OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
DİZEL PARTİKÜL FİLTRE REJENERASYONU VE MOTOR YAĞININ
SEYRELMESİ
Tuna Balkan, Erhan İlhan Konukseven, Metin Akkök
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Makina Müh. Böl., Ankara
ÖZET
Dizel motorlarda partikül filtresi, Euro4 yasal zorunluluklarını yerine getirmek için kullanılır. Partikül filtresi yanma
sonucu egzoz gazında oluşan partikül madde, azotoksitler (NO2), hidrokarbonlar (HC) ve karbonmonoksitler (CO) gibi
önemli kirletici maddeleri azaltır. Filtrede biriken kül partiküller belli periyodlarda egzoz gazı sıcaklığının 5500C
üzerine çıkarılması ile yakılırlar. Bu işleme “Yenileme” (Rejenerasyon) denir. Bu çalışmada Euro-4 partikül filtreli
dizel araçlarda rejenerasyonun sık sık kesilmesi nedeniyle yakıtın dizel motor yağına karışarak seyrelmesi ve
seviyesinin yükselmesinin mekanizması ve gerekli önlemler incelenmektedir.
Anahtar kelimeler: Dizel motor emisyon kontrolü, dizel partikül filtresi, rejenerasyon.
DIESEL PARTICULATE FILTER REGENERATION AND DILLUTION IN ENGINE OIL
ABSTRACT
Particle filters in diesel engines are used in order to fulfill the Euro4 legislations. Particle filters reduce the important
pollutants, such as particulate matters, nitrogen oxides (NO2), hydrocarbons (HC), and carbon monoxides (CO), formed
in the exhaust gas by filtering. The accumulated soot is burnt off by increasing the exhaust gas temperature over 550°C
at certain intervals. This process is called “regeneration”. In this study, the problems and precautions are investigated
related to fuel dilution in engine oil and its level increase because of the frequent regeneration interrupts.
Keywords: Diesel motor emission control, diesel particulate filters, regeneration.
1. GİRİŞ
Dizel motorlarda egzoz gazı, egzoz manifoldundan ve
katalizörden geçerek partikül filtresine gelir. Egzoz gazı
içerisindeki
partiküller
filtre
malzemesinin
gözeneklerinden geçerken filtrede toplanır. Zamanla filtre
gözeneklerinde toplanan partiküller, gazın gözeneklerden
geçişinde direnç yaratır. Kontrol sistemi, basınç farkı
sensörünce algılanan artan dirence bağlı olarak filtredeki
partiküllerin birikme durumunu denetlerler. Filtrasyon
nedeniyle biriken partiküllerin filtreyi kısa sürede
tıkamaması için, belli periyotlar dahilinde egzoz gazı
sıcaklığının 550°C üzerine çıkarılması ile filtrede
partiküller yakılırlar. Bu işleme “rejenerasyon”
(yenilenme) denir. DPF’de biriken kurum partiküllerinin
çoğunluğu egzoz gazı sıcaklığının artması ile yakılarak
CO2’ye ve küle dönüşür. Yanmayan partiküller ve kül
DPF’de kalır ve zamanla DPF’nin dolması nedeniyle
değiştirilmesi gerekir.
Dizel partikül filtresi (DPF) çevre kirlenmesinin
azaltılması amacıyla Avrupa Standartları çerçevesinde
Euro-4 ve sonrası çıkan normlarla gelen zorlayıcı
emisyon kriterlerinin sağlanması için kullanılmaktadır.
Bu sistem üretici firmalarca dizel araçların egzozundan
çıkan kurumun standartlarla belirtilen değerlere
ulaşılabilmesi kapsamında yapılan çalışmalar sonrasında
söz konusu araçlara eklenmektedir. Üretici firmalar bu tür
sistemleri yasal zorunlulukları yerine getirmek için
uygulamaktadırlar. Kurum filtresi olarak da bilinen dizel
partikül filtreleri, dizel araçların egzoz sisteminde
çevreye zararlı gazların etkilerinin azaltılması için
kullanılan katalitik dönüştürücü (katalizör) ile beraber
kullanılmaktadır. Tipik bir dizel motor egzoz sistemi
Şekil 1’de verilmiştir.
1
kullanılabilir.
