1. GİRİŞ İnsanlığa hizmet etme, insanlara daha iyi ürünler sunabilme amacıyla sürdürülen teknolojik çalışmalar, geçmiş dönemlerde doğa bilincinin yeterince gelişmemiş olması nedeniyle, hem kaynak israfına hem de doğal dengenin bundan olumsuz yönde etkilenmesine yol açmıştır. Sanayileşme aşamasında ihmal edilen doğal dengenin korunması konusu, günümüzde gelişmiş ve gelişmekte olan bir çok ülkenin üzerinde titizlikle durduğu, ciddi bir konu haline gelmiştir.

Havanın ve toprağın tabii bileşimini değiştiren her türlü etken kirlilik olarak tanımlanmaktadır. Hava kirliliği havayı oluşturan maddelerin miktarlarının değişimi veya bu yapıya is, duman, toz ve atomize haldeki kimyasal maddelerin girmesidir. Bu kirleticiler, insan sağlığını bozucu hayvan, bitki ve eşyalara zarar verici özelliktedir.

Endüstriyel gelişme ile birlikte, şehirlerin büyümesi ve motorlu taşıtların hızla çoğalması sonucu ortaya çıkan kirlenme, doğal kirlenmenin çok üzerinde olmaktadır. Hızlı nüfus artışı, buna paralel olarak büyük şehirlerde nüfus yoğunlaşması, şehirleşmede uygun olmayan arazilerin seçilmesi, motorlu taşıtlardan kaynaklanan zararlı kirliliğin giderek artan boyutlarda insan sağlığını tehdit eder hale gelmesine neden olmuştur. Yakıtların uygun olmayan koşullarda yakılması, birçok kimyasal maddenin üretimi, buharlaşması ve benzeri işlemler sırasında is, toz ve havada asılı kalan kurum partikülleri ve partikül içerisinde kanserojen (kansere sebep olan) etkiye sahip Polisayklik Aromatik hidrokarbonlar (PAH), havaya geçerek çevreyi kirletir. Hava kirliliği, modern hayatın getirdiği en önemli problemlerden biri olup, esas kaynağı yanmadır. Dünyada kullanılan enerjinin %30′u akarsu ve barajlardan, geri kalan %70′lik bölümü ise, kömür, petrol, gaz veya bunların türevlerinden elde edilmektedir.

Hava kirlenmesinin başlıca kaynakları şu şekilde sıralanabilir;

• Motorlu Taşıtlar,
• Konut Isıtmaları,
• Termik Santraller,
• 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.

Motorlu taşıtların egzozlarından kaynaklanan hava ve çevre kirliliği, son yıllarda en önemli problemlerden birisi olarak gündemdeki yerini korumaktadır. Çağın gereği olarak artan tüketim, enerji ve ulaşım ihtiyaçları ile birlikte bu problem daha da artmaktadır.

Motorlu taşıtlardan kaynaklanan kirleticilerin en önemlileri Azot Oksitler (NO x), Karbonmonoksit (CO) ve Hidrokarbonlar (HC) ile partiküller olarak sıralanabilir. Çevre ve insan sağlığına zararlı olan bu kirleticiler egzoz gazlarının hacimsel olarak %1′ini oluşturmakta olup motorun çalışma şartlarına bağlı olarak değişik davranışlar göstermektedir. Yurt dışında yapılan çalışmalarda, toplam hava kirliliğinde en büyük payın, motorlu taşıtlardan meydana geldiği belirlenmiştir.

Egzoz emisyonlarının toksin niteliği yanında atmosferdeki ömrünün uzun süreli olması, fotokimyasal sis ve asit yağmurlarına neden oluşu ve ayrıca mevsim koşullarına bağlı olmaksızın sürekli olarak üretilmesi bu emisyonları diğer emisyon kaynaklarına göre daha önemli kılmaktadır.

Dizel motorlarında benzin motorlarından farklı olarak havaya karışan çok miktardaki partikül emisyonları insan sağlığını olumsuz yönde etkileyen en önemli unsurlardan birisidir. Günümüzde partikül emisyonlarının büyük miktarda atmosfere karıştığı ve önlem alınmazsa, çevre sağlığı için ciddi bir tehdit unsuru olacağı bilinmektedir. Dizel motorlarındaki yanma koşullarının iyileştirilmesi ve egzoz sisteminde kullanılan bazı emisyon azaltma teknikleri ile CO, HC, NO x ve partikül emisyonları önemli ölçüde azaltılabilmektedir.

---

2- DİZEL MOTORLARINDA YANMA

Dizel motorlarında hava, emme zamanında herhangi bir kısılmaya maruz bırakılmadan silindirlere tam olarak doldurulur. Sıkıştırma oranı yüksek olduğundan sıkıştırma zamanının sonuna doğru silindirdeki gaz sıcaklığı oldukça yüksektir. Üst ölü nokta (ÜÖN)’dan hemen önce yakıt püskürtülmeye başlanır ve yüksek sıcaklık sebebiyle hemen hemen püskürtüldüğü gibi tutuşur ve yanar.

Dizel motorlarında yanma işleminin prensip şeması şekil 2.1′de gösterilmiştir.

Şekil 2.1. Dizel Motorlarında Yanma İşlemi

Ricardo; yanma olayının üç ayrı safha halinde incelenebileceğini ileri sürmüştür. Bunlar; tutuşma gecikmesi, ani yanma ve kontrollü yanma safhalarıdır.

---

TUTUŞMA GECİKMESİ (1)

Yakıtın püskürtülmeye başladığı an ile yanmaya başladığı an arasındaki safhadır. Püskürtülen yakıt damlacıklarının buharlaşması belli bir süre almaktadır. Damlacıkların etrafında püskürtmenin hemen ardından bir buhar tabakası oluşmakta ve yanma bu buhar tabakasında başlamaktadır. Buhar fazındaki yakıtın yanma hızı buhar tabakasını çevreleyen havanın oksijen konsantrasyonu ile orantılıdır. Tutuşma gecikmesini etkileyen en önemli etkenler, yakıt kalitesi, basınç ve sıcaklıktır. Yüksek basınç ve sıcaklık tutuşma gecikmesini kısaltır. Tutuşma gecikmesi süresince püskürtülen yakıt miktarı tutuşma gecikmesini etkilemez. Yakıt tutuşma gecikmesi süresince silindirlere girer ve tutuşma başlayıncaya kadar birikir. Şekil 2.2′de dizel motorunda yakıtın püskürtülmesi ve bir yakıt damlacığının kesiti görülmektedir.

Şekil 2.2. Direkt Enjeksiyonlu bir Dizel Motorunda Yakıtın Püskürtülmesi (Haşimoğlu. 2000)

---

ANİ YANMA (2)

Tutuşma gecikmesi süresince yakıt silindirlere girmekte ve buharlaşmaktadır. Gene bu süre zarfında damlacıklar daha küçük parçacıklara bölünüp hava ile daha iyi karışmaktadır. Yanma başladığı zaman ise oksijenle temas eden yakıt büyük bir hızla yanar. Bu yanma hızı silindir içindeki dp/dt basınç yükselme hızını da belirler. Yüksek bir basınç yükselme hızı, hareketli motor parçalarına ani bir yük uygulaması demek olacağından, bu parçalarda tahribata sebep olur.

Basınç yükselme miktarının esas olarak püskürtülen yakıt miktarına bağlıdır. Şekil 2.3.’te bir dizel motorunda krank mili açısına bağlı olarak silindir içi basıncı görülmektedir. Yanmanın bu safhası tutuşma gecikmesine oranla çok daha kısa olduğundan yakıtın büyük bir kısmı tutuşma gecikmesi süresince püskürtülmektedir. Dolayısıyla maksimum basıncı tayin eden tutuşma gecikmesidir.

Şekil 2.3. Dizel Motorunda Krank Mili Açısına Bağlı Olarak Silindir İçi Basıncı

---

KONTROLLÜ YANMA (3)

Tutuşma gecikmesinde püskürtülen yakıtın tamamen yanması ile bu safhaya geçilir. Ani yanma süresi sonundaki basınç ve sıcaklık çok yüksek olduğundan bu safhayı takiben püskürtülen yakıt oksijen bulunca hemen yanar. Yanmaya hazır karışım miktarı ile yanma kontrol edilir. Bu safhadaki yanma hızı yakıt buharı ile havanın karışmasına bağlıdır. Verimin yüksek olması için yanmanın Ü.Ö.N.’ya mümkün olduğunca yakın tamamlanması istenir. Şekil 2.4.’de krank miline bağlı olarak ısı açığa çıkışı ve yanma safhaları görülmektedir.

Şekil 2.4. Krank Miline Bağlı Olarak Isı Açığa Çıkışı

Kontrollü yanma ile egzoz supabının açılmasına kadar geçen süre, yakıtın küçük bir kısmı henüz yanmadığından, art yanma (yakıtın püskürtülmesinin bittiği an ile egzoz supabının açıldığı ana kadar ki süre içinde meydana gelen yanmadır) olarak kabul edilebilir. Yakıtça zengin yanma ürünleri ve is içindeki enerji hala açığa çıkabilir. Bu safhada yanma tamamlanmakta silindir hacminin artması sebebiyle de basınç ve sıcaklık düşmektedir (Ciniviz, 2001).

Dizel motorlarında atomizasyon, buharlaşma, yakıt-hava karışımı ve karışımın yanması şeklinde gelişen işlemlerin tekrarlanmasıyla motor çalışmaya devam eder.

Görüldüğü gibi dizel motorlarında yanma olayı oldukça karmaşıktır. İlk kendi kendine tutuşma öncesindeki fiziksel ve kimyasal hazırlık ve bunu takip eden süredeki püskürtme hızına bağlı yanma sonucu olarak da dizel motorlar, benzinli motorlar kadar hızlı çalışmaz. Silindir içerisindeki yanmanın oluşumu ve gelişimi yakıt özelliklerine, motor yanma odasının ve yakıt püskürtme sisteminin tasarımına ve motorun işletme şartlarına bağlı olarak değişmektedir.

Dizel motorlardaki yanma işlemi ile ilgili bazı önemli değerlendirmeler aşağıdaki şekilde sıralanabilir;

1- Yakıtın püskürtülmesi yanma başlamadan hemen önce olduğu için, benzinli motorlardaki gibi yakıt-hava karışımının bir anda yanmasıyla oluşan ve yanmadan kaynaklanan gerçek bir vuruntu olayı, dizel motorlarda oluşmamaktadır. Bundan dolayı dizel motorların ısıl verimini, kıvılcım ateşlemeli motorların ısıl veriminin üzerine çıkarmak için sıkıştırma oranı büyük tutulabilir.

2- Yakıt püskürtme süresi, yanmanın kontrollü olmasında önemli olduğu için tutuşma gecikmesi süresinin kısa olması ve böylece yakıtın kendi kendine tutuşması sonucu oluşan yüksek basıncın motorun tasarlandığı maksimum gaz basıncının altında tutulması gereklidir. Tutuşma gecikmesi süresinin uzaması, içeriye daha fazla yakıt girmesine neden olacağı için, ilk tutuşmanın ardından silindir içine dolmuş durumda olan tüm yakıt patlayarak yanar. Yakıt vuruntusu da denilen bu olay setan sayısının düşük olduğu yakıtlarda görülür.

3- Motordan alınan tork, silindir içerisine püskürtülen yakıt miktarı ile değişmektedir. Yakıtla birlikte silindir içerisine verilen hava debisi değişmemektedir. Böylece pompalama kayıpları düşeceği için, mekanik verimde de artış sağlanmaktadır.

4- Teorik olarak dizel motorlarda 1 kg. yakıtın yakılabilmesi için yaklaşık olarak 14,5 kg. havaya ihtiyaç vardır. Fakat gerçekte, hafif yüklerde çalışıldığı zaman, hava/yakıt oranı teorik orana göre daha fazladır ve bu oran tam yükte çalışmalarda bile %20-%30 fazla olmaktadır (Karel, 1996).

---

2.1. DİZEL MOTORLARINDA MEYDANA GELEN EGZOZ EMİSYONLARI VE BU EMİSYONLARININ İNSAN VE ÇEVRE SAĞLIĞI ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ

Dizel motorlarında, Karbonmonoksit (CO), Hidrokarbon (HC) ve Azotoksit (NO X) emisyonları ile partikül emisyonları yanma sonucunda meydana gelen zararlı maddelerdir.

Bu emisyonların özellikleri insan ve çevre sağlığı üzerindeki etkileri şu şekilde sıralanabilir.

Yanma ürünü zararlı maddelerin insan sağlığına olumsuz etkileri alınış sürelerine ve alınış miktarlarına göre değişmektedir. Bu bakımdan üç farklı konsantrasyon tanımlamak mümkündür.

MAK (Maksimum Atmosfer Konsantrasyonu): Sürekli olarak solunduğunda zarar vermeyecek miktar.

MİK (Maksimum İşyeri Konsantrasyonu): sekiz saat süreyle solunduğunda zarar vermeyecek miktar.

DTK (Doğrudan Tehlike Konsantrasyonu): Çok kısa süre solunduğunda tehlike doğuracak miktar.

Bu tanımlara uygun olarak insan sağlığı açısından mevcut sınırlamalar ppm (milyondaki hacimsel oran-parts per million) cinsinden tablo 2.1′de verilmiştir.

