DİZEL MOTORLARDA EMİSYON OLUŞUMU
Yakıt püskürtme Teorisi; Sprey yakıt hava dağılımına ve her bir bölgedeki yanma mekanizmalarına göre birkaç bölgeye ayrılabilir. Bu modelde sprey ekivalans oranına göre 3 bölgeye ayrılır. Birinci bölge sprey çekirdeğidir ve bir alev teşekkül ettirecek şekilde yeteri kadar atomize olmamış ve hava ile karışmamış büyük yakıt damlalarını oluşturur. Üçüncü bölgede yanmak için çok zayıf bir karışım ve küçük yakıt damlacıkları bulunur. İkinci bölge diğer 2 bölgenin arasında bulunur, yakıt damlacıkları ve buharlaşmış hava karışımı ihtiva eder. Yakıt birinci bölgede buharlaşır ve hava ile karışırken, ikinci bölgede yanma başlar. Spreyin ön kenarı ile çekirdeği arasındaki havadaki buhar konsantrasyonu homojen değildir ve bölgesel yakıt hava oranı sıfırdan sonsuza kadar değişir. Yanma çekirdeği, karışım içerisinde kendi kendine tutuşmanın çok daha uygun olduğu birkaç yerde birden oluşur. Bölge ikideki tutuşma ve yanmada alev sprey konisine doğru yayılır. İkinci bölge ile çekirdek arasındaki sınırda yakıt damlaları daha büyüktür. Bu damlalar yanan alevlerden radyasyon yoluyla ısı kazanırlar ve daha hızlı bir şekilde buharlaşırlar. Sıcaklığın artışı buharlaşma difüzyonunu artırır.
Bu damlalar tamamen veya kısmi olarak buharlaşırlar. Tamamen buharlaşmamış damlalar difüzyon alevi ile sarılırlar ve bu damlaların yanma hızı buharlaşma hızı, oksijenin aleve difüzyon hızı gibi bir çok faktör tarafından etkilenir. Birinci bölge en yüksek ekivalans oranına sahip olan bölgedir ve en uzun yanma burada olur. Bu bölge katı karbon parçalarının ve NO emisyonlarının kaynağıdır. İkinci bölge ön karışımlı bölgedir ve ilk tutuşma yanması burada oluşur ve bu bölgede önemli bir miktarda emisyon oluşmaz. Üçüncü bölgede ekivalans oranı düşüktür, yanma iyi olmaz. Bu bölgede bu nedenle HC emisyonları oluşabilmektedir.
1. Karbonmonoksit Oluşumu (CO)
Yanma ürünleri arasında CO bulunmasının ana nedeni oksijenin yetersiz olmasıdır. Yanma odasının tümü ele alındığında oksijen genel olarak yetersiz olabileceği gibi karışımın tam olarak homojen olmaması durumunda yanma odasının belirli bir konumda yerel olarak da yetersiz olabilir. Temel olarak CO oluşumu hava fazlalık katsayısının kuvvetli bir fonksiyonu olarak değişmektedir. Yanma sırasında CO oluşumu su gazı dengesi olarak adlandırılan H2O +CO →H2 +CO2 Denklemi ile belirlenmektedir. Yüksek alev sıcaklıklarında bu denge reaksiyonundan CO2 miktarına bağlı oranla daha fazla CO elde edilir. Ancak sıcaklık düştükçe CO’nun CO2 şeklinde oksidasyonu söz konusudur. Bu bakımdan fakir karışımlar la egzoz gazları içerisindeki CO miktarı daha az olurken zengin karışımlarda soğuk egzoz gazları içerisinde bile O2 yetersizliği nedeniyle yüksek miktarda CO bulunmaktadır. Yanma sırasında alev cephesinin iç tarafında ulaşılan yüksek sıcaklık bölgesinde çok miktarda CO oluşmaktadır. Ancak gazların daha sonra genişlemesi ve soğuması sırasında oksidasyon sonucu CO, CO2 ye dönüşmektedir. 