HİBRİT OTOBÜS SEYİR HALİ EMİSYONLARININ ÖLÇÜM VE MODELLENMESİ T.. SANAYİ VE TİARET BAKANLIĞI VE TEMSA AR&GE TEK. A.Ş. DESTEKLİ SAN-TEZ PROJESİ 6.AY RAPORU TOPLU TAŞIMADA KULLANILAN OTOBÜSLERDEN KAYNAKLANAN EMİSYONLARIN ANALİZİ, SEYİR ÇEVRİMLERİNİN OLUŞTURULMASI VE EMİSYON YAYILIMLARININ MODELLENMESİ Proje Yöneticisi: Doç. Dr. Şeref Soylu SAKARYA ÜNİVERSİTESİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ SAKARYA MART-009
ÖZET Bu rapor HİBRİT OTOBÜS SEYİR HALİ EMİSYONLARININ ÖLÇÜM VE MODELLENMESİ San-tez Projesinin 6. Ay raporu olarak Proje araştırmacıları tarafından hazırlanmıştır. Raporun amacı projenin 6 aylık sürecinde yapılan çalışmaların bilgilendirilmesidir. Raporun içeriği, belediye otobüslerinden kaynaklanan egzoz emisyonlarının kontrol sistemlerinin incelenmesi, seyir hali emisyonlarının ve yakıt tüketiminin belirlenmesi için sürüş çevrimi oluşturma yöntemlerinin belirlenmesi ve bu egzoz emisyonlarının yayılımını belirlemek için hava kalitesi modellerinin incelenmesidir. Egzoz gazı kontrol sistemleri ile ilgili yapılmış çalışmalar incelenerek bütün sistemlerin çalışma prensipleri, yapıları, avantajları ve dezavantajları açıklanmıştır. Egzoz emisyonlarının kontrol sistemlerinin seyir hali araçlardaki giderim verimini hesaplamak için çalışmalara geçilmiştir. Yurtdışında kullanılan sürüş çevrimlerinin incelenmesi neticesinde çevrimlerin nasıl geliştiği, ne amaçla yapıldıkları ve sonuç olarak yakıt tüketimi ve egzoz emisyonlarının gelişimi için gerekli oldukları belirlenmiştir. İncelemeler sonucu bölgeden bölgeye farklı trafik durumları gözlenmiştir. Türkiye de belediye otobüsü sürüş çevrimi oluşturulması için literatür araştırması yapılarak uygun yöntem belirlenmiştir. Otobüs kaynaklı emisyonların caddeye yayılımının belirlenmesi amacıyla STREET ve OSPM cadde kanyon modelleri incelenerek yayılım modeli hazırlanmıştır.
İÇİNDEKİLER BÖLÜM 1...6 1.1. Seçici Katalitik İndirgeme (SR)...6 1.. NOx Oluşum Mekanizması...7 1.3. Çalışma Prensibi...7 1.4. NOx ve Standartar...8 1.5. Kullanılan indirgeyiciler...9 1.6. Üre Hakkında Bilgi...9 1.7. Üreyle İlgili Genel Düşünceler...10 1.8. Kullanılan katalizörler...10 1.9. SR avantaj ve dezavantajları...11 1.10. Literatürden İncelenen Çalışmalar...1 Bölüm...1. 1. Egzoz gazı resirkilasyonu (EGR)...1.. EGR ve Standartlar...1.3. NOx Giderimi için EGR Tekniği....4. EGR Sisteminin Sınıflandırılması....4.1 Sıcaklığa göre....4.. Biçime göre....4.3. Basıncına göre....5. Literatürden İncelenen Çalışmalar...3 BÖLÜM 3...33 3.1. Dizel Partikül Filtre(DPF)...33 3.. PM oluşumu...33 3.3. PM ve Standartlar...34
3.4. Filtre Malzemesi...36 3.5. Rejenerasyon Sistemi...36 3.5.1. Aktif yöntem:...36 3.5.. Pasif sistem:...37 3.6. Literatürden İncelenen Çalışmalar...37 SONUÇ...41 Bölüm 4...4 4.1. Sürüş Çevrimi...4 4.. Günümüzde ABD, AB, ve Japonya da kullanılan çevrimler...44 4..1. Amerika Sürüş Çevrimi (FTP-75)...44 4... Japon Sürüş Çevrimi...45 4..3. Avrupa Sürüş Çevrimleri...46 4..3.1. Yeni Avrupa Sürüş Çevrimi (New European Driving ycle (NED))...46 4..3.. Avrupa Sabit Çevrimi (European Stationary ycle (ES))...47 4..3.3. Avrupa Değişken Çevrimi (European Transient ycle (ET))...47 4.3. Gerçek Dünya sürüş çevrimi...48 4.4. Şehir içi yolcu otobüsü temel sürüş karakteristikleri...49 4.5. Sürüş Çevrimlerinin Karakterizasyonu...50 4.6. Sürüş Çevrimi Oluşturulması...53 BÖLÜM 5...54 5.1. adde Kanyonlarında Hava Kirliliğinin Modellenmesi...54 5.. STREET-SRI Modeli...54 5..1. STREET Modelinin Uygulanması...55 5... Modelin Uygulanması...56 5.3. Operasyonel adde Kirliliği Modeli (OSPM)...58 5.3.1. Operasyonel adde Kirliliği Modeli (OSPM) Uygulaması...59
5.3.1.1. Araçların Yaratığı Türbülans...59 5.3.1.. Dikey Türbülans...59 5.3.1.3. Dikey Dispersiyon...60 5.3.1.4. Doğrudan Dispersiyon...60 5.3.1.5. Kutu Modeli...61 5.4. Sonuç...63 REFERANSLAR...65
BÖLÜM 1 1.1. Seçici Katalitik İndirgeme (SR) Dizel motorlarda difüzyon yanma esnasında oluşan NOx ve PM emisyonları arasında Şekil 1.1 de görüldüğü gibi ters orantı bulunmaktadır ve her biri için yanma işleminin optimizasyonu mümkün değildir. Dolayısıyla düşük PM için etkili kılınan yüksek derecede yakıt verim oranlı motorlar yüksek NOx üretimine sebep olmaktadır. Fakat etkin bir egzoz kontrol sistemi olan SR sistemli kombinasyonlarda dizel yakıt verim oranı azaltılmaksızın çok düşük NOx emisyon potansiyeli başarılmaktadır. Yanma optimizasyonu Motorda NOx giderim yöntemi Motorda PM giderim yöntemi Partikül kontrol sistemi NOx kontrol sistemi Şekil 1. 1: NOx ve PM emisyonları arasındaki ters orantı [1]
1.. NOx Oluşum Mekanizması Emisyon oluşumunda en büyük problem yanmanın, geçici ve yüksek ölçüde heterojen olmasıdır. Yanma odasında NO x, son alev cephesinin gerisinde oluşur. N in başlangıçtaki oluşum hızı kısmen sıcaklığa bağlıdır. Oksijen yoğunluğunun yüksek olması da NO x oluşum hızını arttırır. [NOx ]= f (T, [O ] ) NO oluşum hızı alevin geçmiş olduğu bölgelerdeki gaz sıcaklığına ve karışım oranına bağlıdır. NO, NO ve NO n bir arada toplanarak NOx leri oluşturmaktadır. Motorlarda NO ve NO NOx in baskın bileşenlerindendir. Bu iki kirletici maddenin arasında bazı ayırt edici farklar vardır. NO, keskin kokulu bir kırmızımsı-kahve gaz olurken NO, renksiz ve kokusuz bir gazdır, Her iki gaz, zehirli olduğu düşünülür ama NO 'nin, zehirlilik düzeyi NO dan 5 kat daha büyüktür. NO, büyük ölçüde NO'nun oksidasyonundan oluşmasına rağmen, önemli olan nokta NO nun yanmadan önce ve sonra nasıl kontrol edildiğidir[]. NO oluşumunda en çok kabul gören mekanizma, Zeldovich [3] tarafından bulunan aşağıdaki denklemler olarak kabul edilmektedir. N + O NO + N, (1) N+ O NO + O, () N + OH NO + H. (3) 1.3. Çalışma Prensibi SR çalışma prensibi genel olarak; bir indirgeyici katalizörden egzoz akışına karşı enjekte edilmektedir. Katalizörde azot oksitler (NOx), enjekte edilen indirgeyici tarafından oluşan amonyak (NH 3 ) ile azot ( N ) ve suya (H O) indirgenmektedir. NH 3, yüksek sıcaklıklarda üreden ve hidroliz ile oluşturulur. NH 3 oluşum reaksiyonları; O H N NH NH 3 + HNO (4) HNO + H O NH 3 + O (5) Üre çözeltisi, parçalara bölündüğü ve sıcak egzoz gaz akışına enjekte edildiği zaman damlacıklar ısıtılır ve ilk olarak su buharlaştırılır. Daha sonra dizel egzozunda NOx'in çoğunlukla NO dan oluşmasından dolayı SR reaksiyonları; NO + NO + NH 3 N + 3H O (6) 4 NO + O +4 NH 3 4N + 6H O (7) NO + O +4 NH 3 3N + 6H O (8) şeklinde ifade edilir.
