Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı Bir Dizel Motorunun Egzoz Emisyonu Değişimleri

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) 9 (3) 1-9 Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) 9 (3) 1-9 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: 139-5X Davetli Makale (Invited Article) Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı Bir Dizel Motorunun Egzoz Emisyonu Değişimleri Can HAŞİMOĞLU *, Murat CİNİVİZ **, M.Sahir SALMAN *** * Sakarya Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Makina Eğt. Böl., 5187 Sakarya/TÜRKİYE ** Selçuk Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Makina Eğt. Böl., 31, Konya/TÜRKİYE *** Gazi Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Makina Eğt. Böl., 65 Teknikokullar, Ankara/TÜRKİYE canhasim@sakarya.edu.tr Özet Bu çalışma aşırı doldurmalı bir dizel motoruna değişik seviyelerdeki düşük ısı kayıplı motor uygulamasının egzoz emisyonlarına olan etkilerinin incelenmesine yöneliktir. İlk aşamada deney motorunun silindir kapağı ve supapları termal bariyer oluşturmak için atmosferik plasma sprey yöntemi ile yitriya stabilize zirkonya (Y O 3 ZrO ) ile kaplanmıştır. İkinci aşamada deney motorunun pistonları da aynı malzeme ile kaplanmıştır. 1 ve 8 d/d için kısmi yük şartlarında deney motorunun hava fazlalık katsayısı (HFK), karbon monoksit (CO), karbon dioksit (CO ), azot oksit (NO x ) ve duman emisyonu değerleri her iki yalıtım durumu için belirlenmiştir. Düşük ısı kayıplı motor uygulaması ve düşük ısı kayıplı motorun yalıtım seviyesinin arttırılması ile HFK %9,9-18 azalmış, CO %,9-13, CO %5, 1.1, NO x %8 1.5 ve duman emisyonu da %3.8 arasında değişen oranlarda artmıştır. Anahtar Kelimeler: Düşük ısı kayıplı motor; Termal bariyer kaplama; Dizel motoru; Egzoz emisyonu. Exhaust Emission Variations of a Low Heat Rejection Diesel Engine for Different Insulation Levels Abstract This study focuses on investigating of effects of low heat rejection engine application to exhaust emissions of a turbocharged diesel engine at different insulation levels. Firstly, cylinder head and valves of the test engine were coated with yttria stabilized zirconia (Y O 3 -ZrO ) layer by atmospheric plasma spray coating method to obtain thermal barrier. Secondly, pistons of the test engine were coated with the same material. Excess air ratio, CO, CO, NO x and smoke emission values were determined for both insulation levels at partial loads for the engine speeds of 1 and 8 rpm. With LHR engine application and the increment of insulation level excess air ratio was decreased by %, CO, CO, NO x and smoke emissions were increased by.9 13%, %, 8 1.5% and 3.8 %, respectively. Keywords : Low Heat Rejection Engine; Thermal Barrier Coating; Diesel Engine, Exhaust Emission. 1. GİRİŞ Motorlu taşıt üretimi ve kullanımı ülkelerin sosyo-ekonomik durumuna göre değişmektedir. Taşıt üretimi ve kullanımındaki artışa paralel olarak petrol tüketimi de artmakta, dolayısıyla da hava kirliliği önemli bir sorun haline gelmektedir. Hava kirliliğinin önlenmesindeki öncelikli seçenek ise kirliliğe yol açan Bu makaleye atıf yapmak için Haşimoğlu C, Ciniviz.M, Salman M.S. Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı Bir Dizel Motorunun Egzoz Emisyonu Değişimleri Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 9, (3) 1-9 How to cite this article Haşimoğlu C, Ciniviz.M, Salman M.S. Exhaust Emission Variations of a Low Heat Rejection Diesel Engine for Different Insulation Level Electronic Journal of Vehicle Technologies, 9, (3) 1-9

