Dizel Araçlarda Azot Oksit Oluşumu

Otomobilllerde genellikle ön kaputun altında bulunan içten yanmalı motorun içindeki yanma odalarında benzin, dizel, LPG veya CNG yakıtı hava ile karışarak yanar.Yanma sonucu açığa çıkan enerji aracın tekerleklerine güç olarak aktarılır.

Yanma kimyasal olarak hidrojen (H2), karbon (C), azot (N2), sülfür (S) gibi atomlardan oluşan yapıların oksijen (O2) ile tepkimeye girmesi sonucu oluşur.

Daha anlaşır tarif etmek gerekirse sobada kömürü yakabilmek için ortamda hava bulunması gerekir. Sobanın hava alması engellendiğinde yanmanın duracağını sobalı evde oturanlar bilir. Aslında kömürün büyük bir yüzdesi karbon elementinden oluşur. Kömür, oksijen ile tepkimeye girerek karbondioksit (CO2) oluşturur ve bu kimyasal tepkime sonucu ısı açığa çıkar.

Dizel yakıtı (CxHyOz) karbon,hidrojen ve oksijenden oluşan bir bileşik zinciridir. Petrolün damıtılması sonucu elde edilen dizel yakıtları işlenme kalitesi, kullanılacağı ülkenin iklimi ve çevre yasalarına göre değişiklik gösterir.

Dizel yakıtın otomobilde tam yakılabilmesi için gerekli hava miktarı kuramsal olarak hesaplandığında , 1kg dizel yakıtı yakabilmek için gerekli olan oksijen miktarının 3,36  kg olduğu bulunacaktır.Havanın %21’i oksijen olduğundan 14,6 kg hava gerekir de diyebiliriz.

İçten yanmalı motorlarda azot oksit oluşmasına üç ana mekanizma sebep olur:

Azot oksitin %95’ten fazlası Zeldovich mekanizması ile açıklanan sebepten kaynaklanır. Zeldovich mekanizması diye tanımlanan ve azot oksit oluşumunu kimyasal olarak açıklayan tepkimeler,yanma odasındaki sıcaklık 1800°C’nin üzerine çıktığında başlar ve sıcaklık artışı ile doğru orantılı olarak artar.

İkinci mekanizma yakıtın tutuşma anında azot oksit oluşmasıdır..

Üçüncü mekanizma yakıtın kendi içinde bulunan azot atomunun oksijen ile tepkimeye girmesiyle azot oksit oluşmasıdır.

Tabii tüm bu açıkladığımız olaylar kuramsaldır. Uygulamada içten yanmalı motorlarda heterojen olarak yanan dizel yakıtın yanması için çok kısa bir süre vardır. Bu kısa sürede dizel yakıtı daha verimli yakabilmek için, yukarıda belirttiğimiz kuramsal hava miktarından en az 1,5 kat daha fazla havaya ihtiyaç duyulur.

Tabii yanma gerçekleşirken de havanın içindeki tüm gazlar oksijen ile tepkimeye girme eğilimi gösterir. Hava içinde bulunan azot da yanma odası sıcaklığı 1800°C’nin üzerine çıktıktan sonra oksijen ile tepkimeye girer. Bu durumda da insan sağlığı ve çevre için zararlı olan azot oksit (NOx) açığa çıkar.

Azot oksit gazının insan sağlığı için zararlı olduğu anlaşıldıktan sonra yıllar içinde kademeli olarak araç egzozundan çıkacak azot oksit için limitler getirildi. Tablo-1’de 2014 yılına kadar kademeli olarak emisyon limitlerinin nasıl daraltıldığı görülüyor.

Benzinli ve Dizel Yakıtlı Araçların Farkı

Benzinli araçlarda egzoz sistemine konulan bir katalizör sayesinde emisyon problemi çözülür. Çünkü benzinli araçların çalıştığı hava yakıt oranında, tek bir katalizör azot oksit, karbonmonoksit ve hidrokarbon gazlarının hepsinin temiz olarak salınabilmesini sağlar.

Dizel araçlarda ise yanma için gerekli hava yakıt oranı benzindekinden farklı olduğu için durum daha karmaşık bir hal alır. Egzoza koyulacak bir katalizör çözüm olmaz.

