Dizel Motorlarında Egzoz Gazları Resirkülasyonunun (EGR)

Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Deneysel Analizi

 

Can HAŞİMOĞLU

Selçuk Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü,

Alaeddin Kampüsü, Selçuklu, Konya-TÜRKİYE

 

 Yakup İÇİNGÜR

Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü,

Teknikokullar, Ankara-TÜRKİYE

 

Hüseyin Öğüt

Selçuk Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü,

Alaeddin Kampüsü, Selçuklu, Konya-TÜRKİYE

 

Özet: İçten yanmalı motorlarda yanma odasındaki sıcaklık 1800 K’nin üzerine çıktığında, havanın içerisindeki azot ve oksijen kimyasal olarak birleşerek, azot oksit denilen, insan sağlığına ve çevreye zararlı bir gaz haline dönüşür. Azot oksitler ise akciğerde, nemle birleşip nitrik asit oluşturarak, solunum hastalıklarına yol açmaktadırlar. Dizel motorlarının hava fazlalığı ile çalışması, azot oksit oluşturma potansiyellerini arttırmaktadır. Bu çalışmada, dizel motorlarından kaynaklanan azot oksit emisyonlarının azaltılması üzerinde durulmuş, bu amaçla tek silindirli bir dizel motorunun egzoz gazları belirli oranlarda (%10, 20, 30) motorun emme hattına geri gönderilerek motor performansı ve egzoz emisyonlarındaki değişim izlenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda EGR uygulaması ile azot oksit emisyonlarında önemli ölçüde düşüş olurken, duman emisyonu ve özgül yakıt tüketiminin kötüleştiği görülmüştür.

 

Anahtar Sözcükler: Dizel motoru, dizel emisyonu, EGR, egzoz emisyon kontrolü

 

The Experimental Analysis of The Effect of Exhaust Gas Recirculation (EGR)

on Engine Performance and Exhaust Emissions on Diesel Engines

 

Abstract: When temperature of combustion chamber rises beyond 1800 K in internal combustion engines, nitrogen and oxygen of air combine chemically and become a gas called nitrogen oxide which is harmful for human health and environment. Nitrogen oxides combine with humidity in lungs and become nitric acid and causes breathing illnesses. Diesel engines use excess air for combustion, this increases nitrogen oxide production potential. In this research reduction of nitrogen oxide emissions from diesel engines were investigated. For this purpose a single cylinder diesel engine’s exhaust gases recirculated to the engine induction system on determined rates (10, 20, 30 %) and changes in engine performance and exhaust emissions were traced. When experiments resulted it is seen that nitrogen oxide emissions decreased drastically but smoke emissions and specific fuel consumption deteriorated.

 

Key Words: Diesel engine, diesel emission, EGR, exhaust emission control

 

 

 


GİRİŞ

 

Dünyadaki enerjinin ancak %30 kadarı yanmasız bir şekilde hidrolik ve nükleer santrallerde üretilmektedir. Geriye kalan %70 enerji fosil yakıt adı verilen kömür, petrol, gaz veya bunların sentetik türevlerinin yakılması ile elde edilmektedir (Ergeneman ve ark.,1998).

Hava kirlenmesinin başlıca kaynaklarını şu şekilde sıralanabilir;

 

 

1.      Motorlu Taşıtlar,

2.      Konut Isıtmaları,

3.      Termik Santraller,

4.      Endüstriden gelen gazlardır.

Kirlenmenin % 60-70'i motorlu taşıtlardan, %10-15'i termik santrallerden, %10-12'si konut ısıtmalarından ve %20 kadarı ise endüstriden gelmektedir. Ancak şartlara göre bu oran bir kaynak üzerinde yoğunlaşabilmektedir (Arhur, 1977, Ross, 1972).

Şehirlerdeki kirlenmenin büyük bir bölümü otomobillerden kaynaklanmaktadır. Bu kirleticilerin özellikleri ve yoğunlukları motor tipine, motor ayarına, kullanım tarzına, yakıt bileşimine ve atmosferik şartlara bağlıdır (Çakıroğlu, 1996).

Ülkemizde olduğu gibi yolcu ve yük taşımacılığının büyük bir bölümünün karayolu taşıtları ile yapıldığı ülkelerde bu durum ayrı bir önem arz etmektedir. Yolcu ve yük taşımacılığında kullanılan taşıtların çoğunda dizel motorları kullanılmaktadır. Bu yüzden dizel motorlarından kaynaklanan emisyonların azaltılması gerekmektedir.

