BUJİ İLE ATEŞLEMELİ BİR MOTORDA HAVA FAZLALIK KATSAYISININ NO EMİSYONU VE KATALİTİK KONVERTÖR VERİMİNE ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ Tolga TOPGÜL 1 Melih OKUR 2 Can ÇINAR 3 Fatih ŞAHİN 4 1 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü topgul@gazi.edu.tr Teknikokullar/Ankara 2 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü mokur@gazi.edu.tr Teknikokullar/Ankara 3 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü cancinar@gazi.edu.tr Teknikokullar/Ankara 4 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü fasahin@gazi.edu.tr Teknikokullar/Ankara ÖZET Yapılan bu çalışmada buji ile ateşlemeli bir motorda alternatif yakıt olarak LPG kullanılarak, farklı hava/yakıt oranlarında NO emisyonu değişimi ve katalitik konvertör verimi deneysel olarak incelenmiştir. NO emisyonu stokiyometrik hava/yakıt oranından biraz fakir bölgede (λ 1,05) en yüksek değerine ulaşırken, fakir bölgede (λ>1) katalitik konvertörün NO emisyonunu dönüştürme verimi son derece düşük gerçekleşmiştir. Ayrıca 1500 ve 2500 d/d motor devirlerinde tam gaz kelebek açıklığında aynı HFK değerlerinde LPG ve kurşunsuz benzinin (KB) karşılaştırılması yapılmıştır. LPG li çalışmada NO emisyonu %17,5-23 ve CO 2 emisyonu ise; %9,1-10,9 azalma göstermiştir. Anahtar kelimeler: Buji ile ateşlemeli motor, LPG, HFK, NO emisyonu, katalitik konvertör THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE RELATIVE AIR/FUEL RATIO ON NO EMISSION AND THE CATALYTIC CONVERTER EFFICIENCY ON AN SI ENGINE ABSTRACT In this study, the variation of NO emission and catalytic converter efficiency at different air/fuel ratios were experimentally investigated by using LPG as an alternative fuel for spark ignition engine. The conversion efficiency of the NO emission from the catalytic converter at the lean region (λ> 1) was extremely low, while the NO emission reached the highest value in the slightly poorer region than the stoichiometric air/fuel ratio (λ 1.05). Also, at 1500 rpm and 2500 rpm, wide open throttle was compared with LPG and unleaded gasoline at the same relative air/fuel ratios. In LPG operation, NO emission decreased by 17.5-23% and CO 2 emission reduced by 9.1-10.9%. Keywords: Spark ignition engine, LPG, relative air/fuel ratio, NO emission, catalytic convertor GİRİŞ İçten yanmalı motorlarda motora enerji yakıt ile verilmekte ve genellikle hidrokarbon kaynaklı yakıtlar kullanılmaktadır. Hidrokarbon kökenli bir yakıtın teorik olarak tam yanması sonucunda karbon dioksit (CO 2) ve su (H 2O) açığa çıkmaktadır. Ancak uygulamada motor stokiyometrik orandan daha fazla hava ile çalıştırılsa bile yakıtın tüm hidrokarbon yapısı bütünüyle okside edilemez. Yanma için yeterli sürenin bulunmaması ve yanmayı doğrudan veya dolaylı olarak etkileyen çeşitli çalışma ve motor parametreleri (sıkıştırma oranı, giriş hava sıcaklığı ve basıncı, supap zamanlaması, motor boyutları, yakıt türü vb.) kirletici olarak tanımlanan karbon monoksit (CO), yanmamış hidrokarbonlar (HC), azot oksitler (NO x) ve kükürt dioksit (SO 2) gibi çeşitli egzoz emisyonlarına neden olurlar. Buji ile ateşlemeli motorlarda egzoz emisyonlarına etki eden temel parametrelerden birisi hava/yakıt oranıdır. Motorun çalışması esnasındaki (gerçek) hava/yakıt 780
