Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonları Üzerindeki Etkilerinin Deneysel İncelenmesi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 13, No: 4, 2016 (53-64) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 13, No: 4, 2016 (53-64) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonları Üzerindeki Etkilerinin Deneysel İncelenmesi Emre YILMAZ a, Laçine AKSOY b, Fatih AKSOY c, Fatih ŞAHİN a *, Ahmet UYUMAZ d a Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Ankara/TÜRKİYE b Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Afyon/TÜRKİYE c Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Afyon/TÜRKİYE d Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi, TBMYO, Otomotiv Teknolojisi Programı, Burdur/TÜRKİYE emreylmz@gazi.edu.tr; lacinetur@aku.edu.tr; faksoy@aku.edu.tr; fasahin@gazi.edu.tr; auyumaz@mehmetakif.edu.tr Geliş Tarihi: Kabul Tarihi: Sorumlu Yazar (Corresponding Author): Fatih Şahin (fasahin@gazi.edu.tr) Özet Bu çalışmada, nötralize atık kızartma yağından biyodizel üretimi tek aşamalı alkali katalizör (NaOH) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Dizel ve dizel-biyodizel yakıt karışımı (B10) tek silindirli, dört zamanlı, direkt enjeksiyonlu bir dizel motorunda, maksimum tork devrinde (2200 d/d), farklı motor yüklerinde (3.75, 7.5, 11.25, 15 ve Nm) test edilmiştir. Silindir basıncı, ısı dağılımı, tutuşma gecikmesi, yanma süresi ve CO, CO 2, NO x ve is emisyonlarının değişimi incelenmiştir. Test sonuçlarına göre B10 yakıtı ile elde edilen silindir basıncının arttığı görülmüştür. Motor yükü arttıkça silindir basıncının arttığı görülmüştür. Dizel yakıtı ile karşılaştırıldığında tam yükte B10 ile CO emisyonu %28.21, is emisyonları %11.77 azalmış, NO x emisyonu %14.43 artmıştır. Anahtar Kelimeler: Biyodizel, Nötralize atık kızartma yağı, Transesterifikasyon, Motor Performans Experimental Investigation of The Effects of Biodiesel From Neutralized Waste Cooking Oil on Combustion, Performance and Emission Abstract In this study, biodiesel production from neutralized waste cooking oils is performed by using alkali catalysed (NaOH) single-phase reaction. Diesel and diesel-biodiesel fuel blend (B10) have been tested in a single cylinder, four stroke, direct injection diesel engine at maximum engine torque speed (2200 rpm) and different engine load including 3.75, 7.5, 11.25, 15 and Nm. The variations of in-cylinder pressure, heat release rate, ignition delay period, combustion duration, and CO, HC, NO x and soot emissions were investigated. According to test results, higher in-cylinder pressure was obtained with B10 compared to other test fuel. There is no big difference between in-cylinder pressures obtained with B10 and diesel. In-cylinder pressure increased with the increase engine load. CO and soot emissions decreased by about % and 11.77% B10 according to diesel at full load. But NO x emissions increased by about % with B10 compared to diesel at full load. Keywords : Biodiesel, Neutralized waste cooking oils, Transesterification, Engine Performance Bu makaleye atıf yapmak için Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonları Üzerindeki Etkilerinin Deneysel İncelenmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2016, 13(4) How to cite this article Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Experimental Investigation of The Effects of Biodiesel From Neutralized Waste Cooking Oil on Combustion, Performance and Emission, Electronic Journal of Machine Technologies, 2016, 13(4) 53-64

