gazi üniversitesi fen bilimleri enstitüsü makine mühendisliği ana

GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI
MM 598 SEMİNER DERSİ
Seminer Konusu : Tek Silindirli Dizel Motorda Ön Isıtmalı Biyodizel Yakıt Kullanımının
Egzoz Emisyonları, Motor Performansı, Enerji Ve Ekserji Üzerindeki Etkisinin
Deneysel Olarak İncelenmesi
Tez Öğrencisi
: Kerem ÇEVİK (29100671)
Tez Danışmanı : Prof. Dr. Nuri YÜCEL
ÖZET
Taşıt sayısındaki artışla birlikte, yakıt ihtiyacı artmıştır. Fosil kökenli yakıtlara olan talep sonucu, yakıt rezervleri azalmaya
başlamış ve fiyatları artmaya başlamıştır. Bu sebeple alternatif yakıt arayışları başlamıştır. Alternatif yakıtların başında ise hem
maliyetinin düşük olması hem de çevreye zararının fosil yakıtlara göre çok düşük olması sebebiyle biyodizel yakıtlar gelmektedir.
Biyodizel yakıtların çevre kirliliğinin önlenmesine ve ekonomiye büyük faydası vardır, parlama noktaları yüksek olduğu için
taşınmaları ve depolanmaları kolaydır. Biyodizelin olumlu etkilerinin yanında, yüksek viskoziteye sahip olması, soğuk günlerde
problem çıkartması, yakıt filtrelerinde tıkanmalara sebep olması gibi dezavantajları vardır.
Biyodizel yakıta, egzoz gazların sahip oldukları ısı ile ön ısıtma uygulanarak bu olumsuz etkilerin önüne geçilmiş olacaktır.
Sıcaklığa bağlı olarak viskozite düşecek, viskozitedeki düşüle birlikte yakıt daha akıcı olacak ve atomizasyonu daha kolay olacaktır.
Daha kolay parçalandığı için daha iyi bir yanma gerçekleşecek ve dolayısıyla zararlı emisyon miktarı azalacaktır. Yapacağımız
çalışmada ön ısıtma ile biyodizelin daha performanslı ve verimli bir şekilde kullanılmasını sağlarken, dezavantajlarının da ortadan
kaldırılmasını hedeflenmekteyiz.
AMAÇ
Bu projenin temel amacı, çevreye zararı motorine göre %50 daha az olan biyodizel yakıtı, yanma sonucu ortaya çıkan
egzoz gazları ile yanma öncesi ısıtarak, atık enerjiyi değerlendirmek, yanma özelliklerini iyileştirerek yanmayı iyileştirmek, egzoz
emisyonlarını düşürmek ve yanmada ki iyileşmeye bağlı olarak, motor performansını arttırmaktır. Bu amaçlarını gerçekleştirmek
için modifikasyon yapılan motorda da enerji ve ekserji analizi yapılıp kayıp enerjiden nasıl faydalanıldığı tespit edilecektir. Çalışma
deneysel ve sayısal olarak iki bölümde yapılacaktır.
Sayısal bölümde; yakıt sıcaklığını, en düşük emisyon değerlerinin ve en yüksek motor performansının elde edileceği
optimum sıcaklığa getirebilmek için nasıl bir ısı değiştirici kullanılacağı, ısı değiştiricinin boyutları hesaplanacaktır. Motordan çeşitli
çalışma şartlarında okunacak değerler ile ekserji ve enerji analizi yapılacaktır. Sayısal bölümde, deneysel veriler kullanılarak
sonuçların yorumlanması amaçlanmaktadır.
Deney kısmında ise; yakıt ön ısıtma ile istenilen optimum sıcaklığa getirildikten sonra egzoz emisyonları incelenecektir.
