E1"'ANOL VE METANOLÜN BUJİ İLE ATEŞLEMELİMOTOR YAKlTI OLARAK KULLANIMI

Transkript

1 kılt t.\tt Fen Bilileri Etitüsü Dergisi t l.sayı (Mart 2003) Etanol ve MetanolUn Buji ile Ateşleeli Motor Yakltı Olarak Kullaını M.Karabektaş E"'ANOL VE METANOLÜN BUJİ İLE ATEŞLEMELİMOTOR YAKlTI OLARAK KULLANIMI Murat Karabektaş Ozet Alternatif otor yakıtları arasında oktan sayısı avantajı ile etanot ve etanot ticari olarak buji ateşleeli otorlarda (BAM) kullanı olanağı buluştur. Bu çalışada ınetanol ve etaııolün BAM'larda kullanı özellikleri belirtilnıiş egzoz entisyonu ve otor perfornıaı açısından değerlendireleri yapılıştır. Alkol yakıtlar efektif' tork özgül yakıt tüketii ısıl veri açısından benzine oranla oldukça avantajlıdır. Özellikle CO HC eisyonları yönünden daha az kirletici etki gösterelerine rağen aldehit eisyonlarında artış görülektcdir. Anahtar KelielerAlternatif yakıt etanol ctanol egzoz eisyonu otor perforaı ı\bstract Aong the alternative engine fuels etbanol and ethanol can be used as coercially fuel fors park ignition engine (SI) bccause of their higher octane nubers. İn this study" the features of ethanol and ethanoj as fuel for SI engines are stated. The characteristics of alcoholfueled SI engine are evaluated regarding exhaust eissio and engine pcrforances. Alcohol t'uels have ore advantages than petrol as regards torque break specific fuel couption theral efficiencies. ı\lcobols cause a arked reduction in the CO and HC eissio but increase in aldehyde eıssıon. KeywordsAlternative fuel ethanol ethanol exhaust eission engiııe perforance I. GİRİŞ l\otorlu araçlardan kaynaklanan egzoz eisyonlann yasal düzenleelerle sürekli daralan hrnitleri ve yakıt fıyatlarındaki artış alternatif otor yakıtlarına olan ilgiyi arttırıştır. Petrol rezervlerinin sınırlı olasın yaronda bu rezervlerinin dünya üzerinde belli bölgelerde yoğunlaşış duruda olduğu bilinektedir. MKarabektaş Sakarya Üniversitesi Teknik Eği FakültesiMakine Eğitii BölOü Petrol kaynaklarına sahip olayan ülkeler için petrole bağılı kaladan kendi yerel kaynaklarından enerji ihtiyacını karşılayabile düşüncesi alternatif yakıtlara olan ilginin öneli sebepleri arasında gösterilebilir. Egzoz enıisyonları global ısına gibi ciddi çevresel sorunların ana uurlanndan biridir. E isyonlardan ka ynakanan kirliliği azaltınanın bir yolu da evcut petrol kökenli yakıtlar yerine alternatif yakıt kullanakhr. Yapılan çalışalar alternatif yakıtlanıı evcut yakıtlaı a oranla daha az kirletici eisyon ürettiklerini gösterektedir. Alternatif bir yakıtın ticari olarak kabul edilesi için fiyatının uygun olası ve otorlarda fazla odifıkasyona ihtiyaç duyuladan kullanılabilesi gerekektedir. Diğer yakıtlardan farklı olarak alkol yakıtlar evcut buji ateşlee li otorlarda çok az odifıkasyonla kullanılabilektedir. Alkol yakıtlar (etanol ve etanol) direkt otor yalatı olarak (E 00) kullanılabildiği gibi benzin ile belli oranlarda kanşı oluşturularak (E O veya gasohol) kullanılabilnıektedir. ll. ALKOL Y AKITLARIN ÖZELLİKLERİ Etanol (C2Il50H) ve etanol ( CH30H ) buji ile ateşleeli otorlarda (BAM) kullanı. ygun olan yakıtlardır. Etanol 'ün en öneli özelliği yenilenebilir alternatif bir yakıt olası ve zirai ürünlerden (şeker kaışı ısır) ferantasyon yoluyla üretilebilesidir. Metanal ise doğal gaz köür gibi ürünlerden elde edilir. Bu yönleriyle alkol yakıtların petrol kökenli yakıtlardan farklı olarak dünyanın çeşitli bölgelerine dağılış ürünlerden ve yerel kaynaklardan elde edilebileceği hususu öneli bir noktadır. Alkol ve benzinin yanasındaki farklılık kiyasal özelliklednden kaynaklanaktadır. B enzin yüzlerce farklı hidrokarbonun bileşiinden oluşuştur. Bu bileşenlerin her birinin kendine özgü kaynaa noktası vardır. Alkoller ise saf bileşidir ve tek bir kaynaa noktasına sahiptirler. Ayrıca alkolleriıı otor yakıtı olarak kullanunda yana karakteristiklerinin benzinden farklı olasının öneli bir nedeni bileşilerinde oksijen içereleri dir. Tablo 'de alkol yakıtların petrol 03

2 . SAU Fen Bilileri Etitüsü Dergsı 7.Cilt J.Sayı (Mart 2003) Etanol ve Metanolün Buıı ıe At: ' k K.u llaııı l\otor Yakıtı Ola;;.ı<.ar h kökenli yakıtlarla karşılaştıralı özellikleri verilektedir. [ ] suyun iktan arttığında ise karışıın ı eşe a yrılu. (faz a yrışas ı) b ı nletule Motor yakıtı olarak alkollerin ana karakteristiklerini şu şekilde sıralayabiliriz. Tablo ı. Alkol yakıt ve benzinin özellikleıi Benzin Meta no I Etanol ) Alkoller sahip olduklan yüksek oktan sayısı sebebiyle buji ateşleeli otor]ar için uygun bir yakıttır. Ancak sahip oldukları düşük setan sayısı bu yakıtlann dizel otorlarında kullanıını Kiyasal yapı Hidrokarbon CthOH kan ş ıı Özgül ağırlık o 79 (60 F} C2HsOfl 0.79 ' güçleştirir. Alkol yakıtların sahip oldukları yüksek oktan sayısı sebebiyle kullanıldıkları otorda kopresyon artışı yapılasına olanak sağlarlar. 2) Alkoller oksijen içeren yakıtlardır ve yanaları için stokiyoetrik oran olarak be ine oranla az oksijene ihtiyaç duyarlar. Sahip olduklan duşük ısıl değer sebebiyle yandıklarda benzin ve otorine oranla daha az enerji üretirler. Kaynaa Noktası { q Net lsıl Değer (kütle Mjkg) N et I sıl Değer 32 ı 5.9 (Haci Mj) Buharlaşa lsrsj (kjkg) ı 3) Sahip olduklan yüksek buharlaşa ısısı sebebiyle buhartaşırken etraftan çok fazla ısı çekerler. Bundan dolayı buharlaşa soğutucu etkileri fazladır. Aynı otor gücünün elde edilesinde benzine göre etanol 64 kat etanol ise; 37 kat daha fazla buharlaşa ısısına ihtiyaç duyarlar. 