OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
KATALİTİK KONVERTÖR MODELLEMESİNDE KULLANILAN
REAKSİYON MODELLERİNİN ETKİLERİNİN SAYISAL İNCELENMESİ
Nureddin Dinler*, Fatih Aktaş*, Nuri Yücel*
Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara
*
ÖZET
Emisyon kontrol teknolojileri motorlu taşıtlarda yoğun olarak çalışılan konulardan birisidir. Özellikle kanun ve
yönetmelikler ile emisyon sınır değerleri azaltılmakta ve içten yanmalı motor üreticileri de bu konuda çalışmaya devam
etmektedirler. Bu çalışmada katalitik konvertör kanalı içerisinde bulunan kanallardaki reaksiyonların modellenmesi
konusunda metan gazının indirgenmesi incelenmiştir. Metan gazının seçilme nedeni metanın en basit hidrokarbon
olması ve benzinin yanması sonucunda oluşan parçalanmamış en basit hidrokarbon bileşeni olmasıdır. Öncelikle tek
denklemli metan-hava yanma reaksiyonu dikkate alınmıştır. Elde edilen sonuçlar gerçek durumla uyumlu değildir. Daha
sonra ise yüzey reaksiyon modeli olarak dört denklemli değerli metal katalitik reaksiyonları içeren model incelenmiştir.
Dört denklemli model incelenirken katalitik konvertörün yüzey sıcaklıkları değiştirilmiştir. Yüzey sıcaklıklarının
etkisini görebilmek için dört farklı sıcaklık değerinde inceleme yapılmıştır. En son olarak ise yirmi üç denklemli değerli
metal katalitik reaksiyonları içeren metan gazı indirgeme modeli dikkate alınmıştır. Denklem sayısının artması ile
birlikte model düşük sıcaklıklarda da verimli olarak çalışabilmiştir.
Anahtar kelimeler: Katalitik konvertör, egzoz gazı, içten yanmalı motorlar.
NUMERICAL INVESTIGATON OF REACTION MODELS USED FOR CATALYTIC CONVERTOR
MODELING
ABSTRACT
Emission control technologies are one of the major subjects on motor vehicles. Especially, laws and regulations
reduced the limits of emission values, and internal combustion engine manufacturers continue to work on this subject.
In this study, reduction of methane gas as reaction modeling in a channel of a catalytic convertor is investigated. The
reasons for selecting methane gas are, first, methane is the simplest hydrocarbon gas, and the simplest hydrocarbon
compound may be found in the exhaust gas of multi hydrocarbon compound gasoline. First of all, one equation
methane-air combustion model was taken into account. Results were not compatible with the real situation. Later,
surface reaction model of four equation model including precious material was investigated. Surface temperature of the
catalytic converter was changed. Four different temperature values were investigated to see the effects. In the last part,
twenty three equation model for reduction of methane gas was used. It was concluded that the models with more
equations give efficient results in lower temperatures.
Keywords: Catalytic convertor, exhaust gas, internal combustion engine.
bağlantısı yapmış, LPG dönüşümünü yapılarak katalitik
konvertörün verimi incelemiştir. Motor performans ve
emisyon deneyleri yapılmıştır. Yakıtın, ateşleme
avansının üç yollu katalitik konvertör üzerine olan etkisi
deneysel olarak incelenmiştir. Diğer yayınlar ve
çalışmalarda yapılan deneylerin sonucunda üç yollu
katalitik konvertör takıldıktan sonra motor torku, mil
gücü, mil verimi değerlerinde %3-5 düşüş olduğu
belirtilmiştir. NO x emisyonları incelendiğinde ise CO ve
1. GİRİŞ
Çevre bilincinin artması ile birlikte hava kirletici
gazların azaltılması konularında oldukça geniş alanlarda
çalışılmaktadır. Bu alanlardan birisi de otomotiv
sektörüdür. Otomotiv sektöründe, son ürün olan taşıtlarda
emisyon kontrolü de oldukça önemlidir.
Dinler (2001) yaptığı yüksek lisans çalışmasında
karbüratörlü bir motora üç yollu katalitik konvertör
1
HC
gibi
yüksek
dönüştürme
verimlerine
ulaşılamamaktadır. Üç yollu katalitik konvertör
takıldıktan sonra egzoz emisyonlarında özellikle CO ve
HC emisyonlarında azalma olmakta ve katalitik konvertör
dönüşüm verimi yüksek olduğu görülmüştür [1-4].
