BENZİN KATKI MADDELERİNİN MOTOR PERFORMANSI VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN DENEYSEL OLARAK BELİRLENMESİ. Ersin KARAASLAN

Transkript

1 BENZİN KATKI MADDELERİNİN MOTOR PERFORMANSI VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN DENEYSEL OLARAK BELİRLENMESİ Ersin KARAASLAN YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EYLÜL 2012 ANKARA

2 ii Ersin KARAASLAN tarafından hazırlanan BENZİN KATKI MADDELERİNİN MOTOR PERFORMANSI VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN DENEYSEL OLARAK BELİRLENMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN. Tez Danışmanı, Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında YÜKSEK LİSANS tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Metin GÜRÜ. Kimya Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN. Otomotiv Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. Mustafa Sahir SALMAN. Otomotiv Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Tarih: /09/2012 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 iii TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Ersin KARAASLAN

4 iv BENZİN KATKI MADDELERİNİN MOTOR PERFORMANSI VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN DENEYSEL OLARAK BELİRLENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Ersin KARAASLAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EYLÜL 2012 ÖZET Buji ile ateşlemeli motorlarda vuruntusuz bir yanma sağlanabilmesi, mümkün olan maksimum verimin alınabilmesi ve minimum egzoz emisyon değerlerinin elde edilebilmesi için benzinin, temiz ve oktan sayısının yüksek olması gibi bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bunun için petrol rafinerilerinde üretim esnasında ham petrolden elde edilen benzine piyasaya sürülmeden önce çeşitli katkı maddeleri katılarak özellikleri değiştirilmekte ve kaliteleri yükseltilmektedir. Bu çalışmada 95 oktanlı benzin içerisine, piyasada satılan benzin iyileştirici, motor gücü arttırıcı, motor temizleyici, yakıt tüketimini ve egzoz emisyonlarını azaltıcı özelliklere sahip olduğu iddia edilen B, C, D, E, F olarak isimlendirilen 5 farklı marka katkı maddesi firmalarca tavsiye edilen (TE) miktarlarda ve TE miktarların %50 eksiği ve %50 fazlası oranlarında karıştırılarak kullanıldı. Hazırlanan karışımlar 4 silindirli, 4 zamanlı direkt püskürtmeli bir motorda test edilerek sonuçlar belirlendi. Yapılan testler 7 farklı motor devrinde ve tam yükte gerçekleştirildi. Tüm katkı maddelerinin TE miktarın %50 eksiği oranında katılarak yapılan testlerde performans ve emisyon değerlerinde TE orana göre iyileşme olduğu ancak katkı maddesi ilave edilmeyen benzin ile yapılan testlerden elde edilen sonuçlarla

5 v karşılaştırıldığında yine benzine göre kötü sonuçlar elde edildiği belirlendi. Yapılan tüm testlerde tüm katkı maddelerinden elde edilen özgül yakıt tüketimi değerleri benzine göre daha yüksek oranda olduğu, termik verim değerlerinin de buna bağlı olarak benzine göre daha düşük kaldığı belirlendi. Yapılan deneysel çalışmalarda motor performansı ve yakıt tüketimi değerlerinin yanında CO ve HC emisyon değerleri de ölçüldü. Elde edilen egzoz emisyon değerleri incelendiğinde motorun maksimum tork devrinde katkı maddesi ilave edilmeyen benzine göre diğer 5 farklı katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 miktarlarında kullanılması durumunda CO ve HC emisyonlarında kötüleşme olduğu, benzine göre daha yüksek oranda emisyon değerleri verdikleri tespit edildi. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Benzinli motorlar, Katkı maddeleri, Motor performansı, Egzoz emisyonları Sayfa Adedi : 89 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN

6 vi EXPERIMENTALLY DETERMINE THE EFFECTS OF GASOLINE ADDITIVES ON ENGINE PERFORMANCE AND EXHAUST EMISSIONS (M.Sc. Thesis) Ersin KARAASLAN GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SEPTEMBER 2012 ABSTRACT In order to get maximum efficiency, minimum exhaust emissions and optimum burning without knocking, in spark ignition engines gasoline must be clean and must have high octane number. For these specifications before selling the product, some additives are added in pure gasoline. Consequently that modification changes the properties and increases quality of gasoline. In this study, 5 different brands of additives used, have claimed to have improved gasoline specifications and reduce emissions. The additives were called with letters B, C, D, E, F and pure gasoline was called letter A. The ratio of additives applied to 95 octane unleaded petrol according to the instruction manual and its +50% -%50 percentages. Prepared blends are tested in 4 cylinders, 4 strokes, spark-ignition engine and the results were recorded. The experiments are executed with 7 different engine speeds on maximum engine load. In TE-%50 tests results, the performance and emission levels were measured better than the TE proportion tests. However, the results were not good than the pure gasoline test results. In all tests, the amount of specific fuel consumption higher than pure gasoline for all additives. In parallel the thermal efficiency values were calculated lower than pure gasoline. In experimental studies, engine performance and fuel consumptions

