Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Performans ve Emisyonlara Etkisi

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 4, No: 2, 2012 (25-36) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 4, No: 2, 2012 (25-36) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Performans ve Emisyonlara Etkisi Mehmet BAYIK*, M. Bahattin ÇELİK * KBÜ Fen Bil. Enstitüsü, Mak. Eğt. ABD, 78050, Karabük/Türkiye. mb.bayik@gmail.com KBÜ Mühendislik Fak., Otomotiv Müh. ABD, 78050, Karabük/Türkiye. mbcelik@gmail.com Özet Dizel motorlarında emisyon değerlerinin azaltılması amacıyla biyodizel, etanol, metanol, bütanol ve doğalgaz gibi yakıtlar kullanılmaktadır. Özellikle dizel motorlarının is ve NO x emisyonu değerleri oldukça yüksektir. Alkollerin yapısında bulunan oksijen yanmayı iyileştirerek is emisyonunu azaltmaktadır. Ayrıca alkollerin buharlaşma ısılarının yüksek olması yanma sıcaklığını düşürerek NO x emisyonunun azalmasına katkıda bulunmaktadır. Bu çalışmada direkt püskürtmeli tek silindirli bir dizel motorda yakıt olarak farklı oranlarda dizel-izobütanol yakıt karışımları kullanılmasının motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla, dizel yakıtına %5, %10, %15 ve %20 oranlarında izobütanol katılmıştır. Dizel motor dizel yakıtı ve dizelizobütanol yakıt karışımları ile sabit bir hızda ve farklı yüklerde test edilmiştir. Tüm yüklerde %20 izobütanol kullanılması durumunda dizel yakıtına göre özgül yakıt tüketimi ortalama %17 artmıştır. Ayrıca NO x, is ve CO emisyonlarında sırasıyla ortalama %14, %23 ve %11 oranında azalmalar elde edilmiştir. İzobütanol kullanımı sadece HC emisyonunu artırmıştır. Anahtar Kelimeler: İzobütanol, Alkol, Dizel Motor, Performans, Emisyon. The Effect of Add of Isobutanol to Diesel Fuel on Performance and Exhaust Emissions Abstract The fuels such as biodiesel, ethanol, methanol, butanol and natural gas have been used to decrease emission values in diesel engines. The soot and NO x emissions values of the diesel engines especially are very high. As alcohols have oxygen atom, they improve combustion and decrease soot emissions. Moreover, because heat of vaporization of alcohols is high, combustion temperature reduces and, thus NO x decreases. In this study, the effect on performance and emissions of use of the diesel fuel-isobutanol blends at various ratios in a direct injection single cylinder diesel engine were investigated experimentally. For this purpose, iso-butanol was added at ratios of %5, 10%, 15% and 20% to diesel fuel. The diesel engine was tested with diesel fuel and diesel fuel-isobutanol blends at a constant speed and different loads. The specific fuel consumption increased up to 17% compared to diesel fuel at all loads when adding 20% isobutanol to diesel fuel. Moreover, decreases in NO x, soot and CO emissions were obtained about 14%, 23% and 11%, respectively. The use of isobutanol increased only the HC emissions. Keywords : Isobutanol, Alcohol, Diesel Engine, Performance, Emission. 1. GİRİŞ Taşıtlarda petrol kaynaklı yakıt kullanımı hem yakıt fiyatlarının hem de çevre kirliliğinin artmasına neden olmaktadır. Hava kirliliğinde taşıtların payı oldukça fazladır. Özellikle NO x, CO, CO 2, HC ve is emisyonlarında taşıtların önemli rolü olduğu bilinmektedir. Dizel motorlar fazla hava ile çalıştığından CO ve HC emisyonları benzinli motorlara göre oldukça düşük seviyelerdedir. Ancak bu motorların is ve NO x Bu makaleye atıf yapmak için Bayik M.* ve Çelik M. B., Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Performans ve Emisyonlara Etkisi Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, (4) How to cite this article Bayik M.* and Çelik M. B, The Effect of Add of Isobutanol to Diesel Fuel on Performance and Exhaust Emissions Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2012, (4) 25-36