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) 1-9 Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı kaynakların belirlenip, insan sağlığına zararlı olan gazların egzoz emisyonlarındaki konsantrasyonlarının azaltılması için gerekli tedbirlerin alınmasıdır [1,]. Motor tasarımındaki değişiklikler ile yakıt tüketimi dolayısıyla da egzozdan atmosfere salınan zararlı kirleticilerin seviyesinin azaltılmasında kullanılabilecek yöntemlerden birisi de düşük ısı kayıplı motor uygulamasıdır. Bu yöntem ile yanma odası elemanlarının tamamı ya da bir kısmı ısıl iletkenliği düşük seramik malzeme ile kaplanıp yanma odasından olan ısı kayıpları azaltılmaktadır. Dizel motorlarında ısı yalıtımı sağlamak amacıyla yanma odası elemanlarının seramik malzeme ile kaplanması neticesinde, silindir içi sıcaklık seviyeleri artmakta, buna bağlı olarak da karbonmonoksit (CO) ve duman emisyonlarında azalma sağlanabilmektedir [-]. Düşük ısı kayıplı (DIK) motor tasarımında yalıtım amacıyla hemen hemen başlangıçtan itibaren seramik malzemeler kullanılmaktadır. Günümüzde ileri teknoloji seramikleri dizel motoru ve gaz türbinlerinde kaplama amacıyla kullanılmaktadır. Dizel motorlarının ısı kayıplarının azaltılabilmesi için piston, silindir kapağı, supaplar, silindir cidarı, egzoz portları, ve egzoz turbo kompresörü gibi parçalar kaplanabilmektedir. DIK hale getirilmiş motorun egzoz gazı sıcaklığı önemli miktarda arttığından dolayı, deneysel çalışmalarda genellikle aşırı doldurmalı dizel motorları tercih edilmektedir. Bununla birlikte, DIK motor tasarımında herhangi bir standart belirlenmediğinden dolayı yapılan çalışmalarda, birbiri ile çelişen sonuçlar da elde edilebilmektedir [5-8]. Gatowski [8] tek silindirli, doğal emişli bir dizel motorunun yanma odası elamanlarını seramikle kapladığı çalışmasında NO x emisyonunda %3 artış meydana geldiğini söylemiştir. Osawa ve ark. [9] tek silindirli, hava soğutmalı düşük ısı kayıplı bir dizel motor üzerinde yaptıkları çalışmada, NO x emisyonunda %16 artış olurken, CO emisyonlarında %1 lik azalma olduğunu tespit etmişlerdir. Kamo ve ark. [1] altı silindirli, direkt püskürtmeli, aşırı doldurmalı bir dizel motor üzerinde yaptıkları çalışmada, silindir kapağı, supaplar ve pistonları termal bariyer amaçlı olarak kaplamışlardır. Çalışmanın sonucunda NO x emisyonlarında % artış olduğunu görmüşlerdir. Sun ve ark. [11] DIK dizel motorundaki yanma işlemini, standart () dizel motoru ile karşılaştırdıkları çalışmasında genel olarak aşağıdaki değişimlerin olduğunu belirtmişlerdir; Tutuşma gecikmesi kısalmaktadır. Ani yanma süresi kısalırken, kontrollü yanma süresi uzamaktadır. Toplam yanma süresi artmaktadır. Kontrollü yanma safhasındaki ısı açığa çıkış hızı azalmaktadır. Şekil 1. DIK ve dizel motorlarında ısı açığa çıkış hızı değişimleri [11].

3 Haşimoğlu C, Ciniviz.M, Salman.M.S Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) 1-9 Kawamura ve ark. [1] tek silindirli, direkt püskürtmeli, aşırı doldurmalı bir DIK dizel motorunda yaptıkları çalışmada; silindir cidarının iyi bir şekilde yalıtılması ile ısı kayıplarının % 7 den daha fazla azaltılabileceğini, piston tepesindeki sıcaklığın 973 K e kadar çıktığını, motora göre sıkıştırma sonu sıcaklığının 5 K daha yüksek olduğunu ve tutuşma gecikmesi süresinin,6 milisaniye daha kısa olduğunu belirlemişlerdir. Bu çalışmada dört silindirli direkt püskürtmeli ve aşırı doldurmalı bir dizel motoru iki aşamada DIK hale getirilmiş ve her iki durum için egzoz gazı emisyonlarındaki değişim birbirleri ile ve hal ile mukayese edilmiştir.. MATERYAL ve METOT Motor deneylerinde teknik özellikleri Tablo 1 de verilen aşırı doldurmalı, direkt püskürtmeli bir dizel motoru kullanılmıştır. Deney düzeneğinin şematik görünümü ise Şekil de verilmiştir. Deneyler sırasında motor devrini ve döndürme momentini ölçen GO-Power marka hidrolik dinamometre kullanılmıştır. Ölçümlere başlanılmadan evvel dinamometrenin yük hücresi standart ağırlıklar kullanılarak kalibre edilmiştir. Deneyler 1 d/d için, 8, 1, 16, ve Nm de, 8 d/d için ise, 8, 1, 16, Nm de kısmi yük şartlarında gerçekleştirilmiştir. Egzozdaki kirletici bileşen seviyesinin belirlenmesi için iki adet emisyon ölçüm cihazı kullanılmıştır. Ölçümlerden önce cihazlar kalibre edilmiştir. Egzoz emisyonları GACO-SN marka cihaz ile ölçülmüştür. Cihaz hava fazlalık katsayısı ile CO, CO, NO x, O ve SO gazlarını ölçebilmektedir. Duman koyuluğunun belirlenmesinde VLT 6S tipi duman koyuluğu ölçüm cihazı kullanılmıştır. Cihaz duman koyuluğunu optik yöntem ile K faktörü ve yüzde (%) olarak ölçmektedir. Tablo 1. Deney motorunun teknik özellikleri. Silindir sayısı Silindir çapı (mm) 97,5 Silindir stroku (mm) 133 Toplam silindir hacmi (l) 3,97 Sıkıştırma oranı 17,5/1 Maksimum motor gücü (kw/ps) 66/9 (8 d/d da) Maksimum döndürme momenti (Nm) 66 (1 d/d da) Püskürtme avansı ( o KMA) 18 Enjektör püskürtme basıncı (bar) 3