7 vii were measured. At the same time the exhaust gases (CO and HC) emissions were measured in the exhaust gas analyzer. When exhaust emissions were analyzed, tests with proposed amount and its -50% and +%50 ratios mixtures, CO and HC emissions were increased for all additives at maximum engine torque speed. Science Code : Key Words : Gasoline engines, Additives, Engine performance, Page Number : 89 Exhaust emissions Adviser : Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren hocam Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN e, kıymetli tecrübelerinden faydalandığım ve laboratuar çalışmalarımdaki desteklerini esirgemeyen Niyazi SERTÇELİK e ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli eşim Meral KARAASLAN ve oğlum Erdem KARAASLAN a teşekkürü bir borç bilirim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER....ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xiii RESİMLERİN LİSTESİ... xvi SİMGELER VE KISALTMALAR... xvii 1. GİRİŞ LİTARATÜR ÇALIŞMASI Benzin Motorları Benzin motorlarında yanma Vuruntu Vuruntunun nedenleri ve zararları Oktan sayısı Benzinin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Görünüm Bileşim İletkenlik Korozyon Yoğunluk Alevlenme noktası... 12

10 x Sayfa Donma noktası Isıl değer Yüzey gerilimi Viskozite Benzin Katkıları Eterler Alkoller Literatür Özetleri MATERYAL METOT Materyal Deney ortamı Deney motoru Dinamometre Egzoz emisyonları ölçüm cihazı Dijital terazi Deney yakıtları Metot Motor momenti Motor gücü Yakıt tüketimi ve özgül yakıt tüketimi Termik verim DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME Motor Performansı... 46

11 xi Sayfa Motor torku Özgül yakıt tüketimi Termik verim Egzoz Emisyonları CO emisyonları HC emisyonları SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER EK-1 Testlerde elde edilen veriler ÖZGEÇMİŞ... 89

12 xii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Sıkıştırma oranlarına göre oktan sayısı ihtiyacı... 9 Çizelge 2.2. Benzinin özellikleri Çizelge 2.3. Benzin katkı maddelerinin fiziksel özellikleri Çizelge 2.4. Deneylerde kullanılmak üzere hazırlanan yakıtların özellikleri Çizelge 3.1. Deneylerde kullanılan motora ait teknik özellikler Çizelge 3.2. Deneylerde kullanılan dinamometrenin kontrol paneli kısımları Çizelge 3.3. Sun MGA 1500S egzoz gaz analizörünün ölçme hassasiyet değerleri Çizelge 3.4. Deneylerde kullanılan benzin katkılarının özellikleri... 40

13 xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Silindir içerisinde normal yanma ve vuruntulu yanmanın oluşumu... 6 Şekil 2.2. Oktan sayısı Sıkıştırma oranı ilişkisi... 9 Şekil 2.3. E0 için soğuk çalışma emisyonları Şekil 2.4. E20 için soğuk çalışma emisyonları Şekil 2.5. E40 için soğuk çalışma emisyonları Şekil 4.1. Tüm katkı maddelerinin TE oran testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.2. Tüm katkı maddelerinin TE-%50 oran testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.3. Tüm katkı maddelerinin TE+%50 oran testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.4. B katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.5. C katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.6. D katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.7. E katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.8. F katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki tork değişimleri Şekil 4.9. Tüm katkı maddelerinin TE oran testlerindeki ÖYT değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE-%50 oran testlerindeki ÖYT değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE+%50 oran testlerindeki ÖYT değişimleri.. 55 Şekil B katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki ÖYT değişimleri Şekil C katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki ÖYT değişimleri... 56