1.4. NOx ve Standartar Bu katalitik, 30 yıl öncesinde Japonya'da buji ile ateşlemeli motorların (BAM) NOx emisyonlarının azaltmak için geliştirildi. Kullanılan ilk indirgeyici anhydrous amonyağıdır. SR teknolojisi, dizel motorlarda 80'lerin ortasında kullanılmaya başlanmıştır. İlk uygulamalar, sabit jeneratör sistemlerinde kullanılmıştır. 1991'de Daimler hrysler, MAN, IVEO ve Siemens arasında ortaklaşa sürdürülen çalışmalar ağır ticari taşıtlarda SR teknolojisini kullanımını mümkün kılmıştır. Bugün, SR teknolojisi Avrupa daki yeni düzenlemeleri 008 Ekim'de etkili olan EURO 5'e uygunluğunu garantilemektedir. Katalizör, verimli NOx indirgenmesinin yanında alçak yakıt tüketimini de sağlamaktadır [4]. Avrupa da ağır ticari dizel taşıtlarda NOx emisyonlarının indirgenmesinde en iyi metot SR teknolojileri seçilmiştir. Bu Avrupa Otomobil İmalatçıları Birliği (AEA) tarafından 1 Temmuz 003 de onaylanmıştır. AEA, üyelerine SR teknolojisi, Euro IV ve V emisyon standartlarına uyma olanağı sağlayacağını iletmektedir. Gelecek Euro VI standartlarının karşılanması ve hatta daha düşük emisyonlar için SR teknolojisi yüksek bir potansiyel göstermektedir. Ayrıca, imalatçılar günümüzde bu teknolojiyi kullanan hafif-ticari taşıtlarını üretmeye başlamıştır. Dizel motorlu ağır ticari araçlar için 008 den beri takip edilen Euro 5 yönetmeliğine göre hem NOx hem de partikül emisyonlarının bugünkü durumundan çok daha fazla azaltılması gerektiği görülmektedir. 008 Euro 5 standartları Tablo 1.1 ve Tablo 1. de görülmektedir. Tablo 1. de görüldüğü gibi NOx için g/kwh ve PM için 0.0 g/kwh değerlerinin karşılanabilmesi için yalnız motor yönetim sistemleri veya yanma sistemlerinin geliştirilmesi yeterli değildir. SR teknolojisi gibi egzoz emisyon kontrol sistemlerinin bazı türleri kullanılmalıdır [5,6,7,8]. Tablo 1.1: Hafif-ticari araçlar için EURO standartları Hafif PM (mg/km) NO x (g/km) H (g/km) H+NO x (g/km) Ticari Araçlar Euro 1 140 - - 0.97 Euro 80/100 - - 0.7/0.9 Euro 3 50 0.50-0.56 Euro 4 5 0.5-0.30 Euro 5.5 0.08 0.05 -
Tablo 1. :Ağır-ticari araçlar için EURO standartları Ağır Ticari Araçlar NO x (g/kwh) H (g/kwh) PM (mg/kwh) Euro I 9.0 1.3 400 Euro II 7.0 1.1 150 Euro III 5.0 0.66 100/160 Euro IV 3.5 0.46 0/30 Euro V.0 0.46 0/30 Euro VI 0.05 0.46 /3 Global düzenlemeler; USA da sınır değerleri 007 den itibaren NOx için 87mg/km olarak konulmuştur. Japonya'da, yeni düzenlemelerin yürürlüğe 009'da girmesi planlanmıştır. Dizel taşıt NOx değerleri 80 mg/km olması gerekecektir. EU yasası 014 e kadar temiz dizel araçlarda egzoz gazı kontrol sistemleri için değerleri değiştirmeyecek bugünkü gibi kalacaktır 1.5. Kullanılan indirgeyiciler SR sisteminde kullanılan indirgeyicilerden en önemlisi ve etkin olanı üre çözeltisidir ve üre piyasada Adblue şeklinde adlandırılmaktadır. Bununla birlikte SR sisteminde hidrokarbon(h), u, gibi maddelerde indirgeyici olarak kullanılmaktadır. Fakir yanma motorlarında H ile NOx'in SR sistemi emisyonu kontrolü için umut verici bir metottur. 1.6. Üre Hakkında Bilgi Üre+SR dizel motorlar için kanıtlanmış NOx sistemidir. Bunun nedenleri ise; 1. NOx azalmasının fazla olmasıdır.. SR katalizör sistemleri yakıttaki kükürde karşı dayanıklılık göstermektedir. 3. Dayanıklılık, göstermektedir. 4. Diğer pazarlarda uzun bir tarihi vardır. 5. Nihai kullanıcı için üre çözeltisini dağılımı kolaydır.
1.7. Üreyle İlgili Genel Düşünceler 1. Temiz çözeltidir ve sudan çok daha az ağırdır.. Ürenin zararlı olmadığı düşünülmüştür. 3. Diyonize edilmiş suda ürenin çözeltisi ağırlıkça %3 dir. 4. Pirinci, bakırı ve yumuşak çeliği aşındırır. 5. Paslanmaz çelik, plastikler ve bazı alüminyumlarla reaksiyona girebilir. 6. -11, 7 donmaktadır. Fakat hem buzda hem sıvıda konsantrasyonu korumaktadır. 7. 138 üstünde reaksiyon başlamaktadır. 8. İçindeki su buharlaşabilmektedir. 9.Tesisat boyunca nüfuz etme özelliği vardır. 10.Dökülmeler, birçok beyaz artık bırakır. 11.Üre çözeltisi, az tahriş edicidir. 1.Üre çözeltisi fiyatları dizel yakıtlar ile aynıdır 13.Depolamada periyodik karıştırmayı gerektirebilir [9]. 1.8. Kullanılan katalizörler Katalizörler SR prosesinin en önemli elemanlarıdır. Tipik katalizörler titanyum dioksit (TiO ), vanadyum pentaoksit (V O 5 ) ve tungsten trioksittir (WO 3 ). Tungsten trioksit termal ve mekanik kararlılık sağlar. Titanyum dioksit işletme sıcaklıklarına en iyi uyum sağlayan katalizördür. Vanadyum pentaoksit yüksek aktivite ve seçiciliğe sahiptir, çok iyi reaksiyona girmekte ve işletme ömrü uzun olmaktadır. Egzoz gazında bulunan toz partikülleri ile tıkanması ve aşınması nedeniyle arıtma verimi düşebilmektedir. Bu yüzden katalizör tasarımında tıkanmaya, aşınmaya ve aşın basınç düşüşlerine karşı gerekli önlemler alınmalıdır. Katalizörler granül biçiminde tanelerden oluşmakta, sabit ve hareketli bloklar biçiminde düzenlenmektedir. Günümüzde otomotiv egzoz katalizörler için popüler tasarım olarak tekparça sütunlu katalizörler kullanılmaktadır. Bir tek parça sütunun, paralel petek yapısı ve genellikle düz kanaları veya hücreleri vardır. Katalizörle ilgili karşılaşılan problemlerden biri de katalizör zehirlenmesidir. Katalizör NOx'in indirgenme reaksiyonunu hızlandırırken, yakıttaki kükürtten kaynaklanan SO 'nin SO 3 'e oksidasyonunu katalizör zehirliliğini arttırarak arıtma verimin düşürebilmektedir.
1.9. SR avantaj ve dezavantajları 1.9.1 Avantajları 1. SR teknolojisi, Euro 5 ve ileri düzenlemelere uyması açısından güvenli ve sağlam bir yatırımdır.. SR, tüm Avrupa da geçerlidir, ayrıca muadil teknolojilerle kıyaslandığında, kötü kalite dizel yakıta daha uyumludur. 3. SR sistemi nadir bakım gerektirir, araç ömrü boyunca kullanılabilir. 4. SR teknolojisi, monte edildiği aracın bakım ve yağ değiştirme aralıklarını etkilemez. 5. SR, yüksek motor gücüne elverişlidir. 6. Euro 4 ve Euro 5 e uyumlu sistemler arasında en az yakıt tüketeni SR dır. 1.9.. Dezavantajları 1. Göreceli olarak yüksek yatırım ücreti. Adblue depolanması ve taşınması ekstra maliyet ve zorluk getirmektedir.