oranının stokiyometrik hava/yakıt oranına oranı (Eşitlik 1) hava fazlalık katsayısı; λ = (H/Y) gerçek /(H/Y) stokiyometrik (1) olarak tanımlanır [1, 2]. Şekil 1 de hava fazlalık katsayısına bağlı olarak buji ile ateşlemeli bir motorun egzoz emisyonlarının değişimi yer almaktadır. N + O 2 = NO + N (3) N + OH = NO + H (4) Ancak yaklaşık olarak 1500 nin altındaki sıcaklıklarda Eşitlik 2 ve 3 teki reaksiyonlar önemsiz hale gelir [4]. Buji ile ateşlemeli motorlarda CO, HC ve NO x emisyonlarının azaltılması için üç yollu katalitik konvertörler etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Bu konvertörlerin dönüştürme verimi %95 ten daha fazladır. Ancak dönüştürme verimi stokiyometrik orana yakın dar bir hava/yakıt bandında yüksektir. Ayrıca konvertörün emisyonları azaltabilmesi için yeterince ısınması gerekir [2, 7]. CO ve NO x emisyonlarının yaklaşık olarak %90 ını dönüştürmek için 300 sıcaklığa konvertörün ulaşması gerekir [2]. Şekil 2 de üç yollu bir katalitik konvertörün hava/yakıt oranına bağlı olarak CO, HC ve NO x emisyonlarını dönüştürme verimi görülmektedir. Şekil 1. Hava fazlalık katsayısına bağlı olarak egzoz emisyonlarının değişimi [3] NO x ifadesi, NO ve daha az miktarda NO 2 emisyonunu belirtmekte kullanılır. NO emisyonu, motorun çalışması esnasında oluşan bütün NO x emisyonlarının yaklaşık olarak %90-98 i kadardır [1, 4-6]. Güneş ışınlarının etkisiyle atmosferde reaksiyona giren NO x emisyonu oluşan fotokimyasal sisin önemli nedenlerinden birisidir. Bu nedenle arzu edilmeyen ve çıkarılan regülasyonlarla müsaade edilen sınırları sürekli olarak sınırlanan bir kirletici emisyondur [3, 6]. NO x oluşumunda en büyük etken havadaki nitrojendir. Yakıt karışımlarının içerisinde de bulunabilse de etkisi son derece düşüktür [1, 6]. NO x emisyonları yanma esnasında oluşan yüksek sıcaklığın bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Sıcaklığın en yüksek olduğu stokiyometrik oran yakınlarında ve nitrojenin oksijenle reaksiyona girebileceği ekstra oksijenin bulunduğu biraz fakir hava/yakıt karışımında en yüksektir [1, 4, 6]. NO oluşumu Zeldovich mekanizması ile açıklanmaktadır. Stokiyometrik oran yakınlarında ve fakir bölgede (λ>1) Eşitlik 2 ve 3 te belirtilen reaksiyonlar, λ<1 olduğu bölgede ise; Eşitlik 4 te ifade edilen reaksiyon NO oluşumunu belirlemektedir [1, 4]. Şekil 2. Üç yollu katalitik konvertörün verimi [7] Literatürde buji ile ateşlemeli motorlarda alternatif yakıt kullanımına yönelik çalışmalarda [4, 8-12] egzoz emisyonlarının değişimi ele alınan temel bir konudur. Çeşitli alkoller (metanol, etanol, bütanol vb.), hidrojen, likit petrol gazı (LPG) ve doğalgaz benzine alternatif olarak değerlendirilen yakıtlardır. LPG, buji ile ateşlemeli motorlarda başarılı bir şekilde kullanılan alternatif bir yakıttır. Tablo 1 de çeşitli özellikleri verilen LPG belirli oranlarda propan ve bütan karışımından oluşmaktadır [2]. O + N 2 = NO + N (2) 781
Tablo 1. LPG nin (Propan+Bütan) çeşitli özellikleri [13] Propan Bütan Formülü C 3H 8 C 4H 10 Yoğunluk (Sıvı fazda kg/m 3 ) 508 584 Alt ısıl değer (kj/kg) 46100 45500 Stokiyometrik H/Y oranı 15,65 15,43 Buharlaşma ısısı (kj/kg) 426 385 Araştırma oktan sayısı 111 103 Gümüş tarafından yapılan çalışmada [14] çift yakıtla (benzin ve LPG) çalıştırılan buji ile ateşlemeli bir motorun performans ve emisyon karakteristikleri incelenmiştir. 