S KARAKTERİSTİKLERİ ve NOx EMİSYONLARI ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN INCELENMESI

Transkript

1 SAÜ. Fen Blnler Dergs,. Clt,. Say, s. 2-26, 2007 Soya Yağ Metl Esernn Motor Perfonans Karakterstkler ve Nox Emsyonlar Üzerndek Etksnn İncelennes SOYA Y AGI METİL ES TERİNİN MOTOR PERFO S KARAKTERİSTİKLERİ ve NOx EMİSYONLARI ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN INCELENMESI Murat KARABEKTAŞ, Gökhan ERGEN2. Murat KARABEKT AŞ, Sakarya Ünverstes Teknk Eğtm Fakültes Makna Eğtm Bölümü Sakarya/TÜRKİYE, nuratk@sakarya.edu.tr 2. Göl<han ERGEN, Sakarya Ünverstes Teknk Eğtm Fakültes Makna Eğtn Bölümü Sakarya/ TÜRKİYE, gergen@sakarya.edu.tr ÖZET Bu çalşmada, rafne soya yağndan transesterfkasyon yöntenyle elde edlen ve byodzel olarak adlandrlan soya yağ netl esternn (SYME), br dzel motorunda kullanlmas sonucu elde edlen motor perfornans karakterstkler ve NOx emsyon değerlerndek değşmler dzel yakt le karşlaştrlmal olaral( değerlendrlnştr. Byodzel yaktnn testlernde motorne oranla daha düşük sl değer, yüksek vskozte ve yoğunluk saptannştr. Motor testlernde se motorne oranla efektf güçte ortalama 0/o3.92 azalma ortaya çkmaktadr. Özgül yakt tüketnnde artş görülnektedr. NOx emsyonlar SYME yakt le belrgn artş göstermektedr. Yaplan testlerde yaktn kullanm le lgl öneml br sorunla karşlaşlnamştr. Anahtar Kelmeler Byodzel, Transesterfkasyon,NOx Emsyonu, Motor Perfonuans INVESTIGATION OF EFFECT OF USING SOYBEAN OIL METHYLESER ON ENGINE PERFORl\ANCE CHARACTERISTICS AND NOx EMISSIONS ABSTRACT Ths artcle presents engne perfornance characterstcs and NOx emssons values obtaned fron test results of a desel engne operated on neat soybean ol nethyl ester (SYME) produced from neat soybean ol vja transestercaton. It s determned by neans of fuel test that heatng value s lower, vscosty and dcnsty are hgher for SYME compared to desel fuel. Engne test results revealed that SYME leads to an avarege of 3.92% lower break power and ncrease n bre ak specfc fuel consumpton (bs fe). NOx emssons ncrease wth SYME. There w as no problem observed about usage of the fuel for the duraton of the tes ts. Key Words Bodesel, Transesterfcaton, NOx Ensson, Engnc Perfornance. Grş Geçtnş yllarda yaşanan petrol krzler, yükselen yakt fyatlan, yaktlarn yerel kaynaklardan üretleblme htyac, enerj htyacnn dşa bağml olmaktan kurtarlnasa, güvenl ve yeterl nlctarda yakt her zanan tenn edeblne düşünces, mevcut yaktlarn ana kaynağ olan petrol rezervlernn yl gb ksa br süre le snrl olnas gb öneml faktörlern etksyle, petrol köken yak tl ann yerne çten yannal motorlarda kullanlablecek alternatf yaktlar le lgl çalşmalar gününüzde yoğun bçnde sürdürülnektedr. Bunun yannda, başta metropol kentler olmak üzere yaşanan hava krllğ probleni artk küresel snma boyutunda etkler ortaya koymaktadr. Yllar tbaryle sürekl artş gösteren notorlu taşt saysna bağl olarak artan taştlardan kaynaklanan egzoz emsyonlar artk tehlke boyutlarn üzerne çkmaktadr. Netcede dünyada brçok yerde, yönetmlerce emsyonlar kstlayc yasal düzenlemeler yaplmakta ve bu düzenlemeler gün geçtkçe daha da daralan lntler ortaya çkamaktadr. Mevcut petrol kökenl yaktlarla bu lmtler karşlamak çn yaplan notor üzerndek yenlkler ve yakt sstemndek yen teknoloj uygulanalar artk zor br sürece doğru gtmektedr. Dolaysyla petroj kökenl 2