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma GİRİŞ Dünya nüfusunun hızla artması, sonu gelecek enerji kaynaklarının kullanımı; teknolojik gelişim ve sanayileşme sonucu doğal dengenin ve çevrenin harap edilmesi, fosil kökenli yakıtların tükenme noktasına gelmesi, artan enerji fiyatları, bilim adamlarını sürdürülebilir enerji kavramına alternatif olabilecek yenilenebilir enerji kaynakları üzerindeki çalışmalara yöneltmiştir. Petrol esaslı yakıtların belirli bir rezerve dayalı olması ve motor teknolojisinin de petrole gelişim göstermesi, motorlar üzerinde detaylı değişikliğe gidilmeden dizel yakıtına alternatif olabilecek yeni ve çevreci yakıtların araştırılarak kullanılmasını zorunlu hale getirmektedir [1-5]. Dizel motorlar tarım ve endüstri amaçlı birçok noktada yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Fakat dizel motorların yaydığı zararlı azot oksit emisyonları ve is emisyonları eş zamanlı azaltılamamaktadır. Dizel motorlarının en önemli çalışma özelliklerinden bazıları düşük egzoz emisyonları ve düşük özgül yakıt tüketimidir. Bu özelliklerin yerine getirilmesi için dizel motorlarında motor çalışma parametreleri ve kullanılan alternatif yakıtlar büyük önem arz etmektedir. Kullanılan alternatif yakıtlar ile motor çalışma parametreleri yanma karakteristiklerini etkileyen çok önemli değişkenlerdir. Araştırmacılar bu noktada dizel motorlarda kullanılabilecek farklı alternatif enerji kaynakları noktasında çalışmalar gerçekleştirmektedirler. Diğer yandan Euro egzoz emisyon standartları her geçen süre zarfında egzoz emisyon limit değerleri azaltmaya devam etmektedir. Dolayısıyla farklı çevreci alternatif yakıtlarla birlikte egzoz gazlarındaki emisyonları azaltıcı sistemler de geliştirilmeye devam edilmektedir. Alternatif yakıtlar arasında en çok ilgiyi çeken dizel motorlarda detaylı değişikliğe gidilmeden kullanılabilecek biyodizel yakıtlardır [3-6]. Biyodizel biyolojik olarak parçalanabilen bitkisel ve hayvansal yağlardan üretilebilen toksik olmayan bir yakıt türüdür. CO, HC ve partikül madde emisyonları konvansiyonel dizel yakıtına göre daha düşüktür. Biyodizel yakıtlar mevcut dizel motorlarda büyük çaplı bir modifikasyona ihtiyaç duyulmadan verimli bir şekilde kullanılabilecek alternatif bir yakıttır. Biyodizelin özellikleri incelendiğinde yapısında sülfür bulunmamaktadır. Sülfür yanma sonucu havadaki nem ile birleşerek asit yağmurlarına sebep olmakta çevreye zarar vermektedir. Bu nedenle biyodizel, içinde sülfür bulunmaması ve içerdiği daha fazla oksijen ile çevreci bir yakıt olduğunu ortaya koymaktadır. Motorun düşük sıcaklıklarda çalışması için yakıtların akma ve donma noktaları önemlidir. Biyodizel yakıtlar dizelden daha yüksek akma ve bulanma noktasına sahiptir. Bu nedenle biyodizel yakıtların soğukta kullanımında sorunlar yaşanmaktadır. Aynı zamanda viskozite ve yoğunluk değerlerinin dizele göre yüksek olması yakıt enjeksiyon sisteminde ve enjeksiyon işleminde problemlere neden olmaktadır. Dizel yakıtına göre daha düşük ısıl enerjiye sahip olması diğer dezavantajlarından birisidir. Biyodizelin kullanımı sonucu dizele yakın özgül yakıt tüketimi, güç ve moment değerleri elde edilebilmektedir [7-14]. Akçay [15], sıcaklık, reaksiyon süresi, katalizör ve metanol miktarı gibi reaksiyon parametrelerini değiştirerek soya yağından biyodizel üretimini optimum reaksiyon koşullarında gerçekleştirmiştir. Kalafat [16], tarafından yapılan çalışmada, fazla miktarda su ve serbest yağ asidi içeren yağlardan biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. % 7,08 e kadar yüksek su içeriğine sahip ayçiçeği yağıyla dahi - serbest yağ asidi içermemek şartıyla- baz katalizör (KOH) eşliğinde transesterifikasyon metodu ile biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. % 4 e kadar serbest yağ asidi (oleik asit) içeren ayçiçek yağı kullanılarak -nem içermemek şartıyla- baz katalizörlü (KOH) transesterifikasyon metodu ile biyodizel üretilebilir olduğu tespit edilmiştir. Benek [17], tarafından yapılan çalışmada, gemi dizel motorlarında biyodizel yakıtının kullanılması incelenmiştir. Dizel motorun güç strokunun matematiksel modellemesi yapılırken, temel hava-yakıt reaksiyon denklemleri kullanılmıştır. Biyodizel yakıtları, farklı oranlarda dizel yakıtı ile karıştırılarak bu karışımlar için hava-yakıt reaksiyon denklemlerinin bulunması için kimyasal denge prensipleri kullanılmıştır. Bulunan matematiksel modelin sonuçlarını tespit edebilmek için bilgisayar kodu oluşturulmuş ve seçimi yapılan biyodizel ve dizel yakıt karışımlarının dizel motordaki performans değerleri tespit edilmiştir. Çat [18] tarafından yapılan çalışmada, dizel motorda atık bitkisel yağdan üretilen biyodizelin kullanımının performans ve emisyonlara etkisi incelenmiştir. Deneyler B50 (% 50 biyodizel + % 50 dizel yakıtı) ve B100 yakıtları ile gerçekleştirilmiştir. Test sonuçlarına göre, biyodizel kullanımı sonucu önemli bir performans kaybının olmadığı, CO, HC ve motor 54