3800 d/d motor devrinde ve farklı yüklerde çalıştırılan motora LPG çeşitli oranlarda (%25, %50 %75 ve %100) verilmiştir. Egzoz emisyonları yönünden en iyi sonuçlar %100 LPG kullanımında elde edilmiştir. CO %53,3, HC %72,6 ve CO 2 emisyonu % 33,9 azalmıştır. Kim ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan çalışmada [15] LPG kullanımında toplam HC ve CO 2 emisyonları azalırken; NO x emisyonunda benzin ile aynı veya önemsiz bir azalma olduğu görülmüştür. Bayraktar ve Durgun tarafından yapılan çalışmada [16] aynı eşdeğerlik oranlarında motor performansı ve yakıt tüketimini LPG olumsuz etkilerken, CO ve NO gibi egzoz emisyonlarını azalttığı belirtilmiştir. Myung ve çalışma arkadaşlarınca yapılan çalışmada [17] seyir çevrimlerine göre direkt enjeksiyonlu buji ile ateşlemeli bir motorda benzin ve LPG karşılaştırılması yapılmıştır. LPG kullanımında CO 2 emisyonu yaklaşık %4-6 azalma göstermiştir. Ayrıca Federal Test Prosedürüne (FTP-75) göre toplam HC+NO x emisyonu %48 ve Avrupa Seyir Çevrimine göre %55 azalmıştır. Yapılan bu çalışmada buji ile ateşlemeli bir motorda alternatif yakıt olarak LPG kullanılarak, farklı hava/yakıt oranlarında NO emisyonu değişimi ve katalitik konvertör verimi deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca 1500 ve 2500 d/d motor devirlerinde tam gaz kelebek açıklığında aynı HFK değerlerinde LPG ve kurşunsuz benzinin (KB) karşılaştırılması yapılmıştır. MATERYAL METOT Deneysel çalışma Ford VSG 413 marka buji ile ateşlemeli ve tek nokta yakıt enjeksiyon sistemine sahip motorda gerçekleştirilmiştir. Dört zamanlı, dört silindirli ve su soğutmalı olan bu motorun frenlenmesinde eddy akımlı ve su soğutmalı dinamometre kullanılmıştır. Bu dinamometre 165 kw güce ve 8000 d/d motor devrine kadar frenleme yapabilmektedir. Motor ve dinamometre Cussons P8602 motor test sistemi üzerinde bulunmaktadır. Bu test düzeneğinde motor devri, motor torku, çeşitli sıcaklık değerleri (motor soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları, motor yağ sıcaklığı, egzoz gaz sıcaklığı, çevre sıcaklığı, yakıt sıcaklığı vb.), yakıt ve hava tüketimleri ölçülebilmektedir. Motorun teknik özellikleri Tablo 2 de ve deney düzeneğinin şeması Şekil 3 te yer almaktadır. Tablo 2. Deney motorunun teknik özellikleri Motor Gücü 43 kw 5000 d/d Motor Torku 98 Nm 2500 d/d Silindir Çapı X Kurs 73,96 x 75,48 mm Toplam Kurs Hacmi 1297 cm 3 Sıkıştırma Oranı 8,8:1 Ateşleme Sırası 1-2-4-3 Supap Zamanlaması Açılması Kapanması Emme 12 ÜÖN den 48 AÖN den önce sonra Egzoz 47 AÖN den 13 ÜÖN den önce sonra Soğutma ünitesi Cussons P8602 Motor Test Sistemi Deney motoru Dinamometre Katalitik konvertör Şekil 3. Deney düzeneğinin şematik görünümü Bilgisayar Emisyon Ölçüm Cihazı Deney motorunun LPG modifikasyonunda Atiker marka LPG dönüşüm sistemi kullanılmıştır. Tek nokta yakıt enjeksiyon sistemine sahip olan bu motorun LPG li çalışmasında yakıt emme manifoldu girişindeki karıştırıcıya gaz fazında verilmiştir. Bu sistemde yakıt deposunda sıvı fazda bulunan LPG karıştırıcıya gelmeden önce regülatörde gaz fazına geçirilmektedir. Yakıt tüketimi kütlesel yöntemle ölçülmüştür. Bu amaçla Dikomsan JS-BM 30 marka terazi kullanılmıştır. Ölçüm kapasitesi 30 kg olan bu terazi ile 1 g aralıklarla ölçüm yapılabilmektedir. Egzoz emisyonlarının ölçümünde Sun MGA 1500S marka egzoz gaz analizörü kullanılmıştır. Cihazdan sağlıklı ve tam zamanlı değerler alabilmek için RS232 portu üzerinden cihaz, bir masaüstü bilgisayara bağlanmıştır. Tablo 3 te egzoz emisyon cihazının ölçüm özellikleri görülmektedir. 782