Emisyonlardaki artış ve düşüşler sebepleri ile birlikte irdelenecektir. Motor çeşitli devir ve çeşitli yüklerde çalıştırılıp performans testi
yapılacak ve motor gücündeki, verimindeki ve performansında ki artış değerlendirilecektir. Enerji ve ekserji analizinde kullanmak
için çeşitli çalışma şartlarında soğutma suyunun ve yağın motora giriş ve çıkış sıcaklıkları, egzoz gazı basıncı, yakıt debisi gibi
değerler tespit edilecektir. Deneysel kısımda, motorda yaptığımız modifikasyonların ve yakıtın ön ısıtılmasının etkilerinin
gözlenmesi amaçlanmaktadır.
Tüm bu çalışmalar sonucunda, temiz ve ucuz bir yakıt olan biyodizelin, motorlu taşıtlarda kullanılmasını daha cazip hale getirmek
ve her geçen gün artan egzoz emisyonlarında düşüş sağlamak temel amaçtır.
LİTERATÜR ÖZETİ
Egzoz emisyonları düşürmek söz konusu olduğunda akla gelen ilk yakıt biyodizel olmaktadır. Biyodizel yakıtlar, dizel
motorlarda kullanılması için istenilen özelliklere sahiptir. Setan sayıları, parlama noktaları ve ısıl değerleri, petro-dizel yakıtlarla
kıyaslanabilecek seviyelerdedir. En büyük artılarından biri ise dizel motorlarda hiçbir modifikasyona ihtiyaç olmadan kullanılabiliyor
olmalarıdır. Bitki yağlarından ve kullanmış, atık yağlardan yapılıyor olması, fosil kökenli olmaması sebebiyle emisyon oranları da
ciddi oranda düşüktür. Biyodizel yakıtlar, sülfür içeriği bulundurmazlar. Biyolojik olarak parçalanabilir olmaları, doğaya çok düşük
zarar verdiklerinin göstergesidir. Biyodizel yakıtların aynı zamanda yağlama görevini de yerine getiriyor olmaları diğer bir artılarıdır.
Parlama noktalarının yüksek oluşu ve zehirli olmayışları da taşınmalarını ve depolanmalarını daha güvenli hale getirmektedir.
Biyodizel yakıtlar üzerine bir çok çalışma yapılmış ve bu çalışmalar sonucunda dizel motorlarda biyodizel yakıt kullanımı ile
hidrokarbon (HC), karbon monoksit (CO) ve partikül maddelerde (PM) düşüş olduğu, nitrojen oksit (NO x) emisyonlarında ise artış
olabildiği söylenmektedir [1]. Biyodizel yakıtlar ekstradan oksijen bulundurdukları için, CO emisyonları CO2’ lere dönüşmektedir [2].
CO emisyonu, dizel yakıtla kıyaslandığında %27 daha azdır [3]. HC emisyonlarına bakıldığında ise %50’lik bir düşüş
gözlenmektedir [4].
Bizim çalışmamıza benzer kullanılmış yağdan üretilmiş bir biyodizel yakıt ile 75kW gücündeki 4 silindirli motorda yapılan
testte torkta %3 ile %5 arasında değişen bir kayıp gözlenmiştir [5]. Her ne kadar çok az performans kaybı olsa da ve bu kayıp bir
çok çalışmada göz ardı edilse de, biyodizel yakıtların viskozitesi ve yoğunluğu çeşitli yöntemlerle düşürülerek daha iyi bir
atomizasyon neticesinde daha verimli bir yanma ile performans artışı hedeflenmektedir [6].
Biyodizelin alternatif yakıtlar arasındaki önceliği aşikardır fakat bu biyodizelin mükemmel bir yakıt olduğu anlamına
gelmez. Biyodizel yakıtların, dizel motorlarda yakıt olarak kullanımını sınırlandıran iki faktör vardır. Bunlardan birincisi ve en önemli
olanı viskozitelerinin yüksek olmasıdır [7] , ikinci faktör ise uçuculuklarının düşük olmasıdır [8]. Uçuculuklarının düşük olması
yanmayı zorlaştırmakta ve yanma kalitesini bozmaktadır. Tüm bu sebeplerden dolayı biyodizel yakıtların ön ısıtma ile kullanılması
daha cazip hala gelmektedir [9].