Üçüncü yöntem pasif
yöntemlerinin birleşimidir.
aktif
rejenerasyon
Aktif rejenerasyon filtre sistemleri pasif olanlara göre
çok daha karmaşık olup gerekli rejenerasyon sıcaklığını
sağlamak için daha fazla enerji harcamaktadır. Pasif
filtreler ise daha basittir. Ancak, pasif sistemlerdeki
rejenerasyon aracın kullanım şekline bağlıdır. Pasif filtre
sistemlerinde, yakıt katkı maddeleri ve katalizör
kullanılarak aracın normal çalışma koşulları altında
kurumun okside olması sağlanmaktadır. Eğer araç uzun
süreli düşük yüklerde ya da şehir içinde sık sık rölanti
devrine düşerek kullanılırsa dizel partikül filtresinde
kurum oksidasyon hızı azalarak aşırı kurum birikmesine
neden olur. Bu da filtrenin ömrünü kısaltmaktadır. Gaz
filtre malzemesinin gözeneklerinden sıkışarak geçerken
partiküller filtrede toplanır. Zamanla filtre gözeneklerinde
toplanan partiküller gaz geçişinde direnç yaratır.
Partiküllerin filtrede birikip tıkanmayı önlemek için belli
periyodlar dahilinde egzoz gazının sıcaklığı 550°C’ın
üzerine çıkarılarak rejenerasyon işlemi yapılır. DPF’de
biriken kurum partiküllerinin çoğunluğu egzoz gazı
sıcaklığının artması ile yakılarak CO2’ye dönüştürülür.
Yanmayan kül DPF’de kalır ve zamanla DPF tamamen
dolarak değiştirilmesi gerekir [5, 6]. Tipik tek kanallı bir
DPF ve partikül birikmesi Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 1. Tipik bir dizel motor egzoz sistemi [1]
2. EMİSYON
İYİLEŞTİRİLMESİ
UYGULANAN YÖNTEMLER
ve
İÇİN
Son yıllarda, dizel binek araçların şehir içi
kullanımının çoğalmasıyla artan partikül madde ve NOx
salınımları şehirlerdeki hava kirliliğinin ana nedeni olarak
kabul edilmektedir. Bu nedenle egzoz emisyon
standartları giderek daha sıkı hale getirilmektedir. Araç
üreticileri zararlı egzoz gazı emisyonunu azaltmak, daha
sıkı egzoz emisyon gereksinimlerini karşılamak ve çeşitli
teknolojiler geliştirmek için araştırmalar yapmaktadır.
Egzoz gazındaki kurumun azaltılması için çözüm, genel
olarak iki gruba ayrılabilir [2]:
1. Katkı maddeleri ile yakıt kalitesini artırarak
yanma işlemini iyileştirmek,
Egzoz gazı girişi
Giriş kanalı
Kapak
Kurum birikintisi
2. Yanma sonrası dizel partikül filtresi kullanmak.
Çıkış kanalı
Yanma sonrası kullanılan filtre teknolojileri, dizel
partikül filtreleri ve dizel oksidasyon katalizörleri olarak
ikiye ayrılır. Dizel filtre sistemlerinin çoğu
tek
kullanımlık değildir. Kendini yenileyebilen filtreler ısıl
rejenerasyon ile kurumu okside ederek gaz haline
dönüştürmekte ve filtrede birikimi engellemektedir.
Kendini yenileyebilen partikül filtre sistemlerinin pasif,
aktif ve pasif-aktif olmak üzere üç farklı uygulaması
bulunmaktadır [3, 4].
Filtreden geçen akış
Filtrelenmiş gaz
çıkışı
Şekil 2. Tek kanallı DPF’nin şematik gösterimi [7]
Aktif sistemlerde rejenerasyon işlemi filtrenin
sıcaklığını artırarak başlanmaktadır. Gaz sıcaklığını
artırmak için elektrikli ısıtıcılar veya yakıt brülörleri
kullanılmaktadır. Ayrıca, “common rail” dizel
enjeksiyonlu sistemlerde sonradan ilave enjeksiyon
uygulanarak egzoz gazı sıcaklığı artırılmaktadır. Buna ek
olarak, yakıt enjeksiyon zamanlaması, enjeksiyon hızı,
hava giriş debisinin kısılması ve EGR (Egzoz Gazı Geri
Gönderme) gibi diğer motor denetim yöntemleri de
uygulanmaktadır [8].