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin emisyonları yüksek değerlerdedir. Dizel motorlarda alternatif yakıt olarak biyodizel, doğal gaz, etanol, metanol, bütanol, hidrojen ve LPG kullanılmaktadır. Özellikle etanol, metanol, bütanol gibi alkoller temiz bir yakıt olmaları nedeniyle dizel motorlarda dizel yakıtına belirli oranlarda katılarak kullanılmaktadır. Alkollerin yapısında bulunan oksijen ve yüksek H/C oranı yanmayı iyileştirerek is emisyonunu azaltmaktadır [1-2]. Ayrıca alkollerin buharlaşma ısılarının yüksek olması yanma sıcaklığını düşürerek NO x emisyonunun azalmasına katkıda bulunmaktadır [3-4-5]. Dizel yakıtı çok farklı hidrokarbonlardan oluştukları için kaynama sıcaklıkları sabit değildir. Buna karşılık alkollerin tek bir kaynama noktaları vardır ve aynı özellikteki yapıya sahip moleküllerden oluşmuş bir maddedir. Bu sebepten dolayı da alkoller, dizel yakıtına oranla daha çok buharlaşır ve temiz yanar. Böylece çevre ve hava kirliliğinin azalmasında olumlu etki yaparlar. Alkoller içerisinde özellikle bütanol (bütil alkol) diğer yakıtlarla faz ayrışması olmadan karışabilmektedir. Bütanolün su içerisinde çözünürlüğü oldukça düşük olduğundan benzin ya da dizel yakıtı ile kolaylıkla karışabilmekte ve uzun süre faz ayrışması olmaksızın kararlılığını koruyabilmektedir [6-7-8]. Bütanol yapısal olarak incelendiğinde 3 çeşit izomeri (türevi) olduğu görülmektedir. İzomer, aynı elementlerin aynı oranda birleşmesiyle oluşmuş, moleküllerindeki atom gruplaşmaları farklı olduğu için farklı özellikler gösteren maddelerdir. Bütanolün izomerleri; sec-bütanol, izo-bütanol ve tert-bütanoldür [9-10]. Bütanollerin hepsi de aynı kimyasal yapıdadır, 4 karbon, 10 hidrojen ve bir adet oksijen atomundan oluşmuştur. Bunların atom dizilişleri farklı oldukları için farklı termodinamik özelliklere ve yanma karakteristiklerine sahiptir [11]. Bütanol de etanol ve metanol gibi biyokütle kaynaklardan üretilebilmektedir. Bütanol diğer alkollere göre daha az korozif özelliği vardır ve alt ısıl değeri yüksektir [12-11]. Bütanolün dizel motorlarda kullanımı, motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkileri konusunda yapılmış bazı çalışmalar bulunmaktadır. Rakopoulos vd. tarafından yapılan çalışmada; yüksek hızlı dizel motorunda n-bütanol-dizel yakıt karışımlarının motor performansı ve emisyonlar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Dizel yakıtı içerisine %8, %16 ve %24 oranlarında n-bütanol katılmıştır. Karışımdaki n- bütanol oranı arttıkça is, NO x ve CO emisyonları azalmış, HC emisyonları artmıştır. Ayrıca n-bütanol ilavesiyle termik verim ve özgül yakıt tüketimi artmıştır [13]. Asfar ve Al-Rabadi yapmış oldukları çalışmada; tek silindirli su soğutmalı bir dizel motorda dizel yakıtına %5 ve %10 oranında izobütanol eklemişlerdir. İzobütanol ilavesi ile özgül yakıt tüketiminde artma, CO ve is emisyonlarında azalma elde edilmiştir [14]. Karabektaş ve Hoşöz tarafından yapılan