14 xiv Şekil Sayfa Şekil D katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki ÖYT değişimleri Şekil E katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki ÖYT değişimleri Şekil F katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki ÖYT değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE testlerindeki termik verim değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE-%50 testlerindeki termik verim değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE+%50 oran testlerindeki termik verim değişimleri Şekil B katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki termik verim değişimleri Şekil C katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki termik verim değişimleri Şekil D katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki termik verim değişimleri Şekil E katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki termik verim değişimleri Şekil F katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki termik verim değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE oran testlerindeki CO değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE-%50 oran testlerindeki CO değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE+%50 oran testlerindeki CO değişimleri Şekil B katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki CO değişimleri Şekil C katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki CO değişimleri... 69

15 xv Şekil Sayfa Şekil D katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki CO değişimleri Şekil E katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki CO değişimleri Şekil F katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki CO değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE oran testlerindeki HC değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE-%50 oran testlerindeki HC değişimleri Şekil Tüm katkı maddelerinin TE+%50 oran testlerindeki HC değişimleri Şekil B katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki HC değişimleri Şekil C katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki HC değişimleri Şekil D katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki HC değişimleri Şekil E katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki HC değişimleri Şekil F katkı maddesinin TE-%50, TE ve TE+%50 testlerindeki HC değişimleri... 76

16 xvi RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Deneylerde kullanılan motor Resim 3.2. Deneylerde kullanılan dinamometre ve deney seti Resim 3.3. Dinamometre kontrol paneli Resim 3.4. Sun MGA 1500S egzoz gaz analizörü Resim 3.5. Deneylerde kullanılan dijital terazi Resim 3.6. Deneylerde kullanılan yakıt ölçme yöntemi... 42

17 xvii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama Be be C CO CO 2 Fe HC Kd M ml M ö n Ne Nm NO P Pb T η t λ Saatteki yakıt tüketimi (kg/h) Saatteki özgül yakıt tüketimi (g/kwh) Karbon Karbonmonoksit Karbondioksit Demir Hidrokarbon Düzeltme faktörü Tork (Nm) Mililitre Dinamometreden ölçülen tork (Nm) Motor devri (1/min) Motor gücü (kw) Newton metre Azotoksit Atmosferik basınç (kpa) Kurşun Atmosferik sıcaklık (K) Termik verim Hava fazlalık katsayısı

18 xviii Kısaltmalar Açıklama A ASTM B C CFR D DIPE E ETBE F LPG LRG Min MON MTBE ÖYT PAH Ppm RON RVP TAA TAME TBA TE ULG VOC Benzin Standart Amerikan Test ve Malzeme Enstitüsü 1. benzin katkı maddesi 2. benzin katkı maddesi Sıkıştırma oranı değiştirilebilen motor 3. benzin katkı maddesi Di-izopropil eter 4. benzin katkı maddesi Etil tersiyer bütil eter 5. benzin katkı maddesi Likit petrol gazı Kurşunlu benzin Dakika Motor oktan sayısı Metil tersiyer bütil eter Özgül yakıt tüketimi Polisilik aromatik hidrokarbon Partikül/milyon Araştırma oktan sayısı Reid buhar basıncı Tersiyer amil alkol Tersiyer amil metil eter Tersiyer bütil alkol Tavsiye edilen Kurşunsuz benzin Uçucu organik karbon

