FARKLI YÜK KOŞULLARINDA BUJİ İLE ATEŞLEMELİ MOTORA TEREBENTİN İLAVESİNİN MOTOR PERFORMANS VE EMİSYONLARINA ETKİSİ

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), Mayıs 29, Karabük, Türkiye FARKLI YÜK KOŞULLARINDA BUJİ İLE ATEŞLEMELİ MOTORA TEREBENTİN İLAVESİNİN MOTOR PERFORMANS VE EMİSYONLARINA ETKİSİ THE EFFECTS OF TURPENTINE ON SPARK IGNITION ENGINE PERFORMANCE AND EMISSIONS AT DIFFERENT LOAD CONDITIONS Ş. Ayhan BAYDIR a*, Fatih AKSOY a, Hüseyin BAYRAKÇEKEN a ve Yaşar Önder ÖZGÖREN a a Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyonkarahisar, Türkiye, E-posta: abaydir@aku.edu.tr, faksoys@aku.edu.tr, bceken@aku.edu.tr, yasarozgoren@aku.edu.tr Özet Günümüzde petrol kökenli yakıt rezervlerinin azalmasından dolayı alternatif enerji kaynakları ve performans geliştirici yakıt katkıları üzerinde çok sayıda çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmada buji ile ateşlemeli, tek silindirli, dört zamanlı bir motorda 325 min -1 sabit devir ve farklı yük koşullarında, kurşunsuz benzine terebentin ilavesinin(%-2 oranında) motor performans ve emisyonları üzerine etkileri incelenmiştir. Ortalama değerlere göre terebentin ilavesinin motor performans parametrelerine (güç, moment ve özgül yakıt tüketimi) olumlu etkileri olduğu görülmüştür. Ortalama CO değeri dikkate alındığında %1 terebentin ve %2 terebentin içeren deney yakıtlarının kullanımıyla kurşunsuz benzine göre sırasıyla %4,43 lük azalma ve %,1 lik artma olduğu gözlenmiştir. Ortalama HC değeri dikkate alındığında %1 terebentin ve %2 terebentin içeren deney yakıtlarının kullanımıyla kurşunsuz benzine göre sırasıyla %5,18 ve %13,37 lik artış olduğu gözlenmiştir. Anahtar kelimeler: Kurşunsuz benzin, yakıt katkıları, terebentin Abstract Nowadays, a lot of studies have been carried out on alternative energy sources and fuel additives which improve performance due to decreasing of petroleum based fuel sources and increasing of their cost. Turpentine is one of the fuel additives. In this study the effect of turpentine of additions to unleaded gasoline (-2%) on engine performance and emissions have been investigated at different load conditions and 325 rpm by using a spark ignition single cylinder engine. It was observed that the usage of turpentine additive has a positive effect for engine performance parameters (power, moment and specific fuel consumption) according to the average values. The usage of 1% and 2% turpentine added fuel mixtures was observed that a reducing of 4,43% and an increasing of,1% as regards unleaded gasoline in average CO emission values respectively. The usage of 1% and 2% turpentine added fuel mixtures was observed that an increasing of 5,18% and 13,37% as regards unleaded gasoline in average HC emission values respectively. Keywords: unleaded gasoline, fuel additives, turpentine. 