çalışmada; dizel yakıtının içerisine farklı oranlarda (%5, %10, %15 ve %20) eklenen izobütanol tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorunda denenmiştir. Tam gaz testleri 1200 d/d ile 2800 d/d arasında 200 devir artırılarak tekrarlanmıştır. Bütanol ilavesiyle motor gücünde %1,2 ile %6 arasında azalma gözlemlenmiştir. Ayrıca karışımdaki izobütanol oranı arttıkça termik verim de azalmıştır. İzobütanol ilavesi ile CO ve NO x emisyonları azalırken HC emisyonları artmıştır [6]. Al-Hasan ve Al-Momany yapmış oldukları çalışmada; tek silindirli bir motorda dizel yakıtına %10, %20, %30, %40 oranında izobütanol ilave edilmesinin performansa etkisini araştırmışlardır. Karışımdaki isobütanol oranı arttıkça güç ve termik verimde düşme özgül yakıt tüketiminde artış görülmüştür [15]. Doğan tarafından yapılan çalışmada, n- bütanol dizel yakıt karışımlarının performans ve emisyonlara etkisi incelenmiştir. Dizel yakıtının içerisine farklı oranlarda (%5, %10, %15 ve %20) eklenen n-bütanol tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorda denenmiştir. NO x, CO ve is emisyonlarında azalma HC emisyonunda artma tespit edilmiştir. Ayrıca termik verim ve özgül yakıt tüketiminde artış elde edilmiştir [16]. Rakopoulos vd. direkt enjeksiyonlu bir dizel motorda n-bütanol dizel yakıt karışımlarının yanma ve performansa etkisini araştırmışlardır. Dizel yakıtına %8 ve %16 oranında n-bütanol ilave edilmiştir. Testler sonucunda is ve NO x emisyonunda azalma, özgül yakıt tüketimi ve termik verimde artış kaydedilmiştir [17]. Valentino vd. tarafından yapılan bir çalışmada n-bütanol dizel yakıt karışımlarının performansa ve emisyonlara etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Testler 2500 d/d ve sabit bir yükte yapılmıştır. Dizel yakıtına %40 %60 oranında katılan n-bütanol ile NOx ve is emisyonlarının iyileştiği belirlenmiştir [18]. Rakopoulos vd. 26

3 Bayik M.* ve Çelik M. B Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) turboşarjlı bir dizel motorda ivmelenme anında n-bütanol dizel yakıt karışımlarının emisyonlara etkisini araştırmışlardır. Dizel yakıtına %25 oranında n-bütanol katılmıştır. Testler sonucunda is emisyonunda azalma, NO x emisyonunda artma elde edilmiştir [19]. Rakopoulos et al. tarafından yapılan bir çalışmada 6 silindirli turboşarjlı direkt enjeksiyonlu bir otobüs motorunda n-bütanol dizel yakıt karışımlarının performans ve emisyonlara etkisi araştırılmıştır. Dizel yakıtına %8 ve %16 oranında n-bütanol katılmıştır. Yapılan testler sonucunda; bütanol ilavesi ile NO x ve CO emisyonu azalırken HC emisyonun arttığı görülmüştür. Ayrıca özgül yakıt tüketimi ve termik verimde artma belirlenmiştir [9]. Bütanolün dizel motorda kullanımı ile ilgili deneysel çalışmalar incelendiğinde; yapılan çalışmaların sınırlı sayıda olduğu görülmektedir. Bu çalışmaların çoğunluğu n-bütanol ile yapılmış olup, izobütanol ile yapılan çalışmalar daha az sayıdadır. Bu çalışmada direkt püskürtmeli tek silindirli bir dizel motorda dizel-izobütanol yakıt karışımlarının performans ve çevre kirliliğine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Dizel yakıtına %5, %10, %15 ve %20 oranlarında izobütanol katılarak motor sabit hız farklı yüklerde test edilmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneyler Karabük Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Otomotiv Ana Bilim Dalı laboratuarında yapılmıştır. Deney