Alternatif Yakıtla Çalışan Bir Dizel Motorda Silindir Basıncı ile Blok Titreşimi Arasındaki İlişkinin İncelenmesi

Transkript

1 Alternatif Yakıtla Çalışan Bir Dizel Motorda Silindir Basıncı ile Blok Titreşimi Arasındaki İlişkinin İncelenmesi H. Yıldırım 1*, A. Çınar 1, A. N. Özsezen 1, V. Aygül 1 1. GİRİŞ 1Department of Automative Engineering, Kocaeli University, Kocaeli, Turkey Özet Günümüzde motorlu taşıtların yolcu ve sürücü konforu oldukça önem kazanmıştır. Taşıtlarda motor en fazla gürültüye ve titreşime neden olmaktadır. Daha az gürültü ve titreşime sahip dizel motorlar için araştırmalar yapılmaktadır. Bundan dolayı biyodizel yakıtların titreşim ve gürültü değerleri incelenmektedir. Biyodizel yakıtı bitkisel ve hayvansal ürünlerden üretilen yenilenebilir, sürdürülebilir, çevre dostu ve alternatif bir yakıttır. Bu çalışmada veriler altı silindirli dört zamanlı dizel motorunun birinci silindir tepesine monte edilmiş sensörler aracılığı ile toplanmıştır. 25,6 khz örnekleme frekansı ile silindir basınç ve ivmeölçer sensörlerden veriler alınmıştır. 100 Nm sabit yükte 1000 ve 1750 d/d motor hızlarında yapılan deneylerde dizel-biyodizel karışımları (B20, B50) saf biyodizel (B100) ve petrol bazlı dizel (B0) yakıtları kullanılmıştır. En fazla titreşim genliği B20 yakıtı ile elde edilmiştir. Güç spektrumu yöntemi kullanılarak koherens analizi yapılmıştır. Koherens analizinde 0,5-2,5 khz frekans bandında oldukça fazla uyumlu olduğu gözlenmiştir. Anahtar sözcükler: biyodizel, dizel motor, koherens, titreşim. Günümüzde karayollarındaki artan araç sayısı ve küresel iklim değişikleri nedeniyle çevresel endişeler arttığı için fosil yakıtların tüketilmesi tartışmalı konuların başında gelmektedir. Dizel yakıtı benzine göre daha fazla karbon bileşenine sahip fosil bir yakıttır. Dizel yakıtı ile silindir içerisinde yanma gerçekleşirken, yüksek ısı ürettiği için asit yağmurlarına neden olan NOx ve partikül madde emisyonlarını oluşturmaktadır. Bu kirletici emisyonları bertaraf edecek ve dizel yakıtına benzer performans gösterecek bir yakıt üretme ihtiyacı ortaya çıkmıştır [1]. Bunun için yıllardır birçok araştırmalar yapılmaktadır. Birçok araştırmacı farklı bitki ve hayvansal yağlardan üretilen biyodizel yakıtını içten yanmalı motorlarda test etmişlerdir [2] [4]. Transesterifikasyon ile bitkisel ve hayvansal yağlardan üretilen yağ asidi esterleri (biyodizel) dizel yakıtına benzer özelliklere sahiptir. Ancak dizel motoru biyodizel için tasarlanmamış olsa da biyodizel yakıtı değişiklik olmadan veya çok az bir değişiklik ile kullanılmaktadır. Biyodizel yakıtı ile dizel yakıtı fiziksel ve kimyasal olarak farklılık göstermesine rağmen biyodizel yakıtı ile olumlu sonuçlar alınmıştır [5] [7] İçten yanmalı motorlardaki yanma sürecinin izlenmesi, sıkı emisyon regülasyonları ve düşük yakıt tüketiminden dolayı önemi gittikçe artmıştır. Yanma sürecini analiz etmek için silindir basıncı verilerinden faydalanılmaktadır. Tutuşma gecikmesi, yanma başlangıcı, ani basınç artış hızı, maksimum basınç ve ısı iletim oranı gibi yanma parametreleri silindir basınç verileri kullanılarak belirlenmektedir [8]. Titreşim sinyalleri kullanılarak içten yanmalı motorların durum izleme ve arıza teşhisi yapılmaktadır. Bundan dolayı titreşim ölçümü silindir içerisindeki yanma karakteristiklerini belirleme için önemli bilgiler içermektedir [9]. Silindir basıncı ve blok titreşimleri arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu saptanmıştır [10]. How ve diğ. hindistan cevizi biyodizeli ile çalışan bir dizel motorunun performans, emisyon ve titreşim karakteristiklerini incelemişlerdir. En düşük titreşim genlik değeri %13,7 B50 ve 0,86 MPa motor yükünde elde etmişlerdir [11]. Taghizadeh -Alisaraei ve diğ. bir dizel motorunu servis öncesi ve servis sonrası RMS yöntemi kullanılarak farklı yakıtların titreşim analizi yapılmıştır. En düşük titreşim genliği B20 ve B40 yakıtlarında elde edilirken en yüksek titreşim genliği B15, B30 ve B50 yakıtlarında elde edilmiştir [12]. 1