Pasif filtre sistemlerinde, özel katkı maddeleri ve
katalizör kullanılarak aracın normal çalışması sırasında
rejenerasyonun başlayabilmesi için kurumun okside olma
sıcaklığı düşürülmektedir.
Aktif filtre sistemlerinde, aracın normal çalışması
sırasında yakıt katkı maddeleri ya da katalizör
kullanılmaması nedeniyle
egzoz gazı sıcaklığı
rejenerasyonun başlaması için yeterli olmamaktadır.
Rejenerasyon işlemi harici enerji kaynakları kullanarak
biriken
kurumun
sıcaklığının
arttırılması
ile
başlatılmaktadır. Bu tür sistemlerde temel olarak yakıt ve
elektrik olmak üzere iki harici enerji kaynağı
kullanılmaktadır. Örnek olarak, sonradan yakıt
enjeksiyonu, ek yakıt brülörleri, elektrik ateşleyici, vb.
Düşük yük ve düşük hız koşullarında çalışan dizel
motorlarının
egzoz
gazı
sıcaklığı,
200-300°C
seviyesindedir. 600°C’den daha düşük olan bu sıcaklık
seviyesi, DPF’de birikmiş kurumu okside etmek için
yeterli değildir. Bu nedenle DPF’deki gaz sıcaklığını
yükseltmek için ilave yakıt enjeksiyonu yapılması
gereklidir. Diğer taraftan, yüksek yük ve yüksek hız
çalışma koşullarında ise, egzoz gazı sıcaklığının yaklaşık
700-800°C olması nedeniyle rejenerasyon için daha az
2
miktarda geç enjeksiyon yeterli olmaktadır. Rejenerasyon
için gerekli olan ilave yakıt enjeksiyonu motor yağının
seyrelmesine neden olmaktadır.
yanma odasındaki ve karterdeki basınç farkı nedeniyle
piston segmanlarından sızan gaz halindeki yakıttır.
Piston segmanlarından sızan gaz halindeki yakıt ile
yağ filmi tarafından emilen yakıt, karterde birikmekte ve
motor yağının viskozitesinin düşmesine neden
olmaktadır.
Yağın sıcaklığın ve
seyrelmesinin
viskozitesine etkisi Şekil 4’de verilmektedir. Diğer
taraftan karterde biriken yakıtın buharlaşma ile bir
kısmının geri kazanımı sağlanmaktadır. Bu buharlaşma
karterdeki yağın seyrelme oranına bağlıdır.
3. DİZEL MOTORLARDA MOTOR YAĞININ
SEYRELMESİ
Hava
Viskozite
Dizel motorlarda normal çalışma koşullarında yakıt
motor yağına karışmaktadır. Aktif sistemlerde kullanılan
sonradan ilave yakıt püskürtme yöntemi ile yakıtın motor
yağına karışımı çok daha artmaktadır. Dizel yakıtın motor
yağına karışma mekanizması Şekil 3’te verilmiştir.
HC
Silindir
yüzeyindeki
yağ filmi
Yakıt
Segman sızıntısı
Seyrelmiş yağ
Yakıt buharının
yağ filmi
tarafından
emilmesi.
Bu durum
sonradan yakıt
püskürtmesi ile
çok daha
artmaktadır.
Yağ
seyrelmesi
Sıcaklık
Şekil 4. Yağın sıcaklığın ve seyrelmesinin viskozitesine
etkisi [9]
Yağ + Yakıt
Eğer belirli bir zaman diliminde farklı oranlarda
seyrelmiş motor yağları için, karterdeki birikimli yakıtın
zamana göre buharlaşması Şekil 5’de verilmektedir.
Burada birikimli yakıt, karterde biriken ve buharlaşan
yakıt arasındaki fark olarak tanımlanmaktadır. Yağ
seyrelmesi nedeniyle motorun zarar görmemesi için dizel
motorlarda yağ seviyesi kontrol edilmelidir.
Sonradan
püskürtülen
yakıt
4. DİZEL
ARAÇLARDA
UYGULAMASI
Karterden
gelen yağ
REJENERASYON
Dizel araçlarda DPF’nin tıkanmasını önlemek
amacıyla rejenerasyon işlemi yapılmaktadır [10, 11].