setinin şematik görünüşü Şekil 1 de verilmiştir. Deneylerde motorun yüklenmesi için Kemsan marka, 10 kw gücünde elektrikli dinamometre kullanılmıştır. Deney seti; motor momentini, hızını, sıcaklığını ve yakıt tüketimini ölçebilecek donanıma sahiptir. Deneylerde; tek silindirli, hava soğutmalı, 4 zamanlı bir dizel motor kullanılmıştır. Deney motorunun özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Deneylerde yakıt olarak %99,5 saflıkta izobütanol kullanılmıştır. İzobütanol ve dizel yakıtının özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. Şekil 1. Deney seti. 27

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Tablo 1. Deney motorunun özellikleri. Markası Katana marka, 4 zamanlı direkt püskürtmeli Silindir sayısı 1 Silindir çapı (mm) 78 Strok (mm) 62 Sıkıştırma oranı 18/1 Supap düzenlemesi Üstten kamlı, 2 supaplı Maksimum motor devri (d/d) 3600 Silindir hacmi (cm 3 ) 296 Püskürtme basıncı (bar) 200 Püskürtme avansı (KMA) 19 o Tablo 2. İzobütanol ve dizel yakıtının özellikleri [20]. Özellikler İzobütanol Dizel Kimyasal Denklem C 4 H 9 OH C x H y Yoğunluk (g/cm 3 ) 0,81 0,82-0,845 Molekül Ağırlığı (kg/kmol) 74,12 - Buharlaşma Isısı (kj/kg) 578,4 270 Stokiyometrik H/Y Oranı 11,1 14,3 Alt Isıl değeri (MJ/kg) 33 42,7 Kendi Kendine Tutuşma Sıcaklığı ( C) 430 >250 Kaynama Noktası ( C) Setan Numarası < C/H Oranı 4,8 - Deney motorunun egzoz emisyonlarının ölçümü için MRU DELTA 1600L marka egzoz gaz analizörü kullanılmıştır. Bu cihaz ile NO, NO 2, HC, CO, O 2, CO 2, λ (hava fazlalık katsayısı) ve is değişkenlerini ölçebilmek mümkündür. Tablo 3 de egzoz gaz analizörünün teknik özellikleri verilmiştir. Tablo 3. Egzoz gaz analizörünün teknik özellikleri Ölçüm Ölçüm aralığı Hassasiyet CO (%) 0-15,00 ± 0,06 CO 2 (%) 0-20,00 ± 0,5 NO x (ppm) ± 5 HC (ppm) ± 12 O 2 (%) 0-25 ± 0,1 İs ± 2 28

5 Bayik M.* ve Çelik M. B Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel motorlarda hava/yakıt oranı pompa koluna bağlı olarak değiştiğinden dizel motor davranışını daha iyi gözlemleyebilmek için testlerin farklı motor yüklerinde yapılması daha anlamlı olmaktadır. Bu çalışmada da motor testleri farklı yüklerde gerçekleştirilmiştir. Dizel yakıtına izobütanol ilavesi %20 ye kadar yapılmıştır. Daha yüksek oranda izobütanol ilavesi özgül yakıt tüketimini ve HC emisyonlarını önemli ölçüde artırmıştır. Bu çalışmada izobütanol hacimsel olarak %5 (%5 izobütanol+%95 dizel yakıtı), %10, %15 ve %20 oranlarında dizel yakıtına ilave edilerek yakıt karışımları oluşturulmuştur. Metin içerisinde %5 oranlı yakıt karışımından İ5 yakıtı şeklinde söz edilecektir. Deneylere başlamadan önce motor ayarları kontrol edilmiş ve motor çalışma sıcaklığına getirilmiştir. Deneyler, 2600 d/d sabit hızda ve farklı yüklerde (%100, %75, %50 ve %25) yapılmıştır. İlk olarak dizel yakıtı kullanılarak ölçümler yapılmıştır. Deneylerde motor momenti, gücü, yakıt sarfiyatı, egzoz gaz sıcaklığı ve emisyon değerleri (HC, CO, CO 2, NO x ve is) kaydedilmiştir. Bu işlem diğer yakıt karışımları için de gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneysel çalışma için belirsizlik analizi yapılmıştır. Ölçme cihazlarının hassasiyeti ve hesaplanan belirsizlikler Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 4. Ölçme cihazlarının hassasiyeti ve hesaplanan sonuçların belirsizliği Ölçme Cihazları Yük Hız Yakıt tüketimi Süre Hassasiyet ± 0,3 N ± 1 d/d ± 1 g ± 0,5 s