2 8 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 17), October 2017, Elazığ, Turkey Uludamar ve diğ. bir dizel motorda biyodizel yakıtlarının motor titreşim ve gürültü değerlerini regresyon analizi ile incelemişlerdir [13]. Chiatti ve diğ. küçük bir motorda atık yağlardan üretilen biyodizel yakıtlarının vibro-akustik analizleri yapılmıştır. Analizlerde motor hızının artmasıyla gürültü indeksinin de arttığı gözlenmiştir. B10 yakıtının en yüksek B40 yakıtının en düşük gürültü indeksine sahip olduğu belirlenmiştir [14]. Bu çalışmada amaç büyük bir dizel motorda farklı yakıtlar kullanılarak yanma ve titreşim karakteristikleri analiz etmek olmuştur. Bundan dolayı atık yağdan üretilmiş biyodizel ve biyodizel yakıtlarının yanma ve motor blok titreşimleri arasındaki ilişki incelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. Test düzeneği Kocaeli ilinde bir pastaneden toplanan atık kızartma bitkisel yağlar biyodizel elde etmek için toplanmıştır. Kocaeli Üniversitesi Alternatif Yakıtlar Araştırma-Geliştirme ve Uygulama Birimi tarafından biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. Biyodizel ve dizel yakıtın özellikleri Tablo1. de verilmiştir. Hidrolik dinamometre ile motora yükleme yapılmıştır. Tek yönlü (z yönlü dikey) ICP 352C03 1,02 mv/(m/s 2) hassasiyetine sahip ivmeölçer transdüseri kullanılmıştır. İvmeölçer motorun birinci silindir tepesine monte edilmiştir. Basınç transdüseri (Kistler model 6061-B) birinci silindire yerleştirilmiştir. Basınç transdüseri için amplifier (Kistler model 5064A1) kullanılmıştır. NETdB12 12 kanala sahip veri toplama cihazı ile titreşim ve silindir basınç değerleri eşzamanlı olarak alınmıştır. Veriler 25,6 khz örnekleme yapılarak alınmıştır. Tablo 1. Atık bitkisel yağdan üretilen biyodizelin özellikleri Özellikler Birim EN Dizel Biyodizel Yoğunluk (15 C) kg.m , Vizkozite (40 C) mm 2.s -1 5,0 3,5 5,0 Parlama noktası C min. Asit değeri mg KOH.g -1 0,15 0,5 maks. Isıl değeri kj.kg İyot Sayısı g l,100g ,8 120 maks. Kükürt İçeriği ppm 6,3 10 maks Setan sayısı min Ford Cargo model dört zamanlı, altı silindirli, direk püskürtmeli, turbo beslemeli bir dizel motor kullanılmıştır. Tablo 2 te testlerde kullanılan motorun teknik özellikleri verilmiştir. Motor testleri 100 Nm sabit yükte ve 1000 ve 1750 d/d motor hızlarında gerçekleştirilmiştir. Hacimsel olarak %20 (B20) ve %50 (B50) oranlarında karıştırılmış dizel-biyodizel karışımları, (B100) saf biyodizel ve dizel yakıtı testlerde kullanılmıştır. Şekil. 1 de deneylerde kullanılan motor test sisteminin şematik görünüşü verilmiştir. Her bir test sırasında silindir gaz basıncı ve titreşim sinyali toplanmıştır. Tablo 2. Test Motorunun Özellikleri Motor 6 lt Ford Kargo Tipi Direkt püskürtmeli, doğal emişli, 4 zamanlı, su soğutmalı Silindir sayısı 6 Silindir çapı 104,80 mm Strok (Kurs) 114,90 mm Sıkıştırma oranı 15,9: 1 Püskürtme pompası Mekanik regülâtörlü sıra tipi pompa Püskürtme basıncı 197 bar Enjektör delik çapı ve sayısı 0,3 mm, 4 delikli Maksimum güç 81 kw / 2600 d/d Maksimum moment 335 Nm / 1500 d/d Püskürtme sırası Rölanti devri d/d 2

