Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esteri Kullanımının Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 6, No: 2, 2009 (49-56) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 6, No: 2, 2009 (49-56) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esteri Kullanımının Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi Đlker SUGÖZÜ, Fatih AKSOY, Şükrü Ayhan BAYDIR Afyon Kocatepe Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Makine Eğt. Böl., Afyonkarahisar/TÜRKĐYE Özet Bu çalışmada, transesterifikasyon metodu kullanılarak ayçiçeği yağından metil ester(biyodizel) üretilmiştir. %100 ayçiçeği metil ester (B100) ve %50 ayçiçeği metil ester -%50 dizel yakıtı (B50) karışımları tek silindirli, dört zamanlı ve ön yanma odalı bir dizel motorda farklı motor hızlarında test edilmiştir. Test sonuçlarına göre, metil ester ve karışım yakıt kullanılması durumunda motor momenti ve gücü azalmış, özgül yakıt tüketimi artmıştır. B100 ve B50 yakıtı ile CO emisyonlarında azalma, NOx emisyonlarında artış gözlenmiştir. Yapılan kısa süreli deneylerde B100 ve B50 yakıtları dizel motorunda bir sorun olmadan alternatif yakıt olarak kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alternatif yakıtlar, Dizel motoru, Motor gücü, Ayçiçeği metil esteri. The Effects On Engine Performance And Emissions Usage Of The Sunflower Methyl Ester At A Diesel Engine Abstract In this study, methyl ester was produced from sunflower oil by transesterification method. 100% sunflower methyl ester (biodiesel) (B100) and 50% sunflower methyl ester-50% diesel fuel blend (B50) were tested in a diesel motor which has single cylinder, air cooled, an pre-combustion chamber at different engine speeds. According to test results, in case of usage methyl ester and its blend as a fuel, engine torque and power decreased, but specific fuel consumption increased. While the decrease with B100 fuel and with B50 was observed for CO emissions, NOx emissions were increased by using B100 and B50. Sunflower oil methyl ester and diesel fuel blend (B100 and B50) were used in a diesel engine as an alternative fuel without any problems in short term experiments. Keywords : Alternative fuels, Diesel engine, Engine power, Sunflower oil methyl ester. 1. GĐRĐŞ Dizel motorları teknolojinin gelişmesi ile birlikte özellikle taşımacılık sektöründe önemli bir yere sahiptir. Bununla birlikte dizel motorlarından kaynaklanan egzoz emisyonları çevre kirliliğini önemli ölçüde artırmaktadır. Dizel motorlarının geleceği, enerji kaynağı olarak kullanılan yakıtların sürdürebilirliğine ve çevresel açıdan kabul edilebilir emisyon üretmesine bağlıdır. Bu gibi nedenlerle; yakıt tüketiminin azaltılması ve egzoz gazları içerisindeki emisyonların düşürülmesi içten yanmalı motorlarla ilgili araştırmaların başlıca konusu olmuştur. Đçten yanmalı motorlarda petrol kökenli yakıtlar kullanılmaktadır. Bu makaleye atıf yapmak için Sugözü Đ., Aksoy F.*, Baydır Ş.A., Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esteri Kullanımının Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2009, 6(2) How to cite this article Sugözü Đ., Aksoy F.*, Baydır Ş.A., The Effects On Engine Performance And Emissions Usage Of The Sunflower Methyl Ester At A Diesel Engine Electronic Journal of Machine Technologies, 2009, 6 (2) 49-56