2 SAÜ. Fen Blmler Dergs, ll. Clt,. Say, s. 2-26, 2007 Soya Yağ Metl Esternn Motor Performans I<.arakterstkler ve Nox Emsyonlar Üzerndek Etksnn ncelenmes yaktlann yern alacak alternatf yaktlar çn stenen öneml özellklerden br olarak; emsyon standartlarn karşlayacak çerkte olmas gösterleblr. Gelecekte çten yanmal motorlarda kullanm muhtemel alternatf yaktlar şu şeklde snflandrmak mümkündür [, 2]; çkmaktadr. Byodzel yaktnn kullanldğ dzel notorlarnda ortaya çkan emsyon karakterstkler le lgl olarak genellkle CO ve H C emsyonlarnda azalma ve NOx emsyonlarnda artş olduğu belrtlmektedr [9, 0, ll, 2].. Sv yaktlar; alkoller (metanol, etanol), byodzel, MTBE (metl tetra bütl eter), ETBE (et] tetra bütl eter) 2. Gaz yaktlar; doğalgaz (LNG, CNG), hdrojen 3. Elektrk; yakt hücreler, elektrkl araçlar Bu yaktlann brçok yönden brbrlerne karş avantaj ve dezavantajlar bulunmaktadr. Son yllarda özellkle hdrojen yaktlar üzernde oldukça yoğun çalşmalar sürdürülmektedr. Yakt hücrelernde uygulanablmes ve yakt kullanm sonucu sera etksne sebep olan C02 gb br emsyonu üretmemes hdrojenn en büyük avantaj olarak görülmektedr. Ancak hdrojenn araç üzernde depolama güçlüğü, taştlarda yakn gelecekte yaygn olarak kullanm çn öneml br sorun oluşturmaktadr [3]. Mevcut dzel motorlu araçlarda çok fazla modfkasyona gereksnm duyulmadan yakt olarak kullanlablmes, yerel kaynaklardan üretleblmes, yenleneblr br yakt olmas, oksjen çerğne bağl olarak y yanma karakterstkler göstermes gb avantajlar sebebyle byodzel son yllarda üzernde çalşlan br alternatf yakt olarak ortaya çkmaktadr [4, 5, 6, 7]. 2. Materyal ve Metod Yaplan çalşma k aşamadan oluşmaktadr. Çalşmann lk aşamasnda rafne soya yağ kullanlarak transesterfkasyon yöntemyle byodzel yakt olarak adlandrlan soya yağ metl ester (SYME) elde edlmş, yakt özellkler laboratuar testleryle belrlenmştr. Çalşmann knc aşanasnda se üretlen byodzel yaktl, saf olarak br dzel motorunda performans ve emsyon testlerne tab tutulmuştur. Benzer testler karşlaştrma yapablmek amacyla öncelkle dzel yakt le gerçekleştrlmştr. 2.. Byodzel Üretm Byodzel yakt üretm, Sakarya Ünverstes Teknk Eğtm Fakültes Makna Eğtm Bölümü laboratuarlarnda gerçekleştrlmştr. Şekl 2. de rafne br yağn transesterfkasyon yön te m uygulanarak me tl estere dönüştürülmes çn uygulanan akş şemas görülmektedr.. Alkol + katalzör btksel yağ Byodzeln ana kaynağ olan btksel yağ, drekt olarak saf halde mevcut dzel motorlarnda kullanmak, yüksek yoğunluk, yüksek vzkozte, kötü fltreleme olanağ ve düşük buharlaşma özellğnden dolay yakt sstem ve motor çalşmasnda brçok olumsuz etk ortaya koymaktadr [8, 9]. Bu problemern çözümü çn yaktn vzkozte değerlern dzel yaktna yakn değerlere ndrgeme gerekllğ vardr. Bunun çn btksel yağn stlmas dahl brçok metod denenmştr. Lteratür çalşmalarnda btksel yağn motorlarda kullanm ve vzkoztenn azaltlmas çn uygulanacak en uygun metodun transesterfkasyon yoluyla byodzel elde etme olduğu açkça vurguanmaktadr [ 0]. Transesterfkasyon Sülfurk ast (H. SO.