Bir dizel motoruna buhar enjeksiyonunun NOx ve is emisyonlarına etkisinin araştırılması

Abstract

NOX emisyonlarının oluşma nedeni yüksek sıcaklıklardır ve özellikle yanma odası sıcaklığının 1800 oC' yi geçtiği anda NOX oluşum hızı artmaktadır. Dolayısıyla NOX emisyonunu azaltmanın ana mekanizması yanma odası sıcaklığının düşürülmesine dayanır. Ancak NOX emisyonunun azaltılması yanma odasında oluşan is emisyonlarını olumsuz etkilemektedir. Düşen yanma odası sıcaklığı oksidasyon hızını azalttığından NOX emisyonu düşerken is emisyonu bir miktar artar. Bu durumda NOX, is emisyonu ve yakıt sarfiyatı arasında optimal bir noktanın bulunması gerekir.NOX emisyonlarının azaltılması için uygulanan yöntemler: SCR (Selective Catalytic Reduction), sıcak ve soğuk EGR, püskürtme avansının azaltılması, su-yakıt emülsiyonu, doğrudan veya emme manifolduna su püskürtme sayılabilir. Katı emisyon sınırlarına ulaşabilmek için günümüzde özellikle gemilerde emme manifoldu ve yanma odasına direk su püskürtme yöntemleri yaygınlaşmaya başlamıştır. Ancak kara taşıtlarında kullanılan dizel motorlarında bu yöntemler yeteri kadar yaygınlaşmamıştır. Gerek düşük hızlı gemi dizel motorlarında gerekse yüksek hızlı kara taşıt motorlarında, emme periyodunda buhar enjeksiyonunun NOX emisyonu ve performans parametreleri üzerine etkilerine dair mevcut literatürde herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır.Bu çalışmada, buhar enjeksiyonunun su soğutmalı direkt enjeksiyonlu bir dizel motorundan salınan NOX emisyonları üzerine etkisi araştırılmıştır. Buhar eldesi için egzoz devresi üzerine monte edilen ısı eşanjörü kullanılmıştır. Isı eşanjöründen elde edilen buhar ortak hatta toplanarak emme periyodu esnasında farklı oranlarda püskürtülmüştür. Buhar enjeksiyonu neticesinde NOX ve is emisyonlarındaki değişimler standart motor verileriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca, püskürtülen buharın çevrim boyunca yoğuşma sınırına ulaşmadan egzozdan atılması için termodinamik olarak püskürtülebilecek buhar yüzdesi (termodinamik sınır) teorik olarak hesaplanmıştır.Anahtar Kelimeler: Dizel motoru, NOX, İs, Emisyon, Su buharı enjeksiyonu, Atık ısı kazanı

The main reason of NOX formation is higher temperatures in the combustion chamber of the internal combustion engines. When the flame temperature exceeds 1800 oC in the cylinder, rate of NOX formation considearably increases. However, the mechanism, which diminishes NOX formation, adversely affects smoke emissions since the rate of oxidation reaction decreases with the flame temperature. In that case, optimal point must be found in terms of NOX, smoke emissions and specific fuel consumption.The primary methods of NOX reduction are Selective Catalytic Reduction (SCR), hot and cold EGR, reduction of injection timing, water-fuel emulsion, direct water injection into the cylinder or water injection into manifold. To achieve strict EURO emission regulations, direct water injection and water injection to manifold methods for NOX control commonly used in marine diesel engines. However, water injection methods are not used yet in high speed diesel engines which are used in trucks, in mobile no road diesel engines and passenger cars. However, steam injection is not widely used in land vehicles equipper with diesel engines. In the open literature there is no significant study on the effects of using steam injection during inlet period of both low and high speed diesel engines used on ship and rood vehicles.In this study, the effect of steam injection on the reduction of NOX emission from the water cooled diesel engine with direct injection system is investigated. In order to generate water steam, a heat exchanger mounted into exhaust line has been used. The steam has been collected in a common rail and injected into the cylinder of different amounts during inlet period. The NOX and smoke emissions generated as a result of using steam injection have been compared with that of standard diesel engines. In addition, the maximum amount of steam that presents the condensation through the whole engine cycle has been theoretically calculated based on thermodynamics principles.Key Words: Diesel engine, Steam injection, NOX, Smoke, Emissions, Steam injection, Waste heat boiler