Tablo 2.1. Zararlı Maddelerin Tehlike Sınırı (Ergeneman ve ark, 1998).
Kirletici maddeler	MAK	MİK	DTK
CO (ppm)	9	50	5000
HC (ppm)	20	300	30000
NO (ppm)	0,15	—	—
NO 2 (ppm)	0,05	5	200

2.1.1. Karbonmonoksit (CO):

Karbonmonoksit CO, tatsız ve kokusuz bir gazdır. Havadan ağır olduğu için birikinti oluşturma meyili yüksektir. En büyük sorun ise kandaki hemoglobine çok yakınlık göstermesi ve onunla birleşmesidir. Bu suretle kanda oksijen taşımakla yükümlü olan hemoglobinin oksijen taşıma kapasitesi azalır, eğer kandaki korboksihemoglobin oranı %40 mertebesine ulaşırsa CO’ya maruz kalan bir kişinin ölüm tehlikesi çok yüksektir. Bu ancak CO konsantrasyonunun çok yüksek olduğu ortamlarda söz konusudur. Normal kirlilik düzeylerinde CO’nun etkileri insan organizması tarafından pek hissedilmez. Kanda muhtemelen oluşan karboksihemoglobinler ise birkaç gün içinde normal hücre değişim kanalıyla yok edilirler.

2.1.2. Hidrokarbonlar (HC):

HC toplam hidrokarbonlar için kullanılan bir notasyon olup emisyon sınırlamasında (standartlarda) da doymuş ve doymamış bütün hidrokarbonları ve aromatikleri temsil eder. Doymuş hidrokarbonlar (parafinler) kokusuz olup narkotik etkisi vardır ve aynı zamanda solunum yolundaki mukozayı tahriş edici özelliğe sahiptirler. Doymamış hidrokarbonlar (olefinler ve asetilenler) hafif kokulu olup solunum yolu mukozasını tahriş ederler. Bu HC’lar, insanlar ve bitkiler için zararlı olan smog veya fotokimyasal sis oluşumunda önemli rol oynarken, ortamda NO olması durumunda güneş ışığının da etkisiyle tekrar oksidasyon tepkimesine girerek diğer bir zararlı olan ozon NO 3 oluşmasına neden olurlar. Aramotik HC’ların (benzen, aldahit) karakteristik bir kokusu vardır. Bunlar bir kısmı kanserojen olup bir kısmı da sinir sistemini olumsuz etkileyip düşük konsantrasyonda bile olsa göz ve burun tahrişlerine neden olurlar (Ayhaner, 2000).

2.1.3. Azot Oksitler (NO X)

Azot oksitler de (NO, NO 2, N 2O 2 vb. bileşiklerin tümü birden NO X olarak tanımlanmaktadır). CO gibi kandaki hemoglobin ile birleşmektedir. Ancak azot oksitlerin en önemli zehirleyici etkisi ciğerlerde nemle birleşerek nitrik asit oluşturmasıdır. Oluşan asit miktarının konsantrasyonunun azlığı nedeniyle etkisi de az olmaktadır. Ancak zamanla birikim özelliği bulunduğundan özellikle solunum hastalıkları bulunan kişiler için tehlike oluşturmaktadır.

Azot oksitler ayrıca kimyasal sis oluşumunu etkilemektedir. Atmosferde bulunan su ile (yağmur, sis vb.) birleşerek nitrik asit oluşumuna neden olurlar. Böylece atmosferde asit yağmuru olayını meydana getirirler ve bitki örtüsüne zarar verirler.

Azot oksitler içinde NO renksiz, kokusuz bir gazdır. NO 2 ise kırmızı-kahverengi renkli, kötü kokulu, tahriş edici bir gazdır. Yanma ürünleri arasında genellikle NO bulunmasına rağmen, atmosfere atıldıktan sonra bir kısmı NO 2′ye dönüşmektedir. NO gazının ayrıca felç yapıcı özellikleri de bulunmaktadır.

2.1.4. İs, Partiküller (Katı ve Sıvı Parçacıklar)

İYM’ler tarafından üretilen katı taneciklerin büyük bir bölümünü is oluşturmaktadır. İs yanmamış karbon partikülleridir ve özellikle dizel motorlarında oluşmaktadır. İs zararlı bileşenleri bünyesinde taşıyarak ve solunum sisteminde birikerek insan sağlığına zararlı olmaktadır. Dizel motorları egzozundan atılan partiküller karbon-hidrojen zincirinden oluşmakta olup bünyelerinde yanmamış hidrokarbonları, oksitlenmiş hidro karbonları, polinükleer aromatikleri ve kükürt dioksit, azot oksit ve sülfirik asit gibi inorganik bileşenleri bulundurmaktadırlar.

Tablo.2.2. Dizel Motoru Egzoz Gazlarındaki Partiküllerin Bileşimi (Ergeneman ve Ark, 1998).
Katı parçacıklar	66-82
Sıvı yakıt ve organik bileşenleri	11-15
Motor yağı ve organik bileşenleri	9-11
Kükürt bileşenleri ve su	1-11

Partikül maddelerin basit kimyasal formülleri olmayıp içeriğinde karbon ihtiva eden değişik kimyasal bileşkenin oluşturduğu bir harmonidir. Solunum yollarının tahrişine neden olurken öksürük ve astıma da neden olmaktadırlar. Bunun etkisi geçicidir. Partiküllerin bir kısmı yanmamış hidrokarbonları bünyelerinde bulundururlar ki bunlardan bazıları çok olmamakla birlikte kanserojen özellik gösterirler (Ayhaner, 2000).

---

2.2. DİZEL MOTORLARINDA MEYDANA GELEN EGZOZ EMİSYONLARININ OLUŞUMLARI VE NEDENLERİ

Dizel motorlarında yanma başlamadan önce silindir içerisine yakıt püskürtüldüğü için homojen bir dağılım sağlanamamaktadır. Bunun için silindir içerisinde farklı basınç, sıcaklık ve karışım bölgeleri meydana gelir. Bu da düzgün bir yanmanın olmayışına işaret etmektedir. Bundan dolayı karışık kirletici emisyon ürünleri meydana gelir. Yakıt karakteristikleri mesela bileşimi, viskozite ve damlacık boyutu, yanma işleminin tabiatını ve dolayısıyla kirleticilerin oluşmasında önemli rol oynar.

Egzoz gazındaki kirleticilerin oluşumu püskürtme ve egzoz sırasında da oluşmaktadır. Yakıt dağılımı ve yakıtın hava ile karışımı yani ön karışım sırasında NO ve yanmamış hidrokarbonlar, kontrollü karışım sırasında HC, NO ve partikül oluşumu Şekil 2.5. ve Şekil 2.6.’da görülmektedir. Nozul etrafındaki yakıtın buharlaşması ile yanmamış hidrokarbonlar meydana gelmektedir (İlkılıç, 1999).

Şekil 2.5. Dizel motorlarında ön karışım sırasında kirleticilerin oluşum mekanizması.

Şekil 2.6. Dizel motorlarında kontrollü karışım sırasında kirleticilerin oluşum mekanizması (Karel, 1996).

2.2.1. Karbonmonoksit (CO) Emisyonları

Karbonmonoksit (CO) emisyonları içten yanmalı motorlarda hava/yakıt eşdeğer oranı ile ilgilidir. Yanma işlemi sırasında yakıtın tam yanmamasından kaynaklanır. Gaz sıcaklığının düşük olması, yeterli oksijenin bulunmaması ve CO 2′e dönüşüm süresinin kısa olmasından dolayı yanmanın tamamlanmamış olması CO miktarını artırır. Zengin karışımlar için egzozdaki CO, giren yakıt miktarı yükselirken yükselen eşdeğer oranı ile düzenli bir şekilde yükselir. Fakir karışımlar için egzozdaki CO konsantrasyonu eşdeğer oran ile az miktarda değişir.

CO oluşumu hidrokarbonun yanma mekanizmasında birkaç reaksiyon basamağında meydana gelir. CO oluşum reaksiyonu aşağıdaki şekilde verilmektedir.

Burada R hidrokarbon kökü olarak kullanılmıştır. Yanma işleminde oluşan CO oksitlendikten sonra düşük oranda CO 2′e dönüşür. HC ve havanın yanma reaksiyonu ile CO oksitlenerek CO 2′e dönüşür.

Yüksek sıcaklık ve basınçta karbon-oksijen-hidrojen kapalı şartlar altında dengelenir. Böylece yanmış gazlarda CO konsantrasyonu dengesi tamamlanır.

Motorlarda hava yakıt oranının CO üretimini önemli ölçüde etkilediği açıklanmıştı. Bu oranın küçük değerlerinde CO emisyonu maksimum seviyede olmaktadır. Buna karşılık yukarıda da bahsedildiği gibi NO emisyonu minimum değerdedir. Hava/yakıt oranın büyük değerlerinde ise bunun tersi görülmektedir. Karbonmonoksit oluşumu karbon ve hidrojen ihtiva eden yakıtların oksijenle oksidasyonundan kaynaklanır. Çıkan ürünlerin parçalanması ile CO oluşmaktadır.

Karbonmonoksitin CO 2′e dönüşmesinde OH kökü önemli rol oynar. Bu kök aşağıdaki reaksiyonla oluşur.

Püskürtme sırasında fakir karışımlarda CO 2 oluşumu tamamlandığı halde CO tamamlanmayıp sınırda kalır. Sıcaklık ve basınç yükseldikçe oksidasyon reaksiyonlarına bağlı olarak CO konsantrasyonları artar. Alevin çekirdek kısmında ise CO yüksek oranda oluşmaktadır. Yakıt hava oranı kontrol altında tutulduğu oranda CO emisyonu azaltılabilir. Dizel motorlarda benzinli motorlara göre CO emisyonu düşük oranlarda seyretmektedir.

2.2.2. Hidrokarbon (HC) Emisyonları

Dizel motorlarında hidrokarbonlar, hidrokarbonlu yakıtların eksik yanması sonucu meydana gelirler. Egzoz gazlarındaki yanmamış hidrokarbon derecesi karbon atomlarının milyon mertebesindeki kısımlardan toplam hidrokarbon konsantrasyonu ile ifade edilir. Dizel motorları, egzoz gazlarında hidrokarbon veya organik emisyonlarının geniş bir kısmını ihtiva ederler. Egzoz gazlarının bileşiminde bulunan hidrokarbonların tamamı toplam hidrokarbon olarak adlandırılır. Bu hidrokarbonların bir kısmı etkisiz olup fotokimyasal görüş noktasında reaktif değildirler. Diğerleri ise partikül üretiminde yüksek derecede reaktifdirler. Yapılarına göre 100′den daha fazla farklı hidrokarbon mevcuttur. Motorlu taşıtlar tarafından üretilen egzoz gazındaki hidrokarbon yakıt sisteminden buharlaşan yakıtın tam yanmayışından oluşmaktadır.

Yakıtın bileşimi, organik emisyonlarının büyüklüğü bakımından önemli derecede etkili olur. Hidrokarbonlar genellikle alkanlar, alkenler ve aromatikler diye üç ana gruba ayrılır. Diğerleri bu üç grubun bileşenleri şeklindedir. Yüksek oranlarda olefin ve aromatikleri bulunduran yakıtlar daha yüksek reaktif hidrokarbonlar üretirler. Egzoz gazında bulunan organik bileşimlerinin çoğu yanma işlemi boyunca erime sentez oluşumu gösteren yakıtlar da mevcuttur. Egzoz gazında karboniller, fenoller ve düşük molekül ağırlıklı aldehit ve alifatik ketonlar da bulunmaktadır. Ayrıca buharlaşabilen aldehitler de bulunur.

Dizel motorlarında hidrokarbon emisyon seviyeleri çalışma şartları ile büyük bir oranda değişmektedir. Motorun boşta ve hafif yükte çalışması, tam yükte çalışmasından daha yüksek oranda HC emisyonları üretir. Bununla beraber motora aşırı yakıt yüklendiği zaman HC emisyonları yükselir. Motorun hafif yük altında çalışması halinde zengin karışım HC emisyonlarının önemli bir kaynağıdır. Silindirin cidar sıcaklığı da HC emisyonunu etkiler ve cidar soğuması sonucu eksik yanmadan dolayı HC emisyonu yükselir. Hidrokarbonların oksidasyonu, yanmadan sonraki sıcaklığa, yanmış gazların silindir ve egzoz manifoldu içerisinde kalma süresine ve oksijen içeriğine bağlı olarak değişir.

Frank ve Heywood 1991, motorun soğutma suyu ile yağlama yağının sıcaklığının değişimini sağlayarak pistonun sıcaklığını artırmak suretiyle HC emisyonlarının oranının düşürmüşlerdir. Hidrokarbon emisyonları, motor yağı ve soğutma suyunun 40 oC’den 90 oC’ye çıkması halinde %30 oranında azaldığını ifade etmektedirler. Düşük sıkıştırma sıcaklıkları, basınç ve gecikmiş enjeksiyon zamanı HC oluşumunda önemli rol oynar. Çevrimden çevrime önemli değişimler olduğu zaman HC emisyonları daha belirgin bir şekilde ortaya çıkar. Yanma zamanında içeriye alınmış karışım tamamen yanmıyorsa, hidrokarbon emisyonları yanmamanın bir yüzdesi olarak yükseliş gösterir (İlkılıç, 1999).

Şekil 2.7. Tutuşma gecikmesi peryodunda püskürtülen yakıtın HC mekanizmasının şematik gösterilişi (Karel, 1996).

Şekil 2.7 tamamlanmamış ve tamamlanmış yanma ürünlerinin oluşumunu şematik olarak göstermektedir. Gecikmiş bir tutuşma peryodunda yakıtın hava ile karışması sırasında bazı bölgelerde fakir, bazı bölgelerde püskürtmenin yavaş ilerlemesinden dolayı zengin karışım oluşur. Zengin karışımlı bölgelerde tutuşma kendi kendine olur, buna karşılık fakir bölgelerde daha geç tutuşma olmaktadır. Erken tutuşan bölgelerde alev ilerlerken yanma hava ile karışana kadar devam eder. Genişleme zamanı başladığı vakit zengin karışımlı bölgelerde yanma tamamlandığı halde fakir bölgeler tamamen yanmadan egzoz peryoduna kadar uzanır. Bundan dolayı egzoz emisyonunda yanmasını tamamlamayan yanma ürünleri ortaya çıkar (İlkılıç, 1999).