2 2 2 1 CO →CO + O Dizel motorlarında genellikle fakir karışım oranları ile çalışıldığından CO emisyonu düşük olmaktadır. Özetle yanma biterken CO’nun CO2’ye dönüşümünü sağlayan yeniden birleşim reaksiyonları oluşur. Şayet bu yeniden bileşim reaksiyonları, oksitleyici eksikliği, alçak gaz sıcaklıkları, kısa kalış zamanı gibi etkenler nedeniyle tamamlanmadan egzoz subabı açılırsa egzoz gazları içinde CO emisyonu artacaktır. Sprey yanmasının ilk safhalarında CO’in 2. bölge ve 3. bölge sınırları arasında oluştuğuna inanılır fakat bölgesel sıcaklıklar yeteri kadar yüksek olmadığından yetersiz ve az miktarda oksidasyon ve CO2 oluşur. Daha sonra yanma prosesi esnasında bölgesel sıcaklıklar yükselir ve reaksiyonları artar. İkinci bölgede oluşmuş CO derhal oksitlenir çünkü oksijen konsantrasyonu ve gaz sıcaklığı uygundur. Sprey çekirdeğinde ve duvar kenarlarında yüksek oranlarda CO oluşur. Oluşum hızı mahalli oksijen konsantrasyonuna, mahalli gaz sıcaklığına ve oksidasyon için yeterli zaman olup olmamasına bağlıdır.
2. Azot Oksit (NOx) Oluşumu
Yanma sonucu ulaşılan yüksek sıcaklıklarda havanın içerisindeki azotun oksijen ile birleşmesi sonucu azot oksitler meydana gelmektedir. NOx içerisinde ana eleman olarak azot bulunmaktadır. Egzoz gazlarının daha sonra atmosfere atılması sonucu oksijenle temasında NO’nun bir kısmı NO2 ve öteki NOx’lere dönüşmektedir. Bu bakımdan NOx oluşumunu etkileyen iki önemli parametre yanma odası sıcaklığı ve hava/yakıt oranıdır. Ayrıca kimyasal reaksiyon hızları da etkili olmaktadır. Ancak bu hızlarda sıcaklığa bağlıdır. Yanma sistemlerinde Azot oksit oluşumu konusunda birçok mekanizma göz önüne alınmıştır. NO oluşumu için kabul edilen en yaygın model zeldowich mekanizmasıdır[7]. O2 →2O O2 + N2 → NO2 + N N +O2 → NO +O Zincir reaksiyonları yüksek sıcaklıklarda oksijen moleküllerinin ayrılmasından oluşan atomik oksijen tarafından başlatılır. Bu mekanizmaya göre dizel yanmasından spreydeki bölgesel NO oluşumu bölgesel oksijen atomu konsantrasyonu ile ilişkilidir, bölgesel oksijen atomu konsantrasyonu ise oksijen moleküllerinin bölgesel konsantrasyonu ve alev sıcaklığı ile bağıntılıdır. Yukarıdaki denge reaksiyonlarını göz önüne alarak son 2 reaksiyonun ters yönde ilerlemesi NO’dan O2 elde etmek mümkündür. NO oluşum hızı N2 ve O2’nin oluşum hızından daha yüksektir. Bunun sebebi piston üst ölü noktadan aşağıya doğru giderken NO’ların tekrar N2 ve O2 ye ayrışması beklenirken reaksiyon hızının düşük sıcaklıklarda çok düşük olması nedeniyle bu reaksiyonlarda yavaşlar yani piston üst ölü noktadan aşağıya doğru giderken soğuyan gazlar reaksiyonu dondurur. Bu yüzden NO miktarındaki azalma önemsizdir.
