Dizel motor emisyon düzenlemeleri için LNT'nin matematiksel olarak modellenmesi

Dünya'da dizel motorlu makina ve taşıt sayısı günden güne artmaktadır. Dizel motorlar ile ilgili ilk çalışma 1824 yılında yapılmıştır ve günümüze hala dizel motorların verimini arttırmak için çalışmalar yapılmaktadır. Aynı zamanda dizel yakıtının da setan sayısı, viskozite ve kükürt oranı özelliklerinde de çalışmalar yapılarak daha verimli dizel yakıtı üretme çalışmaları da devam etmektedir. Dizel motor kullanımının yaygınlaşması beraberinde zararlı emisyon gazlarının kontrolü açısından da birçok düzenleme getirmiştir. Dizel motorda yanma sonucu oluşan karbonmonoksit, hidrokarbon, partikül madde ve azot oksitler insan sağlığına ve çevreye oldukça zararlıdır. Dizel araçlardan çıkan zararlı egzoz emisyonları için ilk düzenleme 1968 yılında ABD'nin California eyalatinde yapıldı. Avrupa'da ise ilk düzenleme 1972 yılında yapılmıştır. Euro standartlarına ise 1992 yılında geçilmiştir. Türkiye ise Euro standartı emisyon seviyesi geçisini 2001 yılında Euro 1 ile başlatmıştır. Daha sonradan Avrupa'da sırasıyla Euro 2, Euro 3, Euro 4, Euro 5 ve Euro 6 emisyon seviyelerine geçilmiştir. Türkiye'de yatırım eksikleri sebebiyle 2009 yılında Euro 1'den Euro 4'e ancak geçilebilmiştir. Son yıllarda yaşanan dizel araçlardaki emisyon krizlerinden sonra Avrupa bu konudaki denetimi arttırarak RDE (Real Driving Emissions) testlerini Euro 6 emisyonları için zorunlu hale getirerek, dizel araçların her sürüş koşulunda emisyon limitlerini sağlaması zorunluluğunu getirmiştir. Zararlı gaz emisyonlarını azaltmak için ilk çalışmalar yeni motor teknolojilerinin geliştirilmesi ile başladı. Yeni motor teknolojileri ise; yanma odası tasarımları, yakıt sistemleri, hava soğutmalı şarj, egzoz gazı resirkülasyonu geliştirmelerini kapsamaktadır. Geliştirilen motor tasarımları Euro 4 emisyon seviyelerini sağlamaya kadar yeterli olmayı başarabilmiştir. Euro 5 ve Euro 6 emisyon seviyelerinin zorunlu hale getirilmesiyle yeni motor teknolojilerinin yanında egzoz sisteminde de değişiklikler yapılmasını gerekli kılmıştır. Motordan çıkan zararlı emisyon gazları egzoza yerleştirilen katalistler ile Euro 6 seviyelerine getirilebilmektedir. Egzoz sisteminde emisyonların iyileştirilmesi için kullanılan en yaygın yöntemlerden biri SCR (Seçici Katalist İndirgeme) teknolojisidir. Ağır ticari araçlarda yaygın olarak kullanılan SCR sistemi motordan çıkan azot oksitleri azaltmak için kullanılır. Diğer bir yaygın yöntem olan sistem ise DPF (Dizel Partikül Filtre) teknolojisidir. DPF dizel araçlardan çıkan partikül maddeleri tutarak biriktirir ve sonrasında belirli periyotlar ile rejenerasyon yaparak içerisinde biriken partikül maddeleri yüksek sıcaklıkta yakarak filtreyi temizler. Dizel binek araçlarda ise SCR sistemi yerine LNT (Fakir Azot Oksit Tutucu) teknolojisi kullanılmaktadır. Binek araçlarda SCR sisteminin kullanılmamasının en önemli nedeni SCR'nin yatırım maliyetinin çok yüksek olmasıdır. LNT teknolojisi ise hidrokarbon ve karbonmonoksitleri oksitleyerek