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) 1-9 Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı Şekil. Deney düzeneğinin şematik hali. Standart motorda motorin ile yapılan deneylerden sonra, motorun silindir kapağı ve supapları kaplama işlemi için sökülüp, sıkıştırma oranının değişmemesi için silindir kapağı ve supaplardan kaplama kalınlığı kadar (,5 mm) talaş kaldırılmıştır. Kaplama işlemine geçilmeden önce kaplamanın yüzeye daha iyi yapışması için silindir kapağı ve supap yüzeyleri kumlanmıştır. Kaplanacak yüzeylere önce atmosferik plazma spreyi yöntemi ile,15 mm kalınlığında NiCrAl (nikel krom alüminyum) astar tabaka atılmıştır. Daha sonra astar tabakanın üzerine,35 mm kalınlığında yitriya ile stabilize zirkonya (Y O 3 ZrO ) atmosferik plazma spreyi yöntemi ile kaplanarak deney motoru düşük ısı kayıplı hale getirilmiştir (DIK1). motorda yapılan testler, DIK1 durumu için tekrarlanmıştır. Son aşamada deney motorunun pistonları da atmosferik plazma spreyi yöntemi ile ilk aşamadakine benzer şekilde kaplanmıştır (DIK). ve DIK1 durumları için yapılan testler DIK durumu için yeniden yapılıp her üç durum için elde edilen verilen mukayese edilmiştir. 3. DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA Standart () ve düşük ısı kayıplı 1 (DIK1) ve düşük ısı kayıplı (DIK) motorda, motorin yakıtı ile yapılan sabit hız değişik yük testleri sonucunda her bir durum için (, DIK1, DIK) motor yüküne bağlı olarak hava fazlalık katsayısı, CO, CO, NO x, ve duman emisyonlarının değişimleri grafikler halinde sunulmuştur. Her durumda gözlenen değişimler motor ile mukayese edilmiştir. Motor yükündeki artış ile birlikte HFK azalmaktadır (Şekil 3-). Her iki devir için en düşük HFK değerleri durumu için elde edilmiştir. için HFK her iki devirde de yaklaşık %18 azalırken, için HFK daki azalma %9,9 ila 1,1 aralığında değişmektedir. DIK motor uygulaması ile artan sıcaklıklar yakıt püskürtme sisteminde bulunan yakıtı ısınmakta, enjektörlerden depoya geri dönen ısınmış yakıt, burada bulunan yakıtın sıcaklığını yükseltmektedir. Isınan yakıtın viskozitesi düşeceğinden, yakıtın silindirlere gönderilmesi sırasındaki pompalama kayıpları azalmakta buna bağlı olarak da silindirlere sevk edilen yakıt miktarının artması sonucu, HFK nın düştüğü tahmin edilmektedir.