3. Partikül Madde Oluşumu
Partikül maddeler; katı parçacıklar, duman veya is olarak da tanınır. Dizel motorunda hem karışım hem de yakıt cinsi partikül maddelerin oluşumuna sebep olmaktadır. Oksijence fakir ortamda bulunan yakıt moleküllerinin ısıl parçalanması özellikle H’lerin kolayca oksitlenmesi, C’ların ise oksitlenemeden ortamda çoğalması durumunda partikül maddeler oluşur. İs, bu durumda oluşan katı karbon tanecikleridir. Motorun yük durumuna göre değişen HFKnın bir fonksiyonu olarak is miktarı değiştiğinden motorun gücünü de sınırlayan bir etkendir. Genelde is oluşumu dizel yanmasının bir safhasıdır. Bu nedenle başlangıçta oluşan karbonun büyük bir kısmı tekrar yanar. Ancak gücü arttırmak amacı ile yanma odasına fazla miktarda yakıt gönderildiğinde, yeterli oksijen bulunmadığı için egzoz gazları içerisinde bir miktar is bulunacaktır. İs oluşumu silindirin aşınmasına segman yuvalarının karbonla dolarak zarar görmesine neden olmaktadır. Yanma odasında yeterli sıcaklık, oksijen ve zaman bulunmaz ise partikül maddeler egzozdan dışarı atılmaktadır. Partiküller çapları bakımından tehlike sınıflandırmasına tabidirler. Yani partikül çapı küçüldükçe çevresel ve sağlık açısından tehdidi de büyür. Trafik kökenli partikül maddeler, dizel motorlarda düşük kükürtlü yakıt kullanılması ve yakıt pompasının doğru ayarlanması ile büyük ölçüde önlenebilir. Nefes alındığında akciğere kadar giderek yerleşebilen bu maddeler bronşları tahriş ettiği için insan sağlığına zararlıdır. Dizel motorların dışında PM, fren balataları ve lastiklerden sürtünme etkisi sonucunda da oluşmaktadır.
4. Hidrokarbon (HC) Oluşumu
Karışımın zengin veya fakir olması HC emisyonunu etkilemektedir. HFK’nın 1,1 değeri civarında HC’lar minimumdan geçerek bu değerin her iki yanında da artış göstermektedir. HFK’nın büyük olması durumunda yanma odası sıcaklığı düşeceği için tam yanma olmaz ve HC’lar artar. Karışımın zengin olması durumunda ise yeterli oksijen bulunmadığı için yakıtın tümü yanamaz ve tekrar HC’lar artış gösterir. Hidrokarbonların yanmasında alev cephesinin arkasında ölçülebilir HC konsantrasyonu görülmektedir. Motordaki HC emisyonu daha ziyade tam yanma olmayan bölgelerden oluşmaktadır. HC emisyonu motor yükü ve hızına doğrudan bağlı değildir. Daha çok enjeksiyon sistemine ve yanma odası geometrisine bağlıdır. Dizel motorlarının egzoz borusundaki, sıcaklık ve oksijen konsantrasyonun yeterli olduğu hallerde HC’lar oksidasyonlarını devam ettirmektedir. Hidrokarbonlar, çok çeşitli organik kimyasal maddeler içerse de, normal atmosfer miktarlarında toksin etkiye sahip bulunmamaktadır. Ancak havadaki diğer kirleticilerin birbirleri arasındaki reaksiyonlarda rol oynamaları nedeniyle kirletici olarak önem kazanmaktadır. Motorlu araçların yoğun olduğu bölgelerde hidrokarbon miktarlarında önemli artışlar olmaktadır[8] Dizel motorlarda oluşan emisyonlar haricinde yakıtta kontrol edilmesi gereken emisyonlar ise SOx gazlarıdır. Kükürt içeren fosil yakıtların yanması sonucunda oluşarak atmosfere verilen bu gaz, renksiz ve geniz yakıcı bir özelliğe sahiptir. Dizel yakıtlarda % 0,5 ‘in altında kükürt vardır. Basit olarak çıkan SOx gazı SO2 olarak kabul edilir. Havada 1-7 gün arasında askıda kalabilmektedir[9]. Yakıt içerisinde bulunan kükürt miktarına bağlı olarak özellikle dizel motorlarında yanma sonucu kükürdün hava ile birleşmesi ise SO2 oluşmaktadır. Daha sonra egzoz gazları içindeki su buharı ile SO2’nin birleşmesi sonucunda da silindir içerisinde ve atmosfere atıldıktan sonra H2SO4 oluşmaktadır. Oluşan sülfürik asit motor elemanlarının korozyonuna neden olmaktadır.
