettir. Kanallar içindeki kıvrımlar egzozdaki parçacıkların fiber hasır üzerinde kalması için zorlar [27]. Şekil 7: Bosch tarafından yapılmış bir sinterlenmiş metal DPF [31]. 4. SONUÇ Dizel motorlarından kaynaklanan kirleticilerden biri de partikül maddelerdir. Partikül maddelerle ilgili emisyon düzenlemeleri de giderek sıkılaşmaktadır. Partikül maddelerin kontrolunda partikül maddelerin boyutu da önem kazanmıştır. Günümüzde partikül maddelerle ilgili araştırmalar ince tozların etkisinin etkili bir şekilde nasıl azaltılabileceği ve büyük şehirlerdeki sağlık risklerinin nasıl önlenebileceği hakkındadır. Partikül maddelerin azaltılması için kullanılan emisyon kontrol yöntemlerinden biri de dizel partikül filtreleridir. Dizel partikül filtreleriyle ilgili çalışmalar devam etmektedir. Dizel partikül filtreleriyle ilgili çalışmaların bir bölümü de filtre malzemeleri üzerinedir. Günümüzde dizel partikül filtreleri yaygın olarak silikon karpit ve kordieritten yapılmakla birlikte sinterlenmiş metal ve daha farklı filtre malzemelerinin uygulamaları da vardır. 35

10 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Dizel Partikül Filtreleri ve Malzemeleri 5. KAYNAKLAR 1. D. Fino, and V. Specchia, Open issues in oxidative catalysis for diesel particulate abatement, Powder Technology, vol. 180, pp , R. Şahin, and C. Erman, Emissions reduction techniques for non-road diesel engines, in 3rd Automotive Tech. Congress 2006, Bursa. 3. J. Jian Liu, Z. Zhao, C. Xu, A. Duan,, Simultaneous removal of NO x and diesel soot over nanometer Ln-Na-Cu-O perovskite-like complex oxide catalyst, Applied Catalysis B: Environmental, vol. 78, pp , Available: AECC Response to EC for 2008 HDD NOx Review 5. Available: Vortrag _Exp_PSA.pdf 6. G.A. Stratakis, Experimental investigation of catalytic soot oxidation and pressure drop characteristics in wall-flow diesel particulate filters, PhD Thesis, University of Thessaly, D.B. Kittelson, Engines and nanoparticles: A review, J. Aerosol Sci., vol 29(5-6), pp , Available: Euro4_5_englIAA06.pdf ( ). 9. W. Fenghu, G. Xiurong, M. Yan, B. Bing, H. Xuling, Experimental study on the relation between pressure drop and seepage velocity in carbonized microwood fiber DPF in 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, pp Daha Çevreci ve Temiz Motorlar İçin Euro 4-5 e Geçişte EGR mi? SCR mi?, 2006, Taşıyanlar, vol. 6, pp A.P. Walker, Controlling particulate emissions from diesel vehicles, Topics in Catalysis, vol. 28(1 4), pp , A. Okada, Ceramic technologies for automotive industry: Current status and perspectives, Materials Science and Engineering B, vol. 161, pp , A. Keskin, Motorlu taşıtlarda yanma sonrası egzoz emisyon kontrolu ve günümüz uygulamaları in 1.Uluslararası 5.Ulusal Meslek Yüksekokulları Sempozyumu Mayıs 2009, Konya, pp M.V. Twigg, Roles of catalytic oxidation in control of vehicle exhaust emissions, Catalysis Today, vol.117, pp , Diesel Particulate Filter Maintenance: Current Practices and Experience, Manufacturers of Emission Controls Association, Washington, D.C., June

11 Mutlu İ., Keskin A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) D.L. Psarianos, Development of a system for the measurement of soot maldistribution and pressure dropcharacteristics in DPFs, Postgraduate specialization thesis, Unv. of Thessaly, Volos, April A.J. Pyzik, C.S. Todd, C. Han, Formation mechanism and microstructure development in acicular mullite ceramics fabricated by controlled decomposition of fluorotopaz, Journal of the European Ceramic Society, vol. 28(2), pp , King, R.T, Design of a SCR system to reduce NO x emissions of the 2003 West Virginia University FutureTruck, MSc. thesis, West Virginia University, Morgantown, S.B. Ogunwumi, P. D. Tepesch, T. Chapman, C. J. Warren, I.M. Melscoet-Chauvel, and D.L. Tennent, Aluminum titanate compositions for diesel particulate filters, SAE paper number , A.M. Williams, C.P. Garner, and J.G.P. Biner, Analysis and optimization of gel-cast ceramic foam diesel particulate filter performance, Proc. IMechE Part D: J. Automobile Engineering, vol. 222, pp , J-K. Park,, J-H. Park, J-W. Park, H-S. Kim, Y. Jeong, Preparation and characterization of porous cordierite pellets and use as a diesel particulate fitler, Separation and Purification Technology, vol. 55 pp , T. Gordon, A. Shyam, E. Lara-Curzio, The relationship between microstructure and fracture toughness for fibrous materials for diesel particulate filters, J. Am. Ceram. Soc., vol. 93(4), pp , N. Maier, K.G. Nickel, C. Engel, A. Mattern, Mechanisms and orientation dependence of the corrosion of single crystal cordierite by model diesel particulate ashes, Journal of the European Ceramic Society, vol. 30, pp , Y.Y.Choi, J.G.Kim, K.M.Lee, H.C.Sohn, D.J.Choi, A study of surface-coated SiC whiskers on carbon fiber substrates and their properties for diesel particulate filter applications, Ceramics International, article in press, J. M. Lee, N. W. Sung, G. B. Cho and K. O. Oh, Performance of radial-type metal foam diesel particulate filter, International Journal of Automotive Technology, vol. 11, pp J. Adler, Ceramic Diesel Particulate Filters, Int. J. Appl. Ceram. Technol., vol. 2(6), pp , A.G. Konstandopoulos, and E. Papaioannoul, Update on the science and technology of diesel particulate filters, KONA Powder and Particle Journal, no.26, pp , J.A. Pyzik, C.G. Li, New design of a ceramic filter for diesel emission control applications, Int. J. Appl. Ceram. Technol., vol. 2(6), pp , r pdf 37