Tablo 3. Sun MGA 1500S egzoz gaz analizörünün teknik özellikleri Ölçüm Aralığı Hassasiyet Hata CO (% hacimsel) 0 14 0,001 ±0,03 HC (ppm) 0 9999 1 ppm ±10 ppm CO 2 (% hacimsel) 0 18 0,001 ±0,5 NO (ppm) 0 5000 1 ppm ±25 ppm O 2 (% hacimsel) 0 25 0,01 ±0,1 Lambda (λ) 0 4 0,0001 Hava/Yakıt Oranı 5 50 0,001 Deneysel çalışma 1500 ve 2500 d/d motor devirlerinde ve tam gaz kelebeği açıklığında gerçekleştirilmiştir. Deneysel veriler kaydedilmeden önce motorun normal çalışma sıcaklıklarına ulaşması sağlanmış ve ardından teste geçilmiştir. Motor LPG ile çalışırken emme manifoldu girişinde bulunan LPG karıştırıcısının üzerinde bulunan ayar vidasıyla hava/yakıt oranı değiştirilmiştir. Çeşitli hava/yakıt oranlarına ilişkin veriler kaydedilerek sonuçlar grafikler halinde sunulmuştur. Ayrıca benzinli çalışmadaki HFK değeri dikkate alınarak aynı değerdeki LPG li çalışmada elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. DENEYSEL BULGULAR NO emisyonu temel olarak yanma odasındaki sıcaklığa ve oksijen konsantrasyonuna bağlı olarak değişim göstermektedir. Hava/yakıt oranına bağlı olarak katalitik konvertör girişindeki ve çıkışındaki NO emisyonu ve konvertörün dönüştürme verimi Şekil 4 te görülmektedir. Stokiyometrik orandan daha zengin karışımlarda silindir içerisine sürülen enerji daha fazla olmasına rağmen yanma veriminin azalması ve ortamdaki yetersiz oksijen NO oluşumunu yavaşlatmaktadır. Ancak motor çıkışında bulunan üç yollu katalitik konvertörün veriminin bu çalışma şartlarında her iki motor devrinde de %100 e yaklaştığı görülmektedir. Şekil 4. HFK ye bağlı olarak konvertör girişindeki ve çıkışındaki NO emisyonu ve konvertörün dönüştürme veriminin değişimi Şekil 5 te hava/yakıt oranına bağlı olarak katalitik konvertör girişindeki CO 2 ve O 2 konsantrasyonlarının değişimi görülmektedir. Yaklaşık olarak stokiyometrik hava/yakıt oranında en yüksek değerine ulaşan CO 2 nin daha fakir ve daha zengin karışım oranlarında azaldığı görülmektedir. Oksijen konsantrasyonu ise; zengin oranlardan fakir karışımlara doğru artış göstermekte ve yaklaşık olarak 1,2 HFK de %3,8 e ulaşmaktadır. Egzoz gazları içerisinde yer alan ekstra oksijen konvertörün dönüştürme verimini olumsuz bir şekilde etkilemektedir. 783
Şekil 5. HFK ye bağlı olarak CO 2 ve O 2 konsantrasyonlarının değişimi Çeşitli hava/yakıt oranlarında motorun bir silindirine çevrim başına sürülen enerji miktarı ve egzoz gaz sıcaklıklarının değişimi Şekil 6 da yer almaktadır. Hava/yakıt karışımının zengin olduğu (λ<1) bölgeden itibaren karşım fakirleştikçe silindire gönderilen yakıt ve enerji azalmaktadır. Ancak egzoz gaz sıcaklığı yaklaşık olarak stokiyometrik oran yakınlarında en yüksek değerine ulaşmaktadır. Alasfour tarafından yapılan çalışmada [18] genellikle daha düşük egzoz gaz sıcaklıkları tüm çevrim boyunca daha düşük sıcaklıkları işaret ettiği ifade edilmiştir. Dolayısıyla NO emisyonları da sıcaklıkların daha yüksek olabileceği stokiyometrik oran yakınlarında egzoz sıcaklıklarına benzer şekilde en yüksek olmaktadır. Şekil 6. HFK ye bağlı olarak momenti ve özgül yakıt tüketimlerinin karşılaştırılması Şekil 7 ve 8 de 1500 ve 2500 d/d motor devirlerinde kurşunsuz benzin ve LPG yakıtlarının karşılaştırılması yer almaktadır. Motor gerek benzinli gerekse de LPG li çalışmada aynı HFK değerinde çalıştırılmıştır. Katalitik konvertör girişindeki NO emisyonu LPG li çalışmada %17,5-23 azalmıştır. CO 2 emisyonu ise; %9,1-10,9 azalmıştır. LPG li çalışmada ayrıca daha düşük egzoz gaz sıcaklıkları elde edilmiştir. Şekil 7. 1500 d/d motor devrinde KB ve LPG nin karşılaştırılması 784