Mladenov vd. (2010) yaptıkları çalışmada katalitik
konvertör için üç farklı kanal geometrisi, bir, iki ve üç
boyutlu modeller kullanılmıştır. Kütle transferi
modellemesinde kullanılan 18 farklı sayısal modeli
kıyaslamışlardır. Detaylı olarak katalitik konvertör için
monolithin
kanallarında
akış,
kütle
transferi
modellemelerini incelemişlerdir [5].
Kumar vd. (2012) katalitik konvertör kontrolü ve
tanılama için model geliştirmişlerdir. Model de zamana
bağlı çözüm de yapılmaktadır. Temelde oksijen
konsantrasyonunu hesaplamışlardır. Çalışma, katalizör
aktivitesi için basit yaşlanma (aging) modeli de
içermektedir [6]. Diğer araştırmacılar tarafından yapılan bir
başka çalışmada (Agrawal vd., 2012) iki boyutlu 21 kanal
içeren katalitik konvertör modellenmiştir. Kimyasal
reaksiyon denklemleri de çözülmüştür. Sayısal çalışmada
ticari bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı
kullanmışladır. Akıştaki düzgün olmayan dağılımın
etkisini incelemişler,
hız
ve
kütle
oranlarını
hesaplamışlardır. Elde ettikleri sonuçlarını grafik olarak
sunmuşlardır [7].
Kumar ve Mazumder (2010) yaptıkları çalışmada tam
boy katalitik konvertörü üç boyutlu olarak HAD yazılımı
kullanarak modellemişlerdir. Çözüm alanı simetrik olduğu
için bu durum dikkate alınarak modelleme yapılmıştır.
Kumar ve Mazumder modellemelerinde kimyasal
reaksiyon denklemlerinin çözmünde karmaşık heterojen
kimyasal denklemleri eklemişlerdir. Katalitik konvertör
modellenirken monolith kanalları da dikkate alınmıştır [8].
Güncel bir çalışmada ise, ön-hesaplamalı küçük
ölçekler kullanılarak çok-ölçekli modelleme için
metodoloji geliştirilmiştir [9]. Modellemede önce
reaksiyon hızları hesaplanmıştır. Sonra, iki boyutlu
simetrik model kullanılarak düzgün ve düzgün olmayan
kalınlıklı washcoat için difüzyon modelini kullanmışlarıdır.
Basit bir boyutlu tek kanal modelinin uniform olmayan
poroz tabaka (washcoat) için doğru bir şekilde olduğunu
göstermişlerdir. Daha sonra, harici taşınım direnci
eklenerek basit bir boyutlu psödo-homojen kanal modeli
ile etkin ortalama hızların hesaplandığını göstermişlerdir.
HAD yazılımı kullanarak modelledikleri katalitik
konvertör ise üç boyutlu ve tek bir hacim olarak
modellenmiştir. HAD yazılımı ile çözülmüştür [9].
Bertrand vd. kafes Boltzmann metodunu (Lattice
Boltzmann Method -LBM) toplam 7539 paralel kanalı
içeren elips şekilli petek yapılı monolit reaktör içerisindeki
akışı modellemek için kullanmışlardır. Sonuçlarda, sadece
çeşitli düzlemlerdeki hız konturlarını grafik olarak
vermişlerdir. Neticede, etkin olarak türbülanslı akışın, ısı
ve kütle transferini modellemek için kullanmak için
geliştirilmesi gerektiğini vurgulamışlardır [10].
Tsinoglou vd. (2004) yaptıkları sayısal çalışmada
ticari bir yazılım kullanmışlardır. Katalitik konvertörü tek
parça olarak modellemişlerdir. Elde ettikleri sonuçları
diğer deneysel araştırmacıların deneysel çalışmaları ile
kıyaslamışlardır. Hesaplanan radyal hız bileşeninin
ölçülen değerlerle uyumlu olduğunu göstermişlerdir. Akış
direnç modeli (FRM) şeklinde bir model geliştirmişlerdir.
İki ve tek boyutlu olarak modelleme ve noktalar kullanan
modeli (akış direnç modeli) HAD sonuçları ile
kayıslamışlar ve elde edilen hız profillerinin uyumlu
olduğunu grafikler ile göstermişlerdir [11].
Chakravarthy vd. (2003) yaptıkları çalışmada iki
boyutlu zamana bağlı olarak katalitik konvertör
modellemesi yapmışlardır. Fakat monolit içindeki kanalları
tek tek modellememişlerdir, bunun yerine temsili kanallar
kullanmışlardır. Modellemede sonlu farklar yöntemini
kullanmışlardır. Eksenel hız için elde ettikleri sonuçları
deneysel veriler ile kıyaslamışlardır, deneysel sonuçlara
göre bir miktar farklılık vardır. Çalışmada daha sonra
zamana bağlı sonuçlar da vermişlerdir [12].