1.10. Literatürden İncelenen Çalışmalar 1. Ahlstrom Silversand ve Odenbrand [10] tel-bal peteği, tekparça sütun ve top katalizörlerinin performanslarını kıyaslamıştır. Tel ağ katalizörlerinde, yüksek kütle ve sıcaklık-transfer sayıları, ölçülü basınç düşüşü, gözenek yayılması gibi önemsiz etkiler olduğunu açığa çıkarmıştır. Çalışmada karşılaştırılan katalizörler Şekil 1. de gösterilmektedir. Şekil 1. : Farklı katalizörlerin fotoğrafları, (a) tel-bal peteği katalizörü, (b) kare kanallarla oluşan katalizör (50 cpsi), (c) üçgenlerden oluşan katalizör (400 cpsi), (d) top katalizörleri [10]. Tel-ağ peteğinin etkisini test etmek için, propen tarafından NOx'in seçici katalitik indirgemesinin katalitik faaliyeti, diğer geleneksel katalizörlerle kıyaslandı. Pd yüklemesi ve deneysel koşullar aynıydı ve sonuçlar Şekil. 1.3'de gösterilmektedir. NOx Dönüşümü (%) Alumina tozu Seramik 50 cpsi Seramik 400 cpsi Sıcaklık Metal bal peteği Şekil 1. 3. Tel-ağ petek katalizörünün, diğer katalizörlerden daha iyi performans sergilediği görülmektedir[10].
Top katalizörleri ve Seramik yek pare katalizörleriyle kıyaslanan, tel-ağ petek katalizörü, alçak sıcaklıklarda propen tarafından NOx'in seçici katalitik azalması için daha yüksek faaliyeti sergiler. Tel-ağ petek katalizöründe en iyi faydalanma, bir başlangıç olarak düşük sıcaklık ve yüksek termik iletkenlikte sağlanabilir[10].. Ioannis Gekas, Pär Gabrielsson ve Keld Johansen [11] tarafından yapılan bir çalışmada, hazırlanan SR katalizör kombinasyonları arasındaki farklılıklar ve farklı sürüş çevriminde NOx giderme verim oranları Tablo 4 de karşılaştırılmaktadır. Çalışmadaki farklı katalizör kombinasyonları Şekil 1.4 de şematik olarak gösterilmektedir. Üre enjektesi SR katalizörü Preoksidas Üre Üre enjektesi SR Katalizörü Oksidasyon Katalizörü SR katalizörü Şekil 1.4: Katalizör kombinasyonları [11]. İlk olarak, farklı hacimlerde saf üre gönderilen SR katalizörü bulunmaktadır. İkincisinde oksidasyon katalizörü, üre SR katalizörünün arkasına konulur. Oksidasyon katalizörünün görevi, SR katalizöründen sonra kaçan fazla NH 3 'ü okside etmektir. Çünkü katalizör sisteminin amacı NH 3 kaçışını azaltmaktır. Üçüncüde ise pre-oksidasyon katalizörü SR katalizörünün önüne konulmuştur. Ayrıca iki olaydaki gibi SR katalizöründen sonra oksidasyon katalizörü de bulunabilmektedir. Çalışmada hedef, egzoz gaz kontrol sisteminde katalizör seçimi için uygun katalizör kombinasyonu ve bundan sonra üre enjeksiyon sisteminin optimizasyonunu sağlamaktır. Yapılan testler bütün katalizörler için istenen %80-85 yüksek NOx dönüştürme verimi düşük NH3 kaçışı ile başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Katalizör kombinasyoları Tablo 1.3 de gösterildiği gibidir. Katalzör kombinasyonlarından NH3 kaçışı olmadan %80 NOx azalmasının başarısı DNX45, DNX15+DNX15-Pd ve DNX15+DNX-Pt ile gerçekleşmiştir. Bu üç kombinasyondan herhangi birine KM preoksidasyon katalizörü eklenmesi uygun kombinasyon olabilir. DNX30 kriterlerin başarı sınırındadır. DNX15 ve ayrıca KM+DNX15 NOx dönüşümün başarısı yeterli değildir.
Tablo 1.3: Katalizör kombinasyonlarının özellikleri Katalizör ismi Hücre boyutu (cpsi) Hacmi(lt) Aktif malzeme DNX 15 130 15 V/TiO DNX 30 130 30 V/TiO DNX 45 130 45 V/TiO DNX 15-Pd 130 15 V,Pd/TiO DNX 15 Pt 130 15 V,Pt/TiO KM 130 8 Pt/Al O 3 Katalizör seçimi: Üç uygun adaydan DNX15 ve DNX15-Pt kombinasyonu test için seçilmiştir. DNX-45 her ne kadar bütün katalizörler arasında en iyi sonuç veren olsa da, yüksek hacminden dolayı test için seçilmemiştir. DNX15 ve DNX15-Pd ya da DNX15-Pt aynı performansları gösterir. DNX15 ve DNX15-Pd katalizörleri ile transit testi: ET çevrimi DNX15+DNX15-Pd katalizör kombinasyonu ile düzenli enjeksiyon stratejisinde çalışır. DNX15 ve DNX15-Pd katalizörleri Şekil 1.5 de görüldüğü gibi 8 g/kwh NOx miktarını ET çevriminde 7,5 ppm NH3 kaçışı ile 1,45g/kWh e düşürülmektedir. NOx NH3 kaçışı Üre enjeksiyonu(g) Şekil 1.5: DNX15 ve DNX15-Pd katalzörleri ile ET çevrim sonuçları [11]. DNX15 ve DNX15-PD katalizörleri ile ES testleri: Tablo 1.4 de görüldüğü gibi NOx in yüksek dönüşümü gerçekleştirilebilmiştir ve 3-4 ppm lik küçük NH 3 kaçışı ile 9,3 g NOxg/kWh temel emisyon 1.53 g/kwh a düşürülmüştür bu durum ise %83,5lik bir dönüşüm anlamına gelmektedir. ET çevrimi gibi H ve O gideriminin %95inden fazlası DNX15- DNX15-Pd katalizörleri ile başarılmıştır. ES çevriminde DNX15-DNX15-Pd katalizörleri ile NOx, O, H giderim verimi Tablo 1.4 de verilmiştir.
Tablo 1.4: ES çevriminde bütün kirleticilerin giriş ve çıkış değerleri Çevrim NOx O H NH3 Üre/yakıt ES g /kwh Ppm % SR giriş 9,3 5,6 0,85 0,8 0 SR çıkış 1,53 0,07 0,04 3 7,7 Oran 83,6 98,7 95,7 3. SR sisteminde NOx indirgenmesinde kullanılan katalizörlerin karşılaştırılması için bir çalışma ise Joon Hyun Baik [1] tarafından yapılmıştır. Farklı SR katalizörlerinin NO dönüşüm verimine etkileri Şekil 1.6 da karşılaştırılmıştır. Katalizörler arasında, uzsm5 katalizörünün NO dönüşüm veriminin en yüksek olduğu açığa çıkmaktadır. Özellikle 50 nin altındaki düşük reaksiyon sıcaklıklarında bile dönüşüm verimi yüksektir. Katalizör 150 ve 100,000 h -1 lik çalışmada %60 dan fazla NO dönüşüm verimi görülmüştür. 00-400 geniş çalışma sıcaklığı çerçevesinde ise %90 dan fazla NO dönüşüm verimi görülmüştür. NO Dönüşümü (%) Reaksiyon sıcaklığı ( ) Şekil 1. 6:NH3 tarafından NO indirgenmesi için SR katalizörünün aktivitesi. 500 ppm NO, 500 ppm NH3, 5%O, 10% H O ve N dengesi Reaktör SV: 100,000 h -1 [1].