5 CO (ppm) HFK HFK Haşimoğlu C, Ciniviz.M, Salman.M.S Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) (d/d) Şekil 3. Motor yüküne bağlı olarak 1 d/d için hava fazlalık katsayısı değişimleri. 5 8 (d/d) Şekil. Motor yüküne bağlı olarak 8 d/d için hava fazlalık katsayısı değişimleri. Motor yükünün artmasıyla birlikte her durum için CO emisyonu da artmaktadır. Deneyler sırasında en yüksek CO emisyonu her iki devirde de için elde edilmiştir (Şekil 5-6). Test devirleri için CO emisyonu ve için sırasıyla %,9 ve %13 artmıştır. CO emisyonu HFK ile önemli ölçüde değişmektedir. Yakıtın oksidasyon için yeterli zaman bulamaması veya oksijen miktarının az olması gibi durumlarda CO un tamamı okside olmadan yanma odasını terk etmektedir. Motor yükünün artmasıyla beraber HFK nın düşmesi sonucu yanma odasındaki O miktarının azalması ve reaksiyon için zaman kısıtlı olduğundan CO emisyonu artış göstermektedir [13] d/d Şekil 5. Motor yüküne bağlı olarak 1 d/d için CO emisyonu değişimleri. 5

6 CO (%) CO (%) CO (ppm) Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) 1-9 Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı 1 8 (d/d) Şekil 6. Motor yüküne bağlı olarak 8 d/d için CO emisyonu değişimleri. Motor yükünün arttırılması ile beraber her durum için CO emisyonu artmaktadır. Test edilen devirlerdeki en yüksek CO emisyonu durumunda elde edilmiştir (Şekil 7-8). Deneyler esnasında CO emisyonu için yaklaşık %5, yükselirken, için yükselme %11,5-1,1 aralığında gerçekleşmiştir. CO emisyonu silindirlerde yakılan yakıt miktarı ile ilişkilidir. HFK nın azalması sonucu silindirlere gönderilen yakıt miktarındaki artış egzozdaki CO emisyonunu da arttırmaktadır (d/d) Şekil 7. Motor yüküne bağlı olarak 1 d/d için CO emisyonu değişimleri (d/d) Şekil 8. Motor yüküne bağlı olarak 8 d/d için CO emisyonu değişimleri. Her durum için motor yükündeki artışla birlikte NO x emisyonu da artmaktadır. Her bir test devri için en yüksek NO x emisyonu için elde edilmiştir (Şekil 9-1). Her iki test devri için NO x emisyonu için yaklaşık %8 artarken, için ise %1,5 artmıştır. Sıcaklık ve HFK, NO x emisyonuna etki eden en önemli iki parametredir. DIK motor uygulaması ile HFK nın azalması sonucu, silindir içi alev sıcaklığı arttığından NO x emisyonları artmıştır. Ayrıca yalıtım neticesi artan sıcaklıkların alev civarında oluşan bölgesel yüksek sıcaklık noktalarını arttırmasının da NO x emisyonları üzerinde olumsuz etkisi olmaktadır [1]. 6

7 NOx (ppm) NOx (ppm) Haşimoğlu C, Ciniviz.M, Salman.M.S Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) (d/d) Şekil 9. Motor yüküne bağlı olarak 1 d/d için NO x emisyonu değişimleri (d/d) Şekil 1. Motor yüküne bağlı olarak 8 d/d için NO x emisyonu değişimleri. Motor yükünün arttırılmasıyla beraber her durum için duman emisyonu artmaktadır. Testler sırasında en yüksek duman emisyonu her iki devir için de için elde edilmiştir (Şekil 11-1). Test edilen devirler için duman emisyonu için %3,8-,7 artarken, için ise % artmıştır. DIK motor uygulaması ile duman emisyonlarındaki artış şu şekilde açıklanabilir; ısı yalıtımı neticesinde sıkıştırma zamanında ÜÖN civarında silindir içi gaz sıcaklığı motora göre yaklaşık 5 K daha fazla olmaktadır. Yanma odasına püskürtülen yakıt, yakıt demeti çevresinden buharlaşıp ayrışmaya başlar. Yakıt demetinin momentumu ve kinetik enerjisi dolayısıyla yüksek sıcaklıktaki hava, yakıt demetinin içerisine nüfuz eder. Yakıt demetinin dış tabakasında, yoğunluğu fazla ve uçucululuğu yüksek olan hidrokarbonlar birikir. Yakıt demetinin en dış tabakasındaki gaz karışımları, yüksek sıcaklıktaki hava dolayısıyla yanmaya başlar. Sonuçta, yakıt demetinin dış yüzeyinde buharlaşma ve ısıl ayrışma ile oluşan yanmış gazlar ve diğer gazlar artarak yakıt demetini dışarıdan çevrelerler. Bu gazlarla birlikte aynı zamanda havada yakıt demetine nüfuz eder. Fakat yüksek sıcaklıkta havanın viskozitesinin artmasından dolayı yanmaya uygun gaz karışımları, yakıt demetine havanın girmesini engeller. Dolayısıyla yanma hızı ve duman oksidasyonu kötüleşir [1]. 7

