Giriş

Motorlarda emisyonların regülasyon limitlerine indirgenebilmesi için motor parametrelerinin optimizasyonu her zaman yeterli olmamaktadır. Bu sebeple motor sonrasına emisyon muamele sistemleri (aftertreatment systems) yerleştirilerek emisyonlar kontrol altına alınmaktadır.

Emisyon kontrol sistemlerinde farklı bileşenler kullanılmaktadır ve her bileşenin müdahale ettiği belli bir emisyon vardır. Ayrıca emisyonun yanında motor performansına veya diğer etkenlere olumlu veya olumsuz etkileri de olabilir.

Bu yazımızda dizel motorlarda emisyon kontrol sistemlerinden (aftertreatment systems) bahsedeceğiz.

Dizel Motorlarda Emisyon Kontrol Sistemleri

Dizel motorlarda kontrol altına alınması gereken emisyonlar CO, HC, partikül madde (PM) ve NOx emisyonlarıdır. Bunlara müdahale edilerek en sonunda tam yanma ürünü olan H2O, N2 ve CO2 çıkması istenmektedir.

Dizel motorlarda kullanılan emisyon kontrol sistemlerinden DOC, DPF, ve SCR’den bahsedeceğim. Fakat bundan evvel bir dizel motorda emisyon sistemlerinin hangi sırayla yerleştirildiğine bakmak gerekiyor. Zira bu yerleşim sistemlerin performansını önemli ölçüde etkiliyor.

Dizel Motorlarda DOC Kullanımı ve Emisyonlara Etkisi

DOC (Diesel Oxidation Catalyst) Türkçeye Dizel Oksidasyon Katalizörü olarak çevirilebilir.

DOC’nin görevi CO (karbon monoksit), HC (Hidrokarbonlar) ve birtakım organik bileşiklerle aldehit bileşiklerinin reaksiyonlarını gerçekleştirmektir. Modern dizel motorlarda DOC’nin en temel 2 görevi vardır:

1- CO ve HC Emisyonlarını Düşürmek:

CO ve HC gazlarını oksijen ile yakarak CO2 ve H2O haline getirmektedir.

[Hydrocarbons] + O₂ = CO₂ + H₂O(1)

C_nH_2m + (n + m/2)O₂ = nCO₂ + mH₂O(1a)

2CO + O₂ = 2CO₂

2- NO’yu Oksitlemek:

NO (Azot Oksit)’yu oksitleyerek NO2 (Azot Dioksit)’ye çevirerek DPF ve SCR verimini arttırmak.

2NO + O₂ = 2NO₂

Buna ek olarak kükürtün oksidasyonunu da sağlamaktadır:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃(3)

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

DOC tüm bu reaksiyonları yapabilmek için minimum bir sıcaklığa ihtiyaç duyar. Buna Light Off Temperature (Türkçe karşılığın bilmiyorum) denir. Bu sıcaklığa ulaşmadan DOC verimli olarak reaksiyonlarını gerçekleştiremez. Bu yüzden soğuk motorda DOC’de soğuk olacağından yüksek HC ve CO görülür.

Dizel Motorlarda DPF Kullanımı ve Emisyonlara Etkisi

DPF (Diesel Particulate Filter), Dizel Partikül Filtresi olarak Türkçeye çevirilmektedir.

Dizel motorlarda ciddi bir sorun olan partikül madde (PM, soot) emisyonunu kontrol için kullanılır. DPF, pasif bir elemandır. Egzoz gazındaki partikül maddeleri tutar, biriktirir ve uygun koşullar altında bunları yakarak (rejenerasyon) temizler.

 DPF partikül maddeleri tutarken pasif davranır ancak filtre içindeki partikül maddeleri yakarken birtakım reaksiyonlar gerçekleşir. Bu reaksiyonlar minimum sıcaklık gereksinimi vardır.