{) Şekl 2.. Byodzel üretm Kuroha Drlmd Qtnt -o.- BIVODIZEL ayrca btksel yağn teknk özellklern yleştrrnekte ve modern dzel motorlarnda kullanlablecek duruma getrmektedr. Byodzeln motorlarda kullanm çn en avantajl yönünün oksjen çerğ olduğu söyleneblr. Bundan dolay motorne göre daha y yanma karakterstkler Üretlen byodzel yaktn analzler ODTÜ Petrol Araştrma Merkeznde yaptrlnştr. Dzel yaktnn özellkler se TÜPRAŞ tan alnan değerler olarak belrlenmştr. Üretlen ve deneylerde kullanlan yaktlarn baz özellkler Tablo 2. de verlmektedr. göstermes netces s emsyonlarnda düşük değerler görülmektedr. Dğer yenleneblr yaktlar gb doğada kolayca çözüneblr, zehrl değldr ve sülfr çermez. Ayrca byodzel-dzel yakt le yaplan karşm yakt kullanmnda daha y yağlama özellkler ortaya 22

3 SAÜ. Fen Blnler Dergs, ll. Clt,. Say, s. 2-26, 2007 Soya Yağ Metl Esternn Motor Perfonnans Karakterstkler ve Nox Emsyonlar Üzerndek Etksnn İncelennes Tablo 2.. Deneylerde kullanlan yaktlarn özellkler Tablo 2.2. Deney motorunun teknk özellkler. DİZEL BİYODİZEL ÖZELLİKLER YAKlTI (SYME) Knematk Vzkozte 40 Cde (cst) Alt fs l değer (kj/kg) ; Yoğunluk 5 Cde (kg/l) Alevlenme Noktas ( C) , Tüpraş Tarafndan garant edlen değerlern ortalanas Tüpraş Tarafndan garant edlen mnmum değer 2.2. Deney Düzeneğ Üretlen byodzel yakt le perfornans ve emsyon değerlern belrlenek çn gerekl motor deney ler, Sakarya Ünversües Teknk Eğtm Fakültes Makna Eğtn Bölünlü laboratuarlarnda gerçekleştrlnştr. Şekl 2.2 de deney düzeneğn oluşturan elemanlar ve bu elenanlarn brbrleryle bağntlan şenatk olarak görülmektedr. 6 Marka ve nodel Antor 6 LD 400 Çalşma prensb 4 zananl Slndr says Slndr çap (mm) 86 Strok (nn) 68 Toplan slndr hacm ( cm3) 395 Skştrma oran 8 L Maksnum motor gücü (HP) 8.5 (3600 dev/dakta) Maksn.un döndürme moment (Nrn). 3. Bulgular 3.. Efektf güç 20 (2200 dev/dakta) Dzel yakt ve SYME le elde edlen motor efektf gücü değşmler Şekl 3. de görülmektedr. Efektf güç karakterstk ojarak dze] yakt ve SYME le notor devr artşna bağl olarak yüksclrnektedr. Her k yaktta da en yüksek motor gücü 3200 dev/dakta elde edlmştr. Genel br bakş açs le motorun bütün devrlernde dzel yaktl le SYME ye oranla daha yüksek efektf güç değerler elde edlnektedr. Motor devrnn artşna bağl olarak yüksek devrlerde SYIVE le dzel yakt arasnda elde edlen güç fark artmaktadr. Maksmum gücün elde edldğ 3200 dev/dakta dzel yaktlna oranla SYME le 0/o 7,23 oranlarnda güç düşüşü saptannjştr. Bu güç düşüşü 800 dev/dakta %2,20 olarak gerçekleşmştr. -" o U-0000oo oo OOOoo.. o ,,.....,,,,,,,,,,_,,,,,...,,,_.oo_...,, HO..._,...,,,.,,_ o... _...,... L. Deney motoru?. Dnamometre 3. Kontrol panel 4. Hava sönümleme Tank 5. Eğk nanometre 6. Orfs plakas 7. Hacmsel yckt ölçer R. Yakt deposu 9. Egzoz emsyon chaz,_.._, --" g Şekl 2.2. Deney düzeneğjnn şematk görünüşü Deneylerde Antor (6 LD 400) marka, tek slndrl, drekt püskürtnel, hava soğutmal, br dzel motor kullanln ştr. Tvotorun teknk özellkler Tablo 2. 