Chan ve Hoang (1999) soğuk çalışma durumunda
egzoz sisteminde ısı transferini ve kimyasal reaksiyonları
incelemişlerdir. Modelleme çalışmasında tek boyutlu
zamana bağlı denklemleri kullanmışlardır. Çalışmanın
deneysel kısmında ise egzoz manifoldu girişinde, katalitik
konvertörün öncesinde ve sonrasında toplam üç noktadan
sıcaklık ölçümü ve egzoz gazı ölçümü yapılmıştır.
Sonuçlarında ısınma sürecinde katalitik konvertör
monolith üzerinde washcoat yüzey ısı transferinin önemli
olduğunu ve toplam hidrokarbon dönüşümünün oluştuğu
ve genel kabul gören 300°C sıcaklığın katalitik
konvertörün %50 dönüşüm verimi ile çalıştığı nokta
olduğunu vurgulamışlardır. Başka bir sayısal çalışmada
ise katalitik konvertörün %50 verim ile çalıştığı sıcaklığa
erişmesinde giriş akış dağılımının etkisini incelemişlerdir.
Çalışma dairesel katalitik konvertör modellemesinde tek
hacimli poroz yapıda bir hacim modellenmiştir. Sonuçlar
hız, kütle konsantrasyonu ve sıcaklık olarak konturları
şeklinde çeşitli zaman anları için verilmiştir [13,14].
Holder vd. (2006) üç yollu katalitik konvertör
uygulamaları
için
global
heterojen
reaksiyon
mekanizması geliştirmek için tek boyutlu monolitik
katalizör modeli kullanmışlardır. Sayısal modelde yarıayrıklaştırma veya hat yöntemini (method of lines)
kullanmışlardır.
Reaksiyon
hızları
otomotiv
uygulamalarında palladyum-rodyum katalizörleri için
kabul edilebilir uyum içerisinde modifiye edilmiştir.
Reaksiyon
mekanizmaları
kullanılarak
katalitik
konvertörün dönüşüm verimini hesaplamışlardır.
Sonuçları grafik halinde detaylı olarak vermişlerdir [15].
Gupta ve Balakotaiah (2001) yaptıkları çalışmada boru
içerisinde katalitik monolith üzerinde ısı ve kütle transferi
için çözüm elde etmeye çalışmışlardır. Yüzeyde katalize
edilen reaksiyonlar için yerel Sherwood (Sh) ve yerel
Nusselt
(Nu)
sayılarının
asimptotik
davranışı
belirlenmiştir [16].
Chen vd. (2004) üç yollu katalitik konvertörü üç
boyutlu olarak modellemişlerdir. Geometrileri otomotiv
uygulamalarına kıyasla oldukça küçüktür. HAD yazılımı
yardımıyla
çözdükleri
problemlerinde
heterojen
2
reaksiyonları da dahil etmişler ve sonuçları grafik olarak
vermişlerdir. Kütle oranlarını sundukları grafiklerde
sayısal ve deneysel sonuçları kıyaslamışlardır [17].
Silva vd. (2006) yaptıkları çalışmada katalitik
konvertör öncesinde ve sonrasında emisyonları ve
sıcaklıkları ölçmüşlerdir. Katalitik konvertör için tek
boyutlu model geliştirmişlerdir. Sonuçları deneysel ve
sayısal sonuçları ayrı ayrı vermişlerdir. Ölçülen değerler
ile sayısal modeli arasında farklılıklar vardır; örneğin
sıcaklıklarda %14 civarında fark vardır, ancak sayısal
katalitik konvertörün dönüştürme verimi tatmin edici
olarak elde edilmiştir [18].
Bu çalışmada, tek basamaklı, 4 denklemli ve yirmi üç
denklemli metan indirgenme modellerinin katalitik
konvertörün yüzey sıcaklığına olan etkileri hesaplamalı
akışkanlar dinamiği yazılımı kullanılarak sayısal olarak
incelenmiştir.
Şekil 1. Problem geometrisi [20]
Bu çalışmada amaç kullanılan HAD yazılımında
kullanılan modelin bir katalitik konvertör içerisindeki
reaksiyonu modellemedeki başarısını belirlemektir. Bu
amaç doğrultusunda en basit hidrokarbon olan metan
gazının (CH 4 ) indirgenmesi incelenmiştir.