Bu çalışmada dizel motorlarından kaynaklanan NOx  emisyonlarının azaltılması üzerinde durulmuş, bu amaçla içten yanmalı motorlardan kaynaklanan NOx emisyonlarını azaltmada kullanılan yöntemlerden biri olan egzoz gazları resirkülasyonu yöntemi tek silindirli bir dizel motoruna uygulanmıştır. Deney motorunun egzoz manifoldundan alınan gazlar belirli oranlarda motora geri gönderilerek motor performansı ve egzoz emisyonlarındaki değişim izlenmiştir.

 

 

Dizel Motorlarından Kaynaklanan Egzoz Emisyonları

 

Kirleticilerin önemli olanlarını altı grupta toplayabiliriz. Bunlar ;

1.      Karbon oksitler,

2.      Azot oksitler,

3.      Kükürtlü bileşenler,

4.      Hidrokarbonlar,

5.      Aldehitler,

6.      Partiküller'dir (Borat ve ark.1994).

 

Dizel motorlarında silindir içerisine emilen havanın birim hacmi piston yardımıyla 1/19 ile 1/21 değerine düşecek tarzda sıkıştırılmaktadır. Benzin motoruna göre takriben iki misli sıkışan hava daha yüksek basınç ve sıcaklığa ulaşmaktadır. Bu sırada havanın içerisine püskürtülen yakıt kolaylıkla tutuşabilmektedir.

Teorik olarak 1kg yakıta yaklaşık 15kg hava gerekmektedir. Dizel motorlarında iyi bir yanma için bu miktarın 1,5 ile 2 katı kadar hava ile yanmayı gerçekleştirmek gereklidir. Kirletici bileşenlerin meydana gelmesi yanma olayına bağlıdır. Burada gerçek hava/yakıt oranı teorik tam yanma miktarından büyük olmasına rağmen silindir içindeki yakıt damlacıkları çevresinde yeterli hava temin edilememektedir. Bu da eksik yanma ürünü olan is (karbon parçacıklarının) doğmasına yol açmaktadır. Motorin hava karışımlarının yanması ile oluşan ürünler aşağıdaki denklemde sunulmuştur.

 


C17H34 + 25,5λ (O2 + 3,76N2)

{CO2,CO,CH4,H.CHO,C,SO2,SO3,H2O,

NO,NO2,N2}                                           (1)

 

Dizel motorlarında da işletme şartları sık sık değişmekte ve bazı hallerde hava/yakıt oranı istenen oranların dışına çıkmaktadır. Diğer bir ifade ile dizel motorunun hidrokarbon, NOx, is, aldehit gibi kirletici bileşenleri artmaktadır. Yakıtın içerisindeki kükürt miktarı dizel egzozundan çıkan SOx  miktarını belirlemektedir. Çünkü kükürt bileşeni yanma olayında O2 ile hemen reaksiyona girmektedir. Geri kalan O2 diğer bileşenleri oksitleyebilmektedir (Balcı, 1995).

Dizel motorlarından kaynaklanan zararlı emisyonların başında mutojenik ve kansorejenik etkiye sahip olan katı parçacıklar (partiküller) gelmektedir. Dizel motorları benzin motorları ile karşılaştırıldığında CO ve HC emisyonları daha az içermesine karşılık dizel araçlarda SO2 (kükürtdioksit) ve PM emisyonları daha fazla oluşmaktadır (Anonymous, 1995).

Dizel motorlarında karakteristik olarak zararlı egzoz gazlarının seviyesi benzin motorlarına göre daha düşüktür. Ayrıca zararlı gaz oranları motorun kullanım süresince fazlaca değişmezler. Bunun sebebi dizel motorunun çalışma prensibidir. Dizel motorları kendiliğinden ateşlemeli olup karışma silindirlerin içerisinde meydana gelir ve hava fazlalığı ile çalışır. Dizel motorlarının özelliği partikül atıklarının benzinli motorlara göre çok yüksek olmasıdır. Bu partikül emisyonlarının büyük bir kısmı karbon parçacıklarından, diğer kısmı ise hidrokarbonlardan oluşmaktadır (Anonymous, 1993).