2 de belrtlmektedr. Dze] yakt ve byodzel yaktnn motor perfonnans ve NOx ensyonu değerlern belrlenek amacyla deney notoruna tam yük-değşk hz testler uygulanmştr. Motorun en y çalşma koşullar göz önüne alnarak, deney aralklar; 800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200 dev/dak olmak üzere 200 dev/dak aralkl olarak belrlenmştr. Deneylerde yakt olarak, saf dzel yakt ve saf bjyodze (SYME ) kujlanlmştr Motnr -- Byodzel Şekl3.l. Motor devrne bağl efektf güç değşmler Devr (dev/dak) Bütün motor devrler göz önüne alndğnda SYME le ortalana %3,92 orannda daha düşük efektf güç değer belrlenmştr. Daha öncek çalşmalarda da genebkle belrtjdğ gb, byodzel yaktlar dzel yaktna oranla daha düşük alt sl değere sahp olduğu çn efektf güç düşüş göstenektedr. Ancak güç düşüşünün notor 23

4 SA Ü. Fen B lnler Dergs, ll. C lt,. Say, s. 2-26, 2007 Soya Yağ Metl Esternn Motor Performans Karakterstkler ve Nox Enüsyonlar Üzerndek Etksnn ncelenmes M. I<arabektaş perfonuansn çok fazla etkleyc br boyutta olmadğ görülmektedr Efektf tork Motor devrne bağl olarak dze yakt ve SYME le elde edlen efektf tork değşünler Şekl 3.2 de görülmektedr. Görüldüğü gb bütün notor devrlernde SYME le daha düşük tork değerler saptanmştr. Dzel yakt ve SYME le düşük ve yüksek motor devrlernde daha düşük tork değerler elde edlrken en yüksek tork değerlernn dev/dak aralğnda elde edldğ görülnektedr. Maksmun torkun elde edldğ 2400 dev/dakta motor devrnde motorne oranla SYME le oluşan tork fark /o4,34 olarak belrlenmştr. 800 dev/dakta %2,20, 3200 dev/dakta se o/o7,23 oranlarnda daha düşük tork değerler elde edlmştr. Buradan görüldüğü gb SYME nn sahp olduğu düşük alt sl değer nedenyle notor efektf gücünde olduğu gb torkunda da daha düşük değerler ortaya çkmaktadr. Ancak bu farklar SYME ve dze yaktt arasndak alt sl değern oranyla paralel değl daha düşük değerlerdedr. Bu duruma karşlk byodzel yaktlarn sahp olduğu oksjen çerğnn yanma karakterstklern yleştrnes ve notor performans karakterstklern makul sevyede tutmas gösterleblnektedr.,-... E _ ,_... _,_ o j A. Moturn -- Byodzel Şek H 3.2. Motor devrne bağl efektf tork değşmler 3.3.Özgül yakt tüketn Devr (dev/dak), Özgül yakt tüketn değerler genel br karakterstk olarak notorlarda düşük ve yüksek devrlerde yüksek değerler göstermektedr. Orta motor devrlernde se daha düşük değerler belrlenmektedr. Motor devrne bağl olarak özgül yakt tüketmndek değşklkler Şekl 3.3 te verlnektedr.,, _ T , - A Motorn -- Byodzel Devr (dev/dak) Şekl3.3. Motor devrne bağl özgül yakt tüketm değşnler Görüldüğü gb en düşük özgü] yakt tüketm tüm yaktlarda yaklaşk 