Öncelikle, standart tek denklemli kimyasal reaksiyon
kullanılmıştır. Sonrasında ise sırasıyla, kimyasal
reaksiyonların platin (Pt) üzerinde oluşan 4 denklemli
yüzey yanma reaksiyonu ve 23 denklemli yüzey yanma
reaksiyonu incelenmiştir.
Metan gazının dört denklemli yüzey reaksiyonu
denklemleri [21]
2. SAYISAL ÇALIŞMA
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, özellikle akış ve ısı
transferinin olduğu fiziksel problemleri modellemek için
kullanılmaktadır. Modellemelerde çeşitli algoritmalar ve
yöntemler kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise, üç boyutlu
süreklilik, momentum, enerji ve tür (species) denklemleri
çözülmüştür.
Süreklilik denklemi veya kütlenin korunumu
denklemi aşağıdaki gibidir.
CH 4 + Pt ( s ) + Pt ( s ) → CH 3 ( s ) + H ( s )
CH 3 ( s ) + Pt ( s ) → CH 2 ( s ) + H ( s )
CH 2 ( s ) + Pt ( s ) → CH ( s ) + H ( s )
CH ( s ) + Pt ( s ) → C ( s ) + H ( s )
Metan gazının indirgendiği yirmi üç denklemli yüzey
reaksiyonu denklemleri [22]
∂ρ ∂ ( ρu j )
+
=0
∂t
∂x j
H 2 + Pt ( s ) + Pt ( s ) → H ( s ) + H ( s )
H + Pt ( s ) → H ( s )
O2 + Pt ( s ) + Pt ( s ) → O( s ) + O( s )
CH 4 + Pt ( s ) + Pt ( s ) → CH 3 ( s ) + H ( s )
O + Pt ( s ) → O( s )
H 2O + Pt ( s ) + Pt ( s ) → H 2O( s )
CO + Pt ( s ) → CO( s )
OH + Pt ( s ) → OH ( s )
H ( s ) + H ( s ) → Pt ( s ) + Pt ( s ) + H 2
O( s ) + O( s ) → Pt ( s ) + Pt ( s ) + O2
H 2O( s ) → H 2O + Pt ( s )
OH ( s ) → OH + Pt ( s )
CO( s ) → CO + Pt ( s )
CO2 ( s ) → CO2 + Pt ( s )
O( s ) + H ( s ) → OH ( s ) + Pt ( s )
H ( s ) + OH ( s ) → H 2O( s ) + Pt ( s )
OH ( s ) + OH ( s ) → H 2O( s ) + Pt ( s )
CO( s ) + O( s ) → CO2 ( s ) + Pt ( s )
C ( s ) + O( s ) → CO ( s ) + Pt ( s )
CO ( s ) + Pt ( s ) → C ( s ) + O( s )
CH 3 ( s ) + Pt ( s ) → CH 2 ( s ) + H ( s )
Genel momentum denklemini aşağıdaki şekilde
yazılabilir [19];
∂ ( ρ ui )
∂
∂p
∂
+
( ρ u j ui ) = −
+
∂t
∂x j
∂xi ∂x j

 ∂u
∂u j
 µ eff  i +
 ∂x j ∂xi



 + ∑ ρ s Fsi


Sıcaklık dağılımının bulunabilmesi için enerji
denkleminin çözülmesi gerekmektedir. Enerji denklemi
şu şekildedir:
ρ
∂u j
De
∂
+p
=
Dt
∂x j ∂x j
 ∂T
λ
 ∂x j

 ∂qrj
∂
−
+
 ∂x j ∂x j

Kimyasal reaksiyon
aşağıdaki gibidir:
(


 ∑ Dρ ∂Ys hs  + Φ + ∑ ρs FsiVsi


x
∂
j
s

 s
denklemleri
)
∂
( ρYs ) + ∂ ρYs u j = ∂
∂t
∂x j
∂x j

 Dρ ∂Ys

∂x j

genel
formda

 − ws


Problemin çözümünde ticari bir yazılım olan Fluent
14.5 kullanılmıştır.
Sayısal çözümlerde kullanılan model Şekil 1’de
gösterilmiştir. Kanal içerisinde poroz ortam da
modellenmiştir.
CH 2 ( s ) + Pt ( s ) → CH ( s ) + H ( s )
3
CH ( s ) + Pt ( s ) → C ( s ) + H ( s )
Kullandığımız Ansys-Fluent 14.5 yazılımı tür
(species)
denklemlerinin
eklenebilmesine
imkan
sağlamaktadır. Denklemler belirlendikten sonra HAD
yazılımında çözüm yapabilmek için denklemleri
programa arayüz pencereleri kullanılarak girilmiştir.