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esterinin Kullanımının Petrol kaynaklarının rezervlerinin azalması ve petrol fiyatlarının artması içten yanmalı motorlarda kullanılabilecek yenilebilir enerji kaynakları üzerine araştırmaların yoğunlaşmasına neden olmaktadır [1]. Đçten yanmalı motorlarda kullanılan yenilebilir enerji kaynaklarından biriside bitkisel yağlardır. Bitkisel yağlar, petrol esaslı yakıtlardan farklı bir kimyasal yapıya sahiptir. Bu nedenle bitkisel yağların, dizel motorlarında doğrudan yakıt olarak kullanılması çeşitli sorunlara yol açmaktadır. Bitkisel yağların viskozitesi dizel yakıtına göre oldukça fazladır. Viskozite yüksekliği yakıtın püskürtülmesinde problem oluşturmakta, püskürtme sırasında atomizasyonun bozulmasına ve yanmanın kötüleşmesine yol açabilmektedir. Bitkisel yağlar, dizel yakıtına göre setan sayısı yönünden yakın olsa da ısıl değer açısından daha düşük bir değere sahiptir. Parlama noktasının yüksek oluşu depolama güvenliği yönünden avantaj sağlarken, tutuşma yönünden olumsuz etki göstermektedir [2]. Bitkisel yağların yol açtığı olumsuzlukları ortadan kaldırmak amacı ile piroliz, transesterifikasyon, mikroemülsiyon ve inceltme gibi yöntemler kullanılmaktadır [3,4]. Bu yöntemler arasında transesterifikasyon yaygın olarak kullanılmaktadır [5]. Transesterifikasyon yöntemi; bitkisel yağların monohidrik bir alkolle (metanol, etanol), katalizör (asidik, bazik katalizörler ve enzimler) varlığında esas ürünler olarak yağ asidi esterleri ve gliserin ortaya çıkartarak esterleştirilmesi işlemidir [6]. Transesterifikasyon sürecinde metanol, etanol, propanol, butanol ve amil alkoller kullanılabilmesine rağmen düşük maliyeti, kimyasal ve fiziksel avantajları nedeniyle metil alkol yaygın olarak kullanılmaktadır [7]. Reaksiyon sırasında katalizör olarak sodyum hidroksit, potasyum hidroksit, sodyum metoksit ve potasyum metoksit yaygın olarak kullanılmaktadır [5,8-10 ]. Günümüzde bitkisel yağlar ve bitkisel yağlardan üretilen biyodizeller ile ilgili birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar bitkisel yağların motor performansı ve egzoz emisyonları üzerinde yoğunlaşmakla birlikte biyodizel üretim yöntemleri gibi farklı çalışmalardan bazıları aşağıda belirtilmiştir. Yücesu ve arkadaşları tek silindirli bir dizel motorunda alternatif yakıt olarak bitkisel yağ kullanımının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisini incelemişlerdir. Deneylerde bitkisel yağlar (ham ayçiçeği, ham pamuk,ham soya, rafine haşhaş, rafine kanola, rafine mısır yağları) ve metil esterler (ayçiçeği, pamuk yağı ve soya yağı metil esterleri) kullanılmıştır. Motor performans ve emisyon karakteristiklerini belirlemek amacı ile motoru tam gaz-değişik devir ve sabit devir-değişik yük deneylerine tabi tutmuşlardır. Bitkisel yağların performans değerleri dizel yakıtına göre daha düşük, duman koyuluğu ve NO x emisyonları daha yüksek elde edilmiştir. Metil esterleştirme metodu ile elde edilen yakıtların performansında bitkisel yağlara göre artış gözlenmiştir [11]. Kaplan ve arkadaşları ayçiçeği yağından transesterifikasyon metodu kullanılarak üretilen biyodizeli 2,5 lt ve 4 silindirli bir dizel motorunda test etmişlerdir. Her iki yakıtın tork değerleri arasında %5-10 arasında farklılıklar elde edilmiştir. Özgül yakıt tüketimlerinde dizel yakıtına göre artış, is emisyonlarında azalma gözlenmiştir [12]. Rakopoluos ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada %10-20 oranlarında ayçiçeği ve pamuk yağı metil esteri dizel yakıtı ile karıştırılmış ve 6 silindirli, turbo şarjlı, direkt enjeksiyonlu bir motorda test edilmiştir. Biyodizel yakıtlarının motor performansı dizel yakıtına yakın elde edilirken, özgül yakıt tüketiminde artış gözlenmiştir. Biyodizel kullanımı ile NO x ve HC emisyonlarında artış gözlenirken CO emisyonlarında azalma gözlenmiştir [13]. Bu çalışmada, transesterifikasyon yöntemi kullanılarak ham ayçiçeği yağından metil ester(biyodizel) üretilmiştir. Ayçiçeği metil ester ve %50 dizel-%50 ayçiçeği metil ester (B50) karışımı yakıtların motor performans ve emisyonlarına etkisi incelenmiş ve dizel yakıtı ile karşılaştırılmıştır. 50