Yanma esnasında is oluşumu, difizyon yanması sırasında başlar ve püskürtme süresinde is konsantrasyonu hızla artar. Püskürtme sonunda da maksimum düzeye ulaşır. Daha sonraki safhada is oksitlenmeye başlar. Ancak alev sıcaklığı düşmeye başladıkça oksitlenme yavaşlar ve 1400oC’nin altında etkisini kaybeder. Dolayısıyla is bu konsantrasyon seviyesinde dışarı atılır (Kammato ve ark., 1983).

 

 

NOx’lerin Çevre ve İnsan Sağlığına Etkisi

 

NO, NO2, N2O2 ve benzeri bileşiklerin tümü NOx olarak tanımlanmaktadır. Azot oksitler, kandaki hemoglobin ile birleşmektedir. Ciğerdeki nemle birleşerek nitrik asit oluştururlar. Oluşan asit miktarının konsantrasyonunun azlığı nedeniyle etkisi de az olmaktadır. Ancak zamanla birikerek solunum yolu hastalıkları bulunan kişiler için tehlike oluşturmaktadır (Ergeneman ve ark. 1998). Ayrıca NOx’ler aeresol ve fotokimyasal duman oluşumu ile ozon tabakasının tahribine yol açmaktadırlar (Kaytakoğlu, 1995).

Azot oksitler içinde NO, kokusuz bir gazdır. Akciğerlerin çalışmasını bozar, mukoza zarını tahriş eder ve felç yapıcı etkisi vardır. Nitrik asit oluşumuna sebep olur. Çevre şartlarında kararsızdır ve oksijenle birleşerek NO2 'ye dönüşür. MAK değeri 9 mg/m3' tür.

NO2, keskin kokulu kırmızı kahverengi karışımı bir gazdır. Düşük yoğunlukta olması halinde bile akciğeri tahriş eder, dokulara ve mukoza zarına zarar verir. MAK değeri 9 mg/m3' tür (Schafer, 1995).

 

 

NOx Oluşum Mekanizması

 

Genelde stokiyometrik orana yakın hava yakıt karışımlarında yanma sırasında NO oluşur. NO oluşum hızı alevin geçmiş olduğu bölgelerdeki gaz sıcaklığına ve karışım oranına bağlıdır. İçten yanmalı motorlarda yanma odasındaki sıcaklık 1800 K’nin üzerine çıktığında, havanın içerisindeki azot ve oksijen kimyasal olarak birleşerek, azot oksit denilen, insan sağlığına ve çevreye zararlı bir gaz haline dönüşür. Isı açığa çıkma hızının artması NO oluşumunu arttıracaktır. Stokiyometrik karışımlardaki NO oluşumu maksimum iken karışım zenginleşip fakirleştikçe NO miktarı da azalır (Heywood, 1988, Khan ve ark., 1973).

Yanma olaylarında oluşan NO için Zeldovich mekanizmasına göre O2 « 2O oluşunca zincir teşkil eden serbest radikallerde NO doğmaktadır;

 

O + N2 « NO + N                                       (2)

N + O2 « NO +O                                        (3)

 

Bu arada alevin son yanma bölgesinde NO teşekkülü başlamadan önce esas yanma reaksiyonlarının dengeye ulaştığı kabul edilebilir. Yukarıdaki mekanizma HFK’nın 0,8'den büyük olan zenginlikte veya fakir karışımlar için geçerlidir. HFK £ 0,8 ise ilave olarak ;

 

N + OH « NO + H                                     (4)

 

reaksiyonu önem kazanmaktadır (Borat ve ark., 1994).

NO alev cephesinin hem önünde, hem de arkasında oluşur. Motorda yanma yüksek basınç altında olduğundan alev bölgesi çok incedir (~0,1 mm) ve alevin bu bölgede bulunma zamanı çok kısadır. Yakıtın erken püskürtülmesi sonucu karışım yanarken sıkıştırma işlemi devam edeceğinden, alev cephesinin geçmiş olduğu bölgedeki karışımın sıcaklığı yanmadan sonra bile artacaktır. Bu yüzden alev cephesinin geçmiş olduğu bölgelerde, alev cephesinin önündeki bölgeye göre daha fazla NO oluşacaktır.

Alev bölgesinde oluşan NO aşağıdaki reaksiyonla atmosferde NO2 ‘ye dönüşecektir (Heywood, 1988).