1. Giriş Sınırlı olan fosil kökenli enerji kaynaklarının azalmasına rağmen, enerjiye olan talebin ve bağımlılığın çoğalan dünya nüfusu ve yaşam standardı ile artmasıyla maliyetlerinin yükselişi ve emisyon standartlarına uyum zorunlulukları nedeniyle alternatif enerji kaynakları ve yakıt katkıları üzerine yapılan çalışmalar önem kazanmıştır da Thomas Midgley, benzine iyot ilavesinin oktan sayısını artırdığını ve vuruntuyu azalttığını tespit etmiş ancak iyot un pahalı ve korozyona sebep olması nedeniyle yakıt katkı maddesi olarak kullanılmamıştır. Daha sonra Midgley kurşun tetra etilin vuruntu önleyici özelliğini keşfetmiş ve bu bileşik petrol şirketleri tarafından yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ancak kurşun tetra etil(tel) katkılı benzinin çevreye ve halk sağlığına verdiği zararlar nedeniyle kullanımı aşama aşama azaltılarak 1996 yılında Birleşik Devletler karayollarında kullanılması yasaklanmıştır. Kurşun tetra etilin yasaklanması oktan geliştirici alternatif katkı maddeleri üzerine çalışmaları artırmıştır [1]. Kurşun tetra etile alternatif olarak uygun maliyetli metil siklo pentadienil mangan trikarbonil (MMT) üzerine çalışmalar yapılmıştır. Ancak MMT nin içerisindeki manganezin yüksek seviyelerde sinir sistemi için zararlı olduğu bilinmektedir. Benzin katkısı olarak kullanımı yoluyla düşük seviyelerdeki manganeze uzun süre maruz kalmanın insanlar üzerindeki etkisi netleştirilemediği için bileşiği üreten şirketin kullanım onayına ilişkin davayı kazanmasına rağmen petrol şirketleri tartışmalardan dolayı kullanmaya yanaşmamaktadır. Ayrıca yanma sırasında manganez oksit oluşturması nedeniyle otomobil üreticileri tarafından katalitik konvertörlü araçlarda kullanılmaması önerilmektedir de Amerikan Çevre Koruma Örgütünün (EPA) MMT yi halk sağlığı için bir tehdit olarak gördüğünü açıklamasıyla rafineri endüstrisi metal içermeyen mevcut teknoloji ile üretilebilecek katkı maddeleri geliştirmeye yönelmiştir [2]. Buji ile ateşlemeli motorlarda etanol-benzin karışımlarının performans ve emisyonlara etkisi incelendiğinde, genel olarak motor torku ve emisyonlarında çok az bir artış gözlenirken, alkol içindeki oksijenin de yanmaya katılması sonucu olarak karbonmonoksit (CO) ve hidrokarbon (HC) emisyonlarında belirgin bir şekilde azalma gözlenmiştir. Özgül yakıt tüketiminde belirgin bir fark gözlenmemiştir [3,4]. Özellikle güney Amerika ülkelerindeki etanolün belli oranlarda kullanımı zorunluluğu ile tüketimi oldukça yaygınlaşmıştır. Oksijen veren bileşikler arasından benzine karıştırılan bileşik olarak tersiyer eterler, alkollere göre daha fazla tercih edilmektedir. Bunun sebebi alkollerin içinde bulunabilen az miktardaki suyun yakıt tankında faz ayrılmasına ve korozyona sebep olması ve tersiyer IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 eterlerin daha düşük buhar basınçlarına sahip olmasıdır [5]. Metil tersiyer-bütil eter (MTBE) içeren benzin karışımlarının motor performans ve emisyonlarına etkisinin incelendiği çeşitli çalışmalarda özellikle yüksek motor yüklerinde egzoz emisyonlarında belirgin bir azalma tespit edilmiştir. Düşük yüklerde ve soğuk ilk hareket koşullarında yakıttaki MTBE oranının artması ile HC ve CO emisyonlarında artış gözlenmiştir. En iyi motor performansı ve minimum egzoz emisyonu %1 luk MTBE-benzin karışımında elde edilirken ağırlık oranı olarak %8-11 MTBE içeren yakıtların kullanımı sonucunda katalitik konvertör çıkışında da MTBE maddesi belirlenmiştir [6,7]. Metil tersiyer-bütil eter (MTBE) in sudaki yüksek çözünürlüğünden ve zehirli etkisinden dolayı yasaklanmasının ardından yanma sırasında oksijen veren (oktan yükseltici-vuruntu önleyici) alternatif