3 Sugözü Đ., Aksoy F., Baydır Ş. A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) MATERYAL ve METOT 2.1. Ayçiçeği metil ester üretimi Metil ester üretimi sırasında ısıtıcılı manyetik karıştırıcı, 2000 ml lik balon joje, 0.01ºC hassasiyetinde termometre, Hanna marka el tipi Ph metre kullanılmıştır. Ayçiçeği yağı metil esteri elde edilmesinde kullanılan süreç Şekil 1 de görülmektedir. Şekil 1. Metil ester üretiminin akış diyagramı Esterleştirme sürecinde katalizör olarak potasyum hidroksit ve alkol olarak %99,5 saflıkta metil alkol kullanılmıştır. Küçük ölçekli üretim sürecinde bitkisel yağ, 6:1 molar oranda metil alkol, %0,5 oranında NaOH (ağırlıkça) kullanılarak transesterifikasyon reaksiyonu gerçekleştirilmiştir. Metil alkol içerisinde katalizör çözdürülüp, 50ºC ye ısıtılmış bitkisel yağ üzerine ilave edilmiştir. Bu karışım yaklaşık bir saat süre ile sabit 60ºC de 600 d/dde karıştırılmıştır. Daha sonra ayırma hunisine alınarak gliserinin alt kısma çökmesi beklenmiştir. Gliserin ve metil ester ayrıştırıldıktan sonra metil ester yaklaşık 8 saat saf su ile yıkanmıştır. Daha sonra metil ester içerisindeki su ve alkol ısıtılarak buharlaştırılmıştır. Üretilen ayçiçeği yağı metil esterinin fiziksel özellikleri Tablo 1 de görülmektedir. Tablo 1. Ayçiçeği metil ester ve dizel yakıtlarının özellikleri. Yakıt Tipi Ayçiçeği Dizel metil ester yakıtı Yoğunluk (kg/m 3 ) (15 ºC) Viskozite (mm 2 /sn) (40 ºC) 4,6 3,9 Isıl Değer(kJ/kg) Deneysel Süreç Motor performans ve emisyon deneyleri tek silindirli endirekt püskürtmeli (ön yanma odalı) hava soğutmalı bir motorda yapılmıştır. Deney motorunun teknik özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. 51

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esterinin Kullanımının Tablo 2. Deney Motorunun Teknik Özellikleri. Motorun Markası ve Modeli Pancar E89 Silindir Sayısı 1 Silindir Hacmi (cm 3 ) 668 Çap/strok (mm) 90/105 Sıkıştırma Oranı 21:1 Soğutma Sistemi Hava soğutmalı Maksimum moment (Nm/d/d) 36,7 /1800 Yanma Odası Şekli Ön Yanma Odalı Deney öncesi motor yakıt pompası ve enjektör ayarları fabrika değerlerine uygun hale getirilmiştir. Deneyler tam yük şartlarında d/d motor devri aralığında 200 d/d aralıklarla gerçekleştirilmiştir. Motor çalışma sıcaklığına ulaştıktan sonra deneyler gerçekleştirilmiştir. Moment ve güç ölçümleri için 0,01 hassasiyetinde yük hücresine sahip bir elektrikli dinamometre kullanılmıştır. CO ve NOx ölçümü Testo 350 XL baca gazı analiz cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 1. Elektrikli dinamometre 2. Dizel motor 3. Kontrol ünitesi 4. Yakıt tankı ve terazi 5. Hava tankı 6. Eğik manometre 7. Gaz analiz cihazı Şekil 2. Deney Düzeneğinin Şematik Görünümü 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Şekil 3 ve Şekil 4 de B100, B50 ve dizel yakıtlarının kullanılması durumlarındaki motor momenti ve gücünün motor hızına bağlı olarak değişimleri sırası ile görülmektedir. Motor momenti 1800 d/d motor devrine kadar artış göstermekte ve bu devirden sonra azalmaktadır. B100 ve B50 yakıtlarının kullanımıyla motor momentinde dizel yakıtına göre ortalama olarak sırası ile %9,2 ve %4,4 lük azalma gözlenmiştir. Motor gücü, B100 ve B50 yakıtları için 2000 d/d motor devrine kadar artmakta bu devirden sonra belirgin bir şekilde azalmaktadır. B100 ve B50 yakıtları kullanımıyla motor gücünde dizel yakıtına göre ortalama olarak %10 ve %5 lik azalma gözlenmiştir. Motor momenti ve gücündeki azalmanın ayçiçeği metil esterin ısıl değerinin düşük olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir [14,15]. 52