Şekil 2.8. Yanma sırasında püskürtülen yakıtın HC oluşum mekanizmasının şematik gösterilişi (Karel, 1996).

Şekil 2.8.’de yakıt hava karışımı sırasında hızlı oksidasyon ve yakıtın erime ürünlerinin hava ile yavaş karışması sonucu zengin karışım oluşmasına sebep olur. Yavaş reaksiyon ve hacimde soğuma gibi haller tam yanma sağlanmadan egzoz peryodunda yanmış ve yanmamış yakıt ile erime ürünleri dışarı atılarak HC oluşumuna yol açmaktadır.

Şekil 2.7. ve Şekil 2.8.’de görüldüğü gibi normal çalışma şartları altında dizel motorlarındaki hidrokarbon emisyonlarının iki büyük sebebi vardır. Bunlardan biri tutuşma gecikmesi peryodu boyunca fakir karışımdan dolayı zayıf yanmadır. Diğer bir sebebi de yanma işleminin gecikmesinde düşük hızla enjektör memesini terk eden yakıtın fakir karışımı altında HC oluşumudur.

Hidrokarbon emisyonları yanmamış hidrokarbonlar ve kısmen yanmış hidrokarbonlardan ibarettir. Hidrokarbonlar 52 oC’de çözülebilir organik kısımların oluşumu sırasında is partikülleri içinde absorbe edilir veya yoğuşabilir. Cidarların önündeki alevin sönmesi ile yanmamış hidrokarbon ve karbon partikülleri beraberce oluşur. Fakir bir dağılım ve yakıt damlacıklarının boyutunun büyük oluşu da diğer bir HC ve karbon oluşum kaynağıdır.

Yanmamış HC üç kaynaktan meydana gelir. Bunlardan biri yayılı alevin önündeki zayıf karışım, diğeri ise meme boşluğunda ve silindir hacminin genişlemesi boyunca sönmüş zengin karışımdır. HC emisyonlarında çatlak hacimler olarak isimlendirilebilen piston segmanları etrafındaki boşluk, supap başları ve enjektörlerin etrafındaki boşluklar gibi hacimlerinin etkisi çok önemlidir. Bu boşluklar yanma odasının içinde bulunmaktadır. Hidrokarbonları üreten mekanizma çatlak hacim aralığında alevin sönmesi ve böylece çatlaklarda HC’ların tutulmasıdır.

Daha yüksek sıkıştırma oranı ve basıncı ile çatlak hacimlerinin yanma odasının hacmine oranı da HC’ları etkiler. HC emisyonları yük ve hıza da bağlıdır. Hava fazlalık katsayısı ile az oranda değişir. Ağır yüklerde HC emisyonu az ve hafif yüklerde en büyüktür.

Artan yakıt miktarı ile yani zengin karışımda oksijen konsantrasyonu düşmektedir. Fazla yakıt sebebiyle yüksek sıcaklık oluşmakta ve soğutma suyu ile yağlama yağına ısı geçişi artmaktadır. Sonuçta yanma reaksiyonlarında azalma olur ve hidrokarbon oranında yükselme görülmektedir. HFK>1 ise fakir, HFK<1 ise zengin HFK=1 ise stokiyometrik karışım oluşmaktadır. Fakir karışımda HC oranı düşük, zengin karışımda ise yüksek olmaktadır. (Şekil 2.9)

Şekil 2.9. HC emisyonlarının hava fazlalık katsayısı ile değişimi (İlkılıç, 1999).

2.2.3. Azot Oksit (NO X) Emisyonları

Azot oksitleri, genellikle azot oksit (NO) ile azot dioksit (NO 2) emisyonlarının beraberce adlandırılmış şeklidir. Azot oksit motor silindiri içerisinde bulunan azotun oksitlenmesi olup başlıca kaynağı atmosferik azotun oksidasyonudur. Azot havadan oksijenle birlikte alınır, havanın %79′u N 2 ve %21′i O 2 olduğu kabul edilmektedir. Havada %79 oranında bulunan azot, NO x’in esas kaynağıdır. Azot ile oksijen değişik şartlarda tepkimeye girerek azot oksit (NO x) ürünler oluşmaktadır. Azotoksitlerin oluşumu alev sıcaklığının 1800 oK’in üzerinde kalış süresi, yeterli O 2 bulunan bölgelerdeki maksimum sıcaklık ve mevcut O 2 ile N 2 miktarına bağlıdır (Altın, 1988).

Dizel motorlarında NO 2′in düşük seviyelerinin değişmez emisyonu yüksek toksit ve fotoreaktif oluşundan dolayı önemli bir problemdir. NO x emisyonlarının düşürülmesi için çevrimde silindir sıcaklığının düşmesi ile gerçekleşebilir. Bu da sıkıştırma başında hava sıcaklığının düşmesi, ateşleme zamanının gecikmesi, ısınan yerlerin kontrolü ile yüksek ısı hallerinin kontrol edilmesi ile mümkün olabilir.

Silindir içerisindeki oksijen konsantrasyonunun artması ile azot oksit emisyonu artmaktadır. Yakıtın püskürtme zamanının uzaması oksijen konsantrasyonunu artırmaktadır.

Motorda yanma yüksek basınçlarda oluşurken alev reaksiyon bölgesi oldukça incedir ve zaman olarak da bu bölgenin süresi kısadır. Yanma işleminde yanmış gazlar bir yüksek sıcaklığa kadar sıkıştırıldıktan hemen sonra silindir basıncı düşer. Böylece alevin gerisindeki gazlardan NO oluşumu, alevin ön tarafında oluşan NO’e de etki eder. Bundan dolayı O, O 2, OH, H ve N 2′un konsantrasyonu, denge sıcaklığı ve NO oluşum işlemleri yeniden yanma ile mümkündür.

Yanma başlangıcı sırasında NO meydana gelmez. Yanma sonucu oluşan yüksek basınç ve sıcaklık peryotlarında NO oluşumu başlar. Karışımın erken tutuşması basınç, sıcaklık ve NO oluşumunu yükseltir. Genişleme sırasında basınç düştüğü için oluşan NO değişmeden kalmaktadır. Alevdeki azot oksitlerin oluşumu, öncelikle yanmış gazların özelliklerine bağlıdır ve böylece Zeldovich reaksiyon mekanizması ön plana çıkar. Yanmanın stokiyometrik oranda karışım ile olduğu kabul edilir ve NO oluşum reaksiyonları aşağıdaki gibi verilir.

Alev bölgesinde oluşan NO aşağıdaki denklem yolu ile hızlı bir şekilde NO 2′e dönüşebilir.

NO 2′in tekrar NO’e dönüşmesi ise;

şeklinde olur. alevin içinde oluşan NO 2 soğutucu akışkan ile karışarak soğumaya başlar.

NO oluşumu, yanmanın başlangıcını takip ederek toplanmış gazlarda yükselir ve yanmış gazların eşdeğer oranında zengin karışımdan fakir karışıma doğru artar. NO’in oluşumu yanma başlangıcından itibaren 20 o krank açısında gerçekleştiği ve NO konsantrasyonunun en yüksek basınç oluşuncaya kadar düşük olduğu ve en yüksek basıncın oluşması ile yükseldiği çalışmalar sonucu ortaya konulmuştur (İlkılıç, 1999).

Şekil 2.10. Bir dizel motorunda gaz (NO X, CO, CO 2, HC) ve partikül emisyonu konsantrasyonlarının krank açısına göre değişimi (Karel, 1996).

Şekil 2.10′da görüldüğü gibi NO oluşumu, yanmanın başlamasıyla 20 o krank açısına kadar devam ederek en yüksek basınçta en yüksek seviyede olur ve daha sonra düşmektedir. CO yanmanın başlamasıyla en yüksek olur ve en yüksek basınca gelmeden önce düşmektedir. CO 2 oranı 20 o krank açısında yani en yüksek basınçta yüksek olmaktadır. Yanmanın sonuna doğru oksijen miktarı yükselmektedir.

Yanma işlemi boyunca mevcut NO 2 konsantrasyonu dizel motorlarda karışımın içine girerek dönüşüm yapabilir. Dizel motorları için NO 2/NO oranı hafif yüklerde daha çok şekillenen NO 2 ile eşdeğer oranın bir fonksiyonudur. Havada bulunan oksijenden dolayı yanma olurken yanma ısısı ve dolayısıyla NO x miktarı da yükselmektedir. Tam yük, yüksek basınç ve sıcaklıklarda stokiyometrik yanmalarda NO seviyeleri olmaktadır. Eşdeğer oranın düşmesiyle NO ve NO x miktarları düşmektedir. (Şekil 2.11) Dizel motorlarında yanma boyunca karışma işlemleri sırasında yüksek NO 2 konsantrasyonuna uzanabilir. NO 2′in çoğu silindir içindeki sıcaklık yüksek iken yüksek eşdeğer oranda genişleme zamanı boyunca NO’e dönüşür. NO 2′in çoğu düşük eşdeğer oranlarda uzun ömürlü olup motordan dışarı atılır.

Şekil 2.11. Eşdeğer oranına bağlı olarak NO x ve NO konsantrasyonlarının değişimi.

Egzoz emisyonlarının azaltılması için yapılan çalışmalar NO x için başarılı sayılmaz. Karbonmonoksit ve hidrokarbonlar düşürülürken NO x emisyonları artmaktadır. Yakıt püskürtme basınçlarının artırılması, enjektörlerin silindir duvarına yakın yerleştirilmesi ve çaplarının azaltılması ile NO x emisyonlarında artış gözlenirken diğer gaz emisyonlarının azalmasında iyi sonuçlar alınmıştır (İlkılıç, 1999).

Azot oksit emisyonlarının bir başka özelliği de karbonmonoksit ve hidrokarbon emisyonlarında olduğu gibi kontrol altına alınabilme veya azaltılma teknolojilerinin henüz istenilen seviyede geliştirilememiş olması ve motor hızı, silindir içerisindeki sıcaklıklar, oksijen konsantrasyonu, püskürtme zamanı, yakıtın silindire verilme özellikleri vb. birçok parametreden etkilenebilmesidir. Silindir içerisindeki oksijen konsantrasyonunun artması ile birlikte azot oksit emisyonu da artmaktadır. Yakıtın püskürme zamanının da uzun sürmesi oksijen konsantrasyonunu dolayısıyla azot oksit emisyonunu arttırmaktadır. Azot oksit emisyonu oluşumunun, partikül emisyonlarıyla ters davranış gösterdiği ve Şekil 2.12. ile verildiği gibi partikül emisyonlarının düşmesiyle Azot oksitlerin arttığı saptanmıştır.

Şekil 2.12. NO x ve partikül emisyonları arasındaki etkileşim (Karel 1996).

2.2.4. Partikül Emisyonları

Dizel partikülleri genellikle yanma esnasında karbonlu maddeleri ihtiva eden bazı organik bileşimlerin absorbe edildiği emisyonlardır. Partiküllerin çoğu hidrokarbonların tam yanmamasından meydana gelmektedir. Partikül maddelerinin bileşimi motor egzozundaki şartlara bağlıdır. 500 oC’nin üzerindeki sıcaklıklarda yaklaşık partikül küreciğinin çapı 15 ile 30 nm arasında değişen bir çok küre veya karbon küreciklerinin bir yığını olarak görülmektedir. Sıcaklığın 500 oC’nin altına düşmesi halinde partiküller yanmamış hidrokarbon, oksidasyona uğramış hidrokarbon (ketonlar, eterler, organik asitler) ve polinükleer aromatik hidrokarbonlar ihtiva eden yüksek molekül ağırlıklı bileşimler halinde yoğunlaşır ve tabaka haline gelirler. Şekil 2.13.’de görüldüğü gibi partikülün yapısı, karbon taneciklerine sülfatlar, metal vb. oksitler, nem, yüksek polarlı bileşenler ve organik bileşenlerin yapışık olmasından meydana gelmektedir. Yoğuşmuş olan kısımlar sülfür dioksit (SO 2), azot dioksit (NO 2) ve sülfürik asit (H 2SO 4) gibi inorganik türler ihtiva ederler.

Tek partiküller kürecik zincirleri halinde meydana çıkarak dizilirler. Bu dizilişler kümeleri meydana getirirler. Kümeler dört bine kadar kürecik ihtiva edebilirler. Küreciklerden oluşan partikül boyutları iki boyutlu olarak görüldüğü gibi tek boyutlu bir kompleks şeklinde de görülebilir.

Şekil 2.13. Dizel egzoz partikülünün kimyasal yapısı.

Dizel partikül oluşumu, yakıtın cinsine ve motorda sıcaklık ile hava fazlalık katsayısına bağlıdır. Dizel partikülü veya is üretimi alevin çevreye yayılması ile zengin karışımda ve yüksek sıcaklıkta daha fazla olur. Ayrıca hız ve yüke bağlı olarak da değişmektedir. Partikül emisyonu enjeksiyon basıncının artması ile azalmaktadır. Partiküllerin oluşumunda yanmamış yakıt, yanmamış yağ ve yanma ürünleri önemli rol oynamaktadır. Özellikle yağlama yağı partikül oluşumunda önemli derecede etkilidir. Yağlama yağı segmanlar vasıtasıyla yanma odası içine girer ve dizel yakıtına göre viskozitesi daha yüksektir. Karbon hidrojene göre daha geç yandığı için partikülün çekirdek kısmı yağlama yağı tarafından oluşturulmaktadır.