Öncelikle tür tanımlanması açılmış daha sonra hacimsel
ve yüzeysel tepkime olacağı programa tanıtılmıştır. Ek
olarak ise programa difüzyon denklemlerinin de
çözülmesi
için
tanımlamalar
yapılarak
yüzey
reaksiyonlarının
tanımlanmıştır.
Yazılımın
kütüphanesinden ve tanımını kullanıcı olarak yaptığımız
malzemelerin
yüzey
reaksiyonlarının
doğru
gerçekleşmesi için tür seçimleri yapılmıştır. Tür
tanımlamaları yapıldıktan sonra 4 denklemli ve 23
denklemli yüzey reaksiyonları “Reactions” kısmından
yüzey reaksiyonları seçilip tepkimeye giren ürünler ve
tepkimeden çıkan ürünler ve stokiometrik katsayıları ile
birlikte tanımlamaları yapılmıştır. Tanımlanan reaksiyon
dizilerinden sonra ise “Reaction Mechanism” kısmından
tanımlanan 4 ya da 23 denklemli reaksiyonların tamamı
seçilerek bunların yüzey reaksiyonları olduğu ve türlerin
yoğunluğunun değerinin 2.8×108 kgmol/m2 olduğu ve
platinin ilk yüzey kaplama (washcoat) değerinin 1 olduğu
verileri girilerek bir sonraki aşamaya geçilmiştir. İlgili
pencerede yüzey reaksiyonlarının gerçekleştirildiği
yüzeylerin tanımlanmıştır.
Tür tanımlamaları ve yüzey reaksiyon tanımlamaları
yapıldıktan sonra bütün bu reaksiyonların hangi yüzeyde
gerçekleşeceğini tanımlamak için ise poroz yüzey
seçilerek duvar tanımlaması yapılmış ve “species”
sekmesinden tanımlanan reaksiyon mekanizması ve
istenilen washcoat değeri girilerek denklemler çözüm için
hazır hale getirilmiştir.
Tablo 1. Sınır değerler
Akış Tipi
Kanal Giriş Hızı
Giriş Sıcaklığı
CH 4 Kütlesel Yüzdesi
O 2 Kütlesel Yüzdesi
Şekil 2. Tek denklemli modelde metan gazının kanal
çıkış konsantrasyonu
Şekil 2 incelendiğinde CH 4 konsantrasyonu değişimi
görülmektedir. Şekil incelendiğinde 0,05 kütle oranından
giriş
değerinden
0,046
mertebelerine
düştüğü
görülmektedir. Buradan görüldüğü gibi hacimsel yanma
olması; akışın laminer şartlarda olması nedeni ile ve
metan gazının oksijen ile yeterli reaksiyon zamanı
olmaması nedeni ile metan gazının dönüşümünün çok az
oranda olduğu görülmektedir. Bu nedenle yüzeysel
reaksiyonların da dikkate alınması gerekmektedir. 4
denklemli CH 4 indirgenme reaksiyonları incelenmeye
başlanmıştır. Ancak, yüzey reaksiyonları incelenirken
katalitik konvertör kanallarının sıcaklıklarının katalitik
dönüşüm verimi üzerine etkisi olduğu da bilindiği için
katalitik konvertörün yüzey sıcaklıkları da dikkate
alınmıştır. Sıcaklık değişimleri konusunda sıcaklıklar,
600, 1000, 1273 ve 1423 K olarak seçilmiştir. Katalitik
konvertör kanalına giren CH 4 yakıt kütlesel oranı olarak
tanımlanmıştır. Kanal içerisindeki boşluğda girişte ve
poroz tabakaya (washcoat) girerken 0,05 kg -y /kg -mix
olarak tanımlanmıştır. Stokiometrik yakıt hava karışımı
olduğu kabul edilerek çözümler elde edilmiştir.
Laminar
5,5 m/s
623K
0.05+0.05
0.215
Çözümlerde kanal içerisine iki katmanlı olarak ağ
atılmıştır. Böylelce, poroz kısım da dikkate alınınmıştır.
Çözüm ağı elde edildikten sonra ‘Skewness’ ve
‘Orthogonal Quality’ değerleri de yazılım içerisinde
kontrol edilmiştir.
Şekil 3. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 600 K
3. SAYISAL SONUÇLAR
Öncelikle tek kademeli olarak hesaplanan modelden
elde edilen sonuçlar kontur grafiği Şekil 2'de sunulmuştur.
Tek basamak ile gerçekleşen kimyasal denklem ile yapılan
modelleme hacimsel olarak modelleme olduğu için
yüzeyde olan reaksiyonları modelleyememekte ve bu
durum da sonuçlarda net olarak görülmektedir.