Hesaplanan sonuçlar Belirsizlik (%) Tork ±1,28 Güç ±1,30 Fren özgül yakıt tüketimi ±4,35 Fren termik verimi ±4,35 3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 3.1 Motor Performansı Standart dizel yakıtının içerisine izobütanol ilavesinin fren özgül yakıt tüketimine (FÖYT) etkisi Şekil 2 de verilmiştir. Standart dizel yakıtına ilave edilen izobütanol miktarı arttıkça FÖYT de artmıştır. Dizel yakıtına izobütanol ilave edilmesi yakıt karışımlarının ısıl değerleri düşmekte ve özgül yakıt tüketimi de artmaktadır [9]. Ayrıca dizel-izobütanol karışımlarının yoğunlukları standart dizel yakıtının yoğunluğuna oranla daha düşüktür. Bunun sonucunda da, motorun aynı çıkış gücünü verebilmesi için silindir içerisine püskürtülen yakıtın kütlesinin artırılması gerekir. Artan yakıt miktarı ile aynı motor çıkış gücünün elde edilmesi FÖYT ni artırır. Tüm yüklerde FÖYT İ20 yakıtıyla dizel yakıtına göre ortalama %17 oranında artış göstermiştir. Şekil 3 izobütanol dizel yakıtı karışımlarının termik verime etkisini göstermektedir. Termik verim, yakıtın yanması sonucunda oluşan ısı enerjisinin ne kadarının faydalı işe dönüştürülebildiğinin bir göstergesidir. Yanma sonucunda açığa çıkan ısı enerjisinin büyük bir kısmının soğutma, yağlama ve egzoz gazları tarafından motordan uzaklaştırıldığı bilinmektedir. Bunun neticesinde ancak geriye kalan ısı motorlarda güce dönüştürülebilmektedir. Şekil 3 incelendiğinde motor torku arttıkça termik verimin de arttığı görülmektedir. Karışımdaki izobütanol miktarı arttıkça termik verim azalmaktadır. Termik verim FÖYT ne bağlı bir parametredir. Özgül yakıt tüketiminin artması ve yanma sıcaklığının düşmesi termik 29

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Şekil 2. İzobütanol dizel yakıtı karışımlarının fren özgül yakıt tüketimine etkisi. verimin düşmesine neden olmaktadır [15]. İzobütanolün buharlaşma sıcaklığının yüksek olması yanma sıcaklığını düşürmektedir. Ayrıca dizel yakıtındaki izobütanol oranı arttıkça FÖYT de arttığı için, termik verim de azalmıştır. Maksimum termik verim tam yükte dizel yakıtıyla %33 olarak belirlenmiştir. Karışım yakıtları içerisinde en yüksek termik verim İ5 yakıtıyla %30,3 olarak tespit edilmiştir. Tüm yüklerde İ20 yakıtıyla elde edilen termik verim dizel yakıtına göre yaklaşık %13 daha azdır. Şekil 3. İzobütanol dizel yakıtı karışımlarının termik verime etkisi. 30

7 Bayik M.* ve Çelik M. B Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Egzoz Emisyonları Standart dizel yakıtının içerisine izobütanol ilavesinin karbonmonoksit emisyonlarına etkisi Şekil 4 te verilmiştir. CO emisyonları standart dizel yakıtına eklenen izobütanol miktarı arttıkça azalmıştır. CO emisyonlarındaki iyileşmenin temel nedeni izobütanolün içerisindeki karbon miktarının dizel yakıtının içerisindeki karbon miktarına oranla daha az olması ve izobütanolün yapısında oksijen bulunmasıdır [6]. Ayrıca tam yük bölgesinde H/Y oranı azaldığı için bütün yakıtlarda CO miktarı artmıştır. Tüm yüklerde İ20 yakıtıyla elde edilen CO dizel yakıtına göre yaklaşık %11daha azdır. Şekil 4. İzobütanol dizel yakıtı karışımlarının CO emisyonlarına etkisi. Standart dizel yakıtına izobütanol ilavesinin hidrokarbon emisyonuna etkisi Şekil 5 de verilmiştir. HC yanmamış yakıt ve yağ atıklarıdır. Egzoz gazları içerisinde HC emisyonunun bulunması yakıtın kısmen yanmamasından kaynaklanmaktadır. HC emisyonları, silindir