Partikül boyutu ve yüzey alanı hava fazlalık katsayısına bağlı olarak değişir. Dizel partikülleri yanma sistemlerinin sahip olduğu farklı kaynaklarına rağmen aynı görünüşe sahiptir. Partikül oluşumu hidrojen ile karbon oranının 2 olması ile yakıt moleküllerinde başlar. Karbon atomları kümeleşmiş olarak yüzey merkezli hegzagonal paketler halinde dizilirler. Sıcaklık ile partiküllerin sıralanışında grafite benzeyen yapı düzenli bir şekilde düşer. Yani patiküldeki grafitleşme oranı sıcaklığa bağlıdır. Yeni oluşan partiküller yüksek bir hidrojen içeriğine sahiptir ve partikül içinde tabii olarak karbon bağlarının varlığı söz konusudur.

Bir dizel partikülü kafes yapısı her küreciğin merkezi etrafında düzenlenmiş ortak merkezli bir lamelli yapı şeklindedir. Ortak merkezli lamellerin düzeni karbon siyahlığı yapısına benzer. Karbon atomları genel olarak küme şeklinde hegzagonal yüzey merkezli düzende birbirine bağlanır. Kümeler kristal şekilli tabakalardan oluşurlar (Şekil 2.14). Her kürecikte 1000, kristal sırasında 2 ile 5 küme vardır. Tek bir kürecik 10 5 ile 10 6 arasında karbon atomu ihtiva etmektedir.

Şekil 2.14. Karbon partikülünün yapısı

Dizel motorlarında en yüksek partikül konsantrasyonu çok zengin olan her yakıt hüzmesinin çekirdek bölgesinde bulunur. Partikül konsantrasyonu yanma başlangıcından hemen önce hızlı bir şekilde yükselir. Enjektör deliğine yakın yakıt hüzmesinin eksenindeki partikül konsantrasyonu da önemlidir. Aşırı derecede zengin yakıt çekirdeğindeki karbon, yüksek basınçlı olarak alev çekirdeğine tesir etmektedir. Piston çukurunun dış çapına yakın hüzmede ve silindir cidarında önce yükselir, daha sonra yavaş yavaş düşer. (Şekil 2.15)

Silindir içinde oluşan partikül hava-yakıt oranı, basınç ve sıcaklık gibi değişkenlere bağlı olarak okside olmaktadır (İlkılıç, 1999).

Şekil 2.15. Silindir içindeki partikül oluşumunun şematik olarak gösterilmesi (Karel, 1996).

Yakıt hüzmesinden uzak kurum birikimleri, hüzmenin merkez ekseninden yükselen mesafe ile hızlı bir şekilde düşer. Yanma işlemi boyunca silindir içindeki kurum konsantrasyonu, egzozu önceden okside eden şekillenmiş kurumun tamamını ortaya çıkarır. Hava fazlalık katsayılarında partikül birikimleri bir girdap oluşturan hava ile çok hızlı karıştığında daha düşük olması beklenir.

Dizel motorlarda silindir içinde yakıt enjeksiyonu sonucu yanma oluşur, fakat hava fazlalık katsayısı (HFK) sabit olarak değişir. Hava yakıt karışımı oluşurken karışım homojen olarak yanmaz ve alev bölgesinde ara ürünlerin oluşumu yükselebilir. Alevi üç bölgeye ayırmak mümkündür.

• Çekirdek bölgesi,
• Orta bölge,
• Dış bölge.

Birinci bölgede kurum oluşumuna sebep, zengin karışımdaki yakıt buharı ile yakıt zerreciklerinin bir arada bulunmasıdır. İkinci bölgede sadece zerrecikler çıkar ve kurum üretimi durur. Üçüncü bölgede ise karışım fakir olduğu için yakıtın içindeki kurum, yakıt ile beraber yanar. Egzoz sistemindeki kurum oksidasyonu is oluşumunun bir fonksiyonudur (Şekil 2.16).

Şekil 2.16. Türbülans yayılmalı alevde kurumun oluşum ve oksidasyonu.

Yapılan araştırmaların sonucunda partikül oluşumu bazı değişmeler sonucu meydana gelmektedir. Sıcaklık tesiri ile eriyen veya oksidasyona uğrayan ürünler yoğuşarak yakıt moleküllerinden ayrılır. Ayrılan bu ürünler genelde doymamış hidrokarbonlardır. Bunlar gaz fazından yoğunlaşarak kurumun temeli olan ve çekirdek olarak bilinen kurum taneciğini oluştururlar. Bu taneciklerin boyutları çok küçüktür. Oluşan tanecikler katılaşır ve küme şeklinde birleşerek dizel partiküllerini oluştururlar. Bu partiküller birleşerek hidrokarbonların yüzeylerini yoğunlaştırması sonucu büyüme olur. (İlkılıç, 1999).

Dizel motorlarında değişik işletme şartlarından kaynaklanan dört tip partikül emisyonuna rastlanmaktadır.

1- Beyaz duman: Soğuk havalarda görülen genellikle su buharıdır. Bu kirletici değildir. Ancak soğuk ilk harekette veya çok düşük yüklerde görülen beyaz duman yük artınca kayboluyorsa yoğuşmuş yakıt buharıdır.

2- Mavi duman: Tam yanmamış yakıt veya bilhassa aşınmış motorlarda yağ zerreciklerinin oluşturduğu dumandır.

3- Siyah duman: İs-karbon parçacıklarının oluşturduğu dumandır. Tam yükte ve düşük hava/yakıt oranlarında ortaya çıkar.

4- Diğer parçacıklar: Sülfatlar, yağlama yağı ve yakıt içindeki katkılardan gelen parçacıklardır. (Borat ve Ark, 1992).

Şekil 2.17.’de partikül kompozisyonunda yer alan elementlerin ağırlık yüzdeleri gösterilmiştir.

Şekil 2.17. Dizel Partikül Kompozisyonundaki Elementlerin Ağırlık Oranları

Elementler arasındaki kimyasal sınırların kesin olarak belirlenememesi nedeniyle, tabloda yaklaşık değerler verilmiştir. Partiküllerin kütlesel olarak %71 kadarı karbondan, %20 kadarı (%2,6 hidrojen+%16,9 karbon) hidrokarbon bileşiklerinden %5 kadarı da metalik bileşiklerden oluşmaktadır.

Tablo 2.3.’de dizel motorunun egzoz gazlarındaki katı, sıvı ve gaz halindeki emisyonlar gruplandırılmıştır. Tabloda, dizel motorlarından çıkan partiküllerin önemli bir bölümünün katı formunda olduğu görülmektedir. Bu bilgiler ışığında, partikülleri yakalayabilen elemanlardan oluşan bir filtrenin geliştirilmesiyle, motorların çevreyi kirletici emisyonlarının önemli bir kısmının filtre tarafından tutulabileceği söylenebilir.

Tablo 2.3. Dizel Motorlarından Çıkan Katı, Sıvı ve Gaz Emisyonlar
1. N 2	1. H 2O	1. KURUM
2. CO 2	2. H 2SO 4	2. METALLER
3. CO	3. HİDROKARBONLAR (C 5-C 10)	3. İNORGANİK MADDELER
4. H 2	4. OKSİJENLİ KARIŞIM	4. SÜLFATLAR
5. NO/NO 2	5. POLİAROMATİKLER	5.KATI HİDROKARBONLAR
6. SO 2/SO 3	—	—
7. HC (C 2-C 15)	—	—
8. OKSİJENLİ KARIŞIM	—	—
9. ORGANİK NİTROJEN VE SÜLFÜR BİLEŞİMLERİ	—	—

Dizel motorundaki yanma incelendiğinde, silindirde buharlaşan yanmamış motor yağının, egzozda hidrokarbon artışına neden olduğu görülmektedir. Buna ek olarak; alev cephesinin yetersiz oksijen bölgelerindeki hidrokarbonlar da birbirleri ile reaksiyona girmekte ve partikül oluşumuna zemin hazırlanmaktadır. Partikül çekirdekleri katılaşma sürecine girdiklerinde, Şekil 2.18′de gösterildiği gibi, kurum küreciklerinin oluşmasına sebep olmaktadırlar. Şekilde, bir partikülün oluşumu 50 safhaya ayrılmıştır. Oksijenin bol olduğu yanma bölgelerinde, kurum partiküllerinin oksijenle birleşmesi olasıdır. (5.6.7.8.9. oluşum safhaları)

Yakıt içerisindeki hidrokarbonlar ve yanmamış motor yağı içerisindeki elementler, partikül oluşumu sürecinin 10. ve 11., 12. safhalarında PAH oluşumuna neden olurlar. Yakıt içerisindeki organik sülfürler oksitlenirler. Bunun yanı sıra, sülfatlar da oksitlenebilirler. Motor yağı katıkları da oksitlenebilir ve inorganik oksitlerin oluşmasına sebep olabilirler.

Şekil 2.19′da egzoz gazlarının silindirden atmosfere çıkıncaya kadar olan süre içerisindeki partikül oluşumu, şematik olarak ifade edilmiştir. Partiküller, şekilde görüldüğü gibi, yoğunlaştırılmış hidrokarbonların üzerinde, inorganik oksitlerin ve metal partiküllerinin birikmesi ile oluşmaktadır. Su ve sülfürik asit de yine bu partiküller üzerinde yoğunlaşabilmektedir.

Şekil 2.18. Partikül Çekirdeklerinin Katılaşma Süreci

Şekil 2.19. Egzoz Gazının Silindirden Atmosfere Kadar Almış Olduğu Yolda Partikül Oluşumu (Özgören, 1994).

Dizel motorları genellikle fakir karışım oranlarında çalışmakta ve hava/yakıt oranı motorun yük durumuna göre değişmektedir. Şekil 2.20′de hava fazlalık katsayısının emisyonlara etkisi görülmektedir. Karışımın belli bir oranın üzerinde zenginleşmesini sınırlayan belli bir is sınırı mevcuttur. Özellikle; HFK 2′den az olduğunda is önemli derecede artmaktadır.

Şekil 2.20. Direkt püskürtmeli bir dizel motorunun egzozundaki kirletici konsantrasyonları (Topgül, 2000).

Düşük yüklerde sıcaklığın az olması nedeniyle CO’nun oksidasyonu için gerekli reaksiyonlar gerçekleşmediğinden CO miktarı yüksektir. Yük arttıkça CO azalmaktadır. Tam yüke doğru, oksijen miktarının ve reaksiyon süresinin azalması nedeniyle CO miktarı tekrar artış gösterir.

Yükün artışı ile silindire alınan yakıt miktarının artması ve sıcaklıklardaki artış reaksiyonları hızlandırmakta ve yanmamış HC emisyonları azalmaktadır.

NO x miktarı, yük arttıkça buna bağlı olarak sıcaklığın artması ve hava/yakıt oranının stokiyometrik orana yaklaşması ile artmaktadır.

İs miktarı yük arttıkça artmaktadır. Şekilden de görüldüğü gibi yük arttıkça HFK azalmakta ve buna bağlı olarak yanma odası içindeki hava miktarının azalmasıyla karbon tanecikleri yanmasını tamamlayamadıklarından is oluşumuna neden olmaktadır. (Topgül, 2000).

---

3- DİZEL MOTORLARINDA TASARIM PARAMETRELERİNİN, ÇALIŞMA, PARAMETRELERİNİN VE YAKIT ÖZELLİKLERİNİN PERFORMANSA VE EMİSYONLARA ETKİLERİ

3.1. TASARIM PARAMETRELERİNİN ETKİLERİ

Biriim yakıtın yakılmasıyla açığa çıkan enerji miktarını büyütme çalışmaları, yanmayı ideal şartlara yaklaştırma ve zararlı egzoz emisyonlarını en az seviyeye düşürme gayretleri, bilim adamları ve imalatçıların en önemli faaliyetlerini oluşturmaktadır. Bu çalışmaların başında, motor tasarımında sıkıştırma oranının, püskürtme zamanı ve açısının değiştirilmesi, enjektör meme çıkıntısı, alanı ve delik sayısı ile manifold şeklinin ve supapların üzerinde yapılan değişiklikler gelmektedir.

3.1.1. Enjektör Memesi

Dizel motorlarında enjektör tasarımı ve çalışma parametrelerinin performans ve egzoz emisyonları üzerinde çok net ve kesin bir etkisi vardır. Çizelge 3.1.’de enjektör meme tasarımının bazı yanma karakteristiklerine olan etkileri belirtilmiştir. Çizelge 3.1.’deki bilgilere göre meme delik sayısı ve püskürtme açısı ve enjeksiyon basıncının yakıtın atomizasyon şekli üzerinde belirleyici rol oynadığı, çok delikli enjektör memesinin tek delikli memeye bariz biçimde performans ve emisyon açısından üstünlüğü görülmektedir.

Çok delikli meme yapısında, tek delikliye nazaran TG’nin azaldığı, Pmax ve Pme’nin (dp/dt) oranının yükseldiği buna karşılık özgül yakıt sarfiyatının önemli miktarda düşme gösterdiği anlaşılmaktadır. Meme çaplarındaki küçülme ve çok delikli memelerde delik sayısının fazlalığı da yine benzeri oranda emisyon ve performans değerleri üzerinde etki göstermektedir.

Toblo 3.1. Enjektör meme tasarımının bazı yanma karakteristiklerine olan etkisi
Tek Delikli	0,2 mm	20	—	—	—	—
	0,5 mm	20	37	4,5	372	2,04
	1,0 mm	13	47	4,8	359	2,04
Çok Delikli	2	13	51	6,0	286	6,12
	6	12	54	7,8	213	6,12
	16	14	44	5,2	327	3,06

3.1.2. Yanma Odası Biçimi

Dizel motorlarında hem basınç yükselme hızı hem de maksimum basıncın krank açısı cinsinden kontrolü ve zamanlaması gerekir. Basınç yükselme hızı için gerekli olanın tersine performans açısından da yanmanın uzun sürmesi istenmez. Dolayısıyla dizel motorlarında yanma odası tasarımı son derece önemli olmaktadır. Yüksek hızlı dizel motorları için tasarım esnasında, sıkıştırma oranı, maksimum devir ve çalışma sıcaklığı tespit edilmişse TG ancak yakıtın kalitesine bağlı olarak kontrol edilebilir.

