Dizel Motorlarında Yanma Odası İçerisine Su Püskürtmenin Egzoz Emisyonlarına Etkisi

Transkript

1 Dizel Motorlarında Yanma Odası İçerisine Su Püskürtmenin Egzoz Emisyonlarına Etkisi Ahmet İRGİN 1, Mustafa AYDIN 2 Kastamonu Üniversitesi Küre MYO Motorlu Araçlar ve Ulaştırma Teknolojileri Kastamonu, Türkiye airgin@kastamonu.edu.tr 1 2 Karabük Ümiversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Karabük, Türkiye m.aydin@karabuk.edu.tr Abstract In this study, a second injector was placed in the combustion chamber of a single-cylinder diesel engine. Through the second injector, water was injected into the combustion chamber of the diesel engine shortly after injection of the diesel fuel. Nitrogen oxides, which are a significant exhaust emission of the diesel engine and the emission of smoke are reduced by water injection. The availability of water injection as an alternative to systems like EGR, Adblue etc. which are used to reduce exhaust emissions in diesel engines has been experimentally investigated. Keywords Diesel Engines, Exhaust Emissions, Nitroxide Emissions Bu çalışmada, tek silindirli bir dizel motorunun yanma odası içerisine ikinci bir enjektör yerleştirilmiştir. İkinci enjektör vasıtası ile dizel motorunun yanma odasına dizel yakıtı enjeksiyonundan hemen sonra su enjekte edilmiştir. Dizel motorunun önemli bir egzoz emisyonu olan azotoksit ve is emisyonu, gerçekleştirilen su enjeksiyonu ile azalmıştır. Dizel motorlarında egzoz emisyonlarını azaltmak için kullanılan EGR, Adblue vs. sistemlere alternatif olarak su enjeksiyonunun kullanılabilirliği deneysel olarak araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler Azotoksit Emisyonları Dizel Motorları, Egzoz Emisyonları, I. GİRİŞ Günümüz dizel motorlarında artan emisyon standartlarına uygun olarak sürekli emisyon iyileştirmeleri yapılmaktadır. EGR, Adblue, Multijet vs. sistemlerle emisyon değerlerinde kayda değer düşüşler sağlanmıştır. EGR sisteminin motor performansına olumsuz etkisi ve motor maliyetini arttırması, Adblue sisteminin ise kesiksiz maliyetli oluşu alternatif sistem arayışlarını hızlandırmaktadır. Alternatif sistemlerin başında ise dizel motoruna su enjeksiyonu gelmektedir. Nour vd. (2016) tarafından yapılan bir çalışmada, egzoz manifolduna su enjeksiyonunun dizel motorunun yanması ve emisyonu üzerine etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Enjekte edilen su miktarının artmasıyla tutuşma gecikmesi süresi de artmıştır. NO x emisyonu: %10 EGR oranında %40, %25 EGR oranında %80 ve %30 EGR oranında %85 azalmıştır. EGR oranı arttıkça is emisyonu artmıştır. Fakat su enjeksiyonu ile is emisyonu %45 oranına kadar düşürülmüştür. Ma vd. (2014) tarafından yapılan bir çalışmada, emme manifolduna su enjeksiyonunun dizel motorunun yanma ve emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Su enjeksiyonu ile birlikte yanma sonu basıncı ve sıcaklığında azalmalar olmuştur. Su enjeksiyonu yanma süresini arttırmıştır. Mingrui vd. (2017) tarafından yapılan bir çalışmada, yüksek motor performansı ve daha düşük emisyon için su enjeksiyonunun etkisi araştırılmıştır. Direkt enjeksiyonlu bir benzinli motorda (GDI) optimum su oranı %15 olarak belirlenmiştir. NO x emisyonu %34,6 oranında azalmıştır. Fahd vd. (2013) tarafından yapılan bir çalışmada, değişik yük koşullarında su-dizel yakıtı emülsiyonunun dizel motorunun performans ve emisyonuna etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Dizel yakıtına %10 oranında su karışımında, egzoz gazı sıcaklığı düşmüş, NO x emisyonu azalmış, CO emisyonu artmıştır. Subramanian (2011) tarafından yapılan bir çalışmada, dizel motorunun emme manifolduna su enjeksiyonu ile sudizel yakıtı emülsiyonunun NO x ve is emisyonlarına etkisi karşılaştırılmıştır. Her iki durumda da CO ve HC emisyonu artmış, NO x ve is emisyonu azalmıştır. Vellaiyan vd. (2016) tarafından yapılan bir çalışmada sudizel yakıtı emülsiyonu ve katkılarının dizel motoru performansı ve emisyonu üzerindeki rolü retrospektif olarak incelenmiştir. NO x emisyonunda %45, is emisyonunda %80-90 oranında azalmalar kaydedilmiştir. HC ve CO emisyonlarında tutarsızlık görülmüştür. 016