u yüklemesinde, uhm, uusy ve ufer Şekil 1.7 de görüldüğü gibi operasyon sıcaklığında özellikle uzsm5 katalizöründen daha düşük DeNOx aktivitesi gösterir. NH3 tarafından NO giderimi için bu çalışmada zeolit katalizörü gibi ZSM5, zeolit testlerinin diğer kısımları arasında en iyi olanıdır. NO Dönüşümü (%) Reaksiyon sıcaklığı ( ) Şekil 1.7:NH 3 tarafından NO indirgenmesi için u-zeolit katalizörünün aktivitesi. 500 ppm NO, 500 ppm NH 3, 5%O, 10% H O ve N dengesi Reaktör SV: 100,000 h -1 [1]. 4. B.M. Penetrante [13] tarafında yapılan bir çalışmada NO nun NO ye çevriminde SR sistemi ile çok aşamalı SR sisteminin karşılaştırılması yapılmıştır. NOx in çok aşamalı seçici katalitik indirgemesi Şekil 1.8 de görüldüğü gibi aşamada tamamlanmıştır. İlki bir oksidasyon katalizörü hidrokarbon yokluğunda NO yu NO ye çevirir. Oksidasyon katalizörü+no+o NO Sonra indirgeme katalizörü (hidrokarbonları kullanan seçici indirgeme tarafından) NO yi N ye indirger. İndirgeme katalizörü+no+h N +O +H O
Giriş Gazı Oksidasyon katalizörü NO, O NO İndirgeme katalizörü n H m NO, n H m, O N, H O, O Çıkış Gazı Şekil 1. 8: Çok aşamalı seçici katalitik indirgeme sistemi [13]. Şekil 1.9 NO nun NO ye oksidasyonu için Pt-bazlı katalizör tarafından 500 ppm NO, %10 O ve N dengesini kapsayan egzoz gaz modelinde verim oranı görülmektedir. Oksidasyon verim oranı 50 de maksimuma çıkar. Verim oranı 00 sıcaklıkların altında ve 400 nin üstünde düştüğü görülmektedir. Katalitik oksidasyon Pt-bazlı katalizör NOx Dönüşümü (%) Sıcaklık Şekil 1.9: Oksidasyon katalizöründe sıcaklık-verim oranı ilişkisi [13]. Çok aşamalı SR ın klasik SR a göre farklı avantajları vardır. İlki, çok aşamalı SR katalizörden yüksek NOx indirgeme verim oranı sağlamaktadır. İkinci olarak, çok aşamalı SR NO indirgeyici ve hidrokarbon oksidasyon katalizörü arasındaki seçicilik problemini hafifletir
5. William Miller [14] tarafından yapılan başka bir çalışmada ise örnek taşıt, 00 cpsi (inc karedeki hücre sayısı) katalizör ilavesi, düşük NOx çıkışlı motor kalibrasyonu ve geliştirilmiş NOx giderim verim oranlı SR sistemi ile güncelleştirilmiştir. Katalizörden önceki ve sonraki NOx seyir hali ölçülmüştür ve önceki sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Çalışma 4 aşamalı gerçekleşmiştir. İlk emisyon testi 100 cpsi katalizörünün kullanılarak 1998 yılında yürütülmüştür. Bu çalışmanın sonuçları 1999 da bir kamyona uygulanmıştır ve seyir hali testler tamamlanmıştır. İkinci emisyon laboratuar testi 00 cpsi katalizörünün kullanılarak ve NOx çıkış seviyeleri düşürülerek 1999 yılında yürütülmüştür. Kamyonlar 000 yılında yeni katalizörlerle ve kalibrasyonlarla güncellenmiştir. Motorda yapılan testler belirlenmiş NOx indirgenmesini US-transit ve OIA emisyon test çevrimlerini kullanarak sağlamayı hedeflemektedir. Bu çevrimler gelecekteki US emisyon standartlarını içermektedir. Taşıt testleri gerçek dünya sürüş çevrimelerine bağlı SR+üre sistem performansını gösterecektir. Bu testler teknolojinin başarıyla uygulandığını ispatlanmıştır. Bu çalışmanın amacı; 1.SR+üre yi bir HD dizel motoruna uygulamak,. US-transit ve OIA çevrimlerine bağlı motor emisyonlarını belirlemek, 3. SR+ure yi bir HD dizel kamyonuna uygulamak, 4.Seyir haline bağlı NOx indirgenmesini ve üre tüketimini belirlemektir. SR+ure Sistemi Şekil 1.10 da gösterildiği gibi SR katalizörü homojendir ve metal katalizörden(tio-vo5-wo3) imal edilmiştir. Bu katalizörün hacmi 45 litre ve hücre yoğunluğu 00cpsi dır. SR katalizöründen önce ve sonra oksidasyon katalizörü kullanılmamaktadır. Motor Tanımlaması Metalden üretilmiştir (TiO -V O 5 -WO 3 ) 45 litre 00 cpsi Oksidasyon katalizörü Oksidasyon katalizörü yok yok Şekil 1.10:SR+üre sistemi
Emisyon ölçümleri başlangıç noktasından ve 00 cpsi katalizörlü SR+üre sisteminin en uygun hale getirilmesinden sonra kaydedilmiştir. Soğuk US-transit, Sıcak US transit ve OIA sonuçları Şekil 1.11-1-13 de gösterilmektedir. Soğuk US-transit soğuk havalarda gerçekleştirilmiştir. Sıcak US transit ise prosedüre uygun şekilde yapılmıştır. Soğuk test uygulandıktan sonra 0dakika motor duruş periyodu ve arından sıcak test uygulanmıştır. Emisyon değişimi (%) NH3 kaçışı (ppm) Şekil 1. 11:US sıcak-transit sürüş çevrimi sonuçları [14]. Emisyon değişimi (%) NH3 kaçışı (ppm) Şekil 1.1: US soğuk-transit sürüş çevrimi sonuçları [14].
Emisyon değişimi (%) NH3 kaçışı (ppm) Şekil 1. 13: OIA sürüş çevrimi [14]. Kullanılan SR+üre soğuk US transit, sıcak US-transit, ve OIA çevrimlerinde sırasıyla 55,6%, 70,5%, ve 85,6% NOx indirgeme verimi sağlanmaktadır. H indirgenmesi ölçülebilir seviyelerin aşağısındadır. PM indirgenmesi US transitte % ve %5 dir. NH3 kaçışı çevrimler boyunca 0.35, 0.40, ve 0.4 ppm ortalamalarında kontrol edilmiştir. Bu düşük NH3 seviyeleri kontrollü dozaj seviyeleri sayesinde sağlanmıştır. O, US transitte %8,3 ve %37,5 artmıştır. Bu üre hidrolizi veya H kısmi oksidasyonun yan ürünü olabilir. Yinede bu seviyeler güncel O standartlarına nazaran düşüktür. O de önemli değişiklik görülmemektedir.
Bölüm. 1. Egzoz gazı resirkilasyonu (EGR) Yanma sırasında oluşan NO X miktarı büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Yanma odası içindeki karışımın egzoz gazları ile seyreltilmesi sonucu maksimum yanma sıcaklıkları, dolayısıyla üretilen NO x miktarı azalmaktadır. EGR sisteminde egzoz gazının bir bölümü, şekil.1 de görüldüğü gibi silindire tekrar gönderildiğinde egzoz gazı seyreltici olarak görev yapar. Bu yanma zamanında O konsantrasyonunu azaltır. Oksijen konsantrasyon değişikliği alevin yapısını da değiştirir ve bu yüzden yanmanın süresini değişir. Ayrıca yanma odasındaki gazlarının özgül ısı kapasitesini yükselterek maksimum gaz sıcaklığı düşürmektedir. Bu durum yakıt ve oksijen moleküllerinin buluşup reaksiyona girme ihtimalini azaltır. Buna bağlı olarak reaksiyon hızı ve lokal alev sıcaklığı düşerek, NO x oluşumunun azalmasına sebep olacaktır. Emme Egzoz Gazı EGR Şekil.1: EGR çalışma prensibi.. EGR ve Standartlar Uzun yıllardan beri NOx ve PM için katı emisyon yasaları düzenlenmiştir. Dizel motorlarda tipik olarak O ve H emisyonları düşüktür fakat NOx ve PM emisyonları oldukça yüksektir. Bu yüzden, emisyon standartları karşılamak için, egzoz gazındaki bu kirleticileri azaltmak en büyük hedeflerdendir. EGR bu standartlardaki seviyeleri karşılamak için temel zorunluluk haline gelmiştir. EGR sistemine olan ilginin birkaç önemli nedeni vardır. İlk olarak, gelecek Avrupa direktifleri NO X emisyonları için önemli sınırlamalar getirmektedir. İkinci olarak, NO X emisyonları daha fazla indirgemeye ulaşmak için diğer kullanılan teknikler ile (turbo-şarj ve ileri yakıt enjeksiyon sistemleri) birleştirilmiştir. Üçüncü olarak, EGR valflerinin üretimi ve kontrol sistemindeki gelişmeler, EGR ın güvenirliğini arttırmakta ve daha yüksek NOx giderim verimi sağlanmaktadır.