Yüksek devirli motorlarda havaya girdap hareketi vermek veya havayı dar bir yanma odası hacmine sıkıştırarak hareketlendirmek suretiyle karışıma katkıda bulunmak önem arz etmektedir. Direkt püskürtmeli yanma odalı dizel motorlarda yakıt sarfiyatının az olduğu ve tutuşma kabiliyeti düşük yakıtlarla bile kolayca tutuşma sağlandığı, bölünmüş yanma odalı motorlarda ise yukarıdaki bilginin tersine bir sonucun çıktığı araştırma sonuçlarıyla ortaya konulmuştur.

Bölünmüş yanma odalı motorlarda yakıt püskürtme karakteristikleri, direkt püskürtmeli yanma odalı motorlara nazaran pek önem arz etmemektedir. Zira, bölünmüş yanma odalı motorların düz yanma odalı motorlara kıyasla sıkıştırma oranı yüksek, yakıt enjeksiyon basıncı ve verimi ise daha düşüktür (Karakuş, 2000).

Direkt püskürtmeli dizel motorlarında püskürtmenin yapıldığı, piston içerisindeki çanak şeklindeki oyuğun geometrisi ve boyutlarının, hava hareketleri açısından, önemi büyüktür. (Şekil 3.1)

Direkt püskürtmeli motorlarda pistonun ÜÖN’ya yaklaşması ile piston üst yüzeyinden çanak içine doğru bir hava hareketi sağlanmaktadır. Bu da sıvı olarak püskürtülmüş olan yakıt demetinin daha kolay parçalanmasını ve daha küçük damlacıklara ayrılmasını sağlayarak iş oluşumunun azalmasına neden olur. Bu şekilde oluşan hava hareketinin hızı büyük ölçüde, piston ÜON’ya geldiği anda, pistonun en üst yüzeyi ile motor kafası arasında kalan boşluk azaldıkça artmaktadır.

Buradan da anlaşılacağı gibi, direkt püskürtmeli motorlar piston üst yüzeyi ile motor kafası arasında kalan boşluk mümkün olduğu kadar az olacak şekilde imal edilerek is emisyonu düşürülebilir.

Bölünmüş yanma odalı dizel motorlarında ise ön yanma odası ile ana yanma odası arasındaki kanalın yapısı (büyüklüğü) kirletici egzoz emisyonunu etkilemektedir. (Şekil 3.2).

Kanal kesitinin küçültülmesi partikül ve HC emisyonunu azaltmaktadır. Çünkü kanal kesiti küçüldükçe ön yanma odasındaki hızlar artmakta ve yakıt demeti daha kolay parçalanmaktadır. Ancak bu durumda yanma hızlanıp sıcaklıklar artacağından NO x emisyonu artmaktadır. Bu durum ayrıca ilk hareket güçlüğü meydana getirmektedir.

Şekil 3.1. Direkt püskürtmeli dizel motorunun yanma odası kesiti.	Şekil 3.2. Ön ve girdap yanma odalı dizel motorlarının yanma odası kesit resimleri. (Ergeneman ve Ark., 1998).

3.1.3. Manifold Tasarımı

Emme manifold çapının silindir çapına oranı, volümetrik verim ve hava-yakıt oranı açısından önem kazanmaktadır. Emme havasına verilen türbülans ve emiş hızı, silindire alınan taze hava miktarını etkilediğinden manifoldun tasarımında bu hususlar dikkate alınmaktadır.

Keskin köşe veya cidar pürüzlülüğünün fazlalığı hava giriş hızını ve miktarını azaltmakta, dolayısıyla silindire alınan dolgu kütlesinde düşme olmaktadır. Karışım içerisindeki hava oranının azalması yanmanın kötüleşmesine yol açtığından, motor performansı ve emisyon değerleri üzerinde olumsuz etki meydana getirmektedir. Benzeri bir durum ise egzoz manifold tasarımında görülmektedir.

Egzoz manifoldun da yanmış gazların çıkışına direnç olacak şekilde düzenlenecek olan biçimler (keskin köşeler, pürüzlü yüzeyler gibi) yanma odası içerisinde artık gazların birikmesine yol açacak ve dolayısıyla taze dolgunun yanma odasına girişini önleyecektir. Bu durum volümetrik verimin azalmasına sebep olacaktır. Bu mahsurları önlemek amacıyla manifold tasarımcıları, manifold da oluşabilecek dirençleri engellemeye, manifold ceketlerinde gaz titreşimlerini yok etmeye yönelik biçimler üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırmaktadırlar (Karakuş, 2000).

3.1.4. Sıkıştırma Oranı

Sıkıştırma oranının artması, sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklığının yükselmesine neden olur. Yüksek sıkıştırma oranında, maksimum basınç daha erken ve daha yüksek değerlere ulaşmaktadır. Ancak, maksimum basıncın artması krank-biyel mekanizmasının daha dayanıklı yapılmasını gerektirir. Ayrıca, kompresyon kaçaklarının artması ve motorun ilk harekete geçişin zorlaşması mekanik verimi azaltır.

 

Şekil 3.3. Sıkıştırma oranının duman miktarına etkisi

Şekil 3.3′de sıkıştırma oranına bağlı olarak duman miktarının değişimi görülmektedir. Sıkıştırma oranının artmasıyla duman miktarı da buna bağlı olarak artmaktadır. Zira, sıkıştırma oranının artmasıyla yanma odası içerisindeki girdabın azalması ve hava yakıt karışım formasyonunun kötüleşmesi duman miktarının artmasına neden olmaktadır (Topgül, 2000).

Sıkıştırma oranının artışı ile yanma odasındaki ortalama gaz hızlarında, sıcaklık ve basınç seviyesinde artış görülür. Ayrıca silindire giren hava-yakıt karışımının kütlesi de değişmektedir. Sıkıştırma oranının artırılması sonucu, ÜÖN civarında, yanmanın gerçekleştiği süreçte yanma odasının yüzey/hacim oranı artacağından HC emisyonları olumsuz etkilenecektir (Karakuş, 2000).

Bu değişken tutuşma gecikmesini kontrol eder. Direkt püskürtmeli dizel motorlarında NO oluşumuna etkiyen önemli faktörlerden biridir. Şekil 3.4′de 1400 d/d’da 15:1-27:1 aralığında değişen sıkıştırma oranının, NO emisyonlarına etkisi görülmektedir.

Şekil 3.4. Sıkıştırma Oranı Değişiminin NO Emisyonlarına Etkisi

Püskürtme avansının sabit kalması şartıyla, sıkıştırma oranının azaltılması tutuşma gecikmesini uzatacaktır. Dolayısıyla bu süre boyunca püskürtülen yakıt miktarı artacağından silindir içi maksimum sıcaklık yükselecek ve buna bağlı olarak NO oluşumu artacaktır. Sıkıştırma oranının artırılması ile tutuşma gecikmesi kısalacağından NO oluşumu azalacaktır. Fakat sürtünme işi artacağından çevrim verimi kötüleşecektir (Haşimoğlu, 2000).

3.1.5. Püskürtme Açısı

Püskürtme esnasında yakıt, enjektörden silindirik bir huzme şeklinde çıkmakta, daha sonra meme deliği çapı, uzunluğu ve geometrisi, havanın ve püskürtülen yakıtın yoğunluğu ile püskürtme basıncına bağlı olarak değişik davranışlar göstererek gaz ortama nüfuz etmektedir.

Yanma odası içerisindeki basıncı yüksek havanın içerisine enjekte edilen yakıtın oda içerisinde eşit dağılım yaparak oksijenle teması önemlidir. Çünkü, oluşacak alev çekirdeğinin yanma odası içerisindeki yakıt-hava karışımının tümünü kavraması bakımından homojen bir yanma hızının olması ve bu yanmaya bağlı olarak titreşimsiz bir basınç etkisinin gerçekleşmesi gerekmektedir (Karakuş, 2000).

3.1.6. Silindir Başına 4 Supap Kullanmak

Bu teknik de, aşırı doldurma ile birlikte volümetrik verimi artırarak güç başına emisyon değerlerinin düşürülmesini olanaklı kılmaktadır.

Özellikle ön yanma odalı ve döner hava hareketi gerektirmeyen çok delikli enjektör ile beraber yüksek basınçlı püskürtme sistemine sahip direkt püskürtmeli dizel motorlarına uygulanabilmektedir (Ergeneman ve Ark., 1998).

---

3.2. ÇALIŞMA PARAMETRELERİNİN ETKİLERİ

Dizel motorlarında çalışma parametrelerinin performans faktörlerine ve emisyon değerleri üzerine olan etkisi, yanma odasının ve enjeksiyon sisteminin tasarımlarına son derece bağlıdır. Söz konusu tasarımların çok değişik özelliklere sahip olmaları sebebiyle herhangi bir performans ve emisyon faktörünün gösterdiği temayül bütün dizel motorları için aynı olmayabilir. Çalışma parametrelerinin performans faktörlerine ve emisyon değerleri üzerine olan etkileri özetle aşağıda belirtilen başlıklar altında açıklanmıştır.

3.2.1. Yakıt Miktarı

Dizel motorlarında güç, yakıt miktarıyla ayarlanır. Maksimum güçte tam gaz verilir. Ancak bu durumda iyi bir karışım şansı daha azdır ve egzoz isli oluşur veya silindirde zararlı karbon birikintileri meydana gelir. Bu durum yakıt/hava oranına da bir üst sınır koyar. Alt sınır yoktur.

Dizel motorlarında püskürtme süresi, TG (Tutuşma Gecikmesi) süresinden daha kısa olabilir. Ancak bu durumda yakıt miktarı TG süresinden bağımsız olduğundan tutuşma gecikmesinin basınç üzerindeki etkisi daha azdır (Karakuş, 2000).

3.2.2. Püskürtme Avansı

Diğer parametreler sabit kabul edilirse, direk püskürtmeli bir dizel motorunda püskürtme başlangıcının bir miktar öne alınması tutuşma gecikmesini artıracağından bu safhada silindirlere daha fazla yakıt püskürtülecektir. Tutuşma ile birlikte dizel motoru yanma süreçlerinden biri olan ani yanma periyodunda birim krank derecesi başına düşen basınç değişimi (dp/d a) aşırı derecede artacağından çevrimin maksimum sıcaklığı ve basıncı da yükselecektir. Buna bağlı olarak NO x emisyonlarında bir artış olacaktır. Şekil 3.5′de püskürtme avansına bağlı olarak NO x emisyonlarının ve özgül yakıt tüketiminin değişimi görülmektedir.

Şekil 3.5. Püskürtme Avansının NO X ve Özgül Yakıt Tüketimine Etkisi

Püskürtme avansının azaltılması NO X emisyonlarını azaltarak, is oluşumunu artırır. Bu durum püskürtme basıncının artırılmasını gerektirir. Dolayısıyla malzeme dayanımı ve yakıt sisteminin fiyatının artması gibi sorunlar ortaya çıkacaktır. Avansın azaltılması silindir içi maksimum basıncı düşürür, fakat yanmamış yakıt miktarı artacağından, yakıt tüketimi kötüleşmektedir. Ayrıca avansın aşırı azaltılması hafif yüklerde teklemeye sebep olmaktadır.

Normal çalışma şartlarında püskürtme avansının ÜÖN’dan 10 o-15 o önce olması durumunda tutuşma gecikmesi minimumdur. Tutuşma gecikmesindeki artış püskürtmenin daha erken veya daha geç yapılmasından kaynaklanır. Çünkü sıkıştırma zamanındaki havanın sıcaklığı ve basıncı ÜÖN’ya yaklaştıkça önemli miktarda artar. Eğer püskürtme erken başlarsa, püskürtme başlangıcındaki basınç ve sıcaklık düşük olacağından tutuşma gecikmesi artar. Eğer püskürtme ÜÖN’ya çok yakın yapılırsa, püskürtme başlangıcındaki basınç ve sıcaklık yüksek olmasına rağmen pistonun alt ölü noktaya (AÖN) doğru hareket edip silindir hacmini genişletmesinden dolayı tutuşma gecikmesi süresi artacaktır. Bu yüzden uygun püskürtme avansı bu iki nokta arasında olmalıdır (Haşimoğlu, 2000).

3.2.3. Giriş Basıncı ve Sıcaklığı

Emme zamanında silindire alınan havanın giriş basıncı arttıkça, sıkıştırma sonu basıncı ve sıcaklığı artacağından tutuşma gecikmesi süresi azalır. Şekil 3.6′da giriş basıncının tutuşma gecikmesine etkisi görülmektedir. Giriş basıncının artmasıyla, silindire daha fazla hava alınacağından volümetrik verim de artar. İçeriye daha fazla yakıt püskürtülerek, güç artırılabilir. Ancak, bu durum maksimum basıncın da artmasına neden olur.

Şekil 3.6. Giriş basıncının tutuşma gecikmesine etkisi A: Düz yanma odası B: Bölünmüş yanma odası

Şekil 3.7′de silindir içerisine alınan dolgunun sıcaklığının NO X emisyonuna etkisi görülmektedir. Dolgu havası sıcaklığının artması, tutuşma gecikmesi süresinin azalmasına, basınç ve sıcaklığa bağlı olarak NO x emisyonunun artmasına neden olmaktadır.