19 1 1. GİRİŞ Yakıt ile havanın karıştırılarak yakılması sonucu elde edilen ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinelere içten yanmalı motorlar denir. Motorlar üzerinde yapılan tüm yeniliklerin ve geliştirme işlemlerinin temel amacı verilen enerjiye karşılık alınan enerji miktarını mümkün olan maksimum düzeye çıkarmak ve bunun yanında atmosfere yayılan egzoz emisyonlarını da minimum düzeyde tutabilmektir. Günümüzde kullanılan içten yanmalı motorların hemen hepsinin petrol kaynaklı yakıtlar ile çalışmaları ve petrolünde sınırlı bir kaynak olması sebebiyle araştırmacılar ve üreticiler tarafından gelecekte petrolün yerini alabilecek bir enerji kaynağı bulma çabaları süratle devam etmektedir. Ayrıca petrol tüketiminin yoğunluğu ile motorlardan yayılan egzoz emisyonlarının atmosferi her geçen gün daha da kirletmesi ve hızla artan petrol fiyatları da alternatif enerji kaynakları araştırma çabalarını artırmaktadır. Ancak performans, maliyet ve kullanılabilirlik açısından petrol kökenli yakıt kullanan taşıtların yerini alabilecek bir taşıt henüz geliştirilememiştir. Bu tür bir taşıt geliştirilinceye kadar mevcut taşıtların emisyon değerlerini azaltmak ve birim yakıt miktarından daha fazla verim alabilmek için çeşitli çareler aranmaktadır. Emisyonları azaltmak için kurşunlu benzin üretiminin yasaklanması, taşıtlarda katalitik konvertörün kullanılma zorunluluğu gibi çalışmaların yanında petrol üreticileri de ham petrolden elde edilen yakıtların özelliklerini arttırıcı kimyasal katkı maddeleri kullanarak hem egzoz emisyonlarını azaltmak hem de birim yakıttan maksimum verimi almayı amaçlamaktadırlar. Rafine işlemi, ham petrolü farklı alanlarda kullanabilmek için seri ve paralel olarak ortaya çıkan bir dizi adımlardan oluşur. Rafinerilerde ham petrolden benzin, gazyağı, ağır gaz yağı, fuel oil ve diğer ürünler üretilmektedir. Benzin üretmede üretim adımları yıkama, oksitleme ve kükürt giderme gibi işlemlerden oluşur. Benzin, çeşitli katkı maddeleri ile birçok organik bileşiklerden oluşan karmaşık bir yapıya sahiptir. Dünyanın belli bölgelerindeki doğal yeraltı kaynaklarından gelen birçok farklı

20 2 hidrokarbon karışımı ham petrol, arıtma işlemleri ile üretilmektedir. Ham madde olarak yeraltından elde edilen ham petrolün rafinerilerde işlenmesi ile geliştirilen benzinin kimyasal bileşimi değişkendir [Owen ve Coley, 1995]. Teknoloji her geçen gün her alanda hızla gelişirken insanoğlu çevreye verdiği zararların kötü sonuçları ile her geçen gün daha sık karşı karşıya gelmektedir. Küresel problemlerin yanı sıra bölgesel olarak binlerce taşıtın aynı anda çalıştığı büyük şehirlerde CO, HC ve NO x gibi emisyonlar yaşam kalitesini oldukça düşürmekte ve çevreye çok büyük zararlar vermektedir. Günümüzde içten yanmalı motorlarda etanol, metanol, doğalgaz, hidrojen ve LPG gibi alternatif yakıtlar kullanılırken bunlara ilave olarak yakıt iyileştirici kimyasal katkı maddeleri de yer almaktadır. Buji ile karışım ateşlendikten sonra, yanmanın düzensiz olmasına vuruntu (detenasyon) denir. Buji kıvılcımı çaktıktan sonra, meydana gelen alevin, bir alev cephesi halinde yanma odasının diğer kısımlarına ulaşmadan, başka noktalardan da karışımın tutuşması sonucu meydana gelir. Vuruntu karışımın sıcaklığı, karışımın oranı, sıkıştırma oranı, yanma odasının şekli ve kullanılan benzinin kalitesi gibi sebeplere bağlıdır [Özdamar, 1994]. Motorlarda yakıtın vuruntuya karşı dayanımını arttırmak amacı ile daha önceleri benzine kurşuntetraetil (Pb(C 2 H 5 )4), kurşuntetrametil (Pb(CH 3 ) 4 ), demirpentakarboksit (Fe(CO) 5 ) vb. gibi katkı maddeleri karıştırılmaktaydı. Yakıt teknolojisinin gelişmesinin yardımı ile zehirleyici ve kanserojen etkileri olan kurşunlu yakıtların kullanımından zamanla vazgeçilmiştir. Böylece günümüzde kurşunsuz benzin kullanımı yaygınlaşmıştır [Akyaz, 2007]. Herhangi bir benzinin vuruntuya karşı dayanıklılığı oktan sayısı ile belirlenir. Oktan sayısı laboratuar deneyleri için kullanılan CFR (sıkıştırma oranı değiştirilebilen motor) benzin motoru vasıtasıyla ölçülür. Benzinin içindeki izooktan ve heptan oranları oktan sayısını belirler. İzooktan'ın oktan sayısı "100" ve heptanın oktan