HC ve CO'nun azalmasını sağlar, oksitlenme reaksiyonlarının yanında LNT'nin en önemli özelliği motordan çıkan azot oksitleri indirgemektir. LNT'nin çalışma prensibi ise motordan çıkan azot oksitleri belirli bir sıcaklık aralığında tutarak belirli periyotlarla rejenere ederek biriken azot oksitleri, azota indirgemesidir. HC ve CO'nun oksitlenmesi diğer bir katalist olan DOC (Dizel Oksidasyon Katalisti) ile de yapılabilmektedir. LNT'den farkı DOC'nun azot oksit çevrimi yapamamasıdır. DOC genellikle SCR'li sistemlerle beraber kullanılmaktadır. Tez çalışmasında ise LNT'nin matematiksel modeli yapılarak, motor ve egzoz sistemindeki değişikliklerin yanında model yardımıyla LNT'nin maksimum verimde kullanılarak hem yakıt tüketimi hem de zararlı emisyon gazlarının azaltılması amaçlanmıştır. LNT'nin matematiksel modelinin yapılabilmesi için öncelikle LNT'de gerçekleşen temel kimyasal reaksiyonlar araştırılmıştır. Temel kimyasal reaksiyonlar bloklar halinde düşünülerek dört farklı başlık altında toplanmıştır. LNT'de gerçekleşen tepkimeler ise NO oksitlenmesi, LNT'nin oksitlenme reaksiyonu sonucu oluşan NO2 moleküllerinin tutulması, yüksek sıcaklığın ve LNT'nin kapasite limitine ulaşmasıyla tutulan NO2 moleküllerinin salınması ve LNT rejenerasyonu sonucunda tutulan NO2 moleküllerinin çevrimi. Bu dört tepkimenin matematiksel modeli yapılabilmesi için bu tepkimelerin hızlarının nelere ne kadar bağlı olduğu yapılan testler ile belirlenerek her modele ait girdiler belirlenmiştir. LNT'nin matematiksel modelinin yapılabilmesi için en önemli iki parametre LNT sıcaklığı ve LNT doluluk oranı olarak bulunmuştur. İki parametre haricinde LNT'ye giren NO, NO2 miktarı ve LNT'nin girişindeki lamda değeri LNT modelin diğer iki girdisini oluşturmaktadır. LNT'nin doluluk oranının belirlenebilmesi için LNT'nin belirli sıcaklıklarda maksimum tutabileceği NO2 miktarı hesaplanmıştır ve anlık olarak içinde NO2 miktarıyla oranlanmasıyla LNT'nin doluluk oranı belirlenmiştir. Yapılan testler sonucunda üç boyutlu haritalar oluşturularak matematiksel modeller oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller Matlab-Simulink programı kullanılarak birleştirilmiş ve tek bir model haline getirilmiştir. Model validasyonunun yapılabilmesi için ise Euro emisyon standartlarında kullanılan NEDC testi kullanılarak model çıktıları emisyon cihazından ölçülen değerler ile karşılaştırılarak regresyon analizi yapılmıştır ve R2, 0,9754 olarak bulunmuştur. LNT'nin matematiksel olarak modellendip araçlarda bulunan motor kontrol ünitesine yazılımsal olarak gömülerek modelin çıktısını oluşturan LNT'nin içinde biriken NO2 miktarı kontrol ünitesinde bir girdi olarak kullanılabilir. LNT'nin içinde biriken NO2 miktarının bilinmesiyle LNT'nin hangi zamanda LNT rejenerasyonu yapması gerektiği kararı verilir. Böylece LNT doğru zamanda purge yaparak, yakıt tüketimini azaltır ve LNT'nin yüksek doluluk oranlarına ulaşmasıyla tutma verimi düşen LNT'yi purge etmesi gerektiğini söylerek çevreye yayılan zararlı egzoz emisyonlarını da azaltmış olur.