4
Şekil 4. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 600 K
Şekil 6. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1000 K
600 K yüzey sıcaklığına sahip olan katalitik konvertör
kanalına ait HAD analizi sonuçları Şekil 3 ve Şekil 4’te
verilmiştir. Yüzey sıcaklığı düşük olduğu için yakıt giriş
konsantrasyonları yüksek olarak kalmaktadır. Poroz
yüzeyin kanal içerisine açıldığı yüzey üzerinde metanın
indirgendiği görülebilmektedir. Çıkış konsantrasyonları
incelendiğinde ise hem poroz bölge içerisinde hem de
kanal içerisinde metanın indirgenemediği neredeyse
tamamen olduğu gibi çıktığı görülmektedir.
Yüzey sıcaklığı 600 K değerinde 1000 K değerine
yükseltilerek yapılan çalışmada ise yine sıcaklığın tam
etkisi görülememektedir. Metanın katalitik konvertöre
giriş ve çıkış konsantrasyonları Şekil 5 ve Şekil 6’da
verilmiştir. Bu çalışmanın amacı katalitik konvertörde
kullanılan modellerin denenmesi olduğu için yüzey
sıcaklığı 1273 K sıcaklığına çıkarılmıştır.
Şekil 7 ve Şekil 8’de kanal yüzey sıcaklıklarının
1273K olması durumunda elde edilen metan
konsantrasyonu değerleri verilmiştir. 1273 K sıcaklığında
kanal içerisinde yine yeterli tüketim olmamasına rağmen,
poroz (washcoat) kısmında metan konsantrasyonunun
olmadığı görülebilmektedir. Gerçek şartlarda bu
sıcaklıkta metan konsanstrasyonu değerinin sıfıra çok
yakın olarak elde edilmesi beklenmektedir. Sonuçlar
incelendiğinde ise bu değerlere sadece poroz bölge
içerisinde ulaşılabildiği görülmektedir.
Şekil 7. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1273 K
Şekil 8. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1273 K
Katalitik konvertörün duvar sıcaklığı 1423 K değerine
getirilerek HAD analizleri tekrarlanmıştır. Elde edilen
sonuçlar incelendiğinde ise, yüksek sıcaklık metanın
kanal içerisine girmesi ile reaksiyona başlamakta (Şekil
9) ve kanal çıkışında ise daha çok metanın indirgendiği
görülebilmektedir (Şekil 10). Dört denklemli reaksiyon
modeli ile elde edilen sonuçlar incelendiğinde gerçekçi
sonuçlara yaklaşılamadığı görülmüştür. Bu nedenle yirmi
üç denklemli reaksiyon modeli ile çalışmaya devam
edilmiştir.
Şekil 5. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1000 K
5
Şekil 9. Dört denklemli modelde metan gazının kanal
giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1423 K
Şekil 12. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 600 K
Yüzey sıcaklığı 1000 K alınarak HAD yazılımında
yeniden çözümler yaptırılmış ve elde edilen sonuçlarda
ise poroz bölge içerisinde metan tüketiminin çok hızlı
olduğu Şekil 13’te görülmektedir. Bunun yanında ise,
kanal içerisinde de beklenilen konsantrasyon eğrileri elde
edilmektedir.
Kanal
çıkışında
ise
metan
konsantrasyonunun azaldığı görülmektedir.
1273 K yüzey sıcaklığında elde edilen konsantrasyon
eğrileri sonuçları incelendiğinde, girişte ve çıkışta 1000 K
sıcaklık değerine sahip kanal problemindeki çözüme
benzer konsantrasyon dağılımları elde edilmiştir (Şekil 14,
Şekil 15).
Benzer şekilde 1423 K yüzey sıcaklığı için elde edilen
sonuçlar incelendiğinde ise, kanal girişinde metan
konsantrasyonun profili ve kanal çıkışında da 1000 ve
1273 K sıcaklıklarında elde edilen çözüme yakındır.
Şekil 10. Dört denklemli modelde metan gazının
kanal çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1423 K
Yirmi üç denklemli reaksiyon modeli incelenirken
çalışmanın önceki kısmında olduğu gibi 600, 1000, 1273
ve 1423 K sıcaklıkları dikkate alınmıştır. İlk olarak 600 K
sıcaklığında duvar yüzeyine sahip katalitik konvertör
kanalı için elde edilen sonuçlar Şekil 11 ve Şekil 12’de
sunulmuştur. 600 K duvar sıcaklığına sahip kanala giren
metan gazı konsantrasyonu beklenildiği gibi elde
edilirken, kanal çıkışında ise beklenildiği şekilde elde
edilmiştir. Poroz bölge içerisinde metan konsantrasyonu
sıfıra yakındır. Bunun nedeni ise, reaksiyonu modelleyen
denklem takımının daha gerçekçi olmasıdır.