2600 dev/dakta saptanmştr. devrde dzel yaktna oranla SYME le j ; Bu %9,04 daha yüksek özgül yakt tüketni değerler saptannştr. Ortalama motor devrler göz önüne alndğnda motorne oranla SYME le ortalana %9,8 oranjannda daha yüksek özgül yakt tüketm değerler elde edlnştr. SYME nn düşük alt s] değernden dolay dze I yaktna yakn güç elde edeblmek amacyla pompadan daha fazla yakt gönderlnes yakt tüketni ve özgül yakt tüketnnde artşlarn ortaya çkmasna sebep alnaktadr 3.4. Termk verm Motor devrne bağl olarak SYME ve dzel yakt kullanlmas sonucu ternk vermdek değşn Şekl 3.4 te görühnektedr. 30., _ ,... - _ r , " /---= l... ; 24r r--- - A. Motllrn -- Byodzel r ----., H Şekl 3.4. Motor devrne bağl ternk verm değşmler Devr (dev/dak) ; 3400 Termk vern notorun genel br karakterstğ olarak motorun düşük ve yüksek devrlernde düşüş göstennekte orta devrlerde se artnaktadr. Maksmum değerlern 24

5 .. SAU. Fen Blmler Dergs,. Clt,. Say, s , Soya Yağ Me tl Es ternn Motor Perfonans I<araktersüker ve N Ox Ensyonlar Üzerndek Etksnn İncelennes M. Kara bektaş elde edldğ 2600 dev/dakta dzel yaktna oranla SYE le %5,37 orantnda artş görülmektedr. Motorun tüm devr aralklar göz önüne alndtğnda ortalama olarak dzel yaktna oranla SYME le 0/o5,26 oran lannda artşlar tespt edlnştr. SYME nn düşük alt s tl değerne rağmen, sahp olduğu oksjen çerğ karşm oluşunu ve yanma yönünden olumlu etk yapmakta bu da termk vern artş olarak ortaya çknaktadr NOx emsyonu Byodzel yaktlan le yaplan çalşmalarda genellkle perfondans yönünden olunlu sonuçlar elde edlmektedr. SYME ve dzel yakt kullann sonucu NOx ensyonlarndak değşm Şekl 3.5 te görülnektedr. NOx emsyonarn motorlarda etkleyen en öneml k paranetre yanna ortatnnda bulunan oksjen mktar ve maksnum scaklklara ulaşma ve kalma süresdr. Grafk ncelendğnde, SYME le dze] yaktna oranla NOx ensyonlarnda hemen hemen tüm motor devrlernde daha yüksek değerler elde edldğ görülmektedr O OOo ooooooo O O Ot OO OoO 000 OOhoooOooooo o,., OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOoOoOO ooooooooo-ooouo-oooo-ooooooouoo_ O..,oooooo ooroo / x o z deneysel 4. SONUÇLAR Rafne soya yağndan transesterfkasyon metoduyla üretlen byodzel yaktna uygulanan testler sonucu vskoztesnn dzel yaktna oranla o/o58,34 orannda daha yüksek olduğu, buna karşn s l değernn o/o I 2.96 daha düşük olduğu saptanmştr. SYMEnn dzel motonnda kullanm le yaptan çalşma sonucuna göre, efektf güç ve tork değerler göz önüne alndğnda S YME le motorne oranla daha düşük efektf güç ve tork değerler elde edlnştr. Efektf güçtek ve torktak bu düşüş makul sevyelerde (ortalama %3,92) olnaktadr. Özgül yakt tüketm değerler se SYME le dzel yaktna oranla ortalama o/o9, 8 orannda artş gösternektedr. D zel yaktna göre saf byodzel ve karşn yaktlarda ortaya çkan güç ve tork düşüşü ve özgül yakt tüketm artş byodzeln sahp olduğu düşük alt sl değerden kaynaklannaktadr. Termk verm değerler göz önüne alndğnda se SYME le ortalama olarak %5,26 orannda artş olmaktadr. NOx