Dizel yakıtlı araçların egzoz sistemleri çok karmaşıktır, yanan gaz dışarı çıkana kadar birçok arıtma işleminden geçer. Her egzoz elemanında ayrı bir kirli gaz temizleme işlemi gerçekleşir.

Avrupa Birliği (AB) ve ABD’nin emisyon komitelerinin yayınladığı kurallardaki azot oksit limitlerini tutturabilmek için yanma sıcaklıkları düşürülür. Bunu sağlayabilmek için tüm dizel araç üreticileri Egzoz Gazı Resirkülasyonu (EGR) yöntemini kullanır.

EGR sistemi, egzozdan atılacak yanmış (oksijen olarak fakir) gazın temiz hava ile birlikte yanma odasına geri gönderilmesidir. Bu yöntemle yakıtın verimli olarak yanması engellenir, ama aracın çevre dostu olması sağlanır. Yakıtın yeterli miktarda oksijenle buluşması verimli olarak yanmasına, yanma odasındaki sıcaklığın 1800°C’nin üzerine çıkmasına ve çok fazla azot oksit gazının oluşmasına sebep olur. EGR gazı ile bu sıcaklık artışı engellenerek azot oksit oluşumu azaltılabilir.

Fakat AB’ninve ABD’nin binek araçlar için açıkladığı EURO-VI, SULEV emisyon limitlerini tutturmak için EGR kullanmak yetersizdir.

EGR sistemine ek olarak araçlarda 1000 Avro ek maliyet getiren ve üre püskürtme sistemi içeren Seçici Katalitik İndirgeme (Selective Catalyst Reduction, SCR) veya azot oksit hapsetme mekanizması olarak tarif edilebilecek fakir azot oksit hapsedici (Lean NOx Trap, LNT) sistemi kullanılması gerekir.

SCR sisteminde egzoza ayrı bir katalizör koyulur ve motorda gerçekleşen yanma sonrası oluşan azot oksitler bu katalizörden geçerken temizlenir. Azot oksitler püskürtülen üre (NH3) ile tepkimeye girerek hidrojen (N2) ve su (H2O) olarak çevre dostu  bir halde doğaya salınır.Üre püskürtülebilmesi için araçlarda ayrıca bir üre tankı bulunur. ISO22241 standardı ile belirlenmiş %32,5’i üre, %67,5’i de iyonize sudan oluşan AUS32 sulu üre çözelti- si üre tankına koyulur. AUS32, Adblue ismi ile ticarileşmiştir.)

LNT sisteminde ise motorda gerçekleşen yanma sonrası oluşan azot oksitler egzozda hapsedilir. LNT’deki özel madde azot oksitleri tutabilir. LNT’nin belirli bir azot oksit tutabilme kapasitesi vardır. Bu kapasite limitine vardığında, LNT üzerine gönderilen fazladan yakıt ile azot oksitler nitrojen, su ve karbondioksite dönüştürülerek doğaya salınır.

Bahsedilen tüm bu sistemler çevre dostu olabilmek için egzoz gazının araçtan atılmasını zorlaştırır ve aracın fazladan yakıt tüketmesine sebep olur.

EGR gazı yöntemi, EURO-VI ve SULEV emisyon düzenlemelerinin koyduğu azot oksit miktarlarını sağlar. Ama bu durum yanma verimini çok azalttığı için aracın çok fazla yakıt tüketmesine ve çok yavaş hızlanmasına sebep olur. Bu da sürücülerin araçtan memnun kalmamasına neden olacağı için otomotiv firmaları EGR sistemine ek olarak fiyatı 1000 Avro olan LNT veya SCR sistemini kullanır.

 Azot oksitin olumsuz etkileri

• Kandaki hemoglobinle birleşme
• Havayolu tahrişi, öksürük, derin nefes alamamak
• Egzersiz ya da açık hava etkinlikleri sırasında hırıltılı nefes alma, nefes almada zorluk
• Uzun süre maruz kalma halinde kalıcı akciğer hasarı
• Aerosol ve foto kimyasal duman oluşumu ile ozon tabakasının tahribine yol açma
• Potansiyel ekosistemlerdeki tür çeşitliliğinin etkilenmesi, ağaçların büyümesinin yavaşlaması ve ürün veriminin azalması

AB ve ABD,EURO-VI ve SULEV emisyon limitlerinin kesin olarak ölçülmesinde kullanılacak yöntemleri ve kuralları da ilan etmiştir. Yoldaki değişimlerden kaynaklanacak farkları önlemek için testler anlaşmalı laboratuvarlarda, kontrollü olarak yapılır.