2 Şahin vd. (2014) tarafından yapılan bir çalışmada, dizel motorunun emiş havasına su eklenmesinin motor performansı ve egzoz emisyonu üzerine etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Hacimce %2 ile %10 oranları arasında su emme manifolduna sevk edilmiştir. Su ilavesi arttıkça NO x ve is emisyonu azalmıştır. Deney düzeneğinin şeması ve genel görünümü Şekil 1 ve 2 de verilmiştir. Kökkülünk vd. (2013) tarafından yapılan bir çalışmada, buhar püskürtme sisteminin dizel motorunun performans ve emisyon parametrelerine etkisi teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. NO x emisyonu %22,4 oranında azalmış, CO ve CO 2 emisyonu çok az bir miktar artmış, is emisyonu ise belirsizlik göstermiştir. II. MATERYAL VE METOT Dizel motorunun yanma odası içerisine direkt su püskürtme deneyi için Tablo 1 de teknik özellikleri verilen bir dizel jeneratör kullanılmıştır. Dizel motorunun silindir üst kapağına ikinci bir enjektör yerleştirilmiştir. Burada Magnetti Marelli marka GDI enjektörü tercih edilmiştir. Bu enjektör, dizel motorunun krank miline bağlı olan bir encoder tarafından alınan veri doğrultusunda GDI enjektör sürücüsü vasıtasıyla tetiklenmiştir. 25 avans ile dizel yakıtı, 15 avans ve 100 bar basınçla su enjeksiyonu gerçekleştirilmiştir. Tablo 1. Dizel Jeneratörün Özellikleri DİZEL MOTOR Marka Katana Model KM 178 FE Silindir Sayısı 1 Yakıt Cinsi Dizel Silindir Çapı (mm) 78 Strok (mm) 62 Sıkıştırma Oranı 18 /1 Silindir Hacmi (cm 3 ) 296 Maksimum Motor Hızı (d/d) 3000 Püskürtme Basıncı (bar) (Dizel Yakıtı) 200 Püskürtme Avansı (KMA) (Dizel Yakıtı) 25 ±1 Püskürtme Avansı (KMA) (Su) 15 ±1 Püskürtme Basıncı (bar) (Su) 100 Hava Filtresi Çift Elemanlı Elektrik Sistemi 12 V 36 Ah Yağ Haznesi Kapasitesi (lt) 1,1 JENARATÖR Marka Katana KD 4500 E Maksimum Çıkış 4,2 kva Sürekli Çıkış Gücü 3,36 kva Volt 230 Frekans 50 Hz Faz 1 AC Devre Kesici Var 1- Dizel Motor 2- Jeneratör 3- Yüksek Basınç Azot Tankı 4- Yüksek Basınç Su Tankı 5- Dizel Yakıt Deposu 6- Egzoz Emisyon Ölçüm Cihazı 7- İs Emisyon Ölçüm Cihazı 8-Dijital Termometre 9- Elektronik Kontrol Ünitesi 10-GDI Enjektör Sürücüsü 11- Akümülatör 12- Yük Ünitesi 13- Yük Ünitesi Kontrol Panosu 14- Azot Gazı Regülatörü 15- Dizel Yakıt Enjektörü 16- GDI Enjektör 17- Encoder 18- Dijital Terazi 19- Yüksek Basınç Vanası 20- Motor Kumanda Panosu Şekil 1. Deney Düzeneği Şeması Şekil 2. Deney Düzeneği Genel Görünümü Yanma odası içerisine su püskürtmek amacıyla modifiye edilmiş silindir üst kapağının ikinci enjektör ile olan görüntüsü Şekil 3 te verilmiştir. 017