içerisindeki bazı bölgelerde, H/Y karışım oranının çok fakir ya da çok zengin olması sonucu eksik yanmanın oluşmasıyla meydana gelen yakıt moleküllerinden oluşur ve sıcaklığın bir fonksiyonudur. Dizel motorlarında HC emisyonlarının artmasının nedeni fakir karışımda hava oranının çok artması ile yakıtın silindir içerisindeki kısmi bölgelerde sönmesidir. Ayrıca yakıtın püskürtülmesi sırasında enjektörün uç kısmında kalan yakıtın damlama yapması silindirdeki yakıtın tam olarak yanmasını engelleyerek, HC oranında artışa sebep olur. Şekil 5 incelendiğinde karışımdaki izobütanol miktarı arttıkça HC emisyonları da artmaktadır. İzobütanolün buharlaşma ısısı dizel yakıtına göre fazla olduğundan izobütanol ilavesiyle yanma sıcaklığı azalmakta ve HC artmaktadır [9]. Ayrıca düşük viskozite ve yoğunluğa sahip olan izobütanol yakıtı dizel yakıtı ile karıştırıldığında karışımın da viskozitesi ve yoğunluğu düşmektedir. Bu düşüş enjektörün püskürtmeye geçtiği andan önce kaçaklara neden olmakta ya da püskürtme sonunda damlamaya sebebiyet vermektedir. Silindir içerisine yanmamış yakıtın enjektör ucundan damlama yoluyla girmesi de egzoz gazları içerisinde HC emisyonlarının artmasına sebep olmuştur. Tüm yüklerde İ20 yakıtıyla elde edilen HC dizel yakıtına göre yaklaşık %67 daha fazladır. 31

8 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Şekil 5. İzobütanol dizel yakıtı karışımlarının HC emisyonlarına etkisi. Standart dizel yakıtına izobütanol ilavesinin is emisyonlarına etkisi Şekil 6 da verilmiştir. Yakıt içerisindeki Karbon/Hidrojen (C/H) atomlarının oranı arttıkça bu yakıtın is oluşturma eğilimi de artmaktadır. Ayrıca izobütanolün yapısında oksijen bulunması da is emisyonunun azalmasında etkili olmaktadır [16]. Bilindiği gibi dizel yakıtları yapısında yüksek karbon ve hidrojen ihtiva eder. İzobütanolün yapısındaki C/H oranı dizel yakıtına oranla daha az olması, standart dizel yakıtına göre is partiküllerine daha az meyilli olduğunun bir göstergesidir. Şekil 6 da görüldüğü gibi motor yükü arttıkça H/Y oranı azaldığı için is emisyonları da artmaktadır. Karışımdaki izobütanol miktarı arttıkça is emisyonu azalmaktadır. Tüm yüklerde İ20 yakıtıyla elde edilen is emisyonu dizel yakıtına göre yaklaşık %23 daha azdır. Şekil 6. İzobütanol dizel yakıtı karışımlarının is emisyonlarına etkisi Standart dizel yakıtına izobütanol ilavesinin azot oksitlere etkisi Şekil 7 de verilmiştir. Dizel motorlarındaki NO x oluşumunun başlıca nedeni yanma sonu sıcaklıklarının artmasıdır. Yanma sürecinde meydana gelen yüksek sıcaklıklarda (1600 o C nin üstünde), havanın içerisindeki azotun oksijenle reaksiyona girmesi sonucunda azot oksitler meydana gelmektedir [21]. Şekil 7 incelendiğinde karışımdaki izobütanol miktarı arttıkça NO x miktarı da azalmaktadır. Oksijen bakımından zengin ve düşük enerji 32

9 Bayik M.* ve Çelik M. B Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) içeriğine sahip olan yakıt karışımları genellikle yanma sonu sıcaklıklarının düşmesine neden olur. Dizel yakıtının içerisine ilave edilen izobütanolün ısıl enerjisinin standart dizel yakıtına göre düşük olması ve aynı zamanda yoğunluk ve viskozitesinin de düşük olması nedeniyle silindire daha az yakıt verilmesi yanma sonu sıcaklığını düşürmektedir. Ayrıca izobütanolün dizel yakıtına oranla buharlaşma ısısının yüksek olmasına bağlı olarak dizel yakıtına katılan karışım miktarı arttıkça