3 Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) emisyonlarının azaldığı tespit edilmiştir. Özdemir [19], tarafından yapılan çalışmada, dizel motor biyodizel ve etanol yakıtları ile çalıştırılarak, dizel+biyodizel ve dizel+biyodizel+etanol yakıt karışımlarının motor performansı ve emisyonlar üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Dizel-biyodizel karışımlarında motor moment ve gücünde azalma, özgül yakıt tüketiminde artış, CO ve HC emisyon değerinde azalma, NO x emisyon değerinde ise artış meydana geldiği tespit edilmiştir. Dizel + biyodizel + etanol yakıt karışımında ise, motor momenti ve gücünde artış, yanma veriminde yükselme, özgül yakıt tüketiminde artış, CO ve HC emisyon değerlerinde azalma ve NO x emisyon değerinde ise artış saptanmıştır. Servan [20], tarafından yapılan çalışmada, baz alkali katalizörlerin varlığında yağlardan transesterifikasyon ile biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. Kanola yağından metil esterleri eldesinde en uygun tepkime koşullarının 15:1 alkol/yağ oranı, % 15 LiNO 3 / Al 2 O 3 katalizör oranı, % 3 lük katalizör miktarı, 65 o C reaksiyon sıcaklığı ve 5 saat tepkime süresi olduğu belirlenmiştir. Bu koşullar altında elde edilen biyodizeldeki ester miktarı % 90 olarak bulunmuştur. Bu çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, hava soğutmalı, doğal emişli, direkt enjeksiyonlu bir dizel motoru kullanılarak dizel ve nötralize atık kızartma yağından tek basamaklı transesterifikasyon yöntemi ile biyodizel üretilmiş ve hacimsel olarak %10 oranında dizel yakıtına katılarak (B10) elde edilen test yakıtları kullanılarak motorun maksimum tork devri olan 2200 d/d da 3.75, 7.5, 11.25, 15 ve Nm motor yüklerinde çalıştırılmıştır. Farklı motor yüklerinde yapılan testler ile B10 ve dizel yakıtları ile elde edilen silindir basıncı, ısı dağılımı, tutuşma gecikmesi, motor performansı ve egzoz emisyonlarının (CO,CO 2, NO x ve is) değişimleri deneysel olarak araştırılmıştır. 2. MATERYAL ve METOT Bu çalışmada, nötralize atık kızartma yağından transesterifikasyon yöntemi ile biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. Biyodizel üretim sürecinde katalizör olarak sodyum hidroksit (NaOH) ve alkol olarak ise metanol (CH 3 OH) kullanılmıştır. Bu çalışmada, katalizör olarak 56,10564 g/mol molekül ağırlığında, saflık değeri % 97 den büyük, Carlo Erba marka sodyum hidroksit (NaOH) kullanılmıştır. Ayrıca bu çalışmada, nötralize atık kızartma yağı ile biyodizel üretiminde Merck marka kimyasal formülü (CH 3 OH) olan metanol kullanılmıştır. Kullanılan metanolün molekül ağırlığı 32,04 g/mol ve yoğunluğu 20 o C sıcaklıkta 0,791 0,793 kg/l dir. Biyodizel-dizel yakıt karışımlarının yanma ve emisyonlar üzerindeki etkilerini incelemek için aşağıda şematik görünümü verilen deney düzeneği kurulmuştur. Deney düzeneğinin şematik görünümü Şekil 1 de görülmektedir. Şekil 1. Deney düzeneği. 55

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma... Deneylerde tek silindirli dört zamanlı, sıkıştırma ile ateşlemeli, direkt enjeksiyon sistemine sahip hava soğutmalı, normal emişli Antor marka 6LD400 model dizel motor kullanılmıştır. Deney motorunun teknik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Deney motorunun teknik özellikleri Model Antor / 6LD400 Motor tipi Direkt enjeksiyonlu, doğal emişli Silindir sayısı 1 Silindir çapı x Kurs [mm] 86 x 68 Silindir hacmi[cm 3 ] 395 Sıkıştırma oranı 18:1 Maksimum güç [kw] /min Maksimum tork [Nm] /min Yakıt enjeksiyon sistemi PF Jerk tipi yakıt pompası Enjektör açılma basıncı [bar] 180 Püskürtme avansı [ºKA] 24 ÜÖN dan önce Deneylerde motorun yüklenebilmesi için Cussons marka P8160 model 4000 dev/dk motor hızında ve 10 kw güce kadar frenleme yapabilen elektrikli DC dinamometre kullanılmıştır. Dinamometre aynı zamanda motor olarak çalıştırılabilmektedir. Dinamometre üzerinde bulunan strain-gauge yük hücresi