Rejenerasyon DPF’de biriken kurumun egzoz sıcaklığı
yükseltilerek yakılması işlemidir. Rejenerasyon işlemi
genel olarak motor kontrol ünitesi tarafından iki ayrı
durumda başlatılmaktadır. Birinci durum, aracın yüksek
motor yükleri ve devirlerde kullanımı sırasında, motor
tam yükte iken egzoz gazı sıcaklığının yükselmesi ile
rejenerasyon işleminin başlamasıdır. İkinci durum ise
motor tam yükte değilken egzoz gazı sıcaklığının
rejenerasyon işlemi için yeterli olmaması nedeniyle
motor kontrol ünitesinin enjektörlerin sonradan ilave
yakıt püskürtmesini aktif duruma geçirmesidir. Böylece
dizel partikül filtresine giden kanalda ek yanma
sağlanarak gaz sıcaklığının artması sonucunda
rejenerasyon gerçekleştirilir. Asıl püskürtmenin hemen
sonrasında piston aşağı doğru hareket ederken az
miktarda dizel yakıt sıcak silindire püskürtülmektedir.
Dizel yakıt, sıcaklık nedeniyle gaz haline geçmekte ve
katalizöre giden yolda yanmaktadır. Bu işlem partikül
Sıyrılan
seyrelmiş
yağ
Şekil 3. Yakıtın yağa karışma mekanizması [2, 9]
Silindir gömleği üzerindeki yağ filmi piston hareketi
ile segmanlar tarafından oluşturulmaktadır. Enjeksiyon
sonradan yapıldığından, buharlaşan yakıtın bir kısmı
piston çevresinden bir kısmı ise de yağ filmi tarafından
emilerek kartere kaçmaktadır. Bu mekanizmalar aşağıda
açıklanmaktadır.
Pistonun her ileri-geri hareketinde, dizel yakıtın ve
motor yağının özellikleri nedeniyle ilave enjekte edilen
yakıtın bir kısmı silindir yüzeyindeki yağ filmi tarafından
emilmektedir. Emilerek seyrelmiş yağ, silindir
gömleğinden sıyrılarak kartere karışmakta ve yağın her
seferinde daha da seyrelmesine neden olmaktadır.
Yakıtın motor yağına karışmasının bir sebebi de
3
filtresindeki partiküllerin yanması için gereken sıcaklık
artışını sağlamaktadır. Rejenerasyon sonucunda tüm
yanabilir partiküller yanmaktadır. Yanmayan partiküller
ve kül DPF’de zamanla birikmektedir.
Rejenerasyonun sık sık kesilmesi, hem kurumun tam
olarak yakılmasını engellemekte hem de motor normal
çalışma moduna geçemediğinden (sürekli rejenerasyonda
kaldığından) karterdeki yakıt birikmesini arttırmaktadır.
Bu durum motor yağını seyrelterek yağ kalitesinin
bozulmasına ve yağ seviyesinin yükselmesine sebep
olmaktadır. Bu şekilde sık sık kısa mesafe ve/veya yoğun
trafikte kullanılan araç motorlarının rejenerasyonu
tamamlayabilmeleri için üreticilerce yaklaşık 500
kilometrede bir en az 20 dakikalık uzun mesafe sürüşü
gerçekleştirilmesi tavsiye edilmektedir. Bunun yerine
motor devrini rölantiye düşürmeden kesintisiz yüksek
devirlerde şehir içi kullanımı da yapılabilir. Laboratuvar
ortamında yapılmış bir çalışmada, araç kullanım
durumuna göre motor devri ve torku ile DPF basınç
düşmesi, sıcaklık ve kurum birikimini gösteren grafik
Şekil 8’de verilmektedir [9].
Artı
Yağdaki yakıt miktarı
Seyrelmemiş yağ
%10 seyrelmiş yağ
Yakıt buharlaşması
zaman içerisinde
yağa yakıt kaybına
dönüşür.
