Özet

Emisyon regülasyonlarında bulunan CO, HC, NOx gibi emisyon kısıtlarının yanında katı partikül (pm, particulate matter) miktarında da bazı sınırlamalar vardır. Önceleri sadece dizelde olan bu sınırlama, silindir içine püskürtmeli (GDI) benzinli motorların yaygınlaşmasıyla birlikte, benzinli motorlara da uygulanmaktadır. Bu yazımızda ise dizel motorlarda partikül emisyonlarının kontrolünü sağlayan DPF‘ten bahsedilecektir.

1.Giriş

Dizel motorlar yanma sonrasında farklı türlerde partiküller ortaya çıkartırlar. Partikül, motordan çıkan farklı türdeki katı maddeler olarak nitelendirilebilir. Partiküllerin niteliği ise çoğunlukla motor tipi, yaşı ve motor tasarımına göre değişir. 2 zamanlı motorlarda eksik yanma daha fazla olduğundan birim güç başına ürettikleri partikül miktarı 4 zamanlı motorlara göre daha fazladır. Eksik yanma is (soot, black carbon) partikülünün ortaya çıkmasına sebep olur. İs, mikron boyutlarındaki küçük nanopartiküllerdir ve havaya karışarak insan sağlığına zarar verirler. Bu yüzden regülasyonlarda partikül madde miktarına sınırlama getirilmiştir. Araç üreticileri ise bu regülasyonlara uygun motor geliştirebilmek için metodlar üretmişlerdir. Partikül (PM, Particulate Matter) emisyonu için ise bu yöntem partikül filtresi olarak karşımıza çıkmaktadır. DPF (Diesel Particulate Filter), dizel motorlarda egzoz hattı üzerine yerleştirilen ve motordan çıkan katı partiküllerin filtrelenerek tutulmasını sağlayan ve daha sonra yakılmasını mümkün kılan bir filtredir. Yeni nesil partikül filtreleri zararlı partiküllerin %30 ile %95’i arasındaki oranlarda yakalanmasına olanak tanımaktadır ve partikül emisyonlarının (soot emissions) 0.001 g/km’ye kadar düşürülmesini sağlamaktadırlar.

Partikül formasyonunu etkileyen diğer bir etken de yakıt kalitesidir. Örneğin yüksek sülfür içeriğine sahip dizel yakıtlar daha fazla partikül (SO2) oluşumuna sebep olurlar. Ayrıca, motor yağı da partikül madde oluşumuna etki eden diğer bir faktördür.

2. DPF Çalışma Prensibi

DPF, motorun egzoz hattına yerleştirilerek partiküllerin (katı maddelerin) tutulmasını sağlayan bir filtredir.

Filtre sayesinde tutularak atmosfere salınması engellenen partiküller daha sonra yakılarak CO2’e dönüştürülür. Bu işleme rejenerasyon (kısaca rejen) adı verilir. Rejenerasyon yapabilmek için DPF’in belirli sıcaklıkta olması gerekir, aksi halde tepkimeler meydana gelmez. Rejenerasyon sırasında DPF’e giren sıcaklığın değişimi ise rejen süresini etkileyen parametrelerdendir. Bu yüzden DPF, motora mümkün olduğunca yakın konumlandırılmaya çalışılır, böylece egzoz hattındaki sıcaklık düşüşü en aza indirilebilmektedir.

Şunu da not olarak eklemek gerekir ki dizel motorların egzoz çıkış sıcaklıkları benzinli motorlardan daha düşüktür. Bu yüzden 500-600 degC gibi sıcaklıklar benzinli motorlarda çok rahat elde edilebiliyorken dizel motorlarda ancak yüksek güç ve devirlerde elde edilebilmektedir. Konuyla ilgili şu yazımıza göz atabilirsiniz: Benzin ve Dizel Motorları İçin Isıl Histogramlarla Birlikte Bir Egzoz sistemi Örneği

Rejenerasyon için 2 temel mekanizma bulunur:

 1. Oksijen ile Rejenerasyon

Egzoz gazlarında bulunan oksijen ile DPF içindeki karbon partiküllerinin tepkimeye girerek CO2 oluşturmasıdır. (Dizel motorları her zaman fakir karışımda çalıştıklarından egzoz içinde sürekli olarak fazladan oksijen vardır.)

C + O2 ==> CO2

C + (1/2)O2 ==> CO2

2. NO2 ile Rejenerasyon

NO2 gazları ile karbonun tepkimesiyle CO2 oluşmasıdır. Bu tepkimenin meydana gelmesi için gerekli sıcaklık oksijen ile yapılan rejenerasyon tepkimesinin gerektirdiği sıcaklıktan daha düşüktür. NO2 ile partikül yakma işlemi birçok DPF sisteminde baskın rejenerasyon tepkimesidir.

C + 2NO2 ==> CO2 + 2 NO

Bunların yanında ozon ile rejenerasyon yöntemi de vardır. Buradaki sıcaklık gereksinimi NO2 rejenerasyonundan bile daha azdır. (Bakınız:  http://www.freepatentsonline.com/8051643.html )

Ek olarak, rejenerasyon sırasında CO, HC gibi yanmamış gazlar da yakılmaktadır ancak bunların oranı çok daha düşüktür ve bunların yakılması için farklı önlemlerde halihazırda alınmaktadır.