Şekil 13. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1000 K
Şekil 19’da tüm sıcaklıklarda elde edilen sonuçlar
incelendiğinde tek basamaklı reaksiyon modelinde elde
edilen sonuçlarda 1273 K sıcaklık dahil % 10 dönüştürme
verimine ulaşamamaktadır.
Dört denklemli model
incelendiğinde ise dönüşüm veriminin sıcaklık ile
oldukça değiştiği görülebilmektedir. 600 K sıcaklıkta
dönüşüm verimi sıfır değerine çok yakındır. Gerçekçi
değerlere 1423 K sıcaklığında ulaşılabilmektedir, fakat bu
Şekil 11. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 600 K
6
sıcaklık ise katalitik konvertörün çalışma sıcaklığının
dışında kalmaktadır. Yirmi üç denklemli model
incelendiğinde ise metanın dönüşümü için elde edilen
tüm dönüşüm verimleri % 85’in üzerindedir. Yirmi üç
denklemli model gerçeğe yakın sonuçlar vermektedir.
gerçekçi olmadığı görüldüğünden dört denklem ile metan
gazının indirgenmesi modellenmiştir. Ancak, bu dört
denklemli modelin de yetersiz olduğu belirlendikten
sonra bu dört denklemi de içeren, yirmi üç denklemli
reaksiyon modeli yazılıma girilmiştir. Sonuçlar
incelendiğinde ise katalitik konvertör için metan gazı
indirgeme değerleri incelendiğinde çok denklemli son
modelin uygun sonuçlar verdiği görülmüştür. Dolayısı
ile, bu tip katalitik konvertör modellemelerinde sadece
tek denklem veya sadece birkaç denklem içeren
modellerin yerine egzoz gazı içerisinde bulunan diğer
bileşenleri de içeren kompleks modellerin kullanılması
gerektiği sonucunda ulaşılmıştır. Sonuçların ayrıca
deneysel olarak da doğrulanması gelecekte yapılması
planlanmaktadır.
Şekil 14. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1000 K
Şekil 17. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1423 K
Şekil 15. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal giriş konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1273 K
Şekil 18. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1423 K
Şekil 16. Yirmi üç denklemli modelde metan gazının
kanal çıkış konsantrasyonu, kanal yüzey sıcaklığı 1273 K
4. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME
Bu çalışmada, katalitik konvertör modellemesinde
kullanılan bir HAD yazılımında modelleme için gerekli
olan kimyasal denklemlerin sayısı incelenmiştir. Tek
denklemli global reaksiyon ile elde edilen sonuçların
Şekil 19. Metanın dönüşüm verimi grafiği
7
5. TEŞEKKÜR
Bu çalışma, TÜBİTAK 1001 Araştırma Projeleri
Birimi tarafından 112M156 kodlu proje ile
desteklenmiştir. Desteklerinden dolayı TÜBİTAK’a
teşekkürlerimizi sunarız.
11. Tsinoglou, D.N., Koltsakis, G.C., Missirlis, D.K.,
Yakinthos, K.J., 2004, “Transient Modelling of
Flow Distribution in Automotive Catalytic
Converters”, Applied Mathematical Modelling,
Vol. 28, pp. 775–794.
12. Chakravarthy, V.K., Conklin, J.C., Daw, C.S.,
D’Azevedo, E.F., 2003, “Multi-Dimensional
Simulations of Cold-Start Transients in a
Catalytic Converter Under Steady Inflow
Conditions”, Applied Catalysis A: General, Vol.
241, pp. 289–306.
13. Chan, S.H., Hoang, D.L., 1999, “Heat Transfer
and Chemical Reactions in Exhaust System of a
Cold-Start Engine”, International Journal of Heat
and Mass Transfer, Vol. 42, pp. 4165-4183.
14. Windmann J., Braun J., Zacke P., Tischer S.,
Deutschmann O., Warnatz J., 2003, “Impact of the
Inlet Flow Distribution on the Light-Off
Behavior of a 3-Way Catalytic Converter”, SAE
Technical Paper, 2003-01-0937.
15. Holder, R., Bollig, M., Anderson, D.R., Hochmuth
J.K., 2006, “A Discussion on Transport
Phenomena and Three-Way Kinetics of
Monolithic Converters”, Chemical Engineering
Science, Vol. 61, pp. 8010-8027.