5 Sugözü Đ., Aksoy F., Baydır Ş. A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) DĐZEL B100 B50 35 Motor momenti (Nm) Motor hızı (rpm) Şekil 3. B100, B50 ve dizel yakıtlarının motor momenti değişimleri 10 9 DĐZEL B100 B50 8 Motor Gücü (kw) Motor hızı (rpm) Şekil 4. B100, B50 ve dizel yakıtlarının motor gücü değişimleri Şekil 5 de motor hızına bağlı olarak B100, B50 ve dizel yakıtının özgül yakıt tüketimleri görülmektedir. Özgül yakıt tüketimleri, düşük motor hızlarında yüksek değerde iken motor hızının artışı ile 2000 d/d ya kadar azalmakta ve bu devirden sonra artmaktadır d/d motor devrinde özgül yakıt tüketimleri karşılaştırıldığında B100 ve B50 yakıtlarının özgül yakıt tüketimin dizel yakıtına göre sırasıyla %34 ve %25,8 daha fazla olduğu görülmektedir. Püskürtülen yakıtın yoğunluğu, miktarı, viskozitesi ve ısıl değeri özgül yakıt tüketimini etkilemektedir. Ayçiçeği metil ester yakıtının ısıl değerinin dizel yakıtınkinden düşük olması nedeniyle aynı miktarda enerji elde etmek için daha fazla yakıt kullanmak gerekmektedir [16-18]. Bu durum özgül yakıt tüketimlerinin dizel yakıta göre daha yüksek olmasına neden olmaktadır. Setan sayının yüksek olması ve içeriğinde oksijen bulunması tutuşma gecikmesi süresini kısaltırken, ayçiçeği metil esterin kaynama noktası yüksek bazı bileşikler içermesi ana yanma fazında yeterince buharlaşamaması ve yanmanın genişleme periyoduna kaymasına neden olmaktadır. Bu ise egzoz gaz sıcaklıklarının artmasına ve termal verimin azalmasına neden olmaktadır [19]. 53

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esterinin Kullanımının DĐZEL B100 B Ö.Y.T. (g/kw.h) Motor hızı (rpm) Şekil 5. B100, B50 ve dizel yakıtlarının özgül yakıt tüketimi değişimleri Yanma ürünleri arasında CO emisyonunun bulunmasının ana nedeni hava-yakıt oranının düşük olmasıdır. Yakıt özellikleri, püskürtme karakteristikleri, motor yükü, hava-yakıt oranını önemli ölçüde etkilediğinden, CO oluşumu bu parametrelerin bir fonksiyonu olarak değişmektedir. CO emisyonu motorda kullanılamayan kayıp kimyasal enerjiyi ifade ettiği için önemli bir parametredir [20]. Şekil 6 da motor devrine bağlı olarak CO emisyonlarının değişimi görülmektedir. CO emisyonları dizel yakıtı ile karşılaştırıldığında B50 yakıtı kullanımı ile ortalama olarak %16,3 lük, B100 yakıtı kullanımı ile %25,6 lık bir azalma gözlenmektedir. Şekil 6. B100, B50 ve dizel yakıtlarının CO emisyonu değişimleri Dizel motorlarında yanma odasındaki oksijen ve nitrojen gazlarının fazlalığı yüksek alev sıcaklıklarında (>1800 C) NOx emisyonlarına neden olmaktadır [21]. Şekil 7 de motor devrine bağlı olarak ayçiçeği metil ester ve dizel yakıtlarına ait NO X emisyonu değişimleri görülmektedir. B100 ve B50 yakıtının kullanımı ile ortalama olarak dizel yakıtına göre sırası ile %9,5 ve %12,6 lık bir artış gözlenmektedir. NO x emisyonlarındaki bu artış ayçiçeği metil esterin içerdiği oksijenden kaynaklanmaktadır. 54

7 Sugözü Đ., Aksoy F., Baydır Ş. A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Dizel B100 B NOx (ppm) Motor hızı (rpm) Şekil 7. B100, B50 ve dizel yakıtlarının NO X emisyonu değişimleri. 5. SONUÇ VE ÖNERĐLER Bu çalışmada ayçiçeği metil esterinin bir dizel motorunda %100 ve %50 dizel yakıtı karışımı olarak kullanımının motor performans ve emisyonlarına etkisi incelenmiştir. B100 ve B50 yakıtlarının kullanımı ile motor momenti ve gücünde azalma, özgül yakıt tüketiminde ise artışlar belirlenmiştir. CO emisyonları dizel yakıtı ile karşılaştırıldığında B50 yakıtı kullanımı ile ortalama olarak %16,3 lük, B100 yakıtı kullanımı ile %25,6 lık bir azalma gözlenmektedir.b100 ve B50 yakıtının kullanımı ile ortalama olarak NO X emisyonlarında dizel yakıtına göre sırası ile %9,5 ve %12,6 lık bir artış gözlenmektedir. Yapılan deneyler sonucunda, ayçiçeği metil esterinin dizel motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılabileceği ortaya konulmuştur. 