Eksi
0
Zaman
%23 Yağ seyrelmesi
0
Karterdeki net yakıt birikimi
Artı
%8 Yağ seyrelmesi
%18 Yağ seyrelmesi
Yağ seyrelmesinin artmış olduğu
durumda yakıt buharlaşması yağ
seyrelmesinden daha fazla
olmaktadır.
%8, %18, %23 Karter yağındaki başlangıç yakıt
Zaman
Rejenerasyon Modu
Eksi
Karterdeki birikimli yakıt kaybı
Şekil 5. Yağdaki yakıt miktarının zamana göre
değişimi [9]
Normal Kullanım Modu
Şekil 7. Rejenerasyon ve normal modlarda yakıt
birikiminin zamana göre değişimi [9]
Zaman
Şekil 6. Farklı oranlarda seyrelmiş yağ için karterdeki
birikimli yakıt kaybının zamana göre değişimi [9]
Motor devri
Tork
DPF’deki kurumun rejenerasyon ile yakılması zaman
almaktadır. Dizel araçlar sık sık kısa mesafe ve/veya
yoğun trafikte (dur-kalk) kullanılıyor ise rejenerasyon
işlemi tamamlanmadan kesilebilmektedir. Sık sık kesilen
rejenerasyonlar nedeniyle dizel partikül filtresinin
temizleme işlemi tamamlanamamakta ve her defasında
rejenerasyon yeniden başlamaktadır. Rejenerasyon
yapılabilmesi için sonradan püskürtme yöntemi
uygulandığında ve aracın belli bir süre yükte
kullanılmadığı durumlarda, motor yağına buharlaşma
nedeniyle karterden olan yakıt kaybından daha fazla yakıt
karışmaktadır. Şekil 7’da rejenerasyon modunda ve
normal
kullanımda
karterdeki
yakıt
birikimi
gösterilmektedir. Şekilden görüleceği üzere rejenerasyon
modunda karterdeki yakıt birikmesi buharlaşmadan daha
fazla olmaktadır. Normal kullanım modunda ise karterde
yakıt birikimi olmakla beraber sonradan püskürtme
olmadığı için yakıt birikimine göre buharlaşma daha fazla
olduğundan karterdeki yağın içindeki yakıt miktarı
azalmaktadır.
DPF kurum
Basınç düşmesi
DPF sıcaklığı
Normal
DPF
Rejenerasyonu
Normal
Soğuma
Soğuma
Şekil 8. Kullanım durumuna göre motor devri ve
torku ile DPF basınç düşmesi, sıcaklık ve kurum birikimi
[9]
4
doi:10.4271/2010-01-2126.
5. SONUÇ
Dizel partikül filtresi (DPF) çevre kirlenmesinin
azaltılması amacıyla Avrupa Standartları çerçevesinde
araçlara eklenmiş kurum partikül tutucu bir sistemdir.
Üretici firmalar bu tür sistemleri yasal zorunlulukları
yerine getirmek için uygulamaktadırlar. DPF’nin
gözeneklerden geçemeyen kurum filtrede birikir. Biriken
kurum, filtreyi kısa sürede tıkamaması için belli
periyodlar dahilinde egzoz gazı sıcaklığının yükseltilmesi
ile rejenerasyon işlemi yapılarak yakılır. Rejenerasyon
işlemi karterde yakıt birikiminde etkin rol oynamaktadır.
Dizel yakıtı motor yağına, sonradan yapılan
enjeksiyon sırasında buharlaşan yakıtın bir kısmının
piston çevresinden, bir kısmının ise motor yağı ile dizel
yakıt kimyasal yapılarının benzer olması nedeniyle yağ
filmi tarafından emilerek kartere kaçması ve piston
segmanlarından sızması şeklinde karışmaktadır.
Song B. and Choi Y., 2008, “Investigation of
Variations of Lubricating Oil Diluted by PostInjected Fuel for the Regeneration of CDPF and
its Effects on Engine Wear”, Journal of
Mechanical Science and Technology, 22, pp. 25262533.
3.
Keskin A., 2011, “Dizel Partikül Filtrelerinde
Rejenerasyon Yöntemleri”, Mühendis ve Makina,
Cilt: 52, Sayı: 615, pp. 54-61.
4.
Keskin A., 2009, “Türkiye “Dizel Motorlarında
Partikül
Madde
Emisyon
Kontrolü
ve
Gelişmeler”, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler
Sempozyumu (IATS’09), Karabük, Türkiye.