DPF’in içindeki partiküllerin yakılmasına rejenerasyon denildiğinden ve bunun için egzoz gazlarının belirli bir sıcaklıkta olması gerektiğinden bahsetmiştik. Fakat rejenerasyon için gerekli kriterler aracın kullanımı esnasında her zaman gerçekleşmez. Bu yüzden araç üreticileri farklı çeşitlerde rejenerasyon yöntemleri geliştirmişlerdir. Bu yöntemleri açıklamadan önce DPF doluluğunun nasıl ölçüldüğünden bahsetmek daha faydalı olacaktır. Çünkü sistemin sürücüye uyarı verebilmesi için önce onu ölçmesi veya bir şekilde bilmesi gerekmektedir.

Dizel filtresinin doluluğu, filtrenin giriş ve çıkışına yerleştirilen diferensiyel basınç sensörlerinden alınan sinyallerin işlenmesiyle tahmin edilir. Şöyle ki, filtre ne kadar çok dolarsa iki sensör arasındaki basınç farkı (farklı bir deyişle DPF üzerindeki basınç düşümü) o kadar fazla olacaktır. Basınç sensörlerinden gelen basınç farkı daha önceden elektronik kontrol ünitesin girilmiştir ve her bir basınç farkı değeri belirli bir doluluğu ifade edecek şekilde kalibre edilmiştir. Böylece DPF’in ne kadar dolu olduğu ölçülebilmektedir. DPF doluluğu gram/litre olarak ifade edilmektedir.

Filtrenin doluluğunu da anlattıktan sonra rejenerasyon yöntemlerine geçebiliriz:

1.Pasif Rejenerasyon

Araç kullanımı esnasında hiçbir ek işleme gerek kalmadan gerekli koşulların oluşmasıyla DPF içinde yanma reaksiyonlarının oluşmasıyla partiküllerin yakılması işlemidir.

2.Aktif Rejenerasyon

DPF’in belirli bir doluluğa ulaşmasıyla birlikte sürücü uyarılır. Bu uyarı, aracın normal kullanımlarında rejenerasyon yapamamasından dolayı sürücünün rejenerasyon koşullarını yaratmasıdır. Bu koşullar, daha yüksek egzoz gazı sıcaklığı elde etmek için, aracın 60 km/h üzerinde 2000-3000 dev/dk motor devrinde sürülmesiyle oluşur. Sürüş süresi genellikle 15-20 dakika civarındadır. Böylece egzoz gazı sıcaklığı motorun yüksek tork ve devirlere çıkması sebebiyle artmaktadır. Egzoz gazı sıcaklığını  arttırmak için ise post enjeksiyon yapılması yaygın bir uygulamadır. Yanma için gerekli koşulların sağlanıp partiküllerin yakılmasıyla rejenerasyon tamamlanmaktadır.

3.Manuel Rejenerasyon

Eğer DPF kapasitesinin çok üstünde dolarsa egzoz akışını olumsuz etkiler ve aktif rejenerayonla sistemi temizlemek mümkün olmaz. Bu durumda DPF yetkili servislerde sökülüp içine temizleyici sıvılar püskürtülmek suretiyle temizlenir. Bu işleme de manuel rejenerasyon adı verilir. Ancak motorun bu koşullara kadar zorlanmaması gerekir zira DPF’in kapasitesinden fazla dolması motora karşıbasınç (back pressure) olarak geri döner ve motor performansı olumsuz etkilenir.

Rejenerasyon için, normal koşullarda, ekstra katkılara ihtiyaç yoktur. Fakat bazı üreticiler motorun daha kolay rejenerasyon yapabilmesi için farklı sıvılar püskürterek rejeni kolaylaştırma yoluna gidebilmektedirler. Veya DPF girişine ısıtıcı (heater) koyarak daha kolay sıcak egzoz gazı elde edebilmektedirler.

3. DPF YAPIMINDA KULLANILAN MALZEMELER

DPF yapımında kullanılan malzemelere de kısaca değinmekte fayda var:

• Cordierite: Yüksek filtreleme verimliliği sağlayan, görece daha ucuz bir malzemedir. Erime sıcaklığı 1200 degC civarındadır.
• Silikon Karbid (Silicon Carbide,SiC):  Cordierite’ten sonraki en popüler 2. malzemedir. Erime sıcaklığı 2700 degC civarındadır fakat termal stabilitesi çok iyi değildir.
• Seramik Elyaf (Ceramic Fiber): Farklı tip seramik tabanlı elyafların karıştırılıp şekil verilmesiyle ortaya çıkmaktadır. Bu malzemeye neredeyse istenilen tüm şekiller verilebildiğinden gözeneklilik (porosity) kontrol edilerek yüksek debi-düşük verim veya yüksek verim düşük debi gibi farklı tasarımsal özelliklerde ayarlanabilmektedir. Diğer malzemelere göre geribasınç (back pressure) oluşumu daha azdır.

4. Sonuç ve Değerlendirme

DPF sayesinde hem partikül sayısında (PN, particulate number) hem de partikül miktarında (PM, particulate mass) düşüş sağlamak mümkündür ve regülasyonların kısıtları sağlanabilmektedir. GDI motorların yaygınlaşmasıyla birlikte benzinli motorlara da getirilen partikül sınırıyla birlikte GPF (Gasoline Particulate Filter) kullanımı ise neredeyse zorunluluk haline gelmiştir.

 

Yararlanılan Kaynaklar:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_particulate_filter
• https://www.dieselnet.com/tech/dpf.php