Yakıt püskürtme Teorisi; Sprey yakıt hava dağılımına ve her bir bölgedeki yanma mekanizmalarına göre birkaç bölgeye ayrılabilir. Bu modelde sprey ekivalans oranına göre 3 bölgeye ayrılır. Birinci bölge sprey çekirdeğidir ve bir alev teşekkül ettirecek şekilde yeteri kadar atomize olmamış ve hava ile karışmamış büyük yakıt damlalarını oluşturur. Üçüncü bölgede yanmak için çok zayıf bir karışım ve küçük yakıt damlacıkları bulunur. İkinci bölge diğer 2 bölgenin arasında bulunur, yakıt damlacıkları ve buharlaşmış hava karışımı ihtiva eder. Yakıt birinci bölgede buharlaşır ve hava ile karışırken, ikinci bölgede yanma başlar. Spreyin ön kenarı ile çekirdeği arasındaki havadaki buhar konsantrasyonu homojen değildir ve bölgesel yakıt hava oranı sıfırdan sonsuza kadar değişir. Yanma çekirdeği, karışım içerisinde kendi kendine tutuşmanın çok daha uygun olduğu birkaç yerde birden oluşur. Bölge ikideki tutuşma ve yanmada alev sprey konisine doğru yayılır. İkinci bölge ile çekirdek arasındaki sınırda yakıt damlaları daha büyüktür. Bu damlalar yanan alevlerden radyasyon yoluyla ısı kazanırlar ve daha hızlı bir şekilde buharlaşırlar. Sıcaklığın artışı buharlaşma difüzyonunu artırır.
Bu damlalar tamamen veya kısmi olarak buharlaşırlar. Tamamen buharlaşmamış damlalar difüzyon alevi ile sarılırlar ve bu damlaların yanma hızı buharlaşma hızı, oksijenin aleve difüzyon hızı gibi bir çok faktör tarafından etkilenir. Birinci bölge en yüksek ekivalans oranına sahip olan bölgedir ve en uzun yanma burada olur. Bu bölge katı karbon parçalarının ve NO emisyonlarının kaynağıdır. İkinci bölge ön karışımlı bölgedir ve ilk tutuşma yanması burada oluşur ve bu bölgede önemli bir miktarda emisyon oluşmaz. Üçüncü bölgede ekivalans oranı düşüktür, yanma iyi olmaz. Bu bölgede bu nedenle HC emisyonları oluşabilmektedir.
1. Karbonmonoksit Oluşumu (CO)
Yanma ürünleri arasında CO bulunmasının ana nedeni oksijenin yetersiz olmasıdır. Yanma odasının tümü ele alındığında oksijen genel olarak yetersiz olabileceği gibi karışımın tam olarak homojen olmaması durumunda yanma odasının belirli bir konumda yerel olarak da yetersiz olabilir. Temel olarak CO oluşumu hava fazlalık katsayısının kuvvetli bir fonksiyonu olarak değişmektedir. Yanma sırasında CO oluşumu su gazı dengesi olarak adlandırılan H2O +CO →H2 +CO2 Denklemi ile belirlenmektedir. Yüksek alev sıcaklıklarında bu denge reaksiyonundan CO2 miktarına bağlı oranla daha fazla CO elde edilir. Ancak sıcaklık düştükçe CO’nun CO2 şeklinde oksidasyonu söz konusudur. Bu bakımdan fakir karışımlar la egzoz gazları içerisindeki CO miktarı daha az olurken zengin karışımlarda soğuk egzoz gazları içerisinde bile O2 yetersizliği nedeniyle yüksek miktarda CO bulunmaktadır. Yanma sırasında alev cephesinin iç tarafında ulaşılan yüksek sıcaklık bölgesinde çok miktarda CO oluşmaktadır. Ancak gazların daha sonra genişlemesi ve soğuması sırasında oksidasyon sonucu CO, CO2 ye dönüşmektedir. 