4) Düşük sıcaklıklarda alkoller düşük buhar basıncı özelliği gösterirler. Bundan dolayı düşük orta sıcaklılarında ilk harekette zorluklar görülür. O C'nin altındaki sıcaklıklarda yardıcı ilk hareket tertibatlarına veya benzin eter gibi ilave yakıtlara ihtiyaç duyarlar. Buhar Basıncı(l 00 F kpa) Oktan Sayasa RON 90 2 MON Setan Sayısa <5 <5 St o kiyoetri k AIF oranı Buhar Alevten e liitleri (oo) 7 ı 92 < ı 5 Buhar Etkisi Tahriş edici Küçük Yalnız yüksek dozlarda dahi zehirleyic dozlarda zehirleyici 5) Alkoller solvent (çözücü) etkisi gösterirler. Bu özebilderi sebebiyle benzine göre tasarlanı ş yakıt sistelerindeki bazı alzeeleri bozarlar. Aynca benzin kullarunu sonucu yakıt sistelerinde oluşan oksidasyon birikintileri benzinle çalışa esnasında hiçbir etkiye aruz kalazlar. Ancak alkolün yakıt olarak kullanıında kısen çözünen bu birikiniller yakıt filtresini ve karbüratör jetlerini tıkar. 6) Benzin ve otorine oranla alkoller geniş bir tutuşna sınınna sahiptir. Bu sebeple noral orta sıcaklığında dahi alkollerin doyuş buhan etkisiyle depolaa tankındaki veya araç üzerinde taşınan depodaki alkol yakıtı patlaa sınırlan içinde kalır. ool3 netanol içeren 20 C'deki doyuş hava buhan patlaa sınırı içindedir. Bu tehlike benzinle çalışada yoktur. Çünkü doyuş buhar ateşlenek için çok zengindir. Motorin ise bu sıcaklıkta sorun yaratacak kadar buharlaşaz. 7) Alkoller su içinde çözünürler. Benzin ve otorin ise esas olarak suda çözünezler. Su ile teas eden allcolbenzin kanşınunda ilk önce su alkol tarafından eilir. Karışıla teas eden lll. BENZİN MOTORUNUN ALKOL İLE ÇALIŞ ia YA AD APT AfYONU... Alkol yakıtların otorlarda k:ullanınn ıçın l. :zın ile karışı oluşturulduğunda karışı içindeki %5 22 alkol orana kadar otorda herhangi bir odifik:asyon yapaya gerek yoktur. Genelde karışını yakıtlar yakıtın oktan sayısını aı ttunıak ve oksijen içeriği kazandırak için yapılaktadır. Ancak % 00 alkol yakıt kullanıında otorda bazı değişilere ihtiyaç duyulaktadır. [2]Bunlar; ) Alkalierin sahip olduğu düşük ısıl değeri ve stokiyoetrik olarak düşük hava yakıt oranı düşünülerek uygun karışı oluştura tertibatı notora adapte edileli ve otora daha fazla yak ıt gidişi sağlanalıdır. Benzin içine katılan alkol yakıt ora arttıkça kanşıın stok iyoetrik havayakıt oranı azalaktadır. Alkollerin karışıı fakirleştire etkisi olarak adlandırılan bu duru şekil 'de belirtilektedir:. 04

3 SAU Fen Bilileri Etitüsü Dergisi 7.Cit ı.sayı (Mart 2003) Etanol ve Metanolün Buji ile Ateşleeli l\fotor YakıtJ Olarak Kullanıı M. Karabektaş J > J.:ıt.. CG > :ı: 20 l 5 o 05 0 o..... etancı! eta n ol MTBE ' " i "'. _. "f=. o o.... ". ı Karışırndaki alkol oranı (0o) Yüksek buharlaşa ısıları düşük buhar basınçları sebebiyle alkollerin benzine göre soğukta ilk harekete geçesi ve çalışası daha güçtür. Bu sebepten otorda karışı oluştura veya yakıt ısıta sisteine ihtiyaç duyulur. Motorlarda saf alkol kullanılasından ötürü oluşacak bu sakıncayı giderek için şu sisteler otora uygulanabilir. ı) Ek benzin enjeksiyonu 2) Elektrikle ısıtına 3) Yalat atoizasyonu 4) Düşük kaynaa noktasna sahip yakıt katkısı etanol benzin (yaz) etanal benzin (kış) Şekil ı. Alkol benzin kanşıın fakirleşe etkisi 2)Motordan aksiu güç ve yakıt ekonoisi elde edebilek için yüksek oktan sayısı avantajı kullanılarak otorun sıkıştıra oranı arttırılalıdır. 