ile motor yükü değiştirilebilmektedir. Dinamometre kontrol paneli üzerine yerleştirilmiş bir potansiyometre ile motor hızı ayarlanabilmektedir. Yanma analizi için silindir içi basınç sensörü, enkoder, indikatör cihazı, veri toplama kartı ve bilgisayar kullanılmıştır. Silindir içi basınç sinyallerinin toplanması ve yükseltilmesi için Cussons P4410 indikatör cihazı kullanılmıştır. İndikatör sisteminde silindir içi basınçların ölçülmesi için AVL marka, 8QP500c model su soğutmalı quartz silindir basınç sensörü kullanılmıştır. Alınan analog silindir içi basınç sinyalleri National Instrument marka veri toplama kartında dijital sinyallere çevrilmektedir. Dijital verilere çevrilen sinyallerin bilgisayara aktarımı gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan silindir içi basınç sensörünün teknik özellikleri Tablo 2 de verilmektedir. Krank miline adapte edilen enkoder krank açısını ölçmekte ve iki sinyal üretmektedir. Bunlardan biri üst ölü nokta (Z sinyali) diğeri ise krank açısı sinyalidir (B sinyali). 1 turda 1000 pals üreten enkoder 0,36 KA aralıklarla motor hızını ölçmekte ve silindir içi basınç sinyallerinin veri toplama kartına gönderilmesi sağlanmaktadır. Enkoderin montajı silindir basıncının ölçülmesine ve imep değerlerinin belirlenmesinde oldukça önemlidir. Bunun için ÜÖN sinyali hassas bir şekilde ayarlanmalıdır. Enkoder +5V olan ÜÖN sinyalini (Z sinyali) verdikten sonra plastik kaplin üzerindeki civatalar sıkılarak mile sabitlenmiştir. Böylece piston ÜÖN da iken enkoderin ürettiği ÜÖN sinyali (Z sinyali) çakıştırılmıştır. Tablo 2. Basınç sensörünün teknik özellikleri. Özellikler AVL 8QP500c Quartz Silindir Basınç Sensörü Ölçüm aralığı (bar) Hassasiyeti 11,96 (Pc/bar) Lineerlik ±0,6 (%) Doğal frekans 100 (khz) Egzoz emisyonlarının analizi için Testo marka egzoz gazı analiz cihazı kullanılmıştır. Egzoz gazı analiz cihazının teknik özellikleri Tablo 3 de verilmiştir. 56

5 Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Tablo 3. Testo egzoz gaz analiz cihazının teknik özellikleri. Yanma Çalışma Doğruluk ürünleri aralığı O 2 [vol.%] 0 25 ±2 mv CO [ppm] ppm (0 99 ppm) CO 2 [vol.%] 0 50 ±0.3 vol.% +1 mv.% (0 25) vol.%) (0 25 vol.%) HC [%] <400 ppm ( ppm) NO x [ppm] ppm (0 99 ppm) Deneylerde duman ölçümü için AVL 4000 DiSmoke model kısmi akışlı opazimetre kullanılmıştır. Cihazın teknik özellikleri Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 4. Duman ölçerin teknik özellikleri. Model AVL DiSmoke 4000 Duman ölçüm cihazı Ölçüm Prensibi Kısmi akışlı Duman Ölçer Opazite % ölçüm aralığı Doğruluk % 0,1 K Değeri 0-99,99 m -1 0,01 m -1 Yapılan deneylerde üretilen biyodizelin bazı fiziksel özellikleri ölçülmüş, bu ölçümler AKÜ Otomotiv Mühendisliği Akaryakıt Analiz Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde dizel ile B10 (%90 dizel+%10 biyodizel) yakıtları kullanılmıştır. Biyodizele ait fiziksel özellikler Tablo 5 de görülmektedir. Tablo 5. Optimum koşullarda üretilen biyodizele ait fiziksel özellikler Özellikler Sonuçlar Alt ısıl değer (kj/kg) Viskozite (mm 2 /s) 4,628 Yoğunluk (g/cm 3 ) 0,886 Parlama noktası ( C) 147 Su (ppm) 149,25 Setan sayısı 58 Elde edilen ham silindir içi basınç verileri işlenerek ısı dağılım oranı, yanma safhaları, çevrimsel farklılıklar ve vuruntu yoğunluğu gibi parametreler hesaplanarak analiz gerçekleştirilebilmektedir. Yanmanın analiz edilmesinde ilk hesaplanan parametre ısı dağılım oranıdır. Isı dağılımı termodinamiğin birinci yasası sonucu elde edilen Eş. (1) ile aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. dq = k dv P + 1 dp V + dq heat dθ k 1 dθ k 1 dθ dθ (1) Dizel motorlarda tutuşma gecikmesi süresine bağlı olarak sıkıştırma sürecinin sonuna doğru yanmayı bekleyen yakıt miktarı artar ve tüm karışım bir anda yanmaya iştirak etmek ister. Bunun sonucunda yanma odasında silindir basıncı ve sıcaklığı ani şekilde artar ve istenmeyen vuruntulu çalışma görülür. Vuruntulu çalışma motor parçaları arasındaki boşlukların ani olarak kapatılmasına neden olarak motorun ömrünü kısaltır. Meydana gelen vuruntunun tespiti için vuruntu yoğunluğu hesabı yapılabilmektedir. Vuruntu yoğunluğu salınım yapan karışım basıncına bağlı olarak ortaya çıkan akustik enerji akışı esasına dayanmaktadır. Vuruntu yoğunluğu Eş. (2) ile belirlenmiştir [21-24]. Bu eşitlikte γ politropik indeksi, dp maksimum basınç artış oranını, P max ve T max maksimum basınç ve sıcaklıkları göstermektedir. dt max 57