bileşikler konusundaki araştırmalar, etil tersiyer-bütil eter (ETBE), tersiyer-amil metil eter (TAME) ve tersiyer-amil etil eter (TAEE) gibi diğer eterlere yönelmiştir. Eterler, yakıtın yanma özelliklerini arttırmanın yanı sıra HC ve CO ve emisyonunu azaltmaktadır [5-8]. Alkoller ve eterler dışında terebentin, white spirit gibi ticari solventler ve sülfat terebentin gibi atık maddelerin üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Yumrutaş ve arkadaşları, buji ile ateşlemeli dört silindirli bir motorda sülfat terebentin ilavesinin motor performans ve emisyonlarına etkisini incelemiş, motor gücü, termal verim, ortalama basınç ve özgül yakıt tüketiminde olumlu etkileri olduğunu tespit etmişlerdir. NOx, HC emisyonları ve egzoz sıcaklığı artarken CO konsantrasyonunda azalma gözlenmiştir [9]. Karthikeyan ve Mahalakshmi çift yakıt kullanabilecek şekilde modifiye ettikleri direkt enjeksiyonlu dizel motoruna ilk yakıt olarak emme manifoldu üzerinden terebentini ve ikinci yakıt olarak motorun yakıt sistemi üzerinden dizel yakıtını, silindire göndermişlerdir. % 75 yük altında hacimsel verim hariç tüm motor performans ve emisyon parametrelerinin dizel yakıtından daha iyi olduğu görülmüştür. CO ve HC emisyonları dizel yakıtına göre çok az fazla oluşmuştur. Çift yakıtlı çalışmada duman yoğunluğunda yaklaşık %4-45 lik bir azalma elde edilmiştir. Yapılan çalışmada motordaki birkaç modifikasyonla ve çift yakıtlı çalışmayla dizel yakıtı ile %75 e yakın terebentin kullanımının mümkün olduğu gösterilmiştir [1]. Butkus ve arkadaşları, %5 terebentin içeren dizel yakıt karışımı kullanmış ve motor performans ve egzoz emisyonlarında terebentinin olumlu etkilerini gözlemiş, karışımda taneciklerin dizel yakıtına göre daha hızlı buharlaşması ve yanmasıyla özgül yakıt tüketiminde bir azalma olduğunu tespit etmişlerdir [11]. Kaplan ve arkadaşları, % 3 terebentin ve %97 dizel yakıtı oranındaki karışımla, dizel yakıtına yakın sonuçlar elde etmişlerdir. Egzoz emisyonlarında önemli ölçüde düşüş gözlenmiştir. Sülfat terebentinin viskozite değerinin dizel yakıtına yakın olmasına rağmen parlama noktasının daha düşük olması nedeniyle kış şartlarında ve direkt ateşleme ile kullanımında avantajlar sağladığını tespit etmişlerdir [12]. Terebentin ilk zamanlarda herhangi bir modifikasyon olmadan motorlarda kullanılmış ancak petrol kökenli yakıtların bolluğu nedeniyle kullanımı terk edilmiştir. Günümüzde petrol kökenli yakıt kaynaklarının azalması ve maliyetlerinin artması nedeniyle alternatif yakıt arayışları sırasında terebentin kullanımı tekrar gündeme gelmiştir. Bu çalışmada terebentin yakıt katkı maddesi olarak kurşunsuz benzine %1-%2 oranlarında ilave edilmiştir. Terebentin ilavesinin motor performans ve emisyonlarına etkisi tek silindirli buji ile ateşlemeli dört zamanlı bir motorda 325 min -1 sabit devir ve değişken yük karakteristikleri için incelenmiştir. 