3 Alternatif Yakıtla Çalışan Bir Dizel Motorda Silindir Basıncı ile Blok Titreşimi Arasındaki İlişkinin İncelenmesi H.Yıldırım, A.Çınar, A. N. Özsezen, V. Aygül 2.2. Spectral analiz Sinyal işleme 1 saniyelik verilerin ortalaması alınarak yapılmıştır. Periyodik sinyallere karşın, rastgele sinyaller kesintisiz spektrumlara sahiptirler. Yani, sadece ayrık frekansları değil tüm frekansları içerirler. Dolayısıyla, her bir frekansın genliğini veya RMS değerini göstermemektedir, bunun yerine yoğunluk türüne sahip bir sinyal belirlenmektedir. Titreşim sinyali için birim (m/s 2 ) 2 /Hz dir. Teorik olarak PSD (S xx ) otokorelasyon içermektedir. S xx (f) = F[R xx (τ)] = R xx (τ)e j2π f τ dτ Şekil 1. Test düzeneği Otospektral yoğunluğunda olduğu gibi keyfi bazı sistemler her bir giriş x(t) için bir çıkış x(t) sinyali üretmektedir. Buna (S xy ) çapraz spektrum yoğunluğu CSD denir. S xy (f)= F[R xy (τ)]= R xy (τ)e -j2π f τ dτ - Koherens iki farklı sinyalin uyumluluk durumunu incelemektedir. Denklem (1) ve (2) formüllerini kullanılarak 0-1 arasında genlik oluşur. 1 e yaklaştıkça sinyaller arasındaki uyumluluk derecesi artmaktadır. Koherens γ sembolü ile gösterilmektedir. γ 2 (S xy ) 2 = (S xx ) 2 *(S yy ) 2 3. BULGULAR VE TATIŞMA Bu bölümde silidir basınç ve titreşim verilerinin sonuçları incelenmiştir. Verilerin işlenmesinde, bir saniyelik verilerin (25600 örnek) ortalaması alınarak sinyaller işlenmiştir Silindir basınçları Şekil.2 de (a) ve (b) 1000 d/d ile motor çalışırken krank açısına bağlı olarak farklı yakıtların silindir basınç ve silindir basınç artış oranları verilmiştir. Motor yükü 100 Nm sabit iken alınan veriler maksimum basınçlar arasında oldukça farklılıklar görülmüştür. Fosil dizel yakıtının (B0) silindir basıncı diğer biyodizel ve biyodizel karışımlarına göre daha yüksek değere sahiptir. Dizel yakıtı daha geç yanmaya başlamıştır. Biyodizel yakıtının setan sayısının daha yüksek olması bu durumum en önemli sebeplerinden biridir. Silindir maksimum basınçlar 1000 d/d de ÜÖN dan sonra B20 5,92 MPa 6 o KA, B50 6,13 MPa 6 o KA, B100 6,12 MPa 5,75 o KA, B0 6,43 MPa 7,5 o KA olarak belirlenmiştir. Biyodizel yakıtları oksijen ile zengindir. Bundan dolayı biyodizel ve biyodizel karışımları dizel yakıtına göre daha hızlı yanmaktadır. Ani yanma hızının artışı silindir basınç artış hızını da arttırmaktadır. Şekil.2 (b) de görüldüğü gibi dizel yakıtının silindir basınç artış oranı biyodizel içeren yakıtlara kıyasla daha az oluşmuştur. En yüksek basınç artış oranı B20 yakıtı ile elde edilmiştir. Düşük devirde B100 en erken yanmaya başlayan yakıt olmuştur. (1) (2) (3) 3

4 8 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 17), October 2017, Elazığ, Turkey Figure d/d'de (a) silindir basınçlarının ve (b) silindir basınç artış oranlarının karşılaştırılması Motor yükü sabit ve devir arttırıldığında silindir basınç değerleri düştüğü görülmüştür. Bunun nedeni yanma süresi, tutuşma gecikmesi gibi yanma parametrelerinin oluşum süreçlerinin daha hızlı gerçekleşmesidir. Bu durumda yanma gerçekleşirken motor daha fazla yüklenmediği için yanma basıncında bir düşme meydana gelir. Şekilde 2 (a) da 1750 d/d iken farklı yakıtların silindir basınç verileri verilmiştir. Silindir maksimum basınçlar 1000 d/d de ÜÖN dan sonra B20 6,17 MPa 8 o KA, B50 6,0 MPa 8 o KA, B100 6,24 MPa 6 o KA, B0 6,09 MPa 8,25 o KA olarak belirlenmiştir. Yakıtların yanma başlangıçları kıyaslandığında, B100 yakıtının diğer yakıtlara göre oldukça erken yanmaya başladığı görülmüştür. Silindir yanma basıncı en fazla B100 yakıtında meydana gelmiştir. Bunun nedeni B100 yakıtının ısıl değerinin düşük olması ve aynı yükü karşılayabilmesi için B100 daha fazla silindir içerisine gönderilmesi ihtiyacı oluşmuş olabilir. Şekil.2 (b) de farklı yakıtların silindir basınç artış oranlarının karşılaştırılması yapılmıştır. Bu koşulda diğer yakıtlara kıyasla B20 yakıtının daha fazla basınç artış oranına sahip olduğu görülmüştür. Biyodizel ve biyodizel karışımları dizel yakıtından erken yanmaya başlamasına rağmen basınç artışlar dizel yakıtından daha sonra oluşmuştur. 