.3. NOx Giderimi için EGR Tekniği NOx azalmasında EGR'in etkisi için iki popüler açıklama vardır. İlki artırılan tutuşma gecikmesi, ikincisi dolgunun artırılan ısı kapasitesi (p) Tutuşmanın gecikme hipotezi, EGR'ın yakıt enjeksiyonunda gecikme olması durumundaki aynı etkiyi göstermesinden dolayı tutuşma gecikmesinde bir artışa sebep olduğunu savunur. Isı kapasite hipotezi, karışımın ısıl kapasitesinin artmasından dolayı maksimum gaz sıcaklığının düşmesidir. Dizel motorlarda EGR'in uygulamasının is oluşumu ve EGR ile PM lerin tekrar silindire alınması gibi bazı dezavantajları vardır. Ayrıca bu NOx azaltma stratejisi PM, O ve yanmamış H'ların artışına sebep olmaktadır. Aralarında ters bir orantı bulunmaktadır. Motor bileşenleri yüksek hızlı partiküllerle temas ettiği zaman partiküllerden dolayı aşınma meydana gelebilir. Egzoz gazında oluşabilecek sülfürik asit ve yoğunlaşan su buharı, EGR sebebiyle korozyona sebep olmaktadır..4. EGR Sisteminin Sınıflandırılması Çeşitli EGR sistemleri, EGR sıcaklığı, biçimi ve basıncına bağlı şekilde sınıflandırılır..4.1 Sıcaklığa göre A. Sıcak EGR: Egzoz gazı soğutulmadan tekrar tur attırılır, silindire alınan dolgu sıcaklığındaki artış ile sonuçlanır B. Bütünüyle soğutulmuş EGR: Hava karıştırmadan önce EGR gazı tam olarak soğutulur. Bu işlemde alınan havanın soğutma işlemi hava yada su ile soğutma yapan sıcaklık değiştiricisi kullanılarak yapılmaktadır. Bu olayda, nem egzoz gazında yoğunlaşabilir ve oluşan su damlacıkları motor silindirinin içinde istenmeyen etkilere sebep olabilir.. Kısmen soğutulmuş EGR: Su yoğunlaşmasından kaçınmak için, egzoz gaz sıcaklığı sadece çiğleşme sıcaklığının yukarısında tutulur..4.. Biçime göre A. Uzun Rotalı EGR(LR) : Bir LR sisteminde Egzoz gaz hızı giriş havasından sonra alçak basınçla birleşen küçük bir durgunlaşma basıncını yaratır. Tam tork hızı ile EGR da basınç farkında yükseliş gerçekleşmektedir. B. Kısa rotalı EGR: Çoğunlukla metotta ayrılmış olan bu sistemler, EGR deviririn karşısında pozitif bir basınç farkını yaratır.[15].4.3. Basıncına göre A. Alçak basınç rotalı EGR: EGR da akış, aşağı komproserden yukarı türbin şeklinde sağlanır. Bu sistemde yüksek kompresör çıkış yeri sıcaklığının ve intercooler doldurması gibi bazı problemler meydana gelir. B. Yüksek basınç rotalı EGR: EGR da akış, aşağı türbinden yukarı komprosere doğrudur. Bu EGR metodunda, EGR'in, yüksek yük bölgelerinde mümkün olmasına rağmen hava oranı azalır ve yakıt tüketimini dikkat çekecek derecede artmaktadır.[16]
.5. Literatürden İncelenen Çalışmalar 1. Avinash Kumar Agrawal [17] tarafından yapılan çalışmada çeşitli EGR oranlarının etkileri ve motordaki egzoz emisyonlarını araştırmak ve göstermektir. Uzun rotalı kısmen soğutulan EGR sisteminin avantajlı olmasından dolayı çalışmada bu sistem seçilmiştir. Motor olarak ise iki silindirli sabit hızlı dizel motor jeneratör takımı mevcut araştırmalarda kullanılmaktadır. Kullanılan motor havayla soğutulan, doğrudan yakıt enjeksiyonlu, dört zamanlı dizel motorudur. Motorun tanımlamaları Tablo.1 'de verilmektedir. Tablo.1 Motor spesifikasyonu [17]. Enjeksiyon Motor Üreticisi Silindir Sayısı Maksimum güç/motor hızı Direk Yanma oranı 16,5:1 INDE Motor Ltd. 9,3 kw/1500 Boşluk 133 cm 3 Sabit güç şartlarında Şekil. de gösterildiği gibi 0-1% arasında arttırılan EGR yüzdelerinde egzoz gazının sıcaklığı devamlı olarak azalmaktadır. Yanma odasında NOx'in oluşmasındaki en önemli sebebin, yüksek sıcaklık olduğu bilinmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi EGR yükünü artırmakla egzoz sıcaklıklarında azalma sağlanmaktadır. Egzoz sıcaklığı ( ) Yük (kw) Şekil.: Sabit EGR de gaz sıcaklığı yük [17].
Şekil. farklı yüklerdeki EGR ın NOx emisyonundaki azalma etkisini gösterir. EGR oranı %10 seviyelerinde iken %30 ve %60 yük seviyeleri için NOx miktarı aynı iken bu noktadan sonra artan EGR oranları ile %60 yükte daha fazla NOx giderimi sağlanmaktadır. Şekil.3: NOx de EGR ın Etkisi [17]. Robert M. Wagner [18] tarafından yapılan çalışmanın amacı, yanma kararsızlığı ve partikül biçimin gelişmesinde EGR'ın etkisini tanımlamaktır. Deneyler, bir 1,9 litre, 4silindirli Volkswagen turbo-şarj doğrudan enjeksiyonlu motorunda kararlı durum ve düşük yük şartları altında gerçekleştirilmiştir. EGR düzeyi, egzoz ve emme manifoldlarındaki NOx konsantrasyonları karşılaştırılmıştır. Genelde motor testleri esnasında, EGR yükü arttırılırken yakıt debisi ve enjeksiyon zamanlaması sabit tutulmaktadır. Dolayısıyla bu operasyon stratejisi hava-yakıt oranını da değiştirmektedir. Bu değişikliği önlemek için bu çalışmada hava yakıt oranı artan EGR ile sabit tutulmuştur. Her bir EGR oranı için motorda birçok ölçüm (silindir basıncı, PM dahil emisyonlar) yapılmıştır. Ölçüm detayları aşağıda açıklanmıştır;.1. NOx ve H emisyonları ile Yanma Karakterizasyonu Soğuk motor çıkış egzozunda zamana göre ortalama H ve NOx konsantrasyonlarının EGR seviyelerine göre değişimi Şekil.4 de gösterilmektedir. Bu şekil artan EGR ile NOx konsantrasyonundaki azalışı ve H artışını gösterir. %45 EGR seviyesinden sonra H emisyonlarında ani bir artış gözlenmektedir. Bu muhtemelen yanma kimyasındaki değişiklikten kaynaklamaktadır.
Şekil.4: EGR ın farklı yüklerindeki H ve NOx emisyonlarındaki ters orantı [18]... NOx ve PM emisyonları ile Yanma Karakterizasyonu Partikül kütle konsantrasyon ölçümleri TEOM (Kübik Element ile Dalgalanma Mikrobalansı) seyreltilmiş egzozda yapılmıştır. Kütle birikimi oranları 100 veri noktasının ortalaması alınarak hesaplanmıştır ve şekil.5 de ki gibi EGR seviye fonksiyonlarına bağlı olarak gösterilmiştir. Kütle birikimi oranları önemli ölçüde % 30 EGR da başlar ve maksimum EGR seviyesi kadar hızla artış devam etmektedir. Bu motor şartlarında motor çıkış PM ve NOx konsantrasyonlarınının minimize edildiği yer PM ve NOx eğrilerinin kesişim bölgesidir. PM NOx PM µg/sn Şekil.5: EGR ın farklı yüklerindeki PM ve NOx emisyonlarındaki ters orantı [18].
.3. Partikül boyutu Partikül boyutlandırması seyreltilmiş egzozda SMPS (Mobil Tarayıcı Partikül Boyutlandırıcısı) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sayı konsantrasyonu ile parçacık çapı arasındaki ilişki Şekil.6 da farklı EGR düzeylerinde gösterilmektedir. EGR seviyesi ile sayı konsantrasyonunun ve artan partikül boyutu dikkat çeken iki farklı noktadır. Sayı Konsantrasyonu Partikül Çapı (nm) Şekil.6: Farklı EGR düzeyinde Sayı konsantrasyonu - parçacık çapı [18] EGR partikül büyümesine neden olmaktadır. Hesaplanmış boyut dağılımının önemli kısımları yüksek EGR oranları için SMPS'in 500nm olan üst sınırından daha büyük görünmektedir. Şekil.7 küçük partiküllerin kaybolması ve çok daha büyük partikülün büyümesini gösterir. %30 EGR dan sonra partikül boyutu 100nm büyük olduğunda artış gözlenirken diğer boyutlarda azalma söz konusudur. Partikül kütlesindeki artışlar, partikül çapının küpünün bir fonksiyonu olarak daha hızlı artırması beklenebilir. Boyut Sınıflandırması Şekil.7: Farklı EGR düzeylerinde partikül boyutlarının boyut sınıflandırma frekansı [18].