Şekil 3.7. Dolgu sıcaklığına bağlı olarak NO X emisyonu değişimi (Topgül, 2000).

3.2.4. Enjeksiyon Basıncı

Enjeksiyon basıncı, yakıtın atomizasyonuna, dolayısıyla karışım formasyonuna etki eden faktörlerden birisidir. Enjeksiyon basıncı arttıkça yakıt daha iyi parçalanarak, damlacık çapı küçülmektedir. Şekil 3.8′de enjeksiyon basıncına bağlı olarak, yakıt damlacık çapının değişimi verilmektedir. Burada enjeksiyon basıncı arttıkça damlacık çapının azaldığı görülmektedir.

Şekil 3.8. Enjeksiyon basıncına bağlı olarak damlacık çapı değişimi (Topgül, 2000).

Damlacık çapının küçülmesiyle gecikme peryodu kısalacağından NO X formasyonunda ve dumanda azalma görülecektir.

Enjektör basınçlarının referans değere göre değişimi (bir arızadan veya ayarsızlıktan dolayı) motor performansını ve zararlı madde emisyonlarını etkilemektedir (Karakuş, 2000).

3.2.5. Aşırı Doldurma

İçten yanmalı bir motor tarafından üretilen güç, yaklaşık olarak motor silindirleri içerisinde yakılan yakıt ve bu yakıtı yakabilmek için gerekli olan hava miktarı ile orantılıdır. Normal emişli bir motorda silindir içerisine alınan hava miktarı, kurs hacmine bağlı olarak değişmektedir. Silindir içerisine bir çevrimde alınan hava miktarını artırabilmek için harici bir kaynağa ihtiyaç vardır. Bu amaçla; mekanik aşırı doldurma, egzoz turbo kompresörü ve basınç dalga etkili aşırı doldurma yöntemleriyle silindire alınan hava miktarı, normal emişli motorlara göre artırılır.

Normal emişli motora göre, aşırı doldurma uygulaması yapılan motorda silindirlere gönderilen hava miktarının artırılmasıyla silindir içerisine daha fazla yakıt sürülerek; fren ortalama efektif basıncı ve motor gücü artırılır (Topgül, 2000).

Egzoz gazlarının sahip olduğu enerjiden yararlanan aşırı doldurma sistemlerinin kullanımı, sıcaklık seviyelerinde artış sağladığı için genelde HC emisyonlarını azaltıcı, diğer taraftan NO X emisyonlarını da artırıcı doğrultuda etki etmektedir. Yanma odasındaki sıcaklık seviyesi ile birlikte, egzoz gazları sıcaklıkları da arttığı için bu süreç içindeki oksidasyon reaksiyonları da artış gösterecektir. Ayrıca silindirdeki karışım oluşumununda iyileşmesi yanma olayı üzerinde olumlu etki yapacaktır. Sonuçta HC emisyonları önemli ölçüde azalır. NO X emisyonları ise özellikle yüksek güçte çalışma bölgesinde, sıcaklıktaki artışa paralel olarak artmaktadır. Ancak ara soğutmalı aşırı doldurma sistemlerinde, sistemin sağladığı güç artışı dikkate alındığında, birim güç başına üretilen NO X emisyonu değerlerindeki artış sınırlandırılabilecektir (Açıl, 1998).

3.2.6. Eşdeğerlik Oranının Etkisi

Dizel motorlarında silindir içerisinde sıfırdan sonsuza kadar değişen değerlerde hava yakıt oranları mevcuttur. Dolayısıyla önemli olan püskürtülen yakıt miktarı değil yanma öncesi buharlaşan yakıt miktarıdır.

Dizel motorlarında güç ayarı motora emilen havanın içine püskürtülen yakıt miktarının değiştirilmesi ile yapılır. Motor gücü azaltılmak isteniyorsa, püskürtülen yakıt miktarı azaltılır. Böylece karışım oranı yük durumuna göre değiştirilmektedir ve motor genelde fakir karışım ile çalışmaktadır. Emisyonlar bakımından ana sorun is ve NO X üretiminden kaynaklanmaktadır. NO X emisyonları artan yüke bağlı olarak artış gösteren sıcaklıklar nedeniyle artmaktadır. NO oluşumu, eşdeğerlik oranı 0,9 ile 1,0 arasında iken maksimum olur.

Şekil 3.9. Eşdeğerlik Oranına Bağlı Olarak NO X ve NO Konsantrasyonları.

Şekil 3.9.’da eşdeğerlik oranının NO X konsantrasyonuna etkisi görülmektedir. Eşdeğerlik oranı arttıkça ağır yüklerde maksimum basıncın (dolayısıyla maksimum sıcaklığın) artması karışımın daha geniş bir bölgede stokiyometrik orana yakın bir değerde yanmasını sağlar. Bu durumda NO X oluşumu artacaktır. Eşdeğerlik oranının azaltılması ile NO X emisyonları azalır. Fakat dizel motorlarında yakıtın düzgün püskürtülememesinden dolayı bu azalış fazla değildir (Haşimoğlu, 2000).

3.2.7. Yanma Odasında Düşük Dönmeli Hava Hareketi

Direkt püskürtmeli motorlarda, yanma odasına püskürtülen yakıtın hava ile karışımını iyileştirebilmek için emilen hava, emme kanalına verilen kavisli şekil sayesinde silindir içine bir dönme hareketi (swirl) ile girmektedir. Havanın bu dönme hareketi motorun ancak belli bir hızında iyi bir yakıt hava karışımı oluşmasını sağlar. Ayrıca bu dönme hareketinden dolayı yüksek hızlarda motorun volümetrik verimi düşerek güçte bir azalma meydana gelmektedir. (Şekil 3.10)

Yüksek püskürtme basıncıyla ve alışılagelenden daha çok ve daha küçük çaplı hassas işlenmiş delikler bulunan (8-10 delik) enjektörler sayesinde küçük damlacıklar (5-10 mikron) elde ederek yanma odası içinde gerekli olan dönme hareketindeki hava hızlarını düşürmek, dolayısıyla volümetrik verimi yükseltirken karışım oluşturma kalitesini korumak olanaklıdır. (Şekil 4.10) Burada hava hızlarını düşürmek, yakıt daha küçük damlacıklara bölünmüş olması ve çok delikli enjektörden püskürtme yapılmasıyla çok daha kısa sürede iyi bir karışım sağlandığı için olanaklı hale gelmektedir. Böylece özellikle yüksek devir sayılarında motor gücü artarken motor verimi de yükselmektedir. Ayrıca bu tip motorlar yukarıda sözü geçen nedenlerle havanın dönme hızına bağımlı olmadıklarından motorun bütün hız aralıklarında is (partikül) emisyonu açısından çok iyi sonuç verirler.

Şekil 3.10. Direkt püskürtmeli dizel motorlarında yakıt püskürtme ve karışım oluşturma şeklinin üstten görünüşü (Ergeneman ve Ark., 1998).

---

3.3. YAKIT ÖZELLİKLERİNİN ETKİLERİ

Yakıtın kimyasal kompozisyonu, motor performansı ve emisyonlarını önemli oranda etkilemektedir. Yakıt ne kadar fazla parafin hidrokarbonları ihtiva ederse, setan sayısı o kadar yüksek olur, tutuşma gecikme süresi kısalır, motorun çalışması daha düzenli ve sarsıntısız oluşur. Yakıtın uçuculuğu, yüzey gerilmesi ve viskozitesi gibi fiziksel karakterler aynı zamanda yanma prosesine tesir eder. yakıtın viskozitesi ve yüzey gerilimi, atomizasyonun iyiliğini, yakıtın uçuculuğu ise yanıcı karışımın oluşum hızını etkiler.

Yakıtın bileşiminde bulunan hidrokarbonlar, gerek tek ve gerekse grup halinde yanma olayını önemli derecede yönlendirir. Yakıttaki parafinik hidrokarbonların miktarı arttıkça yakıtın setan sayısı da artar. Dolayısıyla tutuşma gecikme süresi azalır ve motor daha yumuşak çalışır.

Yakıtın setan sayısı yanında viskozitesi, yüzey gerilimi ve uçuculuk gibi fiziksel özellikleri de yanma olayını etkiler. Viskozite ve yüzey gerilimi parçalanmanın derecesini, uçuculuk ise karışımın oluşumunu biçimlendirir. Özellikle setan sayısı düşük olan yakıtlar içine anil nitrat gibi katkılar katılırsa tutuşma gecikme süresi kısalır ve motorun yumuşak çalışması sağlanır.

Yanma odasına enjekte edilen yakıtın motor performansına ve emisyon değerlerine tesir eden bazı özellikleri aşağıda belirtilmektedir.

3.3.1. Setan Sayısı

Dizel motorunda aynı şartlarla aynı vuruntu şiddetini veren metil naftalin + setan karışımındaki setan yüzdesine setan sayısı denmektedir (Karakuş, 2000).

Setan sayısı dizel yakıtının ateşleme kalitesini yani tutuşmaya gösterdiği meyli ifade eder.

Şekil 3.11.’de setan sayısının tutuşma gecikmesine etkisi görülmektedir. Setan sayısı yüksek olan yakıtın, tutuşma gecikmesi süresinin daha kısa olduğu görülmektedir. Tutuşma gecikmesinin kısalması, ani yanma safhasındaki basınç artma oranını azaltır. Yakıtın çoğunluğu, kontrollü yanma safhasında yandığından silindir içerisinde oluşan maksimum basınç daha düşük olmaktadır. Ayrıca, tutuşma gecikmesinin azalmasıyla, karışımın sağlanabilmesi için daha az süre olması ve yakıtın yanma odası içerisinde iyi dağılamaması nedeniyle yanma hızı da azalır.

Şekil 3.11. Setan sayısının tutuşma gecikmesine etkisi (Topgül, 2000).

Setan sayısı, dizel motorlarının kolay çalışması ve yanma şartları üzerine etki eder. Setan sayısının yüksek olması motorun sessiz ve yumuşak çalışmasını sağlar. Setan sayısının gereğinden fazla yüksek olması tutuşma gecikmesini kısalttığından, yakıt yanma odası içerisinde iyi dağılamaz ve dumanlı bir yanma meydana gelir. Setan sayısının parçacık emisyonu üzerindeki etkileri Şekil 3.12′de gösterilmektedir.

Şekil 3.12. Setan sayısının parçacık emisyonu üzerindeki etkileri

Setan sayısı, yüksek hızlı dizel motorlarında 45-50′dir. Yakıtın tutuşma kabiliyeti, Alman DIN 51601 standart değerine göre, dizel yakıtı için setan sayısı 45′den daha aşağı değildir.

3.2.2. Yakıt Yoğunluğu

Yakıtın yoğunluğu, partikül ve NO X emisyonlarının oluşmasında en önemli faktörlerden biri olarak bilinmektedir. Özellikle geçiş şartlarında yapılan deneylerde bu etki daha net görülmektedir. Yoğunluğun fiziksel etkisi detaylı olarak incelendiğinde, daha yüksek yoğunluktaki dizel yakıtının daha fazla miktarda yakıtın püskürtülmesine neden olduğu ve buna bağlı olarak da dinamik zamanlamanın değiştiği söylenebilir.

Yanma odasına fazla miktarda enjekte edilen yakıt, yani oluşturulan zengin karışım, yanma odası cidar sıcaklığının artmasına sebep olmakta ve dolayısıyla tutuşma gecikmesi süresini azaltmaktadır. Püskürtülen yakıt miktarı, püskürtme hızını değil de püskürtme süresini değiştirmek suretiyle değiştirildiği takdirde, kısa tutuşma gecikmesi süresince daha az yakıt gönderilerek, yanmanın ikinci safhasında dp/dt oranı azalma gösterecektir.

Dizel motorlarındaki güç artışı silindire gönderilen yakıt yoğunluğu ile doğrudan ilgilidir. Maksimum güçte tam gaz verilir. Ancak bu durumda arzu edilen homojen bir karışım sağlanamadığından yanma sonucunda karbon birikintileri fazla olur ve egzozdaki duman miktarı artarak isli bir görüntü verir.

3.3.3. Aromatik Yüzdesi

Hidrokarbonlar içerisinde yoğunluğu en fazla olan aromatiklerdir. Dolayısıyla birim hacim başına en yüksek ısıl değere sahip olduğundan isli yanarlar. Yanma odasına püskürtülen yakıtın aromatik yüzdesinin fazla olması durumunda yanma sonucu oluşan karbon birikintilerinin çokluğu sebebiyle özellikle supap sapı ve tablalarında ve enjektör meme uçlarında kurum oluşarak yanma odası hacminin azalmasına sebep olmaktadır. Yanma odası içerisinde çok fazla miktarda biriken artıklar yüzünden yanma verimi azalarak performans değerlerinde azalma meydana gelmektedir. Bu yüzden özellikle jet yakıtlarında aromatik ağırlığının %25′den fazla bulunmaları arzu edilmez.

Dizel yakıtı içerisindeki aromatik bileşenin oranının düşürülmesi, HC emisyonunun düşmesini sağlamaktadır (Karakuş, 2000).

---

4. DİZEL MOTORLARDA EGZOZ EMİSYONLARININ KONTROLÜ

Dizel motorlarda, hidrokarbonlar (HC), karbonmonoksit (CO) ve azot oksit (NO x) emisyonları ile partikül emisyonları önlenmesi gereken en önemli emisyonlardır. İlerleyen teknolojiye rağmen silindir içerisindeki yanma olayı tam olarak çözülemediğinden bu emisyonları kaynağında önlemek için yapılan çalışmalar yeterli olamamaktadır. Bu nedenle emisyonların motorda yapılan değişiklikler, ek sistemler, yakıt kalitesini iyileştirmek vb. yöntemlerle önlenmesine veya kontrol altında tutularak azaltılmasına çalışılmaktadır.