Alternatif yakıtların modifikasyonlu motorlarda kullanıldığı çalışmalarda farklı tipte yakıtlar kullanılmaktadır. Bizim
çalışmamıza benzer nitelikte olan ve yakıt olarak jatropha yağı kullanılan bir çalışmada, yakıt tıpkı bizim de yapmayı planladığımız
gibi özel olarak tasarlanmış bir egzoz kutusundan, egzoz gazına zıt yönde geçirilerek, ısıtılıp daha sonra enjeksiyona
yollanmaktadır. Yapılan bu çalışmada ön ısıtmanın viskoziteyi düşürdüğü, dolayısıyla parçalanmayı kolaylaştırdığı ve yanma
0
kalitesini arttırdığı gözlenmiştir. Yanmadaki bu iyileşmenin, yakıtın ön ısıtma sıcaklığının 100 C’ye çıktığında kayda değer derecede
arttığı gözlenmiştir. Bu sebeplerden dolayı birçok çalışmada biyodizelin viskozitesi dizel yakıtın viskozitesine yaklaştırılamaya
0
0
çalışılmaktadır [10]. Örneğin 140 C’ye kadar ısıtılan jatropha yağının viskozitesi, 40 C’deki mazotun viskozitesine eşdeğer
olmaktadır. Ön ısıtmanın gerçekleştirilebilmesi için, motor çalışma sıcaklığına gelene kadar mazot ile çalıştırılmaktadır [8]. Ön
ısıtmanın egzoz gazı ile değil, elektrikli bir düzenekle yapıldığı ve kullanılmış atık yağın yakıt olarak kullanıldığı bir başka çalışmada
0
0
ise yakıt 75 C ve 135 C sıcaklıklarına kadar ısıtıldıktan sonra yanma odasına püskürtülmüştür. Bu çalışmada da aynı şekilde yakıt
0
100 C’ye kadar ısıtılmadığı taktirde kayda değer bir değişim olmadığı gözlenmiştir. Bitkisel yağların yakıt olarak kullanıldığı diğer bir
0
çalışmada ise yakıtın ısıtılması gereken, viskozitesinin atomizasyon için optimum olduğu sıcaklığın 140 C olduğu belirtilmiştir.
Yapılan çalışmalardan gözlenen sonuçlar ön ısıtma ile viskozitenin düşmesi sonucu atomizasyonun iyileşmesi ve yanma kalitesinin
artması ile sıcaklığın yükselmesi neticesinde NOx emisyonlarının yükseldiği ve yine yanma kalitesinin artması sonucu olarak CO2,
CO ve HC emisyonlarının azaldığı gözlenmiştir.
Biyodizel yakıt kullanımının ekserji
çalışmalara
pek
analizinin
yapıldığı
rastlanmamaktadır. Yapılan çalışmalarda ise iki
farklı metotla ve farklı hammaddeler kullanılarak
üretilmiş yakıtların analizleri yapılmaktadır.
Yapılan bir çalışmada ise yakıt olarak mazot,
pamuk tohumu yağı ve hurma yağı kullanılmıştır
[9]. Motor yükü arttıkça, özgül yakıt tüketiminin
azaldığını görülmüştür. Pamuk yağının ve hurma
yağının özgül yakıt tüketimleri hemen hemen
eşit ve mazota nazaran daha yüksektir. Bunun
sebebi ise her iki yakıtın da kalorifik değerlerinin
birbirine yakın ve mazota nazaran düşük
oluşudur. Đki biyodizel yakıtın da kalorifik
değerlerinin ve özgül yakıt tüketimlerinin
birbirlerine yakın çıkıyor olması, ön ısıtma
uygulandıklarında viskozitelerinin bir birine çok
yakın
değerlerde
olmasından
kaynaklanmaktadır. Birçok çalışmada da benzer
sonuçlar elde edilmiştir [10,11,12]. Isıl verime
bakıldığında ise; yanma odası sıcaklığı azaldığı
zaman ısıl verimde azalmaktadır. Motor tam
yükte çalışırken yanma odası sıcaklığı artmakta
ve dolayısıyla ısıl verimde artmaktadır. Isıl
verimde söylenenin aksine, motor yükü arttıkça
ekserji verimi azalmaktadır [9]. Ekserji ve enerji analizleri yapılırken aşağıdaki temel formüller kullanılacaktır.