3. an HAŞİMOĞLU tarafından [19] yürütülen çalışmada EGR oranına bağlı olarak güç, özgül yakıt tüketimi, ortalama efektif basınç, azot oksit duman emisyonlarındaki değişiklikler üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Çalışmada motordan egzoz gazlarının alınabilmesi için bir ara parça yaptırılarak egzoz manifolduna bağlanmıştır. Ara parçaya bağlanan vana ve boru ile motordan alınan egzoz gazı debi ölçer üzerinden emme hattına geri verilmiştir. Deney düzeneğinin şematik görünüşü Şekil.8 de,deneylerde kullanılan motora ait bilgiler Tablo. de verilmiştir. Şekil.8: Deney düzeneğinin şematik görünümü [19] Tablo.:Motor bilgileri [19]. Marka ve Model P 8800 Hydra Çalışma Prensibi 4 zamanlı direkt püskürtmeli Silindir adedi 1 Silindir hacmi (1) 0,473 Silindir çapı (mm) 80,6 Kurs (mm) 88,9 Sıkıştırma oranı 19,8/1 Maksimum hız (devir/dakika) 4500 Maksimum güç(nm) 8 Maksimum moment (Nm) 5(500 devir/dakika da) Soğutma Su ile soğutma Boşta çalışma(devir/dakika) 100 Püskürtme basıncı (bar) 75
Deneyler % 10, 0 ve 30 EGR'lı ve EGR sız olarak iki aşamada gerçekleştirilmiştir. EGR siz deneyler önce yapılarak egzozda ölçülen O miktarından yararlanılarak EGR'lı deneyler için emme manifoldunda olması gereken O miktarı hesaplanmıştır. Daha sonra egzoz manifoldundaki ara parçaya bağlı vana açılarak debi ölçer üzerinden motorun emme hattına egzoz gazı gönderilmiştir. Emisyon hattı üzerine bir emisyon ölçüm cihazı bağlanarak bu kısımdaki O miktarı vana ile kontrol altında tutulmuştur. Egzoz emisyonlarının ölçülmesinde Gaco-Sn marka gaz analizörü kullanılmıştır. ihazın probu ölçüm yerine bağlandıktan sonra 60 saniye beklenip değerler kaydedilmiştir. Duman ölçümü içinde aynı yol izlenmiştir. Emme hattındaki O miktarının belirlenmesi için emme hattına açılan bir deliğe cihazın probu sızdırmaz bir şekilde bağlanmıştır. Dijital terazi ile 1 dakikadaki yakıt tüketimi gram olarak ölçülmüştür. Motora geri gönderilen egzoz gazı miktarının belirlenmesinde aşağıdaki denklem kullanılmıştır. [0]. Havanın içerisinde hacimsel olarak % 0,03 O bulunmaktadır [1]. Bu değer çok küçük olduğundan cihazın hassas ortamındaki karbondioksit miktarını ölçmeye yetmemiştir. Dolayısıyla ortamdaki O yüzdesi sıfır olarak kabul edilmiştir. (9) Elde edilen verilere göre yapılan hesaplamalar Motordan ölçüm yoluyla elde edilen verilerle saatlik yakıt tüketimi ve özgül yakıt tüketimi değerleri hesaplanmıştır. Dakikadaki yakıt tüketimi; (10) Yukarıdaki eşitlik kullanılarak saatlik yakıt tüketimine çevrilmiştir. Özgül yakıt tüketimi; (11) ifadesi ile (g/kwh) olarak bulunmuştur.[]
Gerçekleştirilen motor deneyleri sonucunda tam yük durumunda EGR oranına bağlı olarak, özgül yakıt tüketimi,, azot oksit ve duman emisyonları motor devrine bağlı olarak şekil 9,10 ve 11 deki grafiklerle verilmiştir. Ölçümler 1500, 000, 500, 3000, 3500 ve 4000 devir/dakikada yapılmıştır. Sekil.9 da motor devrine bağlı olarak her bir EGR oranı için özgül yakıt tüketimi görülmektedir. Her devir aralığında standart değerler ile %10 EGR lı değerler arasında ortalama %15 lik bir artış vardır.%0 ve %30 EGR durumunda da 3000 devir/dakika ya kadar bu fark hemen hemen değişmez. Fakat 4000 devir/dakika da %0 ve %30 EGR durumunda özgül yakıt tüketimi sırasıyla ve 3 kat artmaktadır. Şekil.9: Motor devir sayısına bağlı olarak farklı EGR oranlarında özgül yakıt tüketimi değişimleri [19]. Yüksek devirlerde artan EGR oranına bağlı olarak karışımını çok fakirleşmesine yanmanın kötüleşmesine yol açmaktadır. Ayrıca artan EGR oranı ile birlikte açığa çıkan maksimum ısı miktarının azalması ve maksimum ısının açığa çıktığı noktanın gecikmesine sebep olmaktadır. Silindire gönderilen egzoz gazları, karışımı seyreltip yanma hızını yavaşlatmakta böylece maksimum ısının açığa çıktığı nokta gecikmektedir. Açığa çıkan ısının bir kısmı egzoz gazları tarafından soğurulduğundan yanma sonunda açığa çıkan maksimum ısı miktarı da azalmaktadır. Yanma hızının yavaşlaması ve dolgu içerisindeki oksijen miktarının azalması da motor gücü, özgül yakıt tüketiminde kötüleşmeye sebep olmaktadır. Şekil.10'da motor devrine bağlı olarak her bir EGR oranı için duman yoğunluğu değerleri görülmektedir.1500 devir/dakika'da duman yoğunluğu EGR oranı ile ters orantılıdır. Yani düşük devirlerde EGR oranı arttırıldıkça duman yoğunluğu azalmakta ya da pek değişmemektedir.
Standart, % 10, % 0 ve % 30 EGR oranları arasında duman yoğunluğu ortalama yaklaşık % 5'er azalmıştır. 000 devir/dakika için ise her bir EGR oranı için duman yoğunluğu pek değişmemiştir. 500 devir/dakika için % 10, % 0 ve % 30 EGR'lı değerler birbirine yakın olmakla birlikte standart değerde ortalama yaklaşık % 10 daha fazladır. 3000 ve 3500 devir/dakika için % 10, % 0 ve % 30 EGR'lı değerler arasında yaklaşık % 5, standart değer ile % 10 EGR'lı değer arasında ise yaklaşık %10'luk bir değişim görülmektedir. 4000 devir/dakika 'da ise % 10, %0 ve % 30 EGR'lı değerler fazla değişmemekle birlikte % 10 EGR'ı değer ile standart değer arasında yaklaşık % 5'lik bir fark vardır. 1500 ve 000 devir/dakika için EGR oranı arttırıldıkça duman yoğunluğunun azalması ya da değişmesinin sebebi ise deneylerin sabit püskürtme avansında yapılması sonucu, düşük devirlerde avansı fazla gelmesi yüzünden olduğu sanılmaktadır. Yüksek devirlere çıkıldığında ise artan EGR oranıyla beraber duman yoğunluğu da artmaktadır. Yüksek devirlerde avansın yetersiz kalması yüzünden yanmanın tamamlanmaması, ayrıca silindir içindeki oksijen miktarının azalması ve EGR ın alev sıcaklığını düşürmesi sonucu yakıtın oksidasyonun tamamlanmaması sebebiyle duman yoğunluğu artmaktadır. Şekil.10: Motor devir sayısına bağlı olarak farklı EGR oranlarında duman yoğunluğu değişimleri [19].