 

NO + HO2 « NO2 + OH                             (5)

 

Dizel Motorlarında NOx Kontrol Yöntemleri

 

Dizel Motorlarında NOx emisyonlarını kontrol etmede kullanılan çeşitli yöntemler Şekil 1’de gösterilmiştir. Başlıca yakıtta, motorda ve egzoz gazlarında alınacak önlemler olarak toplanabilir. Püskürtme avansının değiştirilmesi, fakir yada zengin yanma, sıkıştırma oranının değiştirilmesi, emme subabı özellikleri ve ön yanma odası gibi özellikler motordaki yanma işlemine etki eden önemli parametrelerdir.


Şekil 1. NOx Emisyonlarını Kontrol Etmede Kullanılan Çeşitli Yöntemler (Andrews, 1995).

 

Dizel motorlarında NOx emisyonlarını azaltmada kullanılan yöntemlerin, etkileri Şekil 2’de gösterilmiştir. Sadece EGR uygulaması ile NOx emisyonlarında % 75’lik bir azalma elde edilebilmektedir. Tüm yöntemler ve katalitik konvertör kullanarak ise NOx emisyonlarında %95’lik bir azalış sağlanabilmektedir.


 

Şekil 2. Dizel Motorlarında NOx Emisyonlarını Azaltmada Kullanılan Yöntemlerin Etkileri (Andrews, 1995).

 

 

 

 

 

 

Materyal ve Metod

 

Materyal

 

Deneyler Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Otomotiv Anabilim Dalı İçten Yanmalı Motorlar Laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Motordan egzoz gazlarının alınabilmesi için bir ara parça yaptırılarak egzoz manifolduna bağlanmıştır. Ara parçaya bağlanan vana ve boru ile motordan alınan egzoz gazı hava akışmetre ventürisi üzerinden emme hattına geri verilmiştir. Deney düzeneğinin şematik görünüşü Şekil 3’de, deneylerde kullanılan motora ait bilgiler Tablo 1’de verilmiştir.

Deneylerde devir sayısını ve döndürme momentini ölçen McClure marka elektrikli dinamometre kullanılmıştır. Dinamometrenin ölçüm kapasitesi 6500 d/d ve 80 Nm’dir. Hassasiyeti ise 0,01 Nm’dir.

Deneyler sırasında kullanılan havametre GO-Power M5000 tipindedir. Üzerinde 0-75 mm H2O aralığında ölçme yapan bir manometresi bulunmaktadır. Deneylerde havametre giriş ağzına 30 mm çaplı nozul takılmıştır. Motorun egzoz manifoldundan alınan egzoz gazı havametre ventürüsi üzerinden emme hattına geri gönderilmiştir. Bu durumun havametredeki akışı bozacağı düşünüldüğünden deneyler sırasında tespit edilen hava tüketimi değerleri dikkate alınmamıştır. Bu sebeple EGR oranına bağlı olarak hacimsel verimin değişimi hesaplanmamıştır.

 


Şekil 3. Deney Düzeneğinin Şematik Görünüşü

Tablo 1.Deney Motorunun Teknik Özellikleri


Tüketilen yakıt miktarını ölçebilmek için Ohaus marka 8 kg kapasiteli 0,1 gr hassasiyetli dijital terazi kullanılmıştır.

Deneyler sırasında üç adet emisyon ölçüm cihazı kullanılmıştır. Egzoz emisyonlarının ölçümünde Gaco-SN marka analiz cihazı kullanılmıştır. Cihaz CO, CO2, NOx, O2, SO2, gazlarını ppm ve mg/m3 olarak ölçebilmektedir. Ayrıca HFK ve yanma verimi de ölçülebilmektedir. Duman koyuluğunun ölçülmesinde OVLT-2600 tipi dizel emisyon ölçüm cihazı kullanılmıştır. Cihaz duman miktarını K faktörü ve yüzde (%) olarak ölçebilmektedir. Emme manifoldundaki CO2 miktarını ölçebilmek için SUN SGA 9000 tipi emisyon ölçüm cihazı kullanılmıştır. Cihaz CO, CO2, O2, ve HC emisyonlarını ölçebilmektedir.

Çevre sıcaklığının belirlenmesi için Sınar marka 1300C kapasiteli, 10C hassasiyetli termometre, çevre basıncının ölçülmesi için Precision marka 710-800 mmHg aralığında ölçüm yapabilen barometre kullanılmıştır.