2 2 2 1 CO →CO + O Dizel motorlarında genellikle fakir karışım oranları ile çalışıldığından CO emisyonu düşük olmaktadır. Özetle yanma biterken CO’nun CO2’ye dönüşümünü sağlayan yeniden birleşim reaksiyonları oluşur. Şayet bu yeniden bileşim reaksiyonları, oksitleyici eksikliği, alçak gaz sıcaklıkları, kısa kalış zamanı gibi etkenler nedeniyle tamamlanmadan egzoz subabı açılırsa egzoz gazları içinde CO emisyonu artacaktır. Sprey yanmasının ilk safhalarında CO’in 2. bölge ve 3. bölge sınırları arasında oluştuğuna inanılır fakat bölgesel sıcaklıklar yeteri kadar yüksek olmadığından yetersiz ve az miktarda oksidasyon ve CO2 oluşur. Daha sonra yanma prosesi esnasında bölgesel sıcaklıklar yükselir ve reaksiyonları artar. İkinci bölgede oluşmuş CO derhal oksitlenir çünkü oksijen konsantrasyonu ve gaz sıcaklığı uygundur. Sprey çekirdeğinde ve duvar kenarlarında yüksek oranlarda CO oluşur. Oluşum hızı mahalli oksijen konsantrasyonuna, mahalli gaz sıcaklığına ve oksidasyon için yeterli zaman olup olmamasına bağlıdır.
2. Azot Oksit (NOx) Oluşumu
Yanma sonucu ulaşılan yüksek sıcaklıklarda havanın içerisindeki azotun oksijen ile birleşmesi sonucu azot oksitler meydana gelmektedir. NOx içerisinde ana eleman olarak azot bulunmaktadır. Egzoz gazlarının daha sonra atmosfere atılması sonucu oksijenle temasında NO’nun bir kısmı NO2 ve öteki NOx’lere dönüşmektedir. Bu bakımdan NOx oluşumunu etkileyen iki önemli parametre yanma odası sıcaklığı ve hava/yakıt oranıdır. Ayrıca kimyasal reaksiyon hızları da etkili olmaktadır. Ancak bu hızlarda sıcaklığa bağlıdır. Yanma sistemlerinde Azot oksit oluşumu konusunda birçok mekanizma göz önüne alınmıştır. NO oluşumu için kabul edilen en yaygın model zeldowich mekanizmasıdır[7]. O2 →2O O2 + N2 → NO2 + N N +O2 → NO +O Zincir reaksiyonları yüksek sıcaklıklarda oksijen moleküllerinin ayrılmasından oluşan atomik oksijen tarafından başlatılır. Bu mekanizmaya göre dizel yanmasından spreydeki bölgesel NO oluşumu bölgesel oksijen atomu konsantrasyonu ile ilişkilidir, bölgesel oksijen atomu konsantrasyonu ise oksijen moleküllerinin bölgesel konsantrasyonu ve alev sıcaklığı ile bağıntılıdır. Yukarıdaki denge reaksiyonlarını göz önüne alarak son 2 reaksiyonun ters yönde ilerlemesi NO’dan O2 elde etmek mümkündür. NO oluşum hızı N2 ve O2’nin oluşum hızından daha yüksektir. Bunun sebebi piston üst ölü noktadan aşağıya doğru giderken NO’ların tekrar N2 ve O2 ye ayrışması beklenirken reaksiyon hızının düşük sıcaklıklarda çok düşük olması nedeniyle bu reaksiyonlarda yavaşlar yani piston üst ölü noktadan aşağıya doğru giderken soğuyan gazlar reaksiyonu dondurur. Bu yüzden NO miktarındaki azalma önemsizdir.