Günümüzde egzoz gazı emisyonlarının azaltılması için katalitik filtre kullanılmaktadır. Partikül emisyonların da kontrol edilebilmesi için seramik monoblok, alüminyum kaplı, cam yünü kullanılan, gözenekli, gözeneksiz, partikül tutucu çeşitli filtreler tek başlarına veya gaz emisyonlarının önlenebilmesi için kullanılan oksidasyon katalizörü gibi monoblok katalitik filtrelerle birlikte kullanılabilmektedir (Karel, 1996).

Gaz emisyonları olarak adlandırılan emisyonlar, HC, CO ve NO x emisyonlarıdır.

Dizel motorlu taşıtlarda egzoz emisyonlarını azaltmak için alınan önlemler aşağıdaki gibi sıralanabilir;

• Yüksek basınçlı kısa borulu, elektronik kontrollü püskürtme sistemi
• Yanma odasında düşük dönmeli hava hareketi
• Püskürtme kanununun düzenlenmesi
• Aşırı doldurma ve ara soğutma
• Silindir başına 4 supap kullanmak
• Egzoz gazı geri dolaşımı
• Yağ tüketiminin azaltılması
• Partikül filtreleri

(Ergeneman ve ark., 1998)

Bu önlemlerden bazıları üçüncü bölümde detaylı olarak anlatılmıştır.

Dizel motorları üzerinde, partikül ve HC emisyonlarını kontrol etmek için geliştirilen teknolojik stratejiler genel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.

• Yakıt enjeksiyonu ve hava hareketinin optimizasyonu
• Püskürtülen yakıtın, özellikle relanti, kısmi yük ve geçiş süresince iyi atomize olması,
• Yanma odasındaki parazit hacimlerin en aza indirilmesi,
• Püskürtme zamanının özellikle geçiş devresinde hassas olarak kontrol edilmesi,
• Yağlama yağının yanmaya olan etkisinin azaltılması,
• Yüksek hızlı direkt enjeksiyonlu motorlar için merkezi enjektör ve yanma odası tasarımı,
• Modüle edilmiş EGR,
• Üretimde elektronik kontroller,
• Motorun hızlı ısınması,
• Oksidasyon katalizörü veya partikül tutucu kullanımı.

Katalist kullanılması halinde partikül emisyonları % 20 - 40, HC emisyonları % 40 - 50, CO emisyonları ise % 50 - 75 oranında düşürülebilmektedir(Kararkuş 2000).

---

4.1 HC VE CO EMİSYONLARININ KONTROLÜ

Dizel motorlarında karbonmonoksit ve hidrokarbon emisyonları genellikle oksidasyon katalizörleri ile azaltılabilir. Oksijen katalizörlerinin fonksiyonu karbonmonoksit ve hidrokarbonları oksitleyerek, karbondioksit ve su haline dönüştürmektedir. Dizel motorların egzoz gazlarında oksijen miktarının fazla olması karbonmonoksit ve hidrokarbonların soy metalli monoblok katalitik filtrelerle azaltılmasını kolaylaştırmaktadır. Şekil 4.1 ile karbonmonoksit ve hidrokarbonların dönüşümü gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi düşük sıcaklıklar da dahi dönüşüm yeterli olmaktadır. Soy metal kombinasyonları karşılaştırıldığında şu etkenlik sırası görülür; Pd < Pt/Pd< Pt. Platinli katalitik filtrelerde 235 C 0 da % 78 hidrokarbon, % 95 karbonmonoksit dönüşüm verimlerine erişilmiştir.

Şekil 4.1. Karbonmonoksit ve Hidrokarbon emisyonları dönüşümünün egzoz hava gazı sıcaklığına bağlı olarak değişimi (Karel 1996).

Oksidasyon, katlizatörlerinin kullanıldığı durumlarda, motordan çıkan egzoz gazlarına hava ilave edilmekte ve böylece egzoz gazlarının oksitlenmesi için gereken ortam hazırlanmaktadır. (Şekil 4.2)

Şekil 4.2. Oksitlenme katalitazörü

Egzoz gazlarındaki oksijen miktarının yüksek olmasından dolayı azot oksitlerin üç fonksiyonlu katalizörlerle azaltılması mümkün olamamaktadır. Bu nedenle dizel motorlarında azot oksit emisyonlarının azaltılması için egzoz gazlarının bir kısmı tekrar silindir içerisine verilerek yeniden dolaşım sağlanmaktadır. Fakat bu yöntemde yakıt sarfiyatının artmasının yanında, yakıtta bulunan kükürt, kükürt dioksit haline dönüşerek asit yağmurlarına neden olmakta ve partikül emisyonlarını da arttırmaktadır. Dolayısıyla azot oksit emisyonlarının partikül emisyonları artmadan azaltılması için değişik katalitik filtreler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır.

Dizel motorlarda gaz emisyonları azaltmak için katalizörlerden başka, yağ buharları ile kaçak egzoz gazlarının bir araya gelerek oluşan kirleticilerin karter havalandırması yoluyla azaltılması, emme manifolduna egzoz gazının geri verilerek (EGR) NO x emisyonunun düşürülmesi, egzoz gazı sıcaklığının düşmesini ve oksijen miktarının artmasını dolayısıyla emisyonların azalmasını sağlayan yanma odasına hava püskürtülmesi sistemleri kullanılmaktadır(Karel 1996).

---

4.2. DİZEL MOTORLARINDA NO_X KONTROL YÖNTEMLERİ

NO x emisyonlarını kontrol etmede kullanılan çeşitli yöntemler Şekil 4.3′de verilmiştir. 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 4.3. NO X Emisyonlarını Kontrol Etmede Kullanılan Çeşitli Yöntemler

Dizel motorlarında NO X emisyonlarını azaltmada kullanılan yöntemlerin etkileri Şekil 4.4′de gösterilmiştir. Sadece EGR uygulaması ile NO X emisyonlarında %75′lik bir azalma elde edilebilmektedir. Tüm yöntemler ve katalitik konvertör kullanarak ise NO X emisyonlarında %95′lik bir azalış sağlanabilmektedir.

Şekil 4.4. Dizel Motorlarında NO X Emisyonlarını Azaltmada Kullanılan Yöntemlerin Etkileri

4.2.1. NO X Emisyonlarının Azaltılmasında Dikkate Alınan Temel Parametreler

Dizel motorlarında oluşan NO X emisyonlarını azaltmak için aşağıdaki bazı temel parametrelerden yararlanılır.

4.2.1.1. Yakıt Enjeksiyon Sistemi Özellikleri

Yakıt enjeksiyon sistemi özellikleri hava ile yakıtın karışması ve yanmasına etkir. Çalışma şartlarında alevin oluşumu ve yayılması, yakıtın atomizasyonu ve yakıt dağıtımı, enjeksiyon sistemi özelliklerinden etkilenir.

Tutuşma gecikmesi süresince püskürtülen yakıtın azaltılması NO X emisyonlarını azaltır. Bunun için enjektör delik çapı küçültülerek, püskürtme süresi uzatılmakta ve pilot yakıt miktarı azaltılmaktadır. Bu durumda yakıt ile hava daha iyi karışacağından kullanılan hava miktarı artar ve alev daha geniş bölgeye yayılır. Sonuçta NO X emisyonlarında artış görülür. Püskürtülen yakıt miktarının azaltılması ile NO X emisyonlarında elde edilen azalma bu nedenden dolayı dengelenecek ve NO X emisyonlarında bir değişim gözükmeyecektir. Bunun için püskürtme basıncı artırılarak ve setan sayısı daha fazla olan yakıt kullanılarak, tutuşma gecikmesi kısaltılmalıdır.

Yakıtın kademeli püskürtülmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Burada önemli olan ilk kademede püskürtülecek olan yakıt miktarıdır. Yakıtın iki kademede püskürtülmesi ile PM emisyonlarında önemli artış olmadan NO X azaltılmıştır.

Şekil 4.5. Kademeli (kısıcı) Pimli Meme ve Püskürtme Şekli

Püskürtmenin başlangıcında pimin silindirik kısmı meme deliği içindedir ve yakıtın geçeceği kesit dardır. Dolayısıyla silindire daha az yakıt püskürtülür. Püskürtülen yakıt miktarı, iğne yukarıya kalktıkça artar. Çünkü pimin silindirik kısmı meme deliğinden çekildikçe, yakıtın geçtiği kesit büyümektedir.

4.2.1.2. Yakıt Kalitesi

Dizel yakıtında en önemli özellik setan sayısıdır. Setan sayısı yakıtın dizel motorunda sıkıştırma sonucu ısınan havanın içinde kendi kendine tutuşma özelliğini belirleyen bir sayıdır. Setan sayısının fazla olması tutuşma gecikmesi periyodunu azaltmakta ve yanma odasında biriken yakıtın ani yanması ile oluşan hızlı basınç artışını önlemektedir. Yakıt daha erken tutuşarak yanmaya başlayacaktır. Fakat bu sırada sıkıştırma devam ettiği için silindir içi sıcaklık ve buna bağlı olarak NO X oluşumu artacaktır. Bu yüzden yanma başlamadan önce daha az yakıt püskürtülmelidir. Böylece üst ölü nokta (ÜÖN) civarında yanan yakıt miktarı azalacağından maksimum yanma sıcaklığı düşecektir.

Şekil 4.6. Setan Sayısının NO X Emisyonlarına Etkisi

4.2.1.3. Oksijen Konsantrasyonu

Karışım içindeki oksijen konsantrasyonu artırıldıkça PM ve yanmamış HC emisyonları azalır. %2′lik bir oksijen ilavesi ile is emisyonları neredeyse sıfır olur, yakıt tüketimi iyileşir. Fakat oksijen konsantrasyonunun artırılması NO X emisyonlarını artırmaktadır.

Oksijen konsantrasyonunun artırılması tutuşma gecikmesini kısaltır. Bu durum püskürtme avansının azaltılmasına imkan sağlar. Avansın azaltılması ile NO X emisyonları azalır. Avansın 12 o’den 16 o’ya alınması ve oksijen konsantrasyonunun %21′den %23′e çıkarılması ile NO X emisyonları artırılmadan partikül emisyonları iyileştirilmektedir.

4.2.2. Egzoz Gazları Resirkülasyonu Sistemi (EGR)

Egzoz gazları içerisindeki NO X miktarını azaltmak için EGR sistemi kullanılır. Hızlanma veya ağır motor yüklerine bağlı olarak yanma odası içindeki sıcaklığın yükselmesi (1800 K ve üzeri) ile karışım içindeki hava ve azot reaksiyona girip NO X oluştururlar. Bu yüzden NO X emisyonunu azaltmanın en iyi yolu yanma odasındaki sıcaklığı düşürmektir.

Egzoz gazlarının içerisinde karbondioksit (CO 2) ve su (H 2O) buharı bulunmaktadır. Bunlar soy gazlardır ve oksijen ile reaksiyona girmezler. EGR sistemi yanmanın meydana geldiği sıcaklığı düşürmek için egzoz gazlarını silindirlere belli oranlarda geri gönderir.

Hava-yakıt karışımı ile egzoz gazları birbirine karıştıkları zaman, hava-yakıt karışımı içerisinde bulunan yakıtın oranı doğal olarak düşer (karışım daha fakir olur) ve buna ilaveten bu karışımın yanması ile meydana gelen ısının bir kısmı egzoz gazı tarafından götürülür. Yanma odası içindeki maksimum sıcaklık böylece düşer ve açığa çıkan NO X miktarı azalır.

Yapılan deneyler sonucunda EGR uygulaması ile NO X emisyonları dışında kalan diğer parametrelerde kötüleşme olduğu görülmüştür. Bu durumda, yüksek EGR oranları motorun performansını daha çok kötüleştirdiği için tavsiye edilmemektedir. Hem NO X 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’nin diğer parametreleri kötüleştirmesinin önemli etkenlerinden birisi hava fazlalık katsayısını (HFK) azaltmasıdır. HFK’nın azalması performans ve emisyon parametrelerini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu durumun önlenebilmesi için silindire daha fazla hava alınmasını sağlayacak sistemlerden (aşırı doldurma sistemleri) yararlanılabilir. Ayrıca sıcak egzoz gazlarının silindire geri gönderilmeden önce bir soğutucudan geçirilmesi hem hacimsel verimdeki kötüleşmeyi azaltacak hem de silindirlere daha fazla egzoz gazı gönderilmesini sağlayacaktır.

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

Egzoz gazlarının içerisindeki küçük partiküller motordaki aşıntıyı artıracaktır. 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.

NO X emisyonları stokiyometrik orana yakın olan karışımların yanması sonucu büyük miktarda artış göstermektedir. Dizel motorlarında maksimum güç ile maksimum tork devirleri arasındaki devir aralığında, hava yakıt oranı stokiyometrik orana yakın olduğundan bu devir aralığında NO X emisyonları önemli miktarda artacaktır. Bu yüzden EGR sisteminin bu devir aralığında çalışmasını sağlayacak bir mekanizma tasarlanarak, rölanti ve tam yük devirlerinde sistemin devre dışı kalması sağlanmalıdır.

NO X emisyonlarını azaltmada kullanılabilecek yöntemlerden birkaçı beraber kullanılarak hem NO X emisyonları, hem de diğer parametreler optimize edilebilir (Haşimoğlu, 2000).