3) Yüksek buharlaşa gizli ısısı ve düşük buhar basınçlarının etkilerini azaltak için bir iktar düşük kaynaa noktalı katkı addesi katılalıdır. 4) Yakıt sisteindeki plastik alzeeler değiştirilelidir. Brezilya'da bioetanol kullaını uzun yıllar öneeye dayanaktadır.970'li yıllardaki petrol krizinden önce"proalcool" adı altındaki projeyle şeker kaışından etanol üretiliş ve bu yakıt saf veya benzin ile karışı olarak otorlarda kullaıulrştır. Araç üreticileri etanot ile çalışan otorları geliştirınek için çalışaktadır. A.B.D de ise genelde ısır' dan üretilen etanol %0 oranda benzin ile karıştırılaktadır ve bu "gasohol "adı altında satılaktadır.a.b.d'de topla satılan yakıtın oo 7 'si gasoholdür.avıupa 'da ise ülkeden ülkeye değişen farklı uygulaalar vardır. Yalııız Fraa benzine alkol yakıt karışıı (ETBE) için yasal düzenleelerini ve gerekli altyapılan oluşturuştur. IV. ALKOL Y AKITLARIN SOGUK HA V ADA ÇALIŞMA ÖZELLİKLERİ Alkoller benzine oranla daha düşük buhar basıncına sahiptirler. Şekil 2'de benzin etanal ve etanolün dış sıcak lığa bağlı olarak buhar basınçlan verilektedir. Bütün yakıtların buhar basıncı sıcaklık ile birlikte düşer. Bu yakıtların soğuk havada çalışa özelliklerini belirler. Kış benzininde soğuk çalışa liiti C arasındadır ve bu sıcaklıkta buhar basıncı O 60 bar'dır. Bu basınçta alkoller yaklaşık olarak soğuk çalışa liitindedirler. Bu sıcaklık netanol için 5 0 C etanol için ise ı 520 C'dir.[3] c4.c (.) c: fj..c ::ı a:ı 0. O 00 ' ' ; " ;.' 3 2 o o o r.. # " ""'. r.. o Scakhk (C) Şekil 2. Farkh Yakttların Buhar Basınçlan V. ALKOL YAKITLARlN MOTOR MALZEMELERi İLE liyumu VE MOTOR AŞINTISI Metanal ve etanol yakıtlar otor yakıt sistelerinde kullanılan kurşun kaplaa alüinyu bakır agnezyu ve pres dökü çinko gibi alzeelerde aşındırıcı etki yaparlar. Ayrıca alkollerle teasta bulunan kauçuk ve plastik alzeelerde de bozula olur. Karbüratör yakıt şaandıraları genellikle plastik alzeeden yapıldığından şişerler. Fiber conta yuuşar horturnlar ve yakıt popası diyafranlları sertleşir ve kırılu. Alkol yakıt kullanırrunda uygun alzee özelliklerine sahip alkol yakıtlardan etkileneyen alzee kullanıı önelidir. Yakıt olarak ntetanol ve etanol kullaını sonucu ' otorlarda silindir ve segan aşıntısı olaktadır. Bu aşıntın sebebi; silindirlerdeki yağ filinin soğukta çalışna esnasında silindir yüzeylerine 05

4 SAU Fen Bilileri Etitüsü Dergisi 7.Cilt. Sayı (Mart 2003) Etanol ve MetanolUn Buji ile AteŞ Motor Yalatı Olarak K Ul.t. M.Kara'beK: yapışan alkol tarafından yıkanası sonuçta pistoegailindir arasında etal teası olasıdır. Aşıntının bir diğer sebebi de; etanolun yalat olarak kullanıında oluşan forik asitin deir alzerneye etkiesidir. Bunun sonucunda silindirlerde aşıntı olaktadır. Bu problei azaltak için kro kaplaalı segan kullanıı bir çözü olarak görülektedir. Yine yakıt sisteindeki yakıttan ileri gelen korozyonlar uygı katkı addeleri ile azaltılabilektedir. Ee anifoldunda karter havalandıra sisterninden dolayı