DPF’i başka bir yazımızda detaylı anlattığımız için burada daha fazla detay vermeyeceğim. Şu yazımızı okuyarak DPF hakkında detaylı bilgi sahibi olabilirsiniz:

Dizel Partikül Filtresi (DPF) Çalışma Prensibi

Dizel Motorlarda SCR Kullanımı ve Emisyonlara Etkisi

SCR (Selective Catalytic Reduction), Seçici Katalitik İndirgeme olarak Türkçeye çevrilmektedir.

SCR’ın amacı NOx (NO ve NO2) emisyonlarını düşürmektir. Zira dizel motorlarda motor parametreleri ile oynayarak NOx’u regülasyon limitlerine indirmek her zaman mümkün değildir.

SCR’da egzoz gazının içine üre (NH3) püskürtülerek reaksiyonlar başlatılır ve NOx emisyonları N2 ve O2’ye çevirilir.

 SRC’da meydana gelen reaksiyon şöyledir. [5]

6NO + 4NH₃ → 5N₂ + 6H₂O(1)

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O(2)

6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O(3)

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O(4)

NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O

 SCR içinde 100-200 degC arasında veya altında NH3 ile NO2 tepkimeye girerek NH4NO3 (Amonyum Nitrat) oluşmasına sebep olabilir Amonyum nitrat katı veya sıvı olarak katalizöre yapışarak burada meydana gelen reaksiyonları engellemeyebilir. [6] Amonyum nitrat tarımsal gübredir ve el yapımı patlayıcılarda da sıklıkla kullanılmaktadır.

2NH₃ + 2NO₂ + H₂O → NH₄NO₃ + NH₄NO₂

250 degC’den düşük sıcaklıklarda NH3 ve kükürt (S) bileşikleri biraraya gelerek istenmeyen bileşikler meydana getirebilir. Bu bileşiklerde, yukarıda olduğu gibi, SCR’ın reaksiyonlarını olumsuz etkileyebilir. [7]

NH₃ + SO₃ + H₂O → NH₄HSO₄(12)

2NH₃ + SO₃ + H₂O → (NH₄)₂SO₄

 SCR’da NOx çevrimi için en önemli konu püskürtülen NH3 miktarıdır. NH3 az püskürtüldüğünde istenilen NOx çevirme verimine ulaşılamaz. Yüksek miktarlardaki püskürtmeler ise katalizörde depozite sebep olur ve egzozdan NH3 atılmasına sebep olur.

SCR’ın verimli şekilde NOx’u çevirebilmesi için belirli bir sıcaklıkta olması gerekir. Bu sıcaklığın altında veya üstünde verim hızla düşer.

 Sonuç ve Değerlendirme

Dizel motorlarda emisyon regülasyonlarını sağlamak için hem motor parametrelerinde optimizasyon yapmak hem de motor sonrasında emisyon sistemleri kullanmak gerekmektedir.

Burada bahsedilen teknolojilerin haricinde LNT, POC vb uygulamalar da bulunmaktadır.

 

Yararlanılan kaynaklar:

• [1] www.researchgate.net, erişildi 2 Eylül 2019, 12:56
• [2] www.researchgate.net, erişildi 2 Eylül 2019, 12:56
• [3] otomotivlab.net, erişildi 2 Eylül 2019, 12:56
• [4] www.dieselnet.com, erişildi 2 Eylül 2019, 12:56
• [5] Willi, R., B. Roduit, R. Koeppel, A. Wokaun, A. Baiker, 1996. “Selective Reduction of NO by NH3 over Vanadia-Based Commercial Catalyst: Parametric Sensitivity and Kinetic Modeling”, Chem. Eng. Sci., 51 (11), 2897-2902
• [6] Koebel, M., G. Madia, M. Elsener, 2002. “Selective catalytic reduction of NO and NO2 at low temperatures”, Catalysis Today, 73 (3/4), 239-247
• [7] Lepperhoff, G., J. Schommers, 1988. “Verhalten von SCR-Katalysatoren im dieselmotorischen Abgas”, MTZ Motortechnische Zeitschrift, 49, 1
• [8] www.nap.edu, erişildi 2 Eylül 2019, 12:56

 

Adem Oruz

2 Eylül 2019