Şekil.10 'da motor devrine bağlı olarak her bir EGR oranı için azot oksit emisyonları ppm olarak görülmektedir. Standart değerler ile % 10 ve % 0 EGR uygulandığı durumdaki değerler arasında, sırasıyla yaklaşık olarak ortalama % 35 ve % 75'lik bir azalma olmuştur. % 30 EGR durumunda ise emisyon ölçüm cihazında azot oksit emisyonları sıfır olarak ölçülmüştür. Egzoz gazları yanma sonucu çıkan ısının bir kısmını absorbe ettiklerinden dolayı yanma odasındaki maksimum sıcaklık düşmekte dolayısıyla azot oksit emisyonlarıda azalmaktadır. Ayrıca yanma hızının düşmesi maksimum ısının açığa çıktığı noktayı geciktirdiğinden maksimum silindir sıcaklığı azalmakta ve buna bağlı olarak azot oksit emisyonları düşmektedir. Yüksek EGR oranlarında yanma hızının çok düşmesi ve yüksek devirlerde avansın yetmemesi sonucu yanma şartlarının kötüleşmesi azot oksit emisyonlarını düşürmektedir. Şekil.11: Motor devir sayısına bağlı olarak farklı EGR oranlarında azot oksit emisyon değişimleri [19]. Yapılan deneyler sonucunda EGR uygulaması ile NOx emisyonları dışında kalan diğer parametrelerde kötüleşme olduğu görülmüştür. Tam yük koşullarında, EGR oranının % 30'dan daha fazla arttırılması motorun performansını daha çok kötüleştireceği için tavsiye edilmemektedir. Hem NOx emisyonları, hem de diğer parametreler dikkate alındığında ideal EGR oranı % 10 olarak bulunmuştur.
4. Pensilvanya da yapılan ve raporlanan çalışmada [3] EGR retrofit(var olan sisteme yeni sistemin eklenmesi) sistemi ile EPA nın 007 de güncel seyir hali,0 g/kwh NOx standardının karşılanıp karşılanmayacağı araştırılmıştır. Bu retrofit uygulamada, alçak-basınçlı EGR, DPF teknolojisi ile birleştirilmektedir. EGR/DPF sistemi, özel teknolojili bir uygulamadır. Avrupa ve ABD'de 3,000 den fazla EGR/DPF sistem retrofit edilmiştir. Sistemi en uygun şekilde ayarlanması, DPF eklenmesiyle zamansız filtre tıkaması gibi ters etkileri vardır. Fakat bunlardan başka ekipman, malzeme ve uygulamalarda hiçbir olumsuz sonuç yoktur. a. Teknolojinin tanımlanması EGR teknolojisi, turbo kompresör ağzına geri dönen egzoz gazın devreden kısmını ve doğal emişli motorun emme monifoldunu içerir. EGR sisteminde, intercooler resirkilasyon yapan egzoz gazının sıcaklığını düşürür. Çevreleyen hava, motorun yanma sıcaklığını düşürdüğünden, daha az oksijeni içeren resirküle egzoz, NOx i azaltır. Retrofit uygulamalarında, alçak-basınçlı EGR sistemi, katalizörlü bir DPF'le birleştirilmektedir. Motor sisteminin parçası olarak bütünleştirilen yüksek basınçlı EGR'den farklı bir alçak-basınçlı motor değişikliği yapılmaktadır. Alçak-basınçlı EGR/DPF sisteminin uygulanabilirliğine karar vermede aşağıdaki kriterler düşünülmelidir: 1. Motor ve motordan çıkan egzozun seviyesi. Egzoz sıcaklık profili 3. Alçak basınçlı EGR/ DPF sisteminin donatılması için müsait boşluk 4. Dizel yakıtında kükürtün düzeyi b. Emisyonlarda azalma Retrofit alçak-basınçlı EGR sistemleri,%5- %50 NOx emisyonlarını azaltmayı başarabilir. NOx kontrolünün düzeyi, EGR sistem tasarımı, motor uygulaması, motor ayarlaması ve uygulanılan çevrim ile etkilenir. EGR sistemleri, diğer egzoz kirletici maddelerini azaltmaz. Fakat retrofit uygulamalarında, alçak-basınçlı EGR'in katalizör bazlı bir DPF'le birleştirildiği sistem azaltabilir. Böyle sistem PM'de 90% azalma O ve H'de 90% 'dan fazla azalma sağlar. Ayrıca sistemde EGR, DPF tarafından oluşturulan NO 'i azaltmaya yardımcı olmaktadır.
BÖLÜM 3 3.1. Dizel Partikül Filtre(DPF) Dizel motorlarda NOx emisyonlarını minimize edecek yakıt enjeksiyon kontrol stratejisi maalesef ki partikül madde (PM) emisyonunu arttırmaktadır. PM oluşumu motorunun yük durumuna göre değişen hava fazlalık kat sayısının bir fonksiyonudur ve maksimum motor gücünü sınırlayabilmektedir. Genelde PM oluşumu dizel motorlarda yanmasının bir safhasıdır. Bu nedenle başlangıçta oluşan karbonun büyük bir kısmı tekrar yanmaktadır. Ancak gücü arttırmak amacı ile yanma odasına fazla miktarda yakıt gönderildiğinde, yeterli oksijen bulunmadığı için egzoz gazları içerisinde bir miktar PM bulunacaktır. PM motor yağının aktivitesini düşmektedir. Son derece aşındırıcı özelliğe sahip olan PM motorda yıpranmaya bağlı kalıcı hasarlar oluşturmaktadır. Bu parçacıklar çok küçük olduğu takdirde birbirine yapışarak büyümekte ve yağın kaydırıcı özelliğini engellemektedir. Ayrıca akciğerlerimize kadar girebilen 10 µm. nin altındaki PM solunum sisteminde birikerek ciddi sağlık problemlerine yol açabilirler. DPF egzoz gazındaki PM i oksitleyerek dışarı atılmasını engelleyen ve azaltılmasını sağlayan en etkin çözümdür. 3.. PM oluşumu Dizel motorunda hem karışım hem de yakıt cinsi PM oluşumuna sebep olmaktadır. Oksijence fakir ortamda bulunan yakıt moleküllerinin ısıl parçalanması özellikle hidrojenlerin kolayca oksitlenmesi, karbonların ise oksitlenemeden ortamda çoğalması durumunda partikül maddenin çekirdeğini oluşturan is oluşmaktadır. Şekil 3.1 de görüldüğü gibi PM yapısı incelendiğinde oluşan is tabakasının etrafında VO, sülfat, H O ve iz metaller gibi bileşiklerin bulunduğu görülmektedir. (VO+sülfat+HO+ iz metalleri) (VO+sülfat+HO+ iz metalleri) Şekil 3.1:PM emisyonlarının yapısı [4].
Partiküller çapları bakımından tehlike sınıflandırmasına oluşturmaktadırlar. Yani partikül çapı küçüldükçe çevresel ve sağlık açısından tehdidi de büyümektedir. PM, dizel motorlarda düşük kükürtlü yakıt kullanılması ve yakıt enjeksiyon sisteminin optimizasyonu ile büyük ölçüde azaltılabilmektedir. 3.3. PM ve Standartlar DPF dizel kaynaklı partikül emisyonlarının Euro 3 emisyon standartlarına getirilmesinde temel etkendir. İlk kez partikül filtre teknolojisi 199 yılında New York ity'de 400 otobüste test edilmiştir. Sekil 3.'de bu ilk elektrik ısıtıcılı DPF'nin şematik yapısı gösterilmektedir. Sisteminin filtresinde toplanan partiküller periyodik olarak imha edilmektedir. Filtre optimum yüke ulaşana kadar partikül ile dolmaktadır ve daha sonra körük ve ısıtıcı tekrar sistemi eski haline getirmektedir. Partikül yükü, emilen hava akışı, filtre basıncı ve filtre giriş sıcaklığı ölçülerek belirlenmektedir [5]. Şekil 3.: Elektrik Isıtıcılı Tip DPF Sisteminin Şematik Yapısı [5]. Daha sonra sisteme brülör ve kısma sistemi eklenerek, bir dış ısıtıcı kaynak yardımıyla partiküller yakılır hale getirilmiştir. Bu sistem aktif rejenerasyon sistemi olarak isimlendirilmektedir ve birinci kuşak DPF teknolojisi olarak görülmüştür. Fakat bu teknolojide filtre basıncının artarak düşmesi yakıt tüketimini artırmaktadır. Bundan dolayı ve sistemin karmaşıklığı birinci kuşak DPF'nin sonunu getirmiştir. DPF teknolojisi farklı bir boyutta gelişerek ikinci kuşak pasif rejenerasyon DPF teknolojisi oluşmuştur [6]. Bu sistemde yakıt katkıları ve katalizör kullanımıyla PM emisyonları azaltılmaya çalışılmıştır.