oluşan birikintilerde kaliteli yağ kullaını ve teizlee katla addeleri ile giderilir. VI. ALKOLYAKIT KULLANIMINDA EGZOZ EMİSYONU VE MOTOR PERFORMANSI Alkollerin benzine göre egzoz eisyonu karakteristiklerinin farklılığı sahip oldukları farklı fıziksel ve kiyasal özelliklerin sonucu olarak değerlendirilektedir. Alkol yakıtlar benzinden farklı olarak oksijen içerdiğinden yana esnasında hava yakıt kanşıı daha iyi oluşaktadır. Yana işlei süresince ortada daha fazla oksijen bulunacağından karbon olekülleri daha iyi okside olacaktır. Bunun en belirgin göstergesi olarak saf alkol veya alkolbenzin kanşı kullanıında benzine oranla CO eisyonu eisyonlarındaki azala COı eisyonlannda ise oluşan artıştır. Alkol ve karışı yakıt kullanıının en karakteristik özelliği CO ve HC eınisyonlarında azala ve aldehit eisyonlarında artış olasıdır. NOx eisyonları için ise yapılan çalışalarda farklı değerlendireler yapılaktadır. Kii araştıralarda bu eisyonlarda artış olduğu bildirilirken kii çalışalarda da azala olduğu açıklanıştır. Bu farklılıklann nedeni olarak; test prosedürlerinin farklılığı eisyon kontrol ekiprnarn değişikliği otor çalışa şartları değişik havayakıt oranı gösterilebilir. [ ] Alkollerle çalışa sonucu NOx eisyonlarında belirlenen azalanın en öneli sebebi olarak benzinle çalışaya oranla düşük yana sıcaklıkları gösterilebilir. Alkolle çalışan otorun egzoz sıcaklıklarının düşük olası bunu doğrulaaktadır. Ancak yapılan çalışalar NOx eisyonunun alkol benzin karışıını oranından çok otor çalışa koşuhanna bağlı olduğunu gösterınektedir. Eğer otorun sıkıştıra oranı benzinle çalışaya göre arttınlırsa sıkıştıra sonu ve yana sonu sıcaklıklan yükseleceğinden N Ox eisyonlarında artış HC errrisyonlarında ise azala olacaktır.[9 O] özgül yakıt tüketii ise azalaktadır. Alk o llerin sahip olduğu düşük ısıl değer ve daha iyi ya.nrna karakteristikleri göz önüne alındığında aynı çıkış gücünü elde etek için otora kütlesel olarak daha fazla yakıt gönderilesi gerektiği belirg in d ir Benzin alkol kanşılarında karışıın içindeki alkol oranı arttıkça bu karakteristikler daha belirginleşektedir. Alkollerin yüksek gizli ısıl değerleri dolayısıyla otora eınilen havayı soğutalan sonucu yana odasına daha fazla dolgu sokulası etkisi volüetrik veri artışı olarak kenditti gösterektedir. [l l 2 3] Katalitik konvertör kullanıında PtRh tip üç yollu konvertör CO IC. NOx gibi eisyonlann yanında alkol yakıtların karakteristik özelliği olan asetaldehid eisyonu üzerindede etkilidir. Egzoz sisteindeki konvertör aldehid eisyonları azaltılasına rağen yanaış alkol eisyonu azaltılnıasında etkili değildir. [4] Vll. SONUÇLAR Etanol ve etanol sahip oldukları özellikler dolayısıyla buji ateşteeli otorlarda büyük odifıkasyonlara ihtiyaç duyaksızın kullanılabilecek bir yakıt tüıüdür. Egzoz eisyonları ve otor perforalan açısından benzine oranla daha iyi sonuçlar verektedir. Genellikle CO HC eisyonlannda azala olaktadır.nox