TEMİZ DİZEL MOTORLAR GELİYOR

Şoför mahalline çıkıp yeni aracının motorunu çalıştırdı ve eksoz ağzına temiz bir mendil örttü. Mendil bir anda kapkara oldu. Diğer yandan aracın kardeşi olan Mercedes-Benz E-320 Bluetec sedan modelini çalıştırdığımızda eksoza örtülen mendilin bir dakika geçtikten sonra dahi lekelenmeden kaldığını gözlemledik.

Mendil testlerine göre “Temiz Dizel” artık bizlere yabancı bir deyim olmayacak gibi gözüküyor. Oysa bugüne kadar dizel motorlar Dünya’da en kirli motorlar olarak bilinirdi.

Sıkıştırma ile olan ateşleme

1890 da Alman Mühendis Rudolf Diesel tarafından bulunmasından bugüne dek dizel motorların uzun bir geçmişi vardır. Benzin motorlar sıkıştırılmış benzin-hava karışımını ateşlemek için kıvılcıma ihtiyaç duyarken, dizel motor bu işi sıkıştırmayla yapar. Piston yakıtı yüksek basınçlara sıkıştırır, sıcaklık yükselir ve enjekte olan yakıt patlar. Bugün sıkıştırmalı ateşleme tekniği ile birim yakıt başına daha fazla enerji elde edilir. Örnek vermek gerekirse benzinli bir araçla bir galon yakıt ile 35 mil yol alıyorsak, dizel motorlu bir araçla bu mesafe 40-50 mile çıkar. Bundan başka dizel motordaki düşük tork ( hareketteki rotasyonel güç) ve modern türbo sistemler dizel motorlara iyi bir kavrama ve hızlanma sağlar. Ancak teknolojinin kullandığı yakıt özelliği ve yüksek sıcaklıktaki yanma sonucu, benzinli araçlara nazaran daha fazla çok ince partiküllü karbon partiküllerinin (kurum), asit yağmuru oluşumuna neden olan NOX gazlarının eksozdan çıkmasına neden olmaktadır

Motor ve Yakıtın geliştirilmesi.

Temiz dizel motorlar için mühendisler motor, yakıt ve egsoz  sistemlerini geliştirme konularına odaklandılar. Bu konulara örnek verecek olursak; Dizel sıkıştırma süresini azaltan ve silindir sıkıştırma kapasitesini yükselten yüksek basınçlı yakıt sistemleri, basınç odası ve valf tasarımlarında geliştirmeler ve bunun sonucunda iyi hava yakıt karışımı kararlı ve verimli yanma.

Egsoz gazı ile çalışan bir kompresör olan turbo ateşleme sistemlerinde – yanma odasına hava sıkıştırılarak yanma için gerekli oksijen miktarı arttırılmış olur ve güç çıkışı kuvvetlendirilir. Aynı zamanda gelişmiş kontrol ve algılama sistemleri ile motor çalışması gözlenir ve hassas ayarlamalarla çalışma parametreleri kontrol altında tutulur.

Egsoz gazı emisyonlarının düşürülmesi için 1970 lerde egsoz gazı sirkülasyon sistemi geliştirildi. Bu sistemde yanma silindiri içine egsoz gazı verilerek oksijen miktarı azaltılıyor, böylece yanma hızı düşüyor ve NOx çıkışı da azaltılmış oluyor. Endüstriyel verilere göre bu sistemle NOX emisyonu ¾ oranında azaltılmış bulunmaktadır. Son zamanlarda bu konuda bir adım daha atılmış, ısı değiştiricisinden geçen egsoz gazı soğutularak yanma silindiri içine veriliyor ve NOx gazı emisyonu daha da azaltılmış oluyor. Ancak emisyon azaltan bu gelişmiş teknolojiler tek başına yeterli olmamaktadır. Diğer bir kritik sorun da dizel yakıtlarındaki kükürt oranının düşük olmasının gerekmesidir. Bilindiği gibi kükürt doğal olarak ham petrolde bulunur. Yakıtta bulunması halinde katalitik bileşenlere bağlanarak, katalitik konverterleri etkisiz hale getirmektedir. Rafinerilerde dizel yakıtı hidrojen ile reaksiyona sokularak kükürtün hidrojenle bağlanarak uzaklaştırılması sağlanır.

Egsoz Temizliği

Temiz dizel motoru geliştirmenin son parçası, araçlara daha yeni yeni konmaya başlanan gelişmiş egsoz gazı temizleme sistemleridir. Modern bir dizel motorunda egsoz gazı ilk aşamada emisyon kontrol sistemi olan oksitleyici katalitik konvertere gider. Burada karbonmonoksitin önemli bir kısmı ve yanmamış hidrokarbon bileşikleri oksijene bağlanarak tutulur. Gazlar daha sonra dizel yakıt partikül filtresine gider. Filtrelerde çok küçük tanecikli karbon partikülleri ( is) tutulur. Filtre görevini ısıya dayanıklı, silikon karbid veya cardierite gibi seramikler yapar. Tasarımları bal peteği gibi olup diğer uçları kapatılmıştır. Gaz peteklerden geçerken çeperlerindeki katalist yardımıyla karbon partiküller filtre edilir ve %98 oranında uzaklaştırılmış olur.