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma... RI = 1 2γ 0,05 dp 2 dt max γ. R. T P max (2) max 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Sıkıştırma ile ateşlemeli yanma karışımın kompozisyonundan ve yakıt özelliklerinden oldukça etkilenmektedir. Biyodizel yakıtların yüksek yoğunluk ve viskozite, düşük ısıl enerji problemleri elde edilen motor gücünün dizel yakıtına göre azalmasına neden olmaktadır. Bu noktada yanmanın analiz edilebilmesi ve farklı biyodizel yakıt karışımlarının silindir basıncı ve ısı dağılımı üzerindeki etkilerini incelemek için yanmanın başlangıcı ve sonu hassas bir şekilde belirlenmelidir. Şekil 2 de test yakıtları ile farklı motor yüklerinde elde edilen silindir basıncı ve ısı dağılımı değerleri görülmektedir. Motor yükü arttıkça silindire alınan karışım miktarı artmakta, daha fazla yakıtın yanması sonucu silindir içi basınç ve ısı dağılımı artış göstermektedir. Maksimum silindir basıncı ve ısı dağılımı B10 yakıtı ile elde edilmektedir. Bununla birlikte motor yükü arttıkça maksimum silindir basıncının elde edildiği nokta krank açısı cinsinden rötara alınmaktadır. Biyodizel esaslı yakıtların daha fazla oksijen içeriğine sahip olması elde edilen silkindir basıncının artmasına neden olmaktadır. Ayrıca yoğunluğu yüksek olan biyodizel test yakıtının ısıl enerjisi dizele yakındır. Biyodizel esaslı yakıtlar ile yapılan çalışmalarda tutuşma gecikmesi süresinin artışına bağlı olarak püskürtme yapıldıktan sonra yanmayı bekleyen yakıt miktarı artış göstermektedir. Bunun sonucunda tüm karışım birden yanmaya iştirak etmek isteyerek silindir basıncının artışına neden olmaktadır. Silindir içinde yanma sonu ısı dağılım oranı da artmaktadır. Şekil 2. Silindir basıncı ve ısı dağılım oranlarının değişimi 58

7 Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda en önemli değişkenlerden biri tutuşma gecikmesi süresidir. Püskürtme yapıldıktan sonra ilk alev çekirdeği oluşana kadar geçen periyod tutuşma gecikmesi süresi olarak adlandırılır. Tutuşma gecikmesi süresi boyunca biriken yakıtın tamamı yanmaya katılmak ister ve dizel motorlarda istenmeyen yanma durumu olan vuruntulu çalışma görülür. Tutuşma gecikmesi yakıtın setan sayısı ile doğrudan ilişkilidir. Tutuşma gecikmesi süresi püskürtme avansı ile ısı dağılımının pozitif değere ulaştığı nokta arasında krank açısı cinsinden belirlenmiştir. Şekil 3 de test yakıtları ile yapılan deneylerde hesaplanan tutuşma gecikmesi süreleri görülmektedir. Biyodizelin setan sayısı dizele göre daha yüksektir. Bu nedenle tutuşma gecikmesi süresinin biyodizel kullanımıyla azalması beklenilebilir. Şekil 3 incelendiğinde motor yükü arttıkça tutuşma gecikmesi süresinin tüm test yakıtları için azaldığını göstermektedir. Bununla birlikte biyodizel esaslı yakıtların viskozite ve yoğunluklarının fazla olması tutuşma gecikmesi sürelerinin uzamasına neden olabilmektedir. Minimum tutuşma gecikmesi süresi tam yükte elde edilmiştir. Silindire alınan karışımın miktarı arttıkça yanma odasındaki yanma şartları ve oksidasyon reaksiyonları iyileşmektedir. Bunun sonucunda ilk alev çekirdeğinin oluşması için gereken süre azalmaktadır. Şekil 3. Motor yüküne bağlı tutuşma gecikmesi Sıkıştırma ile ateşlemeli yanma sonucu yanma süresi boyunca elde edilen kümülatif ısı dağılımı yanma aşamaları hakkında bize bilgi verir. Kümülatif ısı dağılımı krank açısına göre elde edilen ısı dağılımları toplanarak belirlenir. Normalize edilen kümülatif ısı dağılımının %10 a ulaştığı krank açısı (KA10), silindir içi yakıt miktarının %10 luk bölümünün yanmasını tamamladığı krank açısı olarak kabul edilmektedir. Normalize edilen kümülatif ısı dağılımının %90 a ulaştığı nokta (KA90) ise yakıt miktarının %90 lık bir kısmının yanmasını tamamladığı krank açısına karşılık gelmektedir. Genellikle yanma için geçen süre yanan