4 Figure d/d'de (a) silindir basınçlarının ve (b) silindir basınç artış oranlarının karşılaştırılması 3.2. Motor bloğu titreşimleri Yanma ve mekanik etkiler motor bloğu titreşimlerinin en önemli kaynaklarıdır. Piston çarpması mekanik etkilerin başında gelmektedir. Yanma ile ilgili çalışmalarda piston çarpması etkisinin azaltılması için titreşim

5 Alternatif Yakıtla Çalışan Bir Dizel Motorda Silindir Basıncı ile Blok Titreşimi Arasındaki İlişkinin İncelenmesi H.Yıldırım, A.Çınar, A. N. Özsezen, V. Aygül sensörünün yerleştirildiği bölge önemlidir. Piston çarpmasının etkisini azalmak için titreşim sensörünün silindir kapağı üzerine yerleştirilmesi gerekmektedir [15]. Bu çalışmada titreşim sensörü birinci silindir kafasına yerleştirilerek veriler alınmıştır. Şekil.4 de 1000 d/d motor hızında farklı yakıtların krank açısına bağlı olarak motor blok titreşim değerleri kıyaslanmıştır. B20 yakıtı diğer yakıtlara göre daha fazla titreşim ürettiği görülmüştür. B20 yakıtı ÜÖN dan sonra 1,75 o KA açısı ile 325,9 m/s 2 genliğinde maksimum titreşim değeri belirlenmiştir. Figure d/d da farklı yakıtların motor bloğu titreşimleri Motor devri arttıkça motor bloğu titreşimleri daha fazla titreşim genliklerine maruz kalmıştır. Mekanik titreşim genliklerinin artarken yükün düşük olması motoru oldukça sarsıntılı hale getirdiği anlaşılmıştır. Şekil.5 te 1750 d/d motor hızında farklı yakıtların motor blok titreşimlerinin kıyaslanması yapılmıştır. Görüldüğü şekilde gibi B20 yakıtı diğer yakırlara nazaran daha yüksek titreşim genliğine sahiptir. B20 yakıtı 7.5 o KA açısında 636,5 m/s 2 titreşim genliğine sahiptir. Figure d/d da farklı yakıtların motor bloğu titreşimleri Koherens analizi sistemin sensörlere verdiği tepkilerin hangi frekans aralığında ve ne kadar uyumlu olduğunu incelemektedir. 0-1 arasında genlik değerlerde 1 yaklaştıkça sinyallerin uyumluluk oranının %100 e yakın olduğunu göstermektedir. Deneyde kullandığımız motor ağır iş makinası motoru olduğu için yanma odası oldukça yüksek frekanslara maruz kalmıştır. Dört zamanın oluşumunu 0,5-2 khz frekans bandında ve yanma olaylarının daha yüksek 7 khz ve üzeri frekanslarda oluşmuş olabilir [16]. Bu frekanslar oldukça yüksek uyum göstermektedir. Motor titreşimlerine 0,5-2 khz ve 7 khz frekans bandları büyük katkı sağladığı gözlenmiştir. Figure d/d'de koherens analiz grafiği 5

6 8 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 17), October 2017, Elazığ, Turkey 4. SONUÇLAR Figure d/d de Koherens analiz grafiği Bu çalışmada bir pastaneden alınan atık yağlardan üretilen biyodizel yakıtının dizel yakıtı ile yanma ve titreşim karakteristikleri karşılaştırılmıştır. Yanma ve titreşim sonuçlarında farklılıklar tespit edilmiştir. En önemli tespit dizel yakıtının biyodizel yakıtına göre daha az titreşim ürettiği olmuştur. Düşük devirde dizel yanma basıncı fazla iken yüksek devirde biyodizel ve biyodizel karışımlarının yanma basıncı daha fazla çıktığı belirlenmiştir. Basınç artış oranlarında en yüksek değer B20 yakıtında görülmüştür. Bu durum titreşim oluşumunu daha da arttırmıştır. En yüksek titreşim genlik değeri B20 yakıtında elde edilmiştir. Koherens analizi yapılarak verilerin uyumluluk derecelerine bakılmıştır. Veriler 0,5-2 khz ve 7 khz frekans bandları arasında oldukça uyumlu oldukları gözlenmiştir. Koherens analizinde de görüldüğü gibi motor titreşimlerine en fazla etkiyi 0,5-2 khz ve 7 khz frekans bandları sağlamıştır. 