silindir içerisinden daha fazla ısı çekilmesi yanma sonu sıcaklığını düşürmektedir [5]. Sonuç olarak izobütanol miktarı artıkça NO x azalmaktadır. Tüm yüklerde İ20 yakıtıyla elde edilen NO x emisyonu dizel yakıtına göre yaklaşık %14 daha azdır. Şekil 7. İzobütanol dizel karışımlarının NO x emisyonlarına etkisi Standart dizel yakıtına izobütanol ilavesinin egzoz gaz sıcaklıklarına etkisi Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 8 incelendiğinde bütün yakıtlarda motor yükü arttıkça egzoz gaz sıcaklıklarının da arttığı görülmektedir. Karışımdaki izobütanol miktarı arttıkça egzoz gaz sıcaklığı da azalmaktadır. Egzoz gaz sıcaklığı, yanma sonu sıcaklığına bağlı bir parametredir. Düşük enerji içeriğine sahip olan yakıt karışımları yanma sonu sıcaklıklarının düşmesine sebep olmaktadır [15]. Tam yükte İ20 yakıtıyla oluşan egzoz gaz sıcaklığı dizel yakıtı ile elde elden egzoz gaz sıcaklığından yaklaşık %13 daha düşüktür. Dizel yakıtına izobütanol ilave edilmesi sonucu egzoz gazı sıcaklığındaki düşme yanma sonu sıcaklığının da düşük olduğunu göstermektedir. Bu da yüksek sıcaklıklarda açığa çıkan NO x lerin oluşumunu sınırlandırmaktadır. 33

10 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Şekil 8. İzobütanol dizel yakıtı karışımlarının egzoz gaz sıcaklığına etkisi 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada dizel yakıtının içerisine %5, %10, %15 ve %20 oranlarında katılan izobütanolün motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmadan aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir. Diğer alkol türleri (etanol, metanol) ile yapılan çalışmalarda, standart yakıta katılan alkol faz ayrışmasına neden olmakta ve motor düzensiz çalışabilmektedir. Bu çalışmada faz ayrışması sorunu görülmemiştir. Dizel yakıtı içerisindeki izobütanol oranı arttıkça NO x, is ve CO emisyonları da azalmıştır. Dizel yakıtına %20 oranında izobütanol eklenmesiyle NO x, is ve CO emisyonlarında sırasıyla %14, %23 ve %11 oranında azalmalar elde edilmiştir. Buradan anlaşıldığı üzere izobütanol kullanımı önemli bir performans düşüklüğü olmadan dizel motorda en önemli emisyonlar olan NO x ve is emisyonlarının düşmesini sağlamıştır. İzobütanol kullanımı sadece HC emisyonunu artırmıştır. İzobütanolün alt ısıl değeri dizel yakıtına göre daha düşük olduğundan izobütanol karışımları ile çalışıldığında FÖYT de artmaktadır. Dizel yakıtına İ20 yakıtı ilavesiyle FÖYT ortalama olarak %17 oranında artmıştır. İzobütanol yakıtlı dizel motorlarda HC emisyonu dizel motora göre daha yüksek çıkmaktadır. Motor giriş hava sıcaklığının ve alkol sıcaklığının artırılmasıyla HC emisyonları azaltılabilir. İzobütanol gelecekte biyokütle kaynaklardan daha ucuz olarak üretilmesi durumunda dizel yakıtına daha yüksek oranda katılabilecek ve motorlarda kullanımı yaygınlaşabilecektir. 5. KAYNAKLAR 1. Shi, X., Panga, X., Mu,Y., He, H., Shuai, S., Wang, J., Chen, H. ve Li, R., 2006, Emission Reduction Potential of Using Ethanol Biodiesel Diesel Fuel Blend on a Heavy-Duty Diesel Engine, Atmospheric Environment, 40, Zhang, Z.H., Cheung, C.S., Chan, T.L. ve Yao, C.D., 2010, Experimental Investigation of Regulated and Unregulated Emissions From a Diesel Engine Fueled with Euro V Diesel Fuel And Fumigation Methanol, Atmospheric Environment, 44,