3 Şekil 3. Modifiye Edilmiş Silindir Üst Kapağı Yanma odası içerisine su püskürtmek için kullanılan ve geri dönüş hattı olmayan Magnetti Marelli marka GDI enjektörünün genel görünümü Şekil 4 te verilmiştir. Şekil 4. Motor Volanı ve Encoder III. BULGULAR VE TARTIŞMA Deneyde kullanılan dizel yakıtının kütlece %10, %15 ve %20 si oranınca yanma odası içerisine su enjekte edilmiştir. Deneyler 1000 Watt motor yükü altında 3000 d/d sabit motor hızında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen egzoz emisyon değerleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Egzoz Emisyon Değerleri (1000 Watt Motor Yükü ve 3000 d/d) Kütlece Su Enjeksiyon HC (ppm) NO x (ppm) CO (%) İS (%) Oranları % ,45 37 Şekil 4. Magnetti Marelli Marka GDI Enjektörü Deney motoru volanına bağlanan encoder ile krank mili açısı 1 hassasiyetle takip edilmiş ve motor devir bilgisi tasarlanan elektronik kontrol ünitesine iletilmiştir. Encoderin montaj görüntüsü Şekil 5 te verilmiştir. % ,49 32 % ,52 29 % ,54 27 Su enjeksiyonu yanma sonu sıcaklığını düşürdüğü için NO x emisyonu kütlece %20 su enjeksiyonu oranında en fazla iyileşmeyi göstermiştir. Yapılan deneyde maksimum %31,6 NO x emisyonu azalması olmuştur. Su enjeksiyonuna bağlı NO x emisyon değerleri Şekil 5 te verilmiştir. 018

4 NO x Emisyonu (ppm) HC Emisyonu (ppm) Şekil 5. NO x Emisyonları Şekil 7. HC Emisyonları Yanma odası içerisine enjekte edilen suyun yanma süresini uzatması is emisyonunun azalmasını sağlamıştır. %15 su enjeksiyonu oranı ile maksimum is emisyonu iyileşmesi sağlanmıştır. Şekil 6 da is emisyonları grafiği verilmiştir. Bir miktar HC emisyonu artışının yanında CO emisyonu da artmıştır. Yanma olayının gecikmesi ve silindir içi sıcaklığın azalması CO emisyonunun CO 2 dönüşümünü engellemiştir. CO emisyonları Şekil 8 de grafik üzerinde gösterilmiştir. İs Emisyonu (%) CO Emisyonu (%) 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 Şekil 6. İs Emisyonları Şekil 8. CO Emisyonları HC emisyonu su enjeksiyonu oranına bağlı olarak bir miktar artış göstermiştir. Su enjeksiyonu ile yanma süresinin uzaması ve silindir içi sıcaklığının azalması sonucu HC emisyonu kötüleşmiştir. Şekil 7 de HC emisyonları grafiği verilmiştir. IV. SONUÇLAR Bu çalışmada, dizel motorlarında yanma odası içerisine su püskürtmenin egzoz emisyonlarına etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler 3000 d/d sabit motor hızında, 1000 Watt sabit motor yükünde, kütlece dizel yakıtının %10, %15 ve %20 si oranında su enjeksiyonu ile gerçekleştirilmiştir. %20 su enjeksiyonu ile NO x emisyonunda %32 ye varan iyileşmeler görülmüştür. %20 su enjeksiyonu ile is emisyonunda maksimum %27 oranında azalma olmuştur. 019

5 HC emisyonu azami %8,3 oranında artmıştır. CO emisyonu azami %20 oranında artmıştır. REFERANSLAR [1] Nour, M., Kosaka, H., Abdel-Rahman Ali, K. and Bady, M., Effect of water injection into exhaust manifold on diesel engine combustion and emissions, Energy Procedia, 100: (2016). [2] Ma, X., Zhang, F., Han, K., Zhu, Z. and Liu, Y., Effects of intake manifold water injection on combustion and emissions of diesel engine, Energy Procedia, 61: (2014). [3] Mingrui, W., Sa, N.T., Turkson, R.F., Jinping, L. and Guanlun, G., Water injection for higher engine performance and lower emissions, Journal of the Energy Institute, 90-2: (2017). [4] Fahd, M.E.A., Wenming, Y., Lee, P.S., Chou, S.K. and Yap, C.R., Experimantal investigation of the performance and emission characteristics of direct injection diesel engine by water emulsion diesel under varying engine load condition, Applied Energy, 102: (2013). [5] Subramanian, K.A., A comparison of water-diesel emulsion and timed injection of water into the intake manifold of a diesel engine for simultane ous control of NO and smoke emissions, Energy Conversion and Management, 52-2: (2011). [6] Vellaiyan, S.and Amirthagadeswaran, K.S., The role of water-indiesel emulsion and its additives on diesel engine performance and emission levels: A retrospective review, Alexandria Enginering Journal, 5513: (2016). [7] Şahin, Z., Tuti, M. and Durgun, O., Experimental investigation of the effects of water adding to the intake air on the engine performance and exhaust emissions in a DI automotive diesel engine, Fuel, 115: (2014). [8] Kökkülünk, G., Gonca, G., Ayhan, V., Cesur, İ. and Parlak, A., Theoretical and experimental incestigation of diesel engine with steam injection system on performance and emission parameters, Applied Thermal Engineering, 54-1: (2013). 020