16. Gupta, N., Balakotaiah, V., 2001, “Heat and Mass
Transfer Coefficients in Catalytic Monoliths”,
Chemical Engineering Science, Vol. 56, pp. 4771–
4786.
17. Chen, M., Aleixo, J., Williams, S., Leprince, T.,
2004, “CFD Modelling of 3-Way Catalytic
Converters with Detailed Catalytic Surface
Reaction Mechanism”, SAE Technical Paper,
2004-01-0148.
18. Silva, C.M., Costa, M., Farias, T.L., Santos, H.,
2006, “Evaluation of SI Engine Exhaust Gas
Emissions Upstream and Downstream of the
Catalytic Converter”, Energy Conversion and
Management, Vol. 47, pp. 2811–2828.
19. Zhou, L., 1993, “Theory And Numerical
Modelling Of Turbulent Gas-Particle Flows and
Combustion”, CRC Press, Inc. Hong Kong.
20. Mazumder, S., 2007, “Modeling Full-Scale
Monolithic Catalytic Converters: Challenges and
Possible Solutions”, Transactions of ASME, Vol.
129, pp. 527-535.
21. Steciak, J., Beyerlein, S., Budwig, R., 2012,
“Progress in Catalytic Ignition Fabrication and
Modeling:Modeling Part 2”, Final Report KLK762
N12-06B, NIATT, University of Idaho.
22. Deutschmann, O, Schmidt, R., Behrendt, F.,
Warnatz, J., 1996, "Numerical Modeling of
Catalytic Combustion", Twenty-Sixth Symposium
(International) on Combustion, The Combustion
Institute, pp. 1747–1754.
KAYNAKLAR
1. Dinler, N., 2001, “Benzinli Motorlarda Yakıt
Olarak LPG Kullanılması ve Katalitik
Konvertör Uygulamasının Motor Performansı ve
Egzoz
Emisyonlarına
Olan
Etkisinin
İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
2. Dinler, N., Yücel, N., 2003, “Karbüratörlü Bir
Motora
Üç
Yollu
Katalitik
Konvertör
Uygulanması”, Gazi Üniversitesi Mühendislik
Mimarlık Fakültesi Dergisi, Vol. 18, No. 1, pp. 5770.
3. Dinler, N., Yücel, N., 2008, “Üç Yollu Katalitik
Konvertör Uygulamasının LPG Dönüşümü
Yapılan Motor Üzerine Etkileri”, Mühendis ve
Makina, Vol. 49, No. 587, pp. 9-16.
4. Yücel, N., Dinler, N., 2000, “LPG Dönüşümü
Yapılan Bir Motorda Katalitik Konvertörün
Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına
Etkisi”, LPG Otogaz Sempozyumu, İstanbul.
5. Mladenov, N., Koop, J., Tischer, S., Deutschmann,
O., 2010, “Modeling of Transport and Chemistry
in Channel Flows of Automotive Catalytic
Converters”,Chemical Engineering Science, Vol.
65, pp. 812–826.
6. Kumar, P., Makki, I., Kerns, J., Grigoriadis, K.,
Franchek, M., Balakotaiah, V., 2012, “A LowDimensional Model for Describing the Oxygen
Storage capacity and Transient Behavior of a
Three-Way Catalytic Converter”, Chemical
Engineering Science, Vol. 73, pp. 373–387.
7. Agrawal, G., Kaisare, N.S., Pushpavanam, S.,
Ramanathan, K., 2012, “Modeling the Effect of
Flow Mal-Distribution on the performance of a
Catalytic Converter”, Chemical Engineering
Science, Vol. 71, pp. 310–320.
8. Kumar, A., Mazumder, S., 2010, “Toward
Simulation of Full-Scale Monolithic Catalytic
Converters with Complex Heterogeneous
Chemistry”, Computers and Chemical Engineering,
Vol. 34, pp. 135-145.
9. Nien, T., Mmbaga, J.P., Hayes, R.E., Votsmeier,
M., 2013, “Hierarchical Multi-Scale Model
Reduction in the Simulation of Catalytic
Converters”, Chemical Engineering Science, Vol.
93, pp. 362–375.
10. Bertrand, F., Devals, C., Vidal, D., de Prévala, C.S.,
Hayes, R.E., 2012, “Towards the Simulation of
the Catalytic Monolith Converter Using Discrete
Channel-Scale Models”, Catalysis Today, Vol.
188, pp. 80– 86.
8
Download

Katalitik Konvertör Modellemesinde Kullanilan Reaksiyon