11 Bayik M.* ve Çelik M. B Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Bayraktar, H., 2008, An Experimental Study on the Performance Parameters of an Experimental CI Engine Fueled with Diesel-Methanol-Dodecanol Blends, Fuel, 87, Çelik, M.B. ve Çolak, A., 2008, Buji Ateşlemeli Bir Motorda Alternatif Yakıt Olarak Saf Etanolun Kullanılması, J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ., 23 (3), Sayin, C., İlhan, M., Canakci, M. ve Gumus, M., 2009, Effect of Injection Timing on the Exhaust Emissions of a Diesel Engine Using Diesel Methanol Blends, Renewable Energy, 34, Karabektas, M. ve Hosoz, M., 2009, Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Using Isobutanol Diesel Fuel Blends, Renewable Energy 34, Chotwichien, A., Luengnaruemitchai, A. ve Jai-In S., 2009, Utilization of Palm Oil Alkyl Esters as an Additive in Ethanol Diesel and Butanol Diesel Blends, Fuel, 88, Huang, J., Wang, Y., Li, S., Roskilly, A.P., Yu, H. ve Li, H., 2009, Experimental investigation on the performance and emissions of a diesel engine fuelled with ethanol diesel blends, Applied Thermal Engineering, 29, Rakopoulos, D.C., Rakopoulos, C.D., Hountalas, D.T., Kakaras, E.C., Giakoumis, E.G. ve Papagiannakis, R.G., 2010, Investigation of the Performance and Emissions of Bus Engine Operating on Butanol/Diesel Fuel Blends, Fuel, 89, Bayık, M., 2010, Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin Performans Ve Emisyonlara Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, KB.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük. 11. Szwaja, S., Naber, J.D., 2010, Combustion of n-butanol in a Spark-Ignition IC Engine, Fuel, 89, Qureshi, N., Saha, B.C. ve Cotta M.A., 2008, Butanol Production From Wheat Straw by Simultaneous Saccharification and Fermentation Using Clostridium Beijerinckii: Part II Fed-Batch Fermentation, Biomass and Bioenergy, 32, Rakopoulos, D.C., Rakopoulos, C.D., Giakoumis E.G., Dimaratos, A.M. ve Kyritsis D.C., 2010, Effects of Butanol Diesel Fuel Blends on The Performance and Emissions of a High-Speed DI Diesel Engine, Energy Conversion and Management, 51 (10), Asfar, K.R. ve Al-Rabadi, T.H., 2003, Fuel Blends in Compression Ignition Engines, 1st International Energy Conversion Engineering Conference, Portsmouth, Virginia, AIAA , August. 15. Al-Hasan, M. I. ve Al-Momany, M., 2008, The Effect of Iso-Butanol-Diesel Blends on Engine Performance, Transport, 23 (4), Doğan, O., 2011, The Influence of n-butanol/diesel Fuel Blends Utilization on a Small Diesel Engine Performance and Emissions, Fuel, 90, Rakopoulos, D.C., Rakopoulos, C.D., Papagiannakis, R.G. ve Kyritsis, D.C., 2011, Combustion Heat Release Analysis of Ethanol or n-butanol Diesel Fuel Blends in Heavy-Duty DI Diesel Engine, Fuel, 90,

12 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2012 (4) Dizel Yakıtına İzobütanol İlavesinin 18. Valentino, G., Corcione, F.E., Iannuzzi S.E ve Serra, S., 2012, Experimental Study on Performance and Emissions of a High Speed Diesel Engine Fuelled with n-butanol Diesel Blends Under Premixed Low Temperature Combustion, Fuel, 92, Rakopoulos, C. D., Dimaratos, A.M., Giakoumis E.G., Rakopoulos, D.C., 2010, Investigating the Emissions During Acceleration of a Turbocharged Diesel Engine Operating with Bio-Diesel or n- Butanol Diesel Fuel Blends, Energy, 35, MERCK, Product specification, Sayın, C., Uslu, K. ve Çanakçı, M., 2008, Influence of injection timing on the exhaust emissions of a dual-fuel CI engine, Renewable Energy, 33 (6),