enıisyonları ise otor çalışa şartları ve koropresyon oranına bağlı olarak değişi gösterektedir. Aldehid eisyonlannda ise öneli artış olaktadır. Alkolleri saf olarak kullanak yerine %020 oranda benzin ile kanştırarak kullanak daha avantaj lı görülektedir. B u oranlar otorlarda küçük bazı ayarlaalar yapılarak uygulanabileceğinden öneınlidir. Özellikle etanol yakıtının zirai ürünlerden elde edilebile özelliği göz önüne alındığında Türkiye açısından öneli bir alternatif yakıt kaynağı olabileceği anlaşılaktadır. Türkiye 'nin benzin talebinin 999 yılında 4.56 ilyon ton'dan 200 yılında 9.2 rrulyon ton'a ' 2020 yılında 4.6 ilyon ton' a çıkacağı öngöıülektedir. Sadece be:azin içine % O o randa etan ol katılıı ile önüüzdeki yıllarda öneli oranlarda dışa bağılı petrol kökenli yakıt ithalatının yerel kaynaklardan karşılanabileceği görülektedir. Bu sayede zirai ürün üreticisinden etanal üreti tesislerine kadar bir çok alanda eydana gelecek canlana ile öneli oranda istihda artışı gerçekleştirilebilecek ve zirai ürünün kata değeri aıacaktır. Alkol yakıt kullanıında benzinle çalışaya oranla efektif güç tork yakıt tüketii volüetrik veri ısıl veride artış olaktadu. Bunun yanında 06

5 SAU Fen Bilileri Etitüsü Dergisi 7.Cilt l.say (Mart 2003) Etanol ve Metanolün Buji ile Ateşleeli Motor Yakıtı Olarak Kullanıı M.Karabektaş KAYNAKLAR [l]batarm.popuriss."a Perforance Study Of Butanol Metanal And Ethanol Gasoline Blends Using A Single Cylinder Engine" SAE paper [2]GARRETI TK."Autootive Fuel And Fuel Syste " SAE Publish 99. [3]SEİFFERTU.WALZER P. "The Future For Autootive Technology" F.Pinter Publish994. [4]ANDREWSGE. "İgnition Tiing And Mixture Strength Influences On Enlissio For A Gasoline 30 % Ethanol Fuel '' Autotech '93 Birıningha 993. [5]SELPli MA.HARVEYCA.Assesant of Unregulated Eissio fro Gasoline Oxyganeted Blends'' SAE paper 9023 l6jbatarlvl.elrodac."eissio Fro lc Engines Fueled W ith Alcohol Gasoline Blends"Traaction Of THE ASMe vol ll l 989[7]RİCE RW.SANY ALAK."Exhaust gas Ernissio Of Butanol E than ol And Methanol Gasoline BJends" Engineering For Gas Turbines A.nd Power vol [8]GETHİNGJA. WELSTANDJS."Are The Reductio İN Vehicle CO eissio Proportional To The Fuel Oxygen Contenet" SAE international congress Michigan 989 [9] HASSAN MA."Effect Of EthanolUnleaded gasoline Blends On Engine Perforance And Exhaust Eınission" Energy Canversion '2002 [lo]hsieiiw.chenrh."engine Eission And perforance us ing Ethanolgasoline blended fuel" atospheric environent2002 [J ]YAMAUCHİT.SASAYAMAT. " The Effect Of MethanolGasoline Mixing Ratio On Perforance OfiC Engines" SAE paper [2]SALİHFM. ANDRE\VSGE. "The İnfluence Of Gasoline Etlıanol Blends On Eınission And Fuel Econoy" SAE paper (3] SAMULSKİ MJ. "Seitivity Of Test Cycle A.nd Fuel Type On A SI Four Stroke Inboard Marine Engine " SAE paper (4] IIEBQ.WANGJK."study on eission characteristics of an EFI engin e with blended fuel" atnospheric environent