6. KAYNAKLAR 1. Sayın C. Uslu K., Çanakçı M., Gümüş M, 2008, Çift yakıtlı (etanol+dizel) bir dizel motorunda püskürtme avansının azaltılmasının motor performansı ve emisyonlarına etkisi, 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu, Çevik, Đ., Bulut, C., Karabektaş, M., Ergen,G., 2008, Atık Bitkisel Yağdan Üretilen Biyodizel Yakıtının Ek Hava Uygulaması Yapılan Bir Dizel Motor Performansına Etkileri, 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu, 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, Pramanik K., 2003, Properties and use of jatropha curcas oil and diesel fuel blends in compression ignition Engine, Renewable Energy, 28, Ramadhas A.S., Jayaraj S., Muraleedharan C., 2004, Use of vegettable oils as I.C. engine fuels- A review, Renewable Energy, 29, Karabektaş, M., Ergen,G., 2008, Biyodizel Yakıt Kullanılan Bir Dizel Motorunda Isı Balansı Uygulaması, 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu,

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Bir Dizel Motorunda Ayçiçeği Metil Esterinin Kullanımının 7. Fukuda H., Kondo A., Noda H., 2001, Biodiesel Fuel Production by transesterification of Oils, Journal Of Bioscience And Bioengineering, 92,, Chuang-Wei, Chıu., 2004, Biodiesel synthesis and impact of cold flow additives Master thesis, University of Missouri-Columbia. 9. Raheman, H., Phadatare, A.G., 2004, Diesel engine emissions and performance from blends of karanja methyl ester and diesel, Biomass and Bioenergy, 27, Leung, D.Y.C., Guo, Y., 2006, Transesterification of neat and used frying oil: Optimization for biodiesel production, Fuel Processing Technology, 87, Yücesu H.S., Altın R., Çetinkaya S., 2001, Dizel Motorlarında alternatif yakıt olarak bitkisel yağ kullanımının deneysel incelenmesi, Turk J. Engin. Environ. Sci., 25, Kaplan C., Arslan R. and Sürmen A., 2006, Performance Characteristics of Sunflower Methyl Esters as Biodiesel, Energy Sources, Part A, 28: Rakopoulos C.D., Rakopoulos D.C., Hountalas D.T., Giakoumis E.G., Andritsakis E.C., 2008, Performance and emissions of bus engine using blends of diesel fuel with bio-diesel of sunflower or cottonseed oils derived from Greek feedstock, Fuel 87, Keskin, A., Gürü, M., Altıparmak, D., 2007, Tall Yağı Biyodizelinin Dizel Yakıtı Đle %90 Oranındaki Karışımının Alternatif Dizel Yakıtı Olarak Đncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 22(1), 57-63, 15. Lue Y.-F., Yeh Y.-Y. and Wu C.H., 2001, The emission characteristics of a small D.I. Diesel engine using biodiesel blended fuels, J. Envıron. Scı. Health, 36(5), Usta N., 2005, An experimental study on performance and exhaust emissions of a diesel engine fuelled with tobacco seed oil methyl ester, Energy Conversion and Management, 46(15-16), Monyem, A., Van Gerpen, J.H., 2001, The Effect of Biodiesel Oxidation on Engine Performance and Emissions, Biomass and Bioenergy, Vol.20, Usta N., Öztürk E., Can Ö., Conkur E.S., Nas S., Çon A.H., Can A.Ç., Topcu M., 2005, Combustion of biodiesel fuel produced from hazelnut soapstock/waste sunflower oil mixture in a Diesel engine, Energy Conversion and Management, 46(5), Nwafor OMI., 2004, Emission characteristics of diesel engine operating on rapeseed methyl ester, Renewable Energy, 29(1), Özsezen A. N. ve Çanakçı M., 2008, Atık kızartma yağından elde edilen metil esterin ön yanma odalı bir dizel motorda kullanımının performans ve emisyonlara etkisinin incelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 23, No 2, Agarwal D., Kumar L., Kumar Agarwal A., 2008, Performance evaluation of a vegetable oil fuelled compression ignition engine, Renewable Energy, 33,