Daha sonra Jhonson Matthey devamlı rejerenasyon teknolojisi (RT) geliştirerek dikkatleri üzerine çekmiştir. Sekil 3.3'de RT tipi partikül filtresi gösterilmektedir. RT teknolojisinin temeli partiküllerin kolayca NO ile oksitlenmesine dayanmaktadır. 550 'nin üzerindeki sıcaklıkta karbon, oksijenle oksitlenirken, NO ile 50 'de reaksiyona girmeye başlamaktadır. RT, üst kısımda oksidasyon filtresi ve alt kısımda seramik filtre olmak üzere iki filtreden oluşmaktadır. Dizel emisyonlarında var olan nitrit oksit (NO) oksidasyon katalizörüne girerek NO oluşturur. Daha sonra oluşan NO alt filtreye girerek partiküllerle reaksiyona girer. RT teknolojisi ile PM emisyonları %90 oranında azaltılmaktadır. RT sisteminin başarılı bir şekilde çalışabilmesi için egzoz gaz sıcaklığının 75 üstünde olması, yakıttaki sülfür içeriğinin 500 ppm'den az olması ve NO X /PM oranının 0'den büyük olması gerekmektedir [7]. Şekil 3.3: RT Tipi Partikul Filtresi [7]. Euro 4 standartlarında ağır ticari araçlarda PM emisyonu Euro 3, 100 mg/kwh değerinden 0mg/kWh ye inmiştir, yani %80 oranında azaltılmıştır. Euro 5 standartında değişmeyen bu değer 011 yılında kabul edilecek Euro 6 standartında mg/kwh olacağı planlanmıştır. Bu hedef geliştirilmiş egzoz gazı kontrol sistemleri, temiz yakıt ve optimize edilmiş yakıt enjeksiyon sistemleri ile birlikte başarılabilecektir. Japonya'da, 003'ten beri, dünya da benzeri olmayan bir düzenleme gerçekleşmiştir. Bu düzenleme, 8-10 yıl önce satılan araçlar dahi egzoz gazı kontrol sistemlerinin yenileştirmesini gerektirmektedir.
3.4. Filtre Malzemesi DPF de ana eleman Şekil 3.4 de gösterilen 0,1 mikron genişliğindeki gözenekleri sayesinde çok yüksek verimlikte filtrasyon yapan filtredir. Tek parça, metalik ve seramik filtre sistemleri vardır. Çok sayıda paralel kanalla meydana getirilen seramik partikül filtredeki kanallar alternatifli olarak açık ve kapalıdır. Dolayısıyla, egzoz gazı petek yapının gözenek duvarlarına doğru akmak zorundadır. Bu da katı partiküller gözeneklerde birikmesine neden olmaktadır. Filtre materyalinin porozitesine bağlı olarak bu filtrelerin filtrasyon verimi %97 ye çıkabilmektedir [8]. Egzoz Girişi Şekil 3.4.DPF filtre sistemi [8] 3.5. Rejenerasyon Sistemi Filtreye biriken katı partiküllerin rejenerasyonu için yöntem vardır. 3.5.1. Aktif yöntem: Şekil 3.5 de görüldüğü gibi filtre edilen ve DPF nin içinde hapsedilen parçacıklar, filtrenin durumuna göre yaklaşık her 400-500 km de yakıt ilavesi yaparak yeniden yanma işlemi (550 ) ile rejenere edilir. Pasif rejenerasyon sırasında katalizatörde birikmiş olan kurum yavaş ve zarar vermeyecek bir şekilde O ye dönüştürülür. Uzun süre düşük yükle kullanımda, örneğin şehir içi trafiğinde, her 1000 ila 100 km de bir egzoz gazı sıcaklığının aktif olarak yaklaşık 600 ye çıkarılması ilave bir filtre rejenerasyonu yapılmasını sağlar. Filtrede birikmiş olan partiküller bu sıcaklıkta yanar. Katkılı sistemlerde katkı, kurumun yanma sıcaklığının yaklaşık 500 ye düşürülmesine yarar. Sürüş tarzına bağlı olarak her 500 ila 700 kilometrede bir rejenerasyon gereklidir. Katkı kullanılmayan dizel partikül filtreleri, partikül filtresinin motorun yakınına yerleştirildiği araçlarda kullanılır.
Şekil 3.5: Dizel partikül fitlere için rejenerasyon [8]. 3.5.. Pasif sistem: Bu sistemde partikül katalitik konvertörle yanıp kül olmaktadır. Bunun için, dizel yakıtta seriyum ve aktif demiri içeren katkı maddeleri normal egzoz gazı sıcaklığında partiküllerin yanabilirliğini azaltır. Katkılı sistemler, partikül filtresinin motorun yakınına konumlandırılmasının mümkün olmadığı araçlarda kullanılır [8]. 3.6. Literatürden İncelenen Çalışmalar 1. Leonidas Ntziachristos [9] tarafından yapılan çalışmada güncel teknoloji olan iki farklı DPF sistemleri ile donatılmış dizel araçlarda emisyon performansı incelenmektedir. Ölçümler Avrupa soğuk motor çevriminde yürütülmektedir (Yeni Avrupa Sürüş çevrimi-ned). Buna ek olarak, farklı kükürt içeriği olan fakat aynı özellikli iki yakıt, kükürt oluşumunun ekstra faydasını keşfetmek için test edilmiştir. Yakıt ve Taşıt özellikleri: Direkt enjekte etmenin olduğu common rail ile donanımlı ve Euro 3 emisyon standartlarını karşılayan dizel motorlu 1.9 di Renault Laguna 001 model taşıt bu çalışmada kullanılmıştır. Bu taşıtta PM emisyonları, yüksek basınç yakıt enjekte etmesi ve iki dizel oksidasyon katalizörü ile dizi halinde kontrol edilmiştir. Kontrol sebebi hangisinin PM' nin uçucu içeriğini azalttığını belirlemektir. İki yakıt türü partikül emisyonlarında kükürdün etkisini belirlemek için kullanılmıştır. Yakıt düzenlemesinde tek fark, onların kükürt içeriğidir. Daha yüksek kükürt yakıtı (HSF-38ppm), kükürt bileşikleriyle daha düşük kükürtten ( LSF-8ppm) türetilmiştir DPF özellikleri: İlk sistem, partikül tutuşturma sıcaklığını (edpf) azaltması için e-temelli bir katkı maddesinden faydalanır ve daha geniş bir egzoz gaz sıcaklık alanında oluşmasına izin verilmiştir. Yakıtta e nin konsantrasyonu, bu ölçümler için 5 ppm olarak ayarlanmıştır. İkinci sistem, katalizör partikül filtresiydi (SF) ve DPF ile aynı malzemeden ve aynı boyutlarda yapılmıştır. İkinci filtrede Pt-katalizörün bulunması partikül oksidasyonunu destekler ve bu yüzden başka hiçbir katkı maddesi gerekmemektedir. Materyal gözenek ve ortalama gözenek boyutu, edpf den daha büyüktür.
Şekil 3.6 farklı DPF sistemlerinin ve yakıt çeşitlerinin iki sürüş çevriminde emisyonlara etkisini gösterir, Şekil 3.6 a, NED çevriminde her kirletici madde için taşıt emisyon standart düzeyini kapsamaktadır. O, Euro 3 (0.64g/km) emisyon standartının üç kat aşağısındadır. Şekil. 3.6 b ise ARTEMİS çevriminde her kirletici madde için taşıt emisyon standart düzeyini kapsamaktadır. Sıcak motor ARTEMIS çevriminin üzerinde O bulunma sınırındadır. Emisyon Oranı (g/km) Emisyon Oranı (g/km) Şekil 3.6: Farklı yakıt ve taşıt konfigirasyon çalışmasında emisyonlar[9]. Hidrokarbonlar için hiçbir emisyon standartı bulunmamaktadır. Hidrokarbonlar için sınır değer sadece (0.56 g/km) NOx + H ve (0.50g/km) NOx emisyon standartlarının arasında fark olarak belirlenmektedir. Genelde, emisyon düzeyleri soğuk motor NED için 50% çizgisinin aşağısındadır ve sıcak motor ARTEMİS çevriminde daha fazla azaltılmaktadır. NOx, önemli dizel kirletici maddelerinin biridir. Genelde, motor üreticileri, (Yakıt zamanlaması, EGR, vb.) yanma parametrelerini ayarlayarak motorda NOx emisyonlarına etki edebilmektedir. NOx emisyonları NED de, emisyon standartının 70%i kadar çıkmıştır. Artemis çevriminde ise bu değer emisyon standartından %5 az şeklindedir. Buda DPF ile hiçbir hissedilir etki gerçekleşmediğini göstermektedir.