21 3 sayısı "0" olarak kabul edilir. Örneğin; benzinin içinde %89 izooktan ve %11 heptan varsa benzinin oktan sayısı 89'dur [Obitet, 2010]. Benzin yakıtlarında oksitleyici olarak ta bilinen hafif alkoller (metanol, etanol vb.) ve eterler oktan sayısı artırıcı özellikleri ve kirletici egzoz emisyonlarını azaltıcı etkileri olduğu bilinen kimyasal katkı maddeleri kullanılır [Biçerer, 2006]. Yapılan bu araştırmada ise otomotiv sektöründe benzin katkı maddesi olarak tüm petrol istasyonlarında, oto aksesuarcılarda, hatta alışveriş merkezlerinde bile satılan ve yaygın olarak kullanılan benzin iyileştirici, oktan sayısı arttırıcı, enjektör temizleyici ve yakıt tüketimini azaltıcı özellikleri olduğu iddia edilen katkı maddelerinin buji ile ateşlemeli motorlarda motor performansına ve egzoz emisyonlarına olan etkisinin deneysel olarak belirlenmesi hedeflenmektedir. Bu araştırmada piyasada yaygın olarak satılan ve kullanılan benzin katkı maddelerinin farklı oranlarda kullanıldığı ya da hiç kullanılmadığı durumlarda motor performansı ve emisyonlar üzerindeki etkilerinin deneysel olarak tespiti ve sonuçların mukayese edilmesi ile benzin katkı maddelerinin kullanımı konusunda bir değerlendirme ortaya koyabilmek amaçlanmaktadır. Bunun için buji ile ateşlemeli bir motorda 5 farklı sıvı haldeki kimyasal benzin katkısı tavsiye edilen (TE) oranlarda ve TE oranın %50 katlarında eksiltilerek ya da artırılarak optimum oranda verdikleri en iyi performans ve egzoz emisyon değerleri tespit edilerek elde edilen veriler grafikler halinde katkı maddesi kullanılmadan piyasada satılan benzin ile yapılan testlerden elde edilen veriler ile karşılaştırılmıştır.

22 4 2. LİTERATÜR ÇALIŞMASI 2.1. Benzin Motorları İçten yanmalı motorların kullanılış amacı yakıtın içerdiği kimyasal enerjiden mekanik enerji üretmektir. Silindir içerisine alınan belirli orandaki benzin ve hava karışımının belirli bir oranda sıkıştırılarak buji kıvılcımı ile tutuşturulması ile elde edilen ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelere buji ile ateşlemeli motorlar ya da benzin motorları denilir. Bu motorlarda yakıt olarak uçucu sıvılar ya da gazlar kullanılmaktadır. Sıkıştırma oranları 6:1 ve 12:1 arasında ve sıkıştırma sonu basınçları bar arasında değişmektedir. Sıkıştırma oranları silindir içerisine alınan hava yakıt karışımının vuruntu eğilimi tarafından sınırlandırılmaktadır [Çetinkaya, 2006]. Nikolaus August Otto 1876 yılında, Beau de Rochas ın prensiplerine göre çalışan bir motor yaptı. Bu ilk dört zamanlı motor, 180 1/min dolayında 2,2 kw güç vermiş ve termik verimi %15 olarak hesaplanmıştır. Günümüzde kullanılan pistonlu, buji ile ateşlemeli içten yanmalı motorların çoğu Otto nun temel prensibine göre çalışmaktadır. Bu yüzden aynı prensibe göre çalışan günümüz içten yanmalı buji ile ateşlemeli motorlara Otto motorları da denilmektedir [Çetinkaya, 2006]. Buji ile ateşlemeli motorlar hafif yük ve yolcu taşıma işlerinde ideal olarak kullanıma uygundur. Diğer içten yanmalı motorlar ile kıyaslandığında kütlesel olarak hafif, geniş devir ve tork aralığı ve minimum transmisyon aralığında yüksek performans sağlamaktadır. Buji ile ateşlemeli motorlarda daraltılmış bir hava boğazı ile güç kontrolü yapıldığından ve yüksek silindir sıcaklıkları ve basınçlarındaki doğal sınırlılıklar ve motor vuruntuları sebebiyle termal verimlilikleri sıkıştırma ile ateşlemeli motorlardan daha düşüktür. Fakat sıkıştırma ile ateşlemeli motorlar benzinli motorlara göre daha düşük devirlerde daha yüksek torka sahip olduklarından ağır iş makineleri, gemiler, lokomotifler ve güç istasyonlarında kullanım sebebidir [Yeni, 2005].

23 Benzin