yakıtın %10 ile %90 ı arasında krank açısı cinsinden geçen süre olarak tanımlanmaktadır [25,26]. Yapılan çalışmada yanma süresi KA10 ile KA90 arasındaki krank açısı cinsinden geçen süre olarak belirlenmiştir. Şekil 4 motor yüküne bağlı B10 ve dizel yakıtları ile yapılan deneylerde yanma sürelerinin değişimini göstermektedir. Motor yükü arttıkça yanma süresinin arttığı görülmektedir. Motor yükü arttığında silindire alınan karışım kütlesinin miktarı artmaktadır. Dolayısıyla daha fazla karışımın yanması için gerekli süre artış göstermektedir. Biyodizel yakıtların yapısında ihtiva ettiği oksijen molekülleri oksidasyon reaksiyonlarını iyileştirmektedir. Daha fazla oksijen muhteviyatı yanmanın iyileşmesine ve yanmanın daha erken tamamlanmasına neden olduğu ifade edilebilir. Şekil 4 incelendiğinde maksimum yanma süresi dizel yakıtı ile elde edilmiştir. 59

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma... Şekil 4. Test yakıtları ile yapılan deneylerde motor yükünün yanma sürelerine etkileri Şekil 5 de 50 çevrime bağlı bağlı tam yükte, 2200 d/d motor devrinde, B10 ve dizel yakıtları ile elde edilen indike ortalama efektif basınç değerleri görülmektedir. Şekilde 50 çevrim incelendiğinde B10 yakıtı ile daha yüksek indike ortalama efektif basınç değerlerinin elde edildiği görülmektedir. B10 yakıtının dizele göre daha fazla oksijen içermesi indike ortalama efektif basınç değerlerinin artmasına neden olmaktadır. Maksimum indike ortalama efektif basınç B10 yakıtı ile 3.76 bar olarak kaydedilmiştir. Ardışık 50 çevrim incelendiğinde B10 yakıtı ile yapılan deneyde motor performansının daha yüksek olduğunu ifade etmek mümkündür. Şekil 5. İndike ortalama efektif basınçların değişimi Dizel motorlarda kararlı çalışmayı tarif eden diğer parametreler arasında maksimum basınç artış oranı ve vuruntu yoğunluğu bulunmaktadır. Şekil 6 vuruntu yoğunluğunun maksimum basınç artış oranına bağlı değişimini göstermektedir. Biyodizel yakıtların ısıl enerjileri dizel yakıtına göre daha düşüktür. Fakat içerdiği oksijen ile oksidasyon reaksiyonları iyileşmektedir. Şekil 6 incelendiğinde B10 yakıtı ile elde edilen vuruntu yoğunluğunun daha fazla olduğu görülmektedir. Aynı zamanda maksimum basınç artış oranı ile vuruntu yoğunluğu arasında eş zamanlı bir artış görülmektedir. Maksimum vuruntu yoğunluğu B10 yakıtı ile elde edilmiştir. Biyodizel yakıtların viskozite ve yoğunluk değerlerinin dizele göre fazla olması tutuşma gecikmesi süresinin artmasına neden olabilmektedir. Tutuşma gecikmesi süresince biriken yakıtın tamamının bir anda yanmaya katılması krank açısı cinsinden pistona uygulanan basıncın artışına neden olmaktadır. Bununla birlikte biyodizelin yoğunluğunun dizele göre fazla olması kütlece daha fazla yakıtın püskürtülmesine neden olabilmekte ve vuruntu temayülü artmaktadır. 60

9 Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Şekil 6. Maksimum basınç artış oranına bağlı vuruntu yoğunluğunun değişimi Biyodizel yakıtların sağladığı en önemli avantajlardan biri düşük egzoz emisyonlarıdır. CO emisyonu yanma odasında yanma esnasında bulunan oksijen miktarı ve sıcaklığa göre değişkenlik göstermektedir. CO emisyonu eksik yanma ürünü olarak açığa çıkan zararlı egzoz emisyonlarından biridir. Yetersiz oksijen ve sıcaklığa bağlı olarak oksidasyon reaksiyonları kötüleşmekte ve CO oluşumu gözlenmektedir. Şekil 7-a da test yakıtları ile farklı motor yüklerinde elde edilen CO emisyonlarının değişimi görülmektedir. Motor yükü arttıkça CO emisyonlarının arttığını ifade etmek mümkündür. Minimum CO emisyonları 3.75 Nm motor yükünde ölçülmüştür. Düşük motor yüklerinde CO oluşumu azdır. Biyodizel kökenli yakıtların içerdiği oksijen ile CO oluşumunun azaldığı görülmektedir. Bu nedenle her motor yükünde minimum CO emisyonu B10 yakıtı ile ölçülmüştür Nm motor yükünde dizel yakıtı ile 521 ppm CO emisyonu açığa çıkarken B10 yakıtı ile aynı motor yükünde 374 ppm CO emisyonu açığa çıkmıştır. Şekil 7-b motor yüküne bağlı CO 2 emisyonlarının değişimini göstermektedir. Şekil 7-b incelendiğinde motor yükü arttıkça CO 2 emisyonlarının arttığı görülmektedir. Motor yükü arttıkça silindire