8 Duman (K faktörü) Duman (K faktörü) Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) 1-9 Değişik Yalıtım Seviyeleri İçin Düşük Isı Kayıplı 3,5 3,5 1,5 1,5 1 (d/d) Şekil 11. Motor yüküne bağlı olarak 1 d/d için duman emisyonu değişimleri.,5 3,5 3,5 1,5 1,5 8 (d/d) Şekil 1. Motor yüküne bağlı olarak 8 d/d için duman emisyonu değişimleri.. SONUÇ ve ÖNERİLER Yapılan motor deneyleri sonucunda DIK motor uygulaması ve DIK motordaki yalıtım seviyesinin arttırılması sonucunda genel olarak HFK azalmış, CO, CO, NO x ve duman emisyonlarında artış olduğu belirlenmiştir. DIK motorun yalıtım seviyesinin arttırılması ile de emisyon parametrelerindeki kötüleşme daha fazla olmuştur. DIK motor uygulaması sonucu emisyon parametrelerinde gözlenen değişiklerin temelde HFK daki azalma ve silindir içi gaz sıcaklıklarındaki artıştan kaynaklandığı görülmektedir. Püskürtme avansının yeniden optimizasyonu ile silindir içi alev sıcaklığının düşürülmesi, oksijene yakıt kullanılmasıyla da lokal oksijen konsantrasyonunun arttırılmasına yönelik tedbirlerin alınmasıyla DIK motor uygulaması ile oluşan emisyon parametrelerindeki kötüleşme giderilebilir. 5. TEŞEKKÜR Bu çalışma Gazi Üniversitesi BAPK tarafından desteklenmiştir (Proje No: 7/3 18). 6. KAYNAKLAR 1. Engler, B., Volker, H., çev. Safgönül, B., 1985, Egzoz ve Baca Gazlarının Katalizörlerle Arıtılması ile Sağlanan Temiz Hava, Degussa AG Kimya Araştırmaları Bölümü, D-65 Hanau 1, Almanya.. Ciniviz, M., 5, Türboşarjlı bir dizel motorunun yanma odası yüzeylerinin Y O 3 -ZrO ile kaplanmasının performans ve emisyona etkileri, Doktora Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya. 8

9 Haşimoğlu C, Ciniviz.M, Salman.M.S Teknolojik Araştırmalar: TATED 9 (3) Kamo, R., Assanis, D., Bryzik, W., 1989, Thin Thermal Barrier Coatings for Engines, SAE Paper No 8913,.. Hejwowski, T., Weronski, A.,, The Effect of Thermal Barrier Coatings on Diesel Engine Performance, Vacuum, vol. 65, pp. 7-3, 5. Yaşar, H., 1997 Termal Bariyer Kaplamanın Turbo Doldurmalı Bir Dizel Motorunun Performansına Etkileri, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. 6. Sun, X., Wang, W., Bata, R., 199, Performance Evaluation of Low Heat Rejection Engines, Transactions of ASME, vol. 116, pp Haşimoğlu, C., 5, Düşük Isı Kayıplı Bir Dizel Motorunda Biyodizel Kullanımının Performans ve Emisyon Parametrelerine Etkisi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya. 8. Gataowski, J.A., Evaluation of Selectively-Cooled Single-Cylinder.5-L Diesel Engine, SAE Osawa, K., Kamo, R., Valdmanis, E., 1991, Performance of Thin Thermal Barrier Coating on Small Aluminum Block Diesel Engine, International & Congress and Exposition, Detroit, Michigan. 1. Kamo, R., Mavinahally, N. S., Kamo, L., Bryzik, W. and Schwartz, E.E., Injection Characteristics That Improve Performance Of Ceramic Coated Diesel Engines, SAE paper No : Sun, X., Wang, W., Bata, R., 199, Performance Evaluation of Low Heat Rejection Engines, Transactions of ASME, vol. 116, pp Kawamura, H., Sekiyama, S. And Hirai, K., 1991, Observation of the Combustion Process in a Heat Insulated Engine, SAE Paper No Soruşbay, C., 1999, İYM lerde Egzoz Gazı Emisyonu, İTÜ Ders Notu, İstanbul. 1. Kawamura, H., Sekiyama, S. And Hirai, K., 1991, Observation of the Combustion Process in a Heat Insulated Engine, SAE Paper No