Filtle dolup tıkandığında otomatik temizleme işlemi başlar. Araç algılayıcıları gaz akışında düşme saptayınca yakıt dozaj sistemi kısa bir süre için silindire yakıt dozaj miktarını arttırır, bunun sonucu olarak da hidrokarbon çıkışı artar. Bu madde oksitleyici katalitik konverterde tutulur ve yakılır. Yanma sonunda egsoz gazı sıcaklığı 650 C ye yükselir. Bu sıcaklık filtreleri tıkayan karbon partikülleri yakmak için yeterlidir. Sonuçta filtre rejenere edilmiş olur.

NOx Uzaklaştırma

Egsoz gazları yukarıda belirtilen aşamalardan sonra NOx uzaklaştırma bölümüne girer. Bu bölüm temiz dizel motor mühendisliğinin temel odaklanma noktasıdır. Diğer bir adı da yalın NOx tutucu sistemidir. Buradaki “Yalın” kelimesi motor silindiri içindeki yanma karışımındaki yakıt konsantrasyonunu ifade eder. Yakıt ekonomik bir şekilde enjekte edildiğinde motor yalın çalışmış oluyor demektir. Bu tip karışımlarda daha fazla oksijen bulunur ve daha fazla yakıtın yüksek verimle yakılmasıyla zengin bir yanma gerçekleştirilmiş olur. Yüksek yakıt verimini sürdürebilmek için mühendisler yalın çalışan dizel motoru tasarımlar. Ancak sonuçta oksijen miktarı artmasıyla egsoz gazında NOx oranı da artmış olur.

Çeşitli NOx uzaklaştırma sistemleri vardır. Bir tanesi, sürekli hidrokarbon seçici katalitik indirgemedir. Bu metot egsozda yüksek hidrokarbon gazı olması için zengin yanma gerektirir. NOx i indirgemek için de katalizörler kullanılır ve NOx azota indirgenir. Metotun verimliliği %40 civarındadır. Düşük ortam sıcaklıklarında verim düşer.

Diğer bir NOx uzaklaştırma tekniği de NOx depolama ve dönüştürmedir. Günümüzde doğrudan ateşlemeli benzinli araçlarda kullanılmaktadır. Adından da anlaşılacağı gibi kesikli çalışan bir teknoloji olup NOx baryum içeren katalizörler vasıtasıyla toplanır ve daha sonra silindir karışımı geçici bir süre yakıtça zengin olduğu anda serbest bırakılarak indirgenir ve egsozda oksijen azalmasına sebep olur. Bu metodun dizel motorlarda uygulanması için tasarımlarda önemli değişiklik gerektirmiştir.

Üçüncü olarak çok bilinen bir metot, üre enjeksiyonlu katalitik indirgemedir. İndirgen özellikli bir kimyasal olan üre kullanılarak NOx katalizörler üzerinde azota indirgenir. Bu tekniğin bir olumsuz yönü üre kimyasalı lojistiği ve depolanmasıdır.

Daimler Chrysler ve VW nin kullandığı BlueTec teknolojisi, Adblue markasıyla satılan üre çözeltisi enjeksiyonuna dayanır. Bosch ile ortak geliştirilmiş bu teknoloji sayesinde NOx emisyonu %80 azaltılmıştır.

Katı Haldeki Katalizörler

Günümüzde Honda NOx uzaklaştırma teknolojilerine muhteşem bir teknoloji daha ilave etti. İndirgeme kimyasalına ihtiyaç olmadan %90 oranında NOx gazını azota dönüştüren NOx katalizör sistemi. Bu yeni teknoloji bir kısım NOx i amonyağa dönüştürüyor ve amonyak geri kalan NOx ile reaksiyona girerek azot gazına dönüşüm sağlanmış oluyor. Bu sistem 2009 yılında Honda Accord modellerde uygulanmaya başlanacak. Sistemin çalışması 2 katmanlı katalizörlere dayanıyor. Üst katman yüksek yüzey alanına sahip poröz yapıda zeolit olup, alt katman ise 2 ayrı katalizör olan ceriumoksit ve platin. Normal yalın motor çalışmasında üst katman NOx i özümler ve bir kısmını azot gazına dönüştürür. Yakıtın zengin yandığı kısa anlarda alt katalizör katman egsoz gazından amonyak üretir ve motor yalın yanmaya geçinceye kadar üst katmanın zeolit tabakasında depolar. Yalın yanmaya geçtiği anda amonyak NOx i azot gazına indirger.

Gelecek Dizelde mi?

Daimler Chrysler, Honda ve VW Kuzey Amerika pazarı için temiz dizel motorlardan çok ümitli ancak diğer firmalar küçük araçlara uygulama konusunda pek iyimser gözükmüyor. Toyota ise Avrupa ve Asya pazarları için iyimser. Yakıt konusunda da sorunlar var, Amerika’da en düşük kükürt oranlı dizel yakıtı olmasına rağmen Avrupa’da daha düşük kükürt oranlı ve setan sayılı yakıt bulmak mümkün. Daha iyi ve düzenli dizel yakıt lojistiği sağlanması teknolojinin gelişmesine ve yaygınlaşmasına yardımcı olacaktır. Amerikan rafinerileri daha ziyade benzin üretimi için tasarlandığından gerekli revizyonlar için önemli yatırım maliyetleri çıkacaktır. Soyadan elde edilen biyodizel henüz çok yeni ve tüm dizel yakıt üretim miktarının çok küçük bir oranını teşkil etmektedir. Şurası gerçek ki günümüzün dizel motorlu araçları daha 20-25 yıl yollarda hakimiyetini sürdürecektir.

Kaynak: Scientific American

Çeviren: Işık Tansal