3. Partikül Madde Oluşumu
Partikül maddeler; katı parçacıklar, duman veya is olarak da tanınır. Dizel motorunda hem karışım hem de yakıt cinsi partikül maddelerin oluşumuna sebep olmaktadır. Oksijence fakir ortamda bulunan yakıt moleküllerinin ısıl parçalanması özellikle H’lerin kolayca oksitlenmesi, C’ların ise oksitlenemeden ortamda çoğalması durumunda partikül maddeler oluşur. İs, bu durumda oluşan katı karbon tanecikleridir. Motorun yük durumuna göre değişen HFKnın bir fonksiyonu olarak is miktarı değiştiğinden motorun gücünü de sınırlayan bir etkendir. Genelde is oluşumu dizel yanmasının bir safhasıdır. Bu nedenle başlangıçta oluşan karbonun büyük bir kısmı tekrar yanar. Ancak gücü arttırmak amacı ile yanma odasına fazla miktarda yakıt gönderildiğinde, yeterli oksijen bulunmadığı için egzoz gazları içerisinde bir miktar is bulunacaktır. İs oluşumu silindirin aşınmasına segman yuvalarının karbonla dolarak zarar görmesine neden olmaktadır. Yanma odasında yeterli sıcaklık, oksijen ve zaman bulunmaz ise partikül maddeler egzozdan dışarı atılmaktadır. Partiküller çapları bakımından tehlike sınıflandırmasına tabidirler. Yani partikül çapı küçüldükçe çevresel ve sağlık açısından tehdidi de büyür. Trafik kökenli partikül maddeler, dizel motorlarda düşük kükürtlü yakıt kullanılması ve yakıt pompasının doğru ayarlanması ile büyük ölçüde önlenebilir. Nefes alındığında akciğere kadar giderek yerleşebilen bu maddeler bronşları tahriş ettiği için insan sağlığına zararlıdır. Dizel motorların dışında PM, fren balataları ve lastiklerden sürtünme etkisi sonucunda da oluşmaktadır.
4. Hidrokarbon (HC) Oluşumu
Karışımın zengin veya fakir olması HC emisyonunu etkilemektedir. HFK’nın 1,1 değeri civarında HC’lar minimumdan geçerek bu değerin her iki yanında da artış göstermektedir. HFK’nın büyük olması durumunda yanma odası sıcaklığı düşeceği için tam yanma olmaz ve HC’lar artar. Karışımın zengin olması durumunda ise yeterli oksijen bulunmadığı için yakıtın tümü yanamaz ve tekrar HC’lar artış gösterir. Hidrokarbonların yanmasında alev cephesinin arkasında ölçülebilir HC konsantrasyonu görülmektedir. Motordaki HC emisyonu daha ziyade tam yanma olmayan bölgelerden oluşmaktadır. HC emisyonu motor yükü ve hızına doğrudan bağlı değildir. Daha çok enjeksiyon sistemine ve yanma odası geometrisine bağlıdır. Dizel motorlarının egzoz borusundaki, sıcaklık ve oksijen konsantrasyonun yeterli olduğu hallerde HC’lar oksidasyonlarını devam ettirmektedir. Hidrokarbonlar, çok çeşitli organik kimyasal maddeler içerse de, normal atmosfer miktarlarında toksin etkiye sahip bulunmamaktadır. Ancak havadaki diğer kirleticilerin birbirleri arasındaki reaksiyonlarda rol oynamaları nedeniyle kirletici olarak önem kazanmaktadır. Motorlu araçların yoğun olduğu bölgelerde hidrokarbon miktarlarında önemli artışlar olmaktadır[8] Dizel motorlarda oluşan emisyonlar haricinde yakıtta kontrol edilmesi gereken emisyonlar ise SOx gazlarıdır. Kükürt içeren fosil yakıtların yanması sonucunda oluşarak atmosfere verilen bu gaz, renksiz ve geniz yakıcı bir özelliğe sahiptir. Dizel yakıtlarda % 0,5 ‘in altında kükürt vardır. Basit olarak çıkan SOx gazı SO2 olarak kabul edilir. Havada 1-7 gün arasında askıda kalabilmektedir[9]. Yakıt içerisinde bulunan kükürt miktarına bağlı olarak özellikle dizel motorlarında yanma sonucu kükürdün hava ile birleşmesi ise SO2 oluşmaktadır. Daha sonra egzoz gazları içindeki su buharı ile SO2’nin birleşmesi sonucunda da silindir içerisinde ve atmosfere atıldıktan sonra H2SO4 oluşmaktadır. Oluşan sülfürik asit motor elemanlarının korozyonuna neden olmaktadır.
Yorumlar
Yorum Gönder