Yakıt tüketiminin belirlenmesinde Robic Sports SC 700 model dijital göstergeli ve 0,01 saniye bölüntülü kronometre kullanılmıştır.

 

 

Metod

 

Deneylere başlamadan önce subap ayarı kontrol edilerek, enjektör püskürtme basıncı 275 bara ayarlanmıştır. Enjeksiyon pompa ayarları referans değerlerinde kabul edilmiştir. Motor çalıştırılmadan önce su ve yağ devir daim pompaları ve ısıtıcıları termostatlar açılana kadar çalıştırılmıştır. Deneylere başlamadan önce motor orta devirlerde hafif yüklerde çalıştırılıp rejime girmesi sağlanmıştır. Denemelerde motor tam gaz konumunda iken dinamometreden yükleme yapılarak devir ayarlanmıştır. Deneyler sırasında püskürtme avansı 18o’de sabit tutulmuştur. Yakıt olarak ise 46 setan sayılı Türk Petrol motorin kullanılmıştır.

Deneyler % 10, 20 ve 30 EGR’li ve EGR’siz olarak iki aşamada gerçekleştirilmiştir. EGR’siz deneyler önce yapılarak egzozda ölçülen CO2 miktarından yararlanılarak EGR’li deneyler için emme manifoldunda olması gereken CO2 miktarı hesaplanmıştır. Daha sonra egzoz manifoldundaki ara parçaya bağlı vana açılarak havametre üzerinden motorun emme hattına egzoz gazı gönderilmiştir. Emme hattı üzerine bir emisyon ölçüm cihazı bağlanarak bu kısımdaki CO2 miktarı vana ile kontrol altında tutulmuştur.

Egzoz emisyonlarının ölçülmesinde Gaco-Sn marka gaz analizörü kullanılmıştır. Cihazın probu ölçüm yerine bağlandıktan sonra 60 saniye beklenip değerler kaydedilmiştir. Duman ölçümü içinde aynı yol izlenmiştir.

Emme hattındaki CO2 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

 

(6)

kullanılmıştır (Needham ve ark., 1993).

Havanın içerisinde hacimsel olarak %0,03 CO2 bulunmaktadır (Çetinkaya, 1999). Bu değer çok küçük olduğu için cihazın hassasiyeti ortamdaki karbondioksit miktarını ölçmeye yetmemiştir. Dolayısıyla ortamdaki CO2 yüzdesi sıfır olarak kabul edilmiştir.

 

 

Elde Edilen Verilere Göre Yapılan Hesaplamalar

 

Motordan ölçüm yoluyla elde edilen verilerle güç, ortalama efektif basınç, saatlik yakıt tüketimi ve özgül yakıt tüketimi değerleri hesaplanmıştır.

Dizeller için düzeltme katsayısı bulunarak tork değerleri bu katsayı ile çarpılarak düzeltilmiştir.

Dizeller için düzeltme katsayısı ;

 

Kd = [(Psd/Pa)0,65]*[(Ta/Tsd)]0,5            (7)

 

Eşitliği ile hesaplanmıştır.

 

Buradan ;

 

Med = Me*Kd                           (8)

 

Nm olarak bulunur.

 

Güç, düzeltilmiş tork değerinden;

 

Pe = (Med*n)/9549                             (9)

 

kW olarak bulunur.

 

Dakikadaki yakıt tüketimi;

 

B = (3600*my)/60                             (10)

 

Yukarıdaki eşitlik kullanılarak saatlik yakıt tüketimine çevrilmiştir.

 

Özgül yakıt tüketimi ;

 

be = (B*103)/Pe                               (11)

 

ifadesi ile (g/kWh) olarak bulunmuştur (İçingür, 1996).

 

Ortalama efektif basınç;

 

Pme = (12,56*Me)*Vd (kPa)           (12)

 

ile hesaplanmıştır (Taylor, 1994).

 

 

Araştırma Sonuçları ve Tartışma

 

Gerçekleştirilen motor deneyleri sonucunda tam gaz durumunda EGR oranına bağlı olarak, güç, özgül yakıt tüketimi, ortalama efektif basınç, azot oksit, ve duman emisyonları motor devrine bağlı olarak Şekil 4...8,‘de grafiklerle verilmiştir. Ölçümler 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 ve 4000 d/d’da yapılmıştır.