Emisyon Testi Nasıl Yapılır?

Laboratuvarda tamburlar üzerine bağlanan araç, yolda gidiyormuş gibi sürülür ve emisyonlar ölçülür. Araçlar testlerden önce en az 8 saat 25°C ve %40 bağıl nem ortamında bekletildikten sonra, test odasına motoru  çalıştırılmadan itilerek alınır. Araca sürücü dâhil 100 kg yük eklenir. Yolda hiç eğim olmadığı kabul edilir. Otomobilin kliması çalıştırılmaz. Otomobilin bataryası doluyken teste başlanması sağlanır. Test esnasında farlar kapalı, lastik basınçları üreticinin tavsiye ettiği seviyede olur. Tüm bu şartlar sağlanarak yapılan test sonrasında aracın yakıt tüketim ve emisyon değerleri kıyaslanabilir olarak elde edilir.

Günlük hayat şartları ise test koşullarından farklıdır. Otomobilimizi sürerken hava sıcaklığı değişir, klima ve farlar genelde açıktır. Lastik basınçları da bakımlar haricinde belki de hiç kontrol edilmez. Aracımızın bagajındaki eşyalar fazladan ağırlık yapar. Yolculuklarda genelde yalnız olmayız. Fark edilmese de yollarda %1’ lik bile olsa eğim vardır. Virajlarda araç dinamiğinden ötürü düz yola göre çok daha fazla enerji tüketilir. Günlük hayatta yoğun trafikte çok fazla durur kalkarız, bu da çok daha fazla yakıt tüketilmesine sebep olur. Hâlbuki testlerde bunlar yoktur. Yoğun şehir içi trafiğinde 100 km’de tüketilen yakıt miktarı 10 lit- reye yaklaşırken, uzun yolda ortalamaları 5-6 litre yakıt tüketilir. Yani regülasyon testi koşullarıyla günlük hayatta otomobil kullandığımız koşullar birbirinden farklıdır. Bu fark çoğu otomobil kullanıcısının “100 km’de 5 litre tükettiği yazıyor, ama ben 7 litreden az tükettiğini görmedim” demesini de açıklar. Regülasyon testi tekrarlanabilir, ama gerçek hayatı maalesef yansıtmaz.

Regülasyon testinde araç tamburlar üzerinde olduğu için direksiyon dönmez. Araç test öncesi en az 8 saat şartlandırma odasında bekletildiği için aracın motor yağı, suyu ve emdiği hava sıcaklığı 25°C iken test başlar. Test esnasında araç yoldan rüzgâr alamadığı için önüne koyulan fanın yeterli soğutmayı sağlayabilmesi için araç kaputu açık tutulur. Araçta tüm bu durumları gözlemleyen sensörler vardır. Bu sensörlerden alınan bilgilerle aracın testte mi olduğu yoksa gerçek yolda mı sürüldüğü kolaylıkla ayırt edilebilir.

Bu ayrımı yapmak için araca ek bir donanım koyulmasına da gerek yoktur. Aracın tüm kararların verilmesini sağlayan beynine (araç kontrol ünitesi) eklenecek bir fonksiyonla, test durumunda iken farklı davranması, test durumunda  değilken farklı davranması sağlanabilir.

EGR’ın azot oksitler üzerine etkisini anlamak için başka marka bir dizel araç üzerinden örnek verebiliriz. EGR’ın açık ve kapalı olduğu durumlarda, yakıt tüketimi ve azot oksit oluşumları çok değişiyor. EGR kullanılmadığı durumda aynı yakıt miktarı ile %21 daha fazla güç elde edilmiş, ama yaklaşık 14 kat fazla azot oksit gazı salınmıştır.

Kaynak : Bilim ve Teknik Ocak 2016 sayısı