2. Deney Yakıtları Terebentin, özütü %75-9 reçine ve %1-25 yağ içeren iğne yapraklı ağaçlardan elde edilen yanabilir özellikli ve endüstride kimyasal solvent olarak kullanılan önemli bir hidrokarbondur. Antiseptik, ilaç, böcek ilacı üretiminde, yakıt veya yakıt katkısı olarak kullanılmaktadır [9]. Çizelge 1 de benzin ve terebentinin kimyasal ve fiziksel özellikleri verilmiştir. Çizelge 1.Benzin ve terebentinin kimyasal ve fiziksel özellikleri [1]. Benzin Terebentin Kimyasal Formül C 4 -C 12 C 1 H 16 Molekül Ağırlığı Bileşimi (Ağırlık % si) C 88 H C H 11.8 Yoğunluk (kg/m 3 ) Özgül Ağırlık,78,86-,9 Akma Noktası ( C) -4 - Kaynama Noktası ( C) Buhar Basıncı (kpa) <1 Viskozite (cst) - 2,5 (3 o C de) Buharlaşma Gizli Isısı 35 (kj/kg) 285 Parlama Noktası ( C) Alt Isıl Değeri (kj/kg) 43,89 44,4 Kendiliğinden tutuşma Sıcaklığı ( C) Alevlenme Sınırı (% hacim) 1,4,8 Yakıt olarak düşünüldüğünde terebentinin şu özellikleri dikkat çekmektedir: Çam ağacından elde edilen yenilenebilir bir biyoyakıttır. Benzine göre daha yüksek kendiliğinden tutuşma ve kaynama sıcaklığına sahiptir. Isıl değeri benzin, dizel ve diğer biyo-yakıtlara(biyodizel ve bitkisel yağ) göre daha yüksektir. Çevreye zararlı farklı bir bileşik oluşturmamaktadır. Yakıt katkı maddesi olarak kullanımı ile ekonomik fayda sağlanabilir [1]. Deneylerde kullanılan yakıtlar, hacimsel karışım oranı baz alınarak içerdikleri terebentin oranına göre T (% 1 kurşunsuz benzin), T1 (%1 terebentin-%9 kurşunsuz

3 benzin) ve T2 (%2 terebentin-%8 kurşunsuz benzin) olarak isimlendirilmiştir. 3. Deney Ekipmanları ve Süreci Deneyler dört zamanlı tek silindirli buji ile ateşlemeli bir motorda yapılmıştır. Test motorunun teknik özellikleri Çizelge 2 de görülmektedir. Çizelge 2. Deney Motorunun Teknik Özellikleri Çizelge 3. Gaz Analiz Cihazının Teknik Özellikleri Ölçüm Aralığı Hassasiyet CO (%vol.) -1,1 CO2 (%vol.) -18,1 HC (ppm vol.) O2 (%vol.) -22,1 Marka Model Loncin G2F Benzin motoru Motor Tipi Tek silindirli, 4 zamanlı Max.Güç.(kW/4 min -1 ) 4.8 Max. Tork (Nm/min -1 ) 13/3 Silindir Çapı x Strok (mm) Kurs Hacmi (cc) 196 Sıkıştırma Oranı 8.3:1 Ateşleme Sistemi Transistörlü manyetolu ateşleme Soğutma Sistemi Hava Soğutmalı Yağlama Sistemi Çarpmalı Yağlama İlk Hareket Elle Motor momenti ve gücü, Esit marka.1 hassasiyetinde yük hücresine sahip elektrikli dinamometre kullanılarak ölçülmüştür. Yakıt tüketimi ölçümü için elektronik terazi ve dijital süreölçer kullanılmıştır. Deneyler, motorun maksimum tork devrine yakın olan ve dinamometrenin dengede tutulduğu 325 min -1 lık sabit devirde %25, %5, %75 ve %1 yük oranlarında gerçekleştirilmiştir. Deney donanımı Şekil 1 de şematik olarak görülmektedir. 1.Dinamometre 2. Yük Hücresi 3. Kontrol Paneli 4.Deney Motoru 5. Egzoz Emisyon Cihazı 6. Elektronik Terazi 7. Yakıt Deposu 8. Yakıt Borusu 9. Egzoz Probu Şekil 1. Deney Düzeneğinin Şematik Görünümü. CO ve HC değerleri Bosch BEA 35 egzoz gaz analiz cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Motor kararlı duruma geldikten sonra 25 ölçüm kaydedilmiş ve ölçümlerin ortalaması emisyon değeri olarak kullanılmıştır. Emisyon ölçüm cihazının özellikleri Çizelge 3 de verilmektedir. 