Yanma Denklemi:
CwHy + a ( O2+3.76 N2 )
b O2 + c CO + d CO2 + e CwHy + f N2 + g NOx + h H2Osb
Kontrol hacminde, birim molar yakıt için enerji oran dengesi :
•
Q KH
•
nY
•
−
W KH
•
nY
_
_
= hÜrün − h Giren
_
_
 _o
 _o


= ∑ nÜrün  h f + ∆ h 
− ∑ nGiren  h f + ∆ h 
Ürün

Ürün Girdi

 Giren
Literatür incelemesi sonucunda, biyodizel yakıta, egzoz gazlarının sahip olduğu enerjiden faydalanarak ön ısıtma
uygulanan, ön ısıtmanın egzoz emisyon ve motor performansına etkisi gözlemlenen ve enerji, ekserji analizi yapılan deneysel
çalışmalara rastlanmamıştır. Bu çalışmamızda ön ısıtmalı biyodizel kullanarak, fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltmayı, egzoz
gazları ile atmosfere attığımız atık enerjiyi kullanmayı ve hava kirliliğini önlemeye katkıda bulunmayı amaçlamaktayız.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
McCromick RL, Alleman TL, Ratcliff M, Moens L, Lawrence R. Survey of the quality and stability of biodiesel in blends in
the United States in 2004. National Renewable Energy laboratory, NREL/TP-540-38836; 2005
Nabi MN, Rahman MM, Akhter MS. Biodiesel from cotton seed oil and its effect on engine performance and exhaust
emissions. Applied Thermal Energy 2009;29:2265–70.
Qi DH, Geng LM, Chen H, Bian YZH, Liu J, Ren XCH. Combustion and performance evaluation of a diesel engine fuelled
biodiesel produced from soybean crude oil. Renew Energy 2009;34:2706–13.
Basha SA, Gopal KR, Jebaraj S. A review on biodiesel production, combustion, emissions and performance. Renewable
and Sustainable Energy Reviews 2009;13:1628–34
Cetinkaya M, Ulusay Y, Tekin Y, Karaosmanoglu F. Engine and winter road test performances of used cooking oil originated biodiesel.
Energy Convers Manage 2005;46:1279–91.
Enwerem adu C.C., Rutto H.L., “Combustion, emission and engine performance characteristics of used cooking oil biodiesel a review”,
Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) ; 2863-2873
Demirbas A. Biodiesel from vegetable oils via transesterification in supercritical methanol. Energy Convers Manage
2002;43:2349–56.
8. Chauhan B. S., Kumar N., Jun Y., Lee K., “Performance and emission study of preheated jatropha oil on medium capacity
diesel engine”, Energy 35:2484-2492,(2010)
9. Azoumah Y., Blin J., Daho T., “Exergy efficiency applied fort he performance optimization of a direct injection compression
ignition (CI) engine using biofuels”, Renewable Energy 34: 1494-1500 (2009)
10. Agarwal D., Agarwal A. K.,”Performance and emissions characteristics of jatropha oil (preheated and blends) in a direct
injection compression ignition engine”,Applied Thermal Engineering 27: 2314-2323 (2007)
11. Vaitilingom G. Huiles ve´ge´ tales-biocombustible diesel. Ph.D. Thesis, University of Orleans, France, 1992.
12. Agarwal AK. Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines. Progress in Energy
and Combustion Science 2007;33:233–71.