5.
Majewski W. A., 2007, “Diesel Particulate
Filters”, www.DieselNet.com.
6. Chip It Australia P/L, 2013, “Diesel Particulate
Filter (DPF)”, Chip It Diesel Performance
Solutions, www.chipit.com.au, ABN: 51 041 714
686.
Aracın sık sık kısa mesafe ve/veya yoğun trafikte
(dur-kalk) kullanılması durumunda rejenerasyon işlemi
tamamlanmadan kesilmektedir. Sık sık kesilen
rejenerasyonlar nedeniyle dizel partikül filtresinin
temizleme işlemi tamamlanamamakta ve her defasında
rejenerasyon yeniden başlamaktadır. Rejenerasyon işlemi
için gerekli sonradan püskürtülen ilave yakıt nedeniyle
motor yağına karterdeki yakıt buharlaşmasından daha
fazla yakıt karıştığından rejenerasyon
modunda
karterdeki yakıt birikmesi buharlaşmadan daha fazla
olmaktadır. Normal kullanım modunda ise karterde yakıt
birkimi olmakla beraber sonradan püskürtme olmadığı
için yakıt birikimine göre buharlaşma daha fazla
olduğundan karterde bulunan yağdaki yakıt miktarı
azalmaktadır. Rejenerasyonun sık sık kesilmesi hem
kurumun tam olarak yakılmasını engellemekte hem de
motor normal çalışma moduna geçemediğinden karterde
yakıt birikmesini arttırmaktadır. Rejenerasyon sırasındaki
bu durum motor yağını seyrelterek yağ kalitesinin
bozulmasına ve yağ seviyesinin yükselmesine neden
olmaktadır. Karterdeki yakıtın buharlaşma miktarı yağın
seyrelme durumuna göre değişmektedir. Sık sık kısa
mesafe ve/veya yoğun trafikte kullanılan araç
motorlarının rejenerasyonu tamamlayabilmeleri için
üreticilerce yaklaşık 500 kilometrede bir en az 20
dakikalık uzun mesafe sürüşü gerçekleştirilmesi tavsiye
edilmektedir. Bunun yerine motor devrini rölantiye
düşürmeden kesintisiz yüksek devirlerde şehir içi
kullanımı da yapılabilir.
7. Zheng M., and Banerjee
S., 2009, “Diesel
Oxidation Catalyst and Particulate Filter
Modelling in Active – Flow Configurations”,
Applied Thermal Engineering, Vol. 29, Issues 1415, pp. 3021-3035.
8. Tschöke H., Braungarten G., Patze U., 2010,
“Optimisation of the Engine–internal Late Post–
injection in the Regeneration Mode of a
Passenger Car Diesel Engine for Reducing the
Oil Dilution during Operation with the Fuel
Blends B7, B10 and B30”, Concluding Report on
the Research Project: UFOP No. 540/093,
Supported by: Union zur Förderung von Oel- und
Proteinpflanzen e. V. (UFOP), Volkswagen AG
Wolfsburg,.
9. Nanjundaswamy H., Tatur M., Tomazic D., Hills
A., Wiartalla A., Lamping M. and Koerfer T., 2009,
“A Novel Approach in Determining Oil Dilution
Level on a DPF Equipped Vehicle as a Result of
Regeneration”, Directions in Engine-Efficiency
and Emissions Research (DEER), Dearborn, MI
USA.
10. Hemmings
S.,
2012,
“Supporting
the
Regeneration Process of a Diesel Particulate
Filter with the Addition of Hydrogen and
Hydrogen/Carbon Monoxide Mixtures: Diesel
Engine Aftertreatment System”, Ph.D. Thesis,
School of Engineering and Design, Brunel
University.
KAYNAKLAR
1.
2.
Sappok A., Parks J. and Prikhodko V., 2010,
“Loading and Regeneration Analysis of a Diesel
Particulate Filter with a Radio Frequency-Based
Sensor”, SAE Technical Paper, 2010-01-2126,
11. ISUZU Presentation, 2009, “Understanding DPF
(Diesel Particulate Filter) Regeneration”.
5
Download

dizel partikül filtre rejenerasyonu ve motor yağının seyrelmesi