4. Sonuçlar Ve Tartışma 4.1. Motor Performansı Deneyler 325 min -1 sabit devirde farklı yükler altında yapıldığı için terebentin ilavesinin motor moment ve gücüne etkisi paralel olmuştur. Şekil 2 de motor yüküne ve deney yakıtlarına bağlı olarak motor gücü değişimleri, Şekil 3 de ise motor momenti değişimleri görülmektedir. %25 kısmi yükte motor momenti T, T1 ve T2 yakıtları için sırasıyla 2.99 Nm, 3.33 Nm ve 2.94 Nm olarak tespit edilmiştir. Motor yükü artırılmasıyla motor momentinde artış gözlenmektedir. Tam yükte motor momenti T, T1 ve T2 yakıtları için sırasıyla 8.98 Nm, 9.54 Nm ve 9.92 Nm olarak ölçülmüştür. Tam yükte motor momentindeki bu artışın terebentinin ısıl değerinin benzinden yüksek olmasından kaynakladığı düşünülmektedir. Güç (kw ) M oment (Nm) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Şekil 2. Motor yükü ve yakıta bağlı olarak gücün değişimi Şekil 3. Motor yükü ve yakıta bağlı olarak moment değişimi

4 Şekil 4 te deney yakıtlarının farklı yükler altında motor özgül yakıt tüketimi (ÖYT) üzerine etkisi görülmektedir. % 25 kısmi yükte T, T1, T2 yakıtları için ÖYT değeri sırasıyla g/kwh, g/kwh ve g/kwh olarak ölçülmüştür. Tam yükte ise sırası ile 455 g/kwh, 44 g/kwh ve 369 g/kwh olarak ölçülmüştür. Terebentin ilavesi ile özgül yakıt tüketiminde % lık bir azalma gözlenmiştir. Şekil 6 te deney yakıtlarının farklı yükler altında CO emisyonlarına etkisi görülmektedir. CO emisyon değeri tam yük durumunda kurşunsuz benzin, T1 ve T2 yakıtları için sırasıyla %3,73, %4,8 %4,6 olarak ölçülmüştür. Ortalama CO değeri dikkate alındığında T1 ve T2 yakıtlarında sırasıyla kurşunsuz benzine göre %4,43 lük azalma ve %,1 lik artma olduğu gözlenmiştir. Ö.Y.T. (g/ kwh) Yükün artmasıyla CO emisyonundaki artış daha fazla yakıt tüketiminden ileri gelmektedir. Tam yükte volumetrik verimdeki düşüş ile oksijen miktarının azalması sonucu CO emisyonu artmıştır. CO (%) 4, 3,5 3, 2,5 2, Şekil 4. Motor yükü ve yakıta bağlı olarak özgül yakıt tüketiminin değişimi 4.2. Egzoz Emisyonları Şekil 5 de deney yakıtlarının farklı yükler altında HC emisyonlarına etkisi görülmektedir. %25 kısmi yük durumunda kurşunsuz benzin, T1 ve T2 yakıtları için HC değerleri sırasıyla 62.1 ppm, ppm ve ppm, tam yük durumunda ise ppm, ppm ve ppm ölçülmüştür. Motor yükünün artmasıyla yanmamış HC emisyonlarının artması kaçınılmazdır. Düşük yüklerde karışımın homojenliği ve oksijen miktarının daha fazla oluşu HC emisyonlarının daha az olmasına neden olmaktadır. Yükün artması ile azalan volumetrik verim, artan yakıt giriş miktarı ve dolgu sıcaklığı, daha yüksek buharlaşma oranı ve oksijen azlığı HC emisyonunu artırmaktadır. Yüksek yüklerde kurşunsuz benzine göre HC emisyonundaki artış daha fazla yakıt tüketiminden ileri gelmektedir. Ortalama HC değeri dikkate alındığında T1 ve T2 yakıtlarında sırasıyla kurşunsuz benzine göre %5,18 ve %13,37 lik artış olduğu gözlenmiştir. HC (ppm) ,5 1,,5, Şekil 6. Motor yükü ve yakıta bağlı olarak CO emisyon değerlerinin değişimi 5. Sonuçlar ve Öneriler Terebentinin yakıt maddesi olarak kullanılmasının motor performansı ve emisyonları üzerine etkileri incelendiğinde aşağıdaki sonuçlar gözlenmiştir; Motor tam yükte iken T, T1 ve T2 yakıtları karşılaştırıldığında en yüksek motor momenti T2 yakıtı ile elde edilmiştir. T2 yakıtındaki moment artışı T yakıtına göre %1,48 dir. Bu artış terebentinin ısıl değerinin benzinden fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Ortalama ÖYT değeri dikkate alındığında T1 ve T2 yakıtlarında kurşunsuz benzine göre %2,83 ile %3,98 lık azalma gözlenmiştir. Tam yük durumunda HC ve CO değerlerinde T1 yakıtı için sırasıyla %15,6 ve %9,3 lik bir artış gözlenmiştir. T2 yakıtı için HC ve CO ve emisyonlarında sırasıyla % 28,3 ve % 9,5 oranlarında artış gözlenmiştir. Ortalama değerler dikkate alındığında terebentin ilavesinin motor performans parametreleri olan güç, moment ve özgül yakıt tüketimine olumlu etkileri olduğu görülmüştür. 