---

4.3. PARTİKÜL EMİSYONLARININ KONTROLÜ

Dizel motorlarında partikül emisyonlarını azaltmak için yanma odasının tasarımının değiştirilmesi, püskürtme şeklinin değiştirilmesi gibi motorda değişiklikler yapılması çalışmaları devam etmektedir. Fakat mevcut motorların partikül emisyonlarının kontrolü için en fazla uygulanan yöntem tutucu filtrelerin kullanılmasıdır ve bir çok araştırmacı tarafından partikül tutucu filtreler üzerinde yapılan çalışmalarda başarılı sonuçlar alınmıştır. Partikül tutucu filtrelerde, egzoz gazı filtrenin giriş tarafındaki açık kanallardan içeriye girer ve tasarım şekillerine göre filtre içerisindeki gözenekli kanal çeperlerinden çeşitli kanallardan geçerek arıtılmış olarak dışarı çıkar. Bu sırada partiküller kanal çeperlerinin iç taraflarında gözeneklerde toplanırlar. Filtrelerde toplanan partiküller egzoz gazlarının soğuk olmasından dolayı bürülörlü veya elektrikli yanma sistemleri tarafından yakılmak suretiyle rejenere edilirler. Tutucu filtreler seramik monoblok, alüminyum kaplanmış ağ yumağı, seramik fiber örgü, gözenekli boruda cam yünü vb. kullanılan malzeme, ısıtmalı veya alevli rejenerasyon sistemi, duvardan akışlı veya çapraz akışlı, katalitik filtreli veya katalitik filtresiz vb. özelliklerine göre değişik şekillerde tasarlanmakta, imal edilmekte ve geliştirilerek kullanılmaktadır. Partikül tutucu filtrelerin bazı tiplerinde elde edilen tutuculuk verimi %90 seviyelerine kadar çıkmıştır (Karel, 1996).

Dizel motorlarında benzin motorlarından farklı olarak havaya karışan çok miktardaki partikül emisyonları insan sağlığını olumsuz yönde etkileyen en önemli unsurlardan birisidir. Günümüzde partikül emisyonlarının büyük miktarda atmosfere karıştığı ve önlem alınmazsa, çevre sağlığı için ciddi bir tehdit unsuru olacağı bilinmektedir. Dizel motorlarındaki yanma koşullarının iyileştirilmesi ve egzoz sisteminde kullanılan bazı emisyon azaltma teknikleri ile CO, HC, NO x ve partikül emisyonları önemli ölçüde azaltılabilmektedir(Sönmez, 1999).

4.3.1. Partikül Filtreleri

Dizel motorundan çıkan partiküllerin, çapları yaklaşık 0,12 mm olan küresel taneciklerin bir araya gelmesinden oluşan, süngerimsi ve katı formunda bir yapıya sahip olduğu bilinmektedir. Partiküller, katı formunda olduğundan, uygun pürüzlü yüzeylerde, çarpma etkisi ile tutulabilecektir (Özgören, 1994).

Partikül tutucu filtreler konusunda zaman zaman pratiğe yönelik uygulamalar ortaya çıkmaktadır. Ancak bu filtrelerin kısa zamanda tıkanması büyük bir zorluk oluşturmaktadır. Bu filtrelerin gerek ömür gerekse kullanım verimi açısından henüz optimize edilmediği söylenebilir.

Dizel motorlarında egzoz gazı içinde bulunan partikülleri (is) tutmak için kullanılır. Filtre elemanı genellikle üzerinde bir çok delik açılmış paslanmaz çelik bir taşıyıcının üzerine gözenekli seramik kaplanarak oluşturulur (Şekil 4.8).

Şekil 4.8 Dizel is (partikül) filtresinin iç yapısı.

Egzoz gazları seramik yüzeyli filtre içinden geçerken partiküller yüzeyde tutulmaktadır. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda partikül filtrelerinin %80 civarında bir verimle çalıştığı gözlemlenmiştir. Bunun anlamı egzoz gazında gözle görülebilen isin %80′i filtre içinde tutulabilmektedir.

Egzoz filtresinde tutulan partiküllerin birikmesi filtrenin etkinliğini azaltmaktadır. Bu nedenle belli aralıklarla filtre içinde biriken partiküllerin temizlenmesi gerekir.

Temizleme işlemi filtre sisteminin sıcaklığını artırıp biriken partikülleri yakarak gerçekleştirilebilir. Bu amaçla filtre içine belli aralıklarla yakıt püskürtülerek temizlenme işlemi (rejenerasyon) uygulanır (Şekil 4.9 b). Bu yöntemin dışında filtrenin katalitik yolla temizlenmesi üzerine de çalışmalar vardır (Şekil 4.9 a).

Şekil 4.9. a) Katalitik rejenerasyonlu seramik dizel is (partikül) filtresi. b) Dizel yakıcılı egzoz is (partikül) filtresi (Ergeneman ve Ark., 1998)

Filtrede biriken partiküller belli bir sıcaklıkta yakılmayacak veya filtre yüzeylerinden ayrı bir yerde muhafaza edilmeyecek olursa, filtre kanalları kısa bir zamanda tıkanacaktır. Bu tıkanma sonucunda, filtre geri basıncı artacağından motorun volümetrik verimi düşecek ve güç kayıpları artacaktır (Karel, 1996).

Dizel motorunda partikül emisyon düzeyinin üstüne çıkılmasına neden olan etkenler ve bunların ayrıntıları aşağıdaki gibi özetlenebilir.

Yanma için gerekli havanın eksikliği:

• Hava miktarı az:
  a) Hava filtresi kanalı
  b) Aşırı doldurucu ünitesi var ise ara soğutucu tıkalı
  c) Aşırı doldurma ünitesi bozuk veya yetersiz
  d) Egzoz sistemi tıkalı
• Yakıt miktarı çok:
  a) Püskürtme pompası ayarsız
  b) Enjektörler aşınmış veya yay ayarları bozuk
  c) Motorun hızlanması sırasında yakıt miktarını sınırlayan sistem (eğer varsa) bozuk

İlk tutuşma ve yanma sıcaklıklarının düşüklüğü:

• Aşırı soğutma yapılıyor:
  Termostat bozuk
• Sıkıştırma sonu basıncı (kompresyon) ve sıcaklığı düşük:
  Silindirler, segmanlar veya pistonlar aşınmış

Silindirlere büyük ölçüde yağlama yağı girmesi:

• Silindirler, segmanlar veya supap kılavuzları aşınmış.

Yakıt uygun değil:

• Setan sayısı en az 55 olmalı
• Yakıtta aromatik bileşenler yüksek oranda bulunuyor.
• Kükürt miktarı %0,05′i aşmamalı

Ayar ve bakım değerleri:

Dizel motorları için imalatçı firma tarafından öngörülen ayar değerleri olan

• Püskürtme avansı ve bunun dönme sayısına bağlı olarak göstereceği değişim,
• Bir pompa stroku başına püskürtülecek yakıt miktarı,
• Enjektör tipi ve enjektör açılma basıncı,
• En büyük dönme hızı

gibi büyüklükler, çok özel durumlar dışında, her zaman en az is miktarı ve en az yakıt tüketimi sağlayan değerler olup, bunların imalatçı firma tarafından öngörülen bakım aralıklarında kontrol edilmemesi ve yakıt özelliklerinin yerine getirilmemesi durumunda dizel motorunun emisyonu kolaylıkla normalinin birkaç katına çıkabilir.

Çevrim başına püskürtülen yakıtın normalin %25 üzerine çıkması, egzozdaki is miktarını birkaç kat artırmaktadır. Dizel yakıt püskürtme pompasının ve enjektörlerin elemanlarının aşınması yakıt tüketimi ve egzozdaki is miktarında önemli ölçüde artışa neden olmaktadır (Ergeneman ve Ark., 1998).

Engler, Koberstein ve Völker (1986), yapmış oldukları araştırmada, dizel araçlarında kullanılan filtrenin yüklenmesi sırasındaki HC ve CO emisyonlarını ve filtre duvarında depo edilmiş partiküllerin yanma sıcaklığının indirgenmesi konularını incelemişlerdir. CO miktarı, filtre girişinde 250 ppm iken filtre çıkışında 20 ppm’in altına düşmüştür. HC miktarı, fitre girişinde 10 ppm iken, filtre çıkışında 5 ppm’in altına düşmüştür.

Motorun filtreli ve filtresiz çalışması sırasında elde edilen genel performans ve emisyon değerleri toplu olarak Tablo 4.1′de verilmektedir.

Tablo 4.1. Motorun Filtreli ve Filtresiz Durumlarında Elde Edilen Ortalama Genel Karakteristik Değerler
Parametreler	Filtresiz Durum	Filtreli Durum	(+/-) Değişim (%)
Mil Gücü (BG)	23,22	23,60	+1,61
Tork (Nm)	84,12	85,49	+1,6
Mil Öz. Yak. Tük (kg/BGh)	0,52	0,52	0,0
Hacimsel Verim (%)	76,95	76,70	-0,32
Isıl Verim (%)	25,27	25,17	-0,39
T-HC (g/BGh)	14,80	17,1	+13,65
CO (g/BGh)	29,90	32,6	+8,29
NO X (g/BGh)	17,50	13,7	-21,9
Kurum (g/BGh)	0,298	0,141	-52,68
CO 2 (%)	4,46	4,57	+2,41

Tabloda iki durum için yüzde olarak yapılan karşılaştırmalarda ‘+’ işareti ile filtreli durumda meydana gelen artış ‘-’ işareti ile ise filtreli durumda meydana gelen azalma gösterilmektedir. Tablodan da görüldüğü gibi filtre takıldıktan sonra motor performansı üzerinde önemli bir değişiklik meydana gelmemiştir. T-HC ve CO emisyonlarındaki artış NO X emisyonundaki azalmadan daha düşük olurken kurum emisyonları yüksek oranda tutulabilmektedir (Karel, 1996).

4.3.2. Filtre Tasarım Parametreleri

Dizel motorların egzozlarından kaynaklanan ve partikül madde olarak adlandırılan kurum emisyonları, daha önceki bölümlerde de belirtildiği gibi bir çok olumsuz etkileri nedeni ile önlenmesi gereken emisyonlardır. Bu emisyonların önlenmesi veya zarar vermeyecek sınırlara uygun şekilde azaltılması için yapılan çalışmalarda özellikle mevcut motor parkı için tutucu filtre uygulamaları olumlu sonuçlar vermektedir. Fakat bu uygulamalarda da filtrelerdeki, rejenerasyon sırasında oluşan ısıl gerilmeler dolayısıyla malzeme aşınması, filtrenin tıkanarak egzozda geri basınç oluşturması dolayısıyla motor veriminin düşmesi, yakıt tüketiminin artması, filtre verimliliklerinin düşük olması vb. problemlerin yanında, filtrelerin yüksek maliyetli olmaları bir dezavantaj doğurmakta olup araştırmacılar bu alanlarda geliştirme çalışmalarını devam ettirmektedir.

4.3.2.1. Filtre Tasarımında Etkili Parametreler

Değişik araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalarda filtre tasarımında dikkat edilmesi gereken parametreler ve tasarım amaçları, üzerinde çalışılan motorlara uygun olarak tespit edilmiştir. Bu parametreler genel olarak aşağıdaki şekilde sıralanabilir.

1. Partikül emisyonlarının minimum seviyeye indirilmesi.
2. Partikül filtrelerinin uygulanması ile oluşan geri basınç ve yüksek sıcaklıklar nedeni ile motorun yakıt tüketiminde oluşan artışın azaltılması. Oluşan geri basınç 20 mmHg seviyesinden yapılan yol miktarı ile birlikte artmakta ve 80-150 mmHg gibi 4-8 kat artabilmektedir.
3. Tutucu filtrede toplanan kurumların rejenerasyonunun, her türlü hava ve yol şartlarında sağlanması.
4. Rejenerasyon sırasında meydana gelen yüksek sıcaklıkların yol açtığı ısıl gerilmeler nedeniyle oluşan malzeme çatlamalarının veya erimelerinin önlenerek sistem ömürlerinin artırılması. Toplanan kurumların rejenerasyonu sırasında elektrikli veya yakıtlı yakıcılar kullanılmakta veya oksidasyon için egzoz sıcaklığından yararlanılmaktadır. Bu sırada meydana gelen yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklı malzemelerin kullanılması sistem ömürlerinin artması nedeniyle önem taşımaktadır.
5. Normal olmayan şartlar nedeniyle, filtrenin tıkanması sonucu motorun çalışmasının durması.
6. Sistem güvenirliliğinin ve sürekliliğinin sağlanması.
7. Sistemde meydana gelebilecek arızaların kolaylıkla giderilebilmesi imkanının sağlanması.
8. Sistemin motora ve taşıta bağlantı ve sökülme kolaylığının sağlanması.
9. Yüksek maliyetlerin azaltılması. Rejenerasyon için gerekli sistemlerin kullanılması ve uygun malzemenin seçimi, sistem maliyetinin artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla kullanılan malzeme ve cihazların kolay temini ve ucuz olması önemlidir (Karel, 1996).

---

5. SONUÇLAR

Dizel motorlarında, hidrokarbon (HC), karbonmonoksit (CO) ve azot oksit (NO x) emisyonları ile partikül emisyonları kontrol altında tutulması gereken en önemli emisyonlardır. Bu emisyonların oluşması, yanmanın tam olmaması, yanma sıcaklığının yüksek olması, yakıt özellikleri, motor yağı, motor tasarımı v.b. bir çok parametreye bağlı olarak değişmektedir.

Emisyonların önlenmesi için aşırı doldurma, egzoz gazının dolaştırılması, egzoz katalizörleri, partikül tutucu filtreler v.b. önlemler tek olarak veya birlikte kullanılarak uygulanmaktadır. Yeni dizel motor tasarımlarında yüksek yakıt ekonomisi ön planda tutulmakta ve yardımcı sistemlerin kullanılmasıyla emisyonlar kontrol altına alınmaya çalışılmaktadır. Böylece standart yönetmeliklerle belirlenmiş emisyon sınır değerleriyle uyum içerisinde olunmaktadır.