Şekil 8. 2500 d/d motor devrinde KB ve LPG nin karşılaştırılması SONUÇ Farklı hava/yakıt oranlarında LPG kullanımında NO emisyonu stokiyometrik hava/yakıt oranından biraz fakir bölgede (λ 1,05) en yüksek değerine ulaşırken, fakir bölgede (λ>1) katalitik konvertörün NO emisyonunu dönüştürme verimi son derece düşük gerçekleşmiştir. Çalışmada LPG ve kurşunsuz benzinin karşılaştırılması aynı HFK değerleri için gerçekleştirilmiştir. Katalitik konvertör girişindeki NO emisyonu benzine göre LPG li çalışmada %17,5-23 azalmıştır. Ayrıca CO 2 emisyonu %9,1-10,9 azalmıştır. Yine LPG li çalışmada daha düşük egzoz gaz sıcaklıkları elde edilmiştir. KAYNAKLAR [1] Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, Inc., 1998. [2] Schäfer, F. and Basshuysen, R. V., Reduced Emissions and Fuel Consumption in Automotive Engines, Springer-Verlag Wien New York, 1995. [3] Sher, E., Handbook of Air Pollution from Internal Combustion Engines Pollutant Formation and Control, Academic Press, 1998. p. 124 [4] Alasfour, F. N., NO x emission from a spark ignition engine using 30% iso-butanol-gasoline blend: part 1- preheating inlet air Applied Thermal Engineering, 18 (5): 245-256, 1998. [5] Abdel-Rahman, A. A., On the emissions from internal-combustion engines: a review, International Journal of Energy Research, 22 (6): 483-513, 1998. [6] Pulkrabek, W. W., Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Prentice Hall, 1997. [7] Bhattacharyya, S. and Das, R. K., Catalytic control of automotive NO x: a review, International Journal of Energy Research, 23 (4): 351-369, 1999. [8] Ceviz, M. A. and Yüksel, F., Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled lean burn SI engine Renewable Energy, 31 (12): 1950-1960, 2006. [9] Al-Baghdadi, M. A. R. S., Effect of compression ratio, equivalence ratio and engine speed on the performance and emission characteristics of a spark ignition engine using hydrogen as a fuel, Renewable Energy, 29 (15): 2245-2260, 2004. [10] Alasfour, F. N., NO x emission from a spark ignition engine using 30% iso-butanol-gasoline blend: part 2- ignition timing, Applied Thermal Engineering, 18 (8): 609-618, 1998. [11] Jia, L. W., Shen, M. Q., Wang, J. and Lin, M. Q. Influence of ethanol-gasoline blended fuel on emission characteristics from a four-stroke motorcycle engine, Journal of Hazardous Materials, 123 (1-3): 29-34, 2005. [12] He, B. Q., Wang, J. X., Hao, J. M., Yan, X. G. and Xiao, J. H., A study on emission characteristics of an EFI engine with ethanol blended gasoline fuels, Atmospheric Environment, 37 (7): 949-957, 2003. [13] Gong, C., Huang, K., Deng, B. and Liu, X., Catalyst light-off behavior of a spark-ignition LPG (liquefied petroleum gas) engine during cold start, Energy, 36 (1):, 53-59, 2011. [14] Gümüş, M., Effects of volumetric efficiency on the performance and emissions characteristics of a dual fueled (gasoline and LPG) spark ignition engine, Fuel Processing Techlogy, 92 (10): 1862-1867, 2011. [15] Kim, K., Kim, J., Oh, S., Kim, C. and Lee, Y., Lower particulate matter emissions with a stoichiometric LPG direct injection engine, Fuel, 187: 197-210, 2017. [16] Bayraktar, H. and Durgun, O., Investigating the effects of LPG on spark ignition engine combustion and performance, Energy Conversion and Management, 46 (13-14): 2317-2333, 2005. [17] Myung, C. L., Choi, K., Kim, J., Lim, Y., Lee, J. and Park, S., Comparative study of regulated and unregulated toxic emissions characteristics from a spark ignition direct injection light-duty vehicle fueled with gasoline and liquid phase LPG (liquefied petroleum gas) Energy 44 (1): 189-196, 2012. [18] Alasfour, F. N., Butanol-A single-cylinder engine study: availability analysis, Applied Thermal Engineering, 17 (6): 537-549, 1997. 785