4 2 Ortalama CO değeri dikkate alındığında T1 ve T2 yakıtlarında sırasıyla kurşunsuz benzine göre %4,43 lük azalma ve %,1 lik artma olduğu gözlenmiştir. Ortalama HC değeri dikkate alındığında T1 ve T2 yakıtlarında sırasıyla kurşunsuz benzine göre %5,18 ve %13,37 lik artış olduğu gözlenmiştir. Şekil 5. Motor yükü ve yakıta bağlı olarak HC emisyon değerlerinin değişimi Deney sonuçlarına göre terebentin katkılı yakıtların motor performansı açısından kurşunsuz benzine göre daha üstün

5 görünmesine rağmen egzoz emisyonlarındaki yüksek değerleri önemli bir sorun oluşturmaktadır. Yapılan çalışmaya ilave olarak motor ayar parametreleri (ateşleme avansı, supap ayarı vb,) ve katılan terebentin yüzdesi değiştirilerek motor performansı ve egzoz emisyonu üzerine etkilerinin araştırılması terebentin ilavesinin etkilerini daha iyi ortaya koyacaktır. Terebentinin çözücü özelliğinin çok silindirli motor deneylerinde yakıt sistemi parçaları üzerinde olumsuz etkisi olabileceğine dikkat edilmelidir. Kaynaklar [1] Nadim F., Zack P., Hoag G. E., Liu S., United States experience with gasoline additives, Energy Policy, 29(1), 1-5, 21. [2] Stikkers D.E., Octane and the environment, The Science of the Total Environment, 299, 37-56, 22. [3] Hsieh W.-D., Chenb R.-H., Wub T.-L., Lina T.-H., Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol gasoline blended fuels, Atmospheric Environment, 36, 43 41, 22. [4] Wu, C.W., Chen, R.H., Pu, J.Y., Lin, T.H., The influence of air fuel on engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol gasoline-blended fuels, Atmospheric Environment, 38, , 24. [5] Obalı Z., Doğu T., Activated carbon tungstophosphoric acid catalysts for the synthesis of tert-amyl ethyl ether (TAEE), Chemical Engineering Journal, 138, , 28. [6] Hamdan M.A., Al-Subaih T.A., Improvement of locally produced gasoline and studying its effects on both the performance of the engine and the environment, Energy Conversion and Management, 43, , 22. [7] Poulopoulos S., Philippopoulos C., Influence of MTBE addition into gasoline on automotive exhaust emissions, Atmospheric Environment, 28, 34, , 2. [8] Da Silva R., Cataluña R., Menezes E. W. de., Samios D., Sartori Piatnicki C. M., Effect of additives on the antiknock properties and Reid vapor pressure of gasoline, Fuel, 7-8(84), , 25. [9] Yumrutas R., Alma M. H., Özcan H., Kaşka Ö., Investigation of purified sulfate turpentine on engine performance and exhaust emission, Fuel, 87, , 28. [1] Karthikeyan, R., Mahalakshmi, N.V., Performans and Emission characteristics of a turpentine-diesel dual fuel engine, Energy, Vol.32, pp , 27. [11] Butkus, A., Pukalskas, S., Bogdanovicius, Z., The influence of turpentine additive on the ecological parameters of diesel engines, Transport, Vol. 22, No 2, pp. 8 82, 27. [12] Kaplan, C., Alma, M.H., Tutuş, A., Çetinkaya M., Karaosmanoğlu, F., Engine Performance and Exhaust Emission Tests of Sulfate Turpentine and No:2 Diesel Fuel Blend, Petroleum Science and Technology, Vol.23 pp , 25.