alınan karışımın miktarı artmakta yanma odası sıcaklığı yükselmektedir. Daha yüksek sıcaklıkta meydana gelen oksidasyon reaksiyonları ile CO 2 oluşumu gözlemlenmektedir. Yanma odasında yeterli sıcaklıkta ve oksijenin bulunduğu ortamda meydana gelen yanma ile CO 2 emisyonu açığa çıkmaktadır. Biyodizelin kimyasal yapısında bulunan oksijen ile oksidasyon reaksiyonları iyileşmekte ve CO 2 oluşumu gözlemlenmektedir. Maksimum CO 2 emisyonları tam yükte Nm de ölçülmüştür. Tam yükte dizel yakıtı ile % 7.6 CO 2 oluşumu gözlenirken NaOH 10 yakıtı ile % 8.22 CO 2 oluşumu gözlenmiştir. Şekil 7. CO ve CO 2 emisyonlarının değişimi 61

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma... Dizel motorlardan kaynaklanan en önemli kirleticilerden biri NO x emisyonlarıdır. Yanma sonucu yüksek sıcaklıkta oksijen ile azot moleküllerinin tepkimeye girmesi sonucu NO x emisyonları açığa çıkmaktadır. Şekil 8-a da motor yüküne bağlı test yakıtları ile ölçülen NO x emisyonlarının değişimi görülmektedir. Biyodizel yakıtların içerdiği oksijen ile yanma reaksiyonları iyileşmekte gaz sıcaklıkları artmaktadır. Motor yükü arttıkça yanmaya iştirak eden karışım kütlesinin artışına bağlı olarak yanma sonu gaz sıcaklıkları artmaktadır. Yüksek gaz sıcaklıklarında oksijen ile azot moleküllerinin reaksiyona girmesine neden olmaktadır. Aynı zamanda biyodizel yakıtların daha çok oksijen içermesi yanma kalitesinin artışına neden olmakta ve NO oluşum faktörlerini hızlandırmaktadır. Tam yükte yapılan deneylerde dizel yakıtı ile 582 ppm NO x emisyonu açığa çıkarken B10 yakıtı ile 666 ppm NO x ölçülmüştür. Yüksek sıcaklıkta meydana gelen yanma ile azot oksit oluşumu gözlemlenmektedir. Dizel motorlardan kaynaklanan diğer zararlı egzoz gazı duman emisyonlarıdır. Şekil 8-b de motor yüküne bağlı is emisyonlarının değişimi görülmektedir. Motor yükü arttıkça is emisyonlarının tüm yakıtlar için arttığı görülmektedir. Minimum is emisyonları 3.75 Nm motor yükünde ölçülmüştür. Yakıt miktarının artışına bağlı olarak is emisyonlarının oluşumu artmaktadır. Tam yükte dizel yakıtı ile 3.99 m -1 is emisyonu ölçülürken B10 yakıtı ile 3.52 m -1 is emisyonu ölçülmüştür. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Şekil 8. NO x ve is emisyonlarının değişimi Bu çalışmada nötralize atık kızartma yağından tek basamaklı transesterifikasyon yöntemi ile biyodizel üretilmiş ve hacimsel olarak %10 oranında dizel yakıtına katılmıştır (B10). B10 ve dizel yakıtları tek silindirli, dört zamanlı, direkt enjeksiyonlu bir dizel motorunda, maksimum tork devrinde (2200 d/d), farklı motor yüklerinde (3,75, 7,5, 11,25, 15 ve 18,75 Nm) test edilmiştir. Silindir basıncı, ısı dağılımı, tutuşma gecikmesi, yanma süresi ve CO, CO 2, NO x ve is emisyonlarının değişimi incelenmiştir. Motor yükü arttıkça silindire alınan karışım kütlesinin miktarındaki artışa bağlı olarak basınç değerlerinin artmaktadır. Motor yükü arttıkça CO emisyonlarının artarken, B10 biyodizel yakıtı ile CO emisyonu azalmaktadır. Dizel yakıtı ile karşılaştırıldığında tam yükte B10 ile CO ve is emisyonları sırasıyla %28.21 ve %11.77 azalmıştır. Sonuçta dizel yakıtı ile karşılaştırıldığında B10 yakıtı ile yanma karakteristiklerinin ve motor performansının iyileştirilebileceği görülmüştür. Aynı zamanda B10 yakıtı ile CO ve is emisyonlarının azaltılabileceği dizel motorlarda herhangi bir değişikliğe gidilmeden verimli bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür. TEŞEKKÜR Bu çalışma Afyon Kocatepe Üniversitesi Nötralize Atık Kızartma Yağından Biyodizel Üretim Sürecinin Optimizasyonu ve Motor Performans Testleri isimli Proje No:16.Kariyer.124 numaralı Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında desteklenmiştir. Yazarlar Afyon Kocatepe Üniversitesi BAP birimine teşekkür eder. 62