5. KAYNAKLAR [1] R. Mohsin, Z. A. Majid, A. H. Shihnan, N. S. Nasri, and Z. Sharer, Effect of biodiesel blends on engine performance and exhaust emission for diesel dual fuel engine, Energy Convers. Manag., vol. 88, pp , [2] A. E. Özçelik, H. Aydoğan, and M. Acaroğlu, Determining the performance, emission and combustion properties of camelina biodiesel blends, Energy Convers. Manag., vol. 96, pp , [3] M. Canakci, A. N. Ozsezen, E. Arcaklioglu, and A. Erdil, Prediction of performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with biodiesel produced from waste frying palm oil, Expert Syst. Appl., vol. 36, no. 5, pp , [4] A. S. Silitonga, H. H. Masjuki, T. M. I. Mahlia, H. C. Ong, and W. T. Chong, Experimental study on performance and exhaust emissions of a diesel engine fuelled with Ceiba pentandra biodiesel blends, Energy Convers. Manag., vol. 76, pp , [5] E. Alptekin, M. Canakci, A. N. Ozsezen, A. Turkcan, and H. Sanli, Using waste animal fat based biodiesels bioethanol diesel fuel blends in a DI diesel engine, Fuel, no. May, [6] N. Yilmaz, F. M. Vigil, K. Benalil, S. M. Davis, and A. Calva, Effect of biodiesel-butanol fuel blends on emissions and performance characteristics of a diesel engine, Fuel, vol. 135, pp , [7] A. N. Ozsezen and M. Canakci, The emission analysis of an IDI diesel engine fueled with methyl ester of waste frying palm oil and its blends, Biomass and Bioenergy, vol. 34, no. 12, pp , [8] K. M. Chun and K. W. Kim, Measurement and Analysis of Knock in a S I Engine Using the Cylinder Pressure and Block Vibration Signals, Methods, no. 41 2, [9] S. Periyasamy and T. Alwarsamy, Analysis of block vibrations induced by combustion chamber pressure in a diesel engine, pp , [10] G. Chiatti, E. Recco, and O. Chiavola, Vibration Processing to Optimize Pressure Development in CR Diesel Engine, [11] H. G. How, H. H. Masjuki, M. a. Kalam, and Y. H. Teoh, An investigation of the engine performance, emissions and combustion characteristics of coconut biodiesel in a high-pressure common-rail diesel engine, Energy, vol. 69, pp ,

7 Alternatif Yakıtla Çalışan Bir Dizel Motorda Silindir Basıncı ile Blok Titreşimi Arasındaki İlişkinin İncelenmesi H.Yıldırım, A.Çınar, A. N. Özsezen, V. Aygül [12] A. Taghizadeh-Alisaraei, B. Ghobadian, T. Tavakoli-Hashjin, and S. S. Mohtasebi, Vibration analysis of a diesel engine using biodiesel and petrodiesel fuel blends, Fuel, vol. 102, pp , [13] E. Uludamar, E. Tosun, and K. Aydın, Experimental and regression analysis of noise and vibration of a compression ignition engine fuelled with various biodiesels, Fuel, vol. 177, pp , [14] G. Chiatti, O. Chiavola, and F. Palmieri, Vibration and acoustic characteristics of a city-car engine fueled with biodiesel blends, Appl. Energy, vol. 185, pp , [15] J. Antoni, J. Daniere, F. Guillet, and R. B. Randall, Effective Vibration Analysis Of IC Engines Using Cyclostationarity. Part 2: New Results On The Reconstruction Of The Cylinder Pressures, J. Sound Vib., vol. 257, no. 5, pp , [16] L. Arnone, M. Boni, S. Manelli, O. Chiavola, S. Conforto, and E. Recco, Diesel Engine Combustion Monitoring through Block Vibration Signal Analysis,