emsyonlar ncelendğnde SYME baz alndğnda ortalana olarak 0/ol8,23 orannda arasnda artş görülnektedr. Bodzel yaktnn oksjen çerğ ve oluşturduğu karşnn yüksek HFK değer NOx ensyon artşnda etkl olnaktadr. KAYNAKLAR -.A Moto r n -- Byodzel [] Nchols, R., J., " The Challenges Of Change In The Au to Industry Why Altenatve Fuels?", Journal Of Engneerng For Gas Turbnes, Transacton Of The ASME, Vol 6, October Rnn Mn?nnn??nn?4nn?Fnn?Ann nnn? n n -4nn Şekl3.5. tfotor devrne bağl NOx değşmler Devr (dev/dak) Makslnun değerlern elde edldğ 3000 dev/dakta, SYME kujlanldğnda dzel yaktna oranla %2,20 orannda artş tespt edlnştr. Tüm motor devrler göz önüne alndğnda ortalama olarak %8,23 oranlarnda artş tespt edlnştr. NOx artş oran çn en belrgn sebep byodzeln çerdğ % O cvarndak oksjen ve oluşan byodzel-hava kanşnndak HFK değernn yüksek olnas gösterleblmektedr. Byodzel yaktnn alternatf br notor yakt olarak notorne oranla gösterdğ en önenl sorun, kullanm sonucu ortaya çkan NOx ensyonlarndak bu artjştr. [2] Coup, D.," Toyotas approach to altcrnatve technology vehcles The power of dversfcaton strateges", Corporate Envronnental Strategy 6, vol [3] Johnston, B., Mayo, M, Hydrogen the energy source for Technovaton 25, vol , 2005 C., Khare, A., the 2 st century", [4] Slva, F., N., Prata, A., S., Texera, J> R., Techncal feasblty assessnent of ol e c sunflower nethy es ter u tlsaton n desel b us engnes", Encrgy Canverson and Managenent 44 (2003) [5] Antoln, G., Tnaut, F., V., Brceno, Y., Castano, V., Perez, C., Ranrez, A., I., "Optnzaton of bodesel producton by sunflower o l transesterfcaton", Boresource Technology, 83 (2002) -4 [6] Gomez, M. E. G., Hldge, R. H., Leahy, J. J., Relly, T. 0., Supple, B., Malone, M., "Emsson and 25

6 SAÜ. Fen Blmler Dergs, ll. C lt,. Say, s. 2-26, 2007 Soya Yağ Metl Esternn Motor Performans Karakterstkler ve Nox Emsyonlar Üzerndek Etksnn ncelenmes perfonnance characterstcs of a desel van operatng on esterfed w as te o l and desel fuel", Envronment Manİtorng and Assesnent, , 2000 [7] Çetnkaya, M., Ulusoy, Y., Engn e and w n ter road test perforrnances of used cookng ol orgnated bodesel, Energy Canverson and Management 46 (2005) [8] Pranank, K., "Propertes and use of jatropha curcas ol and desel fuel blends n conpresson gnton engne, Renewabe Energy ", 28 (2003) [9] Labeckas, G., Slavnkas, S., "The effect of rapeseed ol methy ester on drect njecton desel engne performan ce and exhaust emssons, Energy and Management, 2005 [0] Puhana, S., Vedaramana, N., "Performance and emsson study of mahua ol (madhuca ndca ol) ethyl ester n a 4-stroke natural asprated drect njecton desel engne, Renewable Energy 30 (2005) [ ] Raheman, H., Phadatare, A, G., Desel engn e emssons and perfornance from blends of karanja nethyl ester and desel" B anass and Boenergy 27 (2004) [2] Marshall, W., Schumacher, L., Howell, S., "Engne exhaust emssons evaluaton of a cummns Ll OE when fueled wth a bodesel blend", SAE paper