11 Yılmaz, E., Aksoy, L., Aksoy, F., Şahin, F., Uyumaz, A., Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) KAYNAKLAR 1. Altun, Ş., Lapuerta, M., 2014, Properties and emission indicators of biodiesel fuels obtained from waste oils from the Turkish industry, Fuel 128, Solmaz H, 2015, Combustion, performance and emission characteristics of fusel oil in a spark ignition engine, Fuel Processing Technology 133: Lapuerta M, Armas O, Rodríguez-Fernández J., 2008, Effects of biodiesel fuels on diesel engine emissions, Prog. Energy Combust. Sci, 34: Directive 2009/28/EC of the European parliament and the council on the promotion of the use of energy from renewable sources. Official Journal of the European Union, Brussels, Çelikten, İ., 2012, Mutlu, E.; Solmaz, H. Variation of performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with diesel, rapeseed oil and hazelnut oil methyl ester blends, Renewable Energy, 48, Çelikten, İ., Gürü, M., 2011, Petrodizel ve kanola biyodizeli performans ve emisyon kriterlerinin mangan esaslı katkı maddeleriyle geliştirilmesi, Journal of The Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 26, 3, Yılmaz, E., Solmaz, H., Polat, S., Altın M., 2013, Altın, Üç-Fazlı Dizel Emülsiyon Yakıtlarının Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 28 (1), Aksoy, F.,. Bayrakçeken, H., Baydır, Ş., A., Yavuz, H., 2009, Kanola YağıMetil Esterine Ön Isıtma Uygulamasının Motor Performans Ve Emisyonlarına Etkisi, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 1 (1), Kaşifoğlu, S., Gümüş, M., Sayın, C., 2008, Palm Olein ve Soya Karışımı Bitkisel Yağın Metil Esterinin Dizel Motorlarında Alternatif Yakıt Olarak Kullanımı, 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu, Sugözü, İ., Aksoy, F., Baydır, Ş.A., 2009, Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esteri Kullanımının Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi, Makina Teknolojileri Elektronik Dergisi 6 (2), Crabbe, E., Nolasco-Hipolito, C., Kobayashi, G., Sonomoto, K., Ishizaki, A., 2001, Biodiesel production from crude palm oil and evaluation of butanol extraction and fuel properties, Process Biochemistry 37, Büyükkaya, E., 2010, Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics, Fuel 89, Kouremenos, D.A., Rakopoulos, C.D., Hountalas, D.T., 1997, Experimental investigation of the performance and exhaust emission of a swirl chamber diesel engine using JP-8 aviation fuel, International Journal of Energy Research 21,

12 Teknolojik Araştırmalar: MTED (4) Nötralize Atık Kızartma Yağından Elde Edilen Biyodizelin Yanma Chiaramonti, D., Prussi, M., Buffi, M., Tacconi, D., 2014, Sustainable bio kerosene: Process routes and industrial demonstration activities in aviation biofuels, Applied Energy, 136, Akçay, H.T.,2006, Bazı Bitkisel Yağlardan Biyodizel Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon. 16. Kalafat, M.Y. 2013, Fazla Miktarda Su ve Serbest Yağ Asidi İçeren Yağlardan Biyodizel Üretimi Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum. 17. Benek, G., 2013, Gemi Dizel Motorlarında Biyodizel Yakıt Kullanımı Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. 18. Çat, S.,2012, Dizel Motorda Atık Biyodizel Kullanımının Performans ve Emisyonlara Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük. 19. Özdemir, M. (2011). Bir Dizel Motorda Biyodizel ve Etanol Kullanımının Motor Performansına ve Emisyonlara Etkisinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük. 20. Servan, M.A.,2011, Bazı Alkali (Baz) Katalizörlerinin Hazırlanması, karakterizasyonu ve Bu Katalizörler Varlığında Yağlardan Transesterleşme Tepkimesi İle Biyodizel Üretimi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. 21. Andreae, M.M., Cheng, W.K., Kenney, T., Yang, J.,2007, On HCCI Engine Knock. SAE Paper Wildman, C., Scaringe, R.J., Cheng, W.,2009, On the Maximum Pressure Rise Rate in Boosted HCCI Operation, SAE Eng J.,2002, Characterization of pressure waves in HCCI combustion, SAE paper Jia, M., Xie, M., Wang, T., Peng, Z., 2011, The effect of injection timing and intake valve close timing on performance and emissions of diesel PCCI engine with a full engine cycle CFD simulation, Applied Energy, 88, Milovanovic, N., Chen, R., Turner, J.,2004, Influence of the Variable Valve Timing Strategy on the Control of a Homogenous Charge Compression (HCCI) Engine, SAE International Technical Paper, Heywood, J.B.,1988, Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill, USA. 64