Motor devir sayısına bağlı olarak her bir EGR oranı için motor gücündeki değişim Şekil 4’de verilmiştir. Standart ve % 10 EGR durumunda maksimum güç 3500 d/d’da elde edilirken, % 20 ve % 30 EGR‘de maksimum gücün elde edildiği devir 3000 d/d’ya düşmüştür. Ayrıca 4000 d/d’da % 20 ve % 30 EGR oranlarında motor gücünde sırasıyla yaklaşık % 50 ve % 60 düşüş gözlenmiştir. 3500 d/d’nın altında ise yüksek devirlere göre motor gücünde önemli bir düşüş olmamıştır. Bunun sebebi ise yüksek devirlerde artan EGR oranına bağlı olarak karışımın çok fakirleşmesi ve sıcak EGR’nin motorun silindirine birim zamanda alınan dolgu miktarını büyük ölçüde azaltması şeklinde açıklanabilir. Sıcak egzoz gazları hacimsel verimi kötüleştireceğinden, birim zamanda silindire alınan dolgu miktarı azalmakta bu durum ise motor gücünü olumsuz yönde etkilemektedir.

Şekil 5’de motor devrine bağlı olarak EGR oranındaki değişimin Ortalama Efektif Basınca etkisi görülmektedir. Her devir aralığında Standart EGR ile % 10 EGR arasında ortalama efektif basınç yaklaşık % 10 düşmüştür. 3500d/d’ya kadar ise EGR oranı arttırıldıkça her devir için ortalama efektif basınç yaklaşık % 5 azalmaktadır. 3500 d/d’dan sonra ise ortalama efektif basınçtaki azalış artmaktadır. 4000 d/d’da ise % 20 ve % 30 EGR’de ortalama efektif basınç sırasıyla yaklaşık % 50 ve % 60 azalmaktadır.

 


Şekil 4. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Motor Gücü Değişimleri

 

Bunun sebebi ise artan EGR oranı ile birlikte açığa çıkan maksimum ısı miktarının azalması ve maksimum ısının açığa çıktığı noktanın gecikmesi şeklinde açıklanabilir. Silindire geri gönderilen egzoz gazları karışımı seyreltip yanma hızı yavaşlatmakta böylece maksimum ısının açığa çıktığı nokta gecikmektedir. Ayrıca açığa çıkan ısının bir kısmı egzoz gazları tarafından absorbe edildiğinden dolayı yanma sonunda açığa çıkan maksimum ısı miktarı azalmaktadır.

 


Şekil 5. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Ortalama Efektif Basınç Değişimleri

 

Şekil 6’da motor devrine bağlı olarak her bir EGR oranı için özgül yakıt tüketimi görülmektedir. Her devir aralığında standart değerler ile % 10 EGR’li değerler arasında ortalama % 15’lik bir artış vardır. % 20 ve % 30 EGR durumunda da 3000 d/d’ya kadar bu fark hemen hemen değişmez. Fakat 4000 d/d’da % 20 ve 30 EGR durumunda özgül yakıt tüketimi sırasıyla 2 ve 3 kat artmaktadır.

Bunun sebebi ise yanma hızının yavaşlaması ve dolgu içindeki oksijen miktarının azalmasıdır. Ayrıca deneyler sabit püskürtme avansında yapıldığından yüksek devirlerde avans yetersiz kalmakta, dolayısıyla bir miktar yakıt yanamamaktadır. Bunun sonucu olarak özellikle 3000 d/d’dan sonra özgül yakıt tüketimi önemli ölçüde artmaktadır.

 

Şekil 6. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Özgül Yakıt Tüketimi Değişimleri

 

Şekil 7’de motor devrine bağlı olarak her bir EGR oranı için duman yoğunluğu değerleri görülmektedir. 1500 d/d’daki duman yoğunluğu EGR oranı ile ters orantılıdır. Yani düşük devirlerde EGR oranı arttırıldıkça duman yoğunluğu azalmaktadır. Bunun sebebi ise sıcak egzoz gazlarının karışımın ısısını arttırıp yakıtın daha iyi buharlaşmasını sağlayıp, tutuşma gecikmesi periyodunu kısaltmasıdır. Tutuşma gecikmesinin kısalması ile birlikte bu süre zarfında püskürtülen yakıt azalacağından, yakıtın daha fazlası kontrollü yanma safhasında yakılacaktır. Bu durum ise yakıtın daha iyi okside olmasını sağlayacağından duman yoğunluğunda azalma olacaktır. Yüksek devirlere çıkıldığında ise artan EGR oranıyla beraber duman yoğunluğu da artmaktadır. Yüksek devirlerde avansın yetersiz kalması yüzünden yanmanın tamamlanamaması, ayrıca silindir içindeki oksijen miktarının azalması ve EGR’nin alev sıcaklığını düşürmesi sonucu yakıtın oksidasyonun tamamlanamaması sebebiyle duman

yoğunluğu artmaktadır.


Şekil 7. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Duman Emisyonu Değişimleri

 

Şekil 8’de motor devrine bağlı olarak her bir EGR oranı için azot oksit emisyonları ppm olarak görülmektedir. Standart değerler ile % 10 ve 20 EGR uygulandığı durumdaki değerler arasında, sırasıyla yaklaşık olarak ortalama % 37 ve 78’lik bir azalma olmuştur. % 30 EGR durumunda ise emisyon ölçüm cihazında azotoksit emisyonları sıfır olarak ölçülmüştür. Egzoz gazları yanma sonucu açığa çıkan ısının bir kısmını absorbe ettiklerinden dolayı yanma odasındaki maksimum sıcaklık düşmekte dolayısıyla azotoksit emisyonları da azalmaktadır. Ayrıca yanma hızının düşmesi maksimum ısının açığa çıktığı noktayı geciktirdiğinden maksimum silindir sıcaklığı azalmakta ve buna bağlı olarak azotoksit emisyonları düşmektedir. Yüksek EGR oranlarında yanma hızının çok düşmesi ve yüksek devirlerde avansın yetmemesi sonucu yanma şartlarının kötüleşmesi azotoksit emisyonlarını düşürmektedir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Şekil 8. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Azotoksit Emisyonu Değişimleri

 

 

Sonuç ve Öneriler

 

Yapılan deneyler sonucunda EGR uygulaması ile NOx emisyonları dışında kalan diğer parametrelerde kötüleşme olduğu görülmüştür. Bu durumda, yüksek EGR oranları motorun performansını daha çok kötüleştirdiği için tavsiye edilmemektedir. Hem NOx emisyonları, hem de diğer parametreler dikkate alındığında ideal EGR oranı % 10 olarak bulunmuştur. Diğer parametreleri fazla kötüleştirmeden daha yüksek EGR oranlarına çıkabilmek için bazı ek tedbirlere ihtiyaç duyulmaktadır.

EGR ile karışımın yanma hızı düşmektedir. Bu durumda silindire püskürtülen yakıtın bir kısmı gereken süre içerisinde yanamayacağından yakıt tüketimi kötüleşmektedir. Kullanılan yakıtın setan sayısı arttırılarak karışımın daha erken tutuşması sağlanabilir. Dolayısıyla karışımın yanabilmesi için daha fazla süre sağlanmış olur.

Egzoz gazlarının içerisindeki küçük partiküller motordaki aşıntıyı arttıracaktır. Bunun için gazlar silindire geri gönderilmeden önce bir filtreden geçirilmelidir. Partiküllerin filtrelenmesi ile EGR’nin aşındırma etkisi de azaltılabilir. Ayrıca EGR sistemi bulunan motorlarda daha yüksek kaliteli motor yağlarının kullanılması da aşıntıyı azaltacaktır.

 

 


 
Semboller

 

be                    = özgül yakıt tüketimi (g/kWh)

B.                    = saatlik yakıt tüketimi (g/h)

C                     = karbon         

CH4                 = metan

C17H34             =

CO                  = karbon monoksit

CO2                 = karbon dioksit

EGR                = egzoz gazları resirkülasyonu

H2O                 = su

HC                  = hidro karbon

H.CHO           = aldehit

HFK                = hava fazlalık katsayısı

Kd                   = düzeltme katsayısı

MAK              = maksimum işyeri atmosferi konsantrasyonu

Me                  = motor torku (Nm)

Med                 = düzeltilmiş motor torku (Nm)

my                    = dakikadaki yakıt tüketimi

n                      = motor devri (d/d)

 

 

 

 

 

N2                   = azot

NO                  = azot monoksit

NO2                = azot dioksit

NOx                = azot oksit

N2O2               = diazot dioksit

O2                   = oksijen

OH                  = hidroksit

Pe                    = motor gücü (kW)

Pa                    = ortam basıncı (kPA)

Psd                   = standart basınç (293 K)

PM                  = Partikül madde

ppm                 = milyonda bir partikül

SO2                 = kükürt dioksit

SO3                 = kükürt trioksit

SOx                 = kükürt oksit

Ta                    = ortam sıcaklığı (K)

Tsd                   = standart sıcaklık (293 K)

Vd                    = toplam motor hacmi (l)

l                     = hava fazlalık katsayısı


 

Kaynaklar

 

Andrews, G., NOx Formation and Control, The Eleventh Annual Short Course on Diesel Particulates and NOx Emissions, University of Leeds 3-7 April 1995.

 

Anonymous, Bosch Teknik Bülten, Ankara Mart 1993.

 

Anonymous, Motorlu Taşıtlardan Kaynaklanan Hava Kirliliğinin Önlenmesi Paneli, Ankara, 19 Haziran 1995.

 

Arthur, C. S. Air Pollution, Academic Press, New York, 1977.

 

Balcı, M., Motorlu Taşıtlarda Kirletici Denetimi,4. Yanma Sempozyumu, Bursa, 19-21 Temmuz 1995.

 

Borat, O., Balcı, M., Sürmen, A. 1994. Hava

 

 

 

 

Kirlenmesi ve Kontrol Tekniği, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları-3, Ankara,1994.

 

Çakıroğlu, M., Motorlu Taşıt Trafiğinde Egzoz Emisyonları, 1. Ulusal Ulaşım Sempozyumu, İstanbul, 6-7 Mayıs 1996.

 

Çetinkaya, S.,Termodinamik, Nobel Yayınları, Yayın No:93, Ankara, 1999.

 

Ergeneman, M., Arslan, H., Mutlu, M.,Taşıt Egzozundan Kaynaklanan Kirleticiler. Kutlar, O.A. (editör), Birsen Yayınevi, İstanbul, 1998.

 

Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1988.

 

İçingür, Y., Dizel Motorlarının Aşırı Doldurulmasında Kullanılan Bir Basınç Dalga Makinesinin Tasarımı ve Kullanılabilirliğinin Deneysel Analizi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, Ankara, 1996.

 

Kammoto, T., Osaka, S., Masuoka, S., An Air cell DI Diesel Engine and it’s Soot Emission Characteristics, SAE Paper No: 831297, 1983.

 

Kaytakoğlu, S., Var, F., Öcal, S. E., Motorlu Taşıtlardan Kaynaklanan Kirlilik ve Giderilme Yöntemleri, Yanma ve Hava Kirliliği Kontrolü 3. Ulusal Sempozyumu, ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ankara, 11-13 Eylül 1995.

 

Khan, I.M., Wang, C.H.T., Factors Effecting Emissions of Smoke and Gaseous Pollutants from DI Diesel Engines, Lucas Engineering Review, Vol.6, No:2, November 1973.

 

Needham, J.R., Nicol, A.J., Such, C.H., Low Emission Heavy Duty Diesel Engine for Europe, SAE Paper No:932959, 1993.

 

Ross, R. D., Air Pollution and Industry, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1972.

 

Schafer, F., Basshuysen, R. V., Reduced Emissions and Fuel Consumption in Automobile Engines, Springer-Verlag Press, Germany, 1995.

 

Taylor, C.F., Internal Combustion Engine in Theory and Practice V.1, The M.I.T. Press, London, 1994.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Şekil 1. NOx Emisyonlarını Kontrol Etmede Kullanılan Çeşitli Yöntemler (Andrews, 1995).

Şekil 2. Dizel Motorlarında NOx Emisyonlarını Azaltmada Kullanılan Yöntemlerin Etkileri (Andrews, 1995).

Şekil 3. Deney Düzeneğinin Şematik Görünüşü

Şekil 4. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Motor Gücü Değişimleri

Şekil 5. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Ortalama Efektif Basınç Değişimleri

Şekil 6. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Özgül Yakıt Tüketimi Değişimleri

Şekil 7. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Duman Emisyonu Değişimleri

Şekil 8. Motor Devir Sayısına Bağlı Olarak Farklı EGR Oranlarında Azotoksit Emisyonu Değişimleri

 

Tablo 1.Deney Motorunun Teknik Özellikleri