Bölüm 6 Emisyonların Kontrolu

Transkript

1 Egzoz Gazları Emisyonu Prof.Dr. Cem Soruşbay Bölüm 6 Emisyonların Kontrolu İstanbul Teknik Üniversitesi Otomotiv Laboratuvarı Taşıtlardan Kaynaklanan Emisyonlar Egzoz gazları Buharlaşma yoluyla atmosfere atılan HC lar Yakıt deposu Karbüratör Karter havalandırmasından atılan kirleticiler 1

2 Benzin Buharı Toplama Sistemi Benzin Buharı Toplama Sistemi 2

3 Doğrudan Atmosfere Açılan Sistem Karter Havalandırma Pozitif Karter Havalandırma Sistemi Doğrudan Atmosfere Açılan Sistem Karter Havalandırma 3

4 Pozitif Karter Havalandırma Sistemi Debi ayar supabı Hava Filtresi Üzerinden Havalandırma 4

5 İkili Sistem İkili sistem Düşük hızlarda DAS üzerinden havalandırma, dönme sayısı artığında diğer sistemin de devreye girmesi Egzoz Gazı Sıcaklıkları Buji Ateşlemeli Motorlar (Benzin Motorları) Ortalama o C Boşta çalışma koşullarında o C Tam yükte 900 o C Yanma odası sıcaklıkları, supap açıldığında o C daha yüksek Sıkıştırmalı Ateşlemeli Motorlar (Diesel Motorları Ortalama o C Genişleme oranının yüksek olması nedeniyle gazlar soğumakta 5

6 Egzoz Gazı Sıcaklıkları Egzoz Çıkış Değerleri CO2 stabil yaklaşık 13% H2O artıyor - buharlaştıkça Hız kesme durumunda, yakıt kesiliyor (Fuel cut-off) ve CO2 azalıyor Taşıt sürüş koşullarının egzoz çıkış değerlerine anlık etkisi 6

7 Egzoz Gazı Sıcaklıkları Egzoz Emisyonları - CO 7

8 Egzoz Emisyonları - HC Egzoz Emisyonları - NOx 8

9 Emisyonların Kontrolu Yanma ile ilgili önlemler: EGR (Exhaust gas recirculation) Su ve Alkol püskürtme Egzoz sistemindeki önlemler: Termal reaktörler Katalitik dönüştürücüler Tutucular ve filtreler EGR Donanımı 9

10 Air / Air Intercooler Aşırı Doldurma ve EGR Donanımı turbocharged engines Air filter Intake manifold Engine Exhaust manifold EGR valve EGR cooler Particulate trap NOx sensor p sensor EGR Kontrolu 10

11 EGR nin Emisyonlara Etkisi Düşük Sıcaklıkta Yanma Yüksek EGR Oranı etkileri (Kaynak : Wagner, SAE Paper No ) 11

12 Düşük Sıcaklıkta Yanma Emisyon Azaltıcı Donanımlar Termal Reaktörler Require high temperatures, oxygen availability, sufficient time for reactions. Used for oxidation of CO and HC Rich mixture + O2 supplement : CO oxidation in exhaust system increases T, but fuel consumption also increases. Lean mixture + late ignition : high exhaust temperatures, but loss in power output 12

13 Katalitik Dönüştürücü İTÜ Otomotiv Laboratuvarı Katalitik Dönüştürücü İTÜ Otomotiv Laboratuvarı 13

14 Katalitik Dönüştürücü İTÜ Otomotiv Laboratuvarı Katalitik Dönüştürücü İTÜ Otomotiv Laboratuvarı 14

15 Katalitik Dönüştürücü HC ve CO oksidasyonu NOx dönüşümü Her üç-bileşeni birlikte azaltan sistem (Three-way catalyst) Katalitik Dönüştürücü 15

16 Seramik Taşıyıcı Matris İTÜ Otomotiv Laboratuvarı Küresel Tanecikli Katalizör 16

17 Katalitik Dönüştürücü Giriş Çıkış İTÜ Otomotiv Laboratuvarı Katalitik Dönüştürücü 17

18 Lamda (O2) Sensörü Lamda (O2) Sensörü 18

19 Lamda (O2) Sensörü Katalitik Dönüştürücü 19

20 Reaksiyonlar C m H n + [m+n/4] O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O (1) CO + ½ O 2 CO 2 (2) H 2 + ½ O 2 H 2 O (3) CO + NO ½ N 2 + CO 2 (4) C m H n + 2 [m+n/4] NO [m+n/4] N 2 + n/2 H 2 O + m CO 2 (5) H 2 + NO ½ N 2 + H 2 O (6) SO 2 + ½ O 2 SO 3 (7) 5/2 H 2 + NO NH 3 + H 2 O (8) SO H 2 H 2 S + 2 H 2 O (9) NH 3 + CH 4 HCN + 3 H 2 (10) CO + H 2 O CO 2 + H 2 (11) CH n + 2 H 2 O CO 2 + [2+n/2] H 2 (12) Reaksiyonlar CO + ½ O 2 CO 2 (2) CO + NO ½ N 2 + CO 2 (4) Fakir karışımlarda (2) numaralı reaksiyon etkin - O2 mevcut CO nun oksidasyonu gerçekleşiyor ve (4) numaralı reaksiyon için Yeterli CO kalmıyor CO + H 2 O CO 2 + H 2 (11) CH n + 2 H 2 O CO 2 + [2+n/2] H 2 (12) Zengin karışımlarda (11) ve (12) numaralı reaksiyonların hızlı gerçekleşmesi gerekiyor. 20

21 Egzoz Gazlarının Kontrolu HFK Etkisi Katalizörler Soy Metaller 21

22 Katalizörler Soy Metaller Sıcaklığın Dönüşüme Etkisi Dizel motorları Light off temperature - %50 dönüşüm veriminin sağlandığı sıcaklık Catalyst window sıcaklık artşı ile dönüşüm verimi düşüşü, örneğin SCR 22

23 Dönüşüm Verimi Dönüşüm Verimi 23

24 Soy Metaller - Dönüşüm Verimi HC Tutucu Katalizör (HC Trap) 24

25 HC Tutucu Katalizör Ara Tabaka Yapısı HC Tutucu Katalizör 25

26 Diesel Emisyon Kontrol Donanımları Oxidation Catalyst Exhaust PM Exhaust NO x Lean NO x Trap Reductant HC Less PM + Lower NO x Diesel Particulate Filter Exhaust PM Added Reductant Urea Less PM Exhaust NO x Selective Catalytic Reduction Lower NO x Partikül Filtresi 26

27 Cylinder pressure Needle lift Partikül Filtresi Common Rail Yakıt Donanımı PI Pilot injection MI Main injection Pol Post Injection Injector 0 Crank angle

28 Common Rail Yakıt Donanımı Main injection Split main for stable rich operation (storage cat.) Pilot injection for noise reduction Coupled post injection (soot reduction) Late post inj. for HC production (increase of exhaust temp.) LNT (Lean NOx Trap) Fakir karışımla çalışmada NOx depolanıyor Zengin Karışımla çalışmada N2 ye dönüştürülüyor 28

29 LNT (Lean NOx Trap) LNT (Lean NOx Trap) 29

30 sdpf Seçici Diesel Parçacık Filtresi SCR Selective Catalytic Reduction 30

31 SCR Selective Catalytic Reduction SCR Selective Catalytic Reduction 31

32 SCR Selective Catalytic Reduction SCR Selective Catalytic Reduction 32

33 SCR Selective Catalytic Reduction SCR Selective Catalytic Reduction 33

34 DeNOx Çalışma Prensibi ve Kazançlar SCR Selective Catalytic Reduction 34

35 SCR NOx İndirgeme Prensibi SCR Selective Catalytic Reduction 35

36 SCR Selective Catalytic Reduction SCR Selective Catalytic Reduction 36

37 SCR Selective Catalytic Reduction SCR Donanımı Etkisi 37

38 Real-World Exhaust Emissions (Source : International Council on Clean Transportation, 2015) Gasoline Direct Injection Engines NEDC test Residency Points shift up for downsized GDI engine o 2.4 liter, V6 engine 1.2 liter, I3 engine (Source : Freeland et al., FISITA, 2013) 38

39 CO2 Azaltım Yöntemleri Yakıt Tüketimi Azaltım Yöntemleri 39

40 Düşük Sıcaklıkta Yanma Diesel Engine major pollutants are NOx and PM There is a trade off between these emissions (Source: Akihama, SAE Advanced Combustion Concepts (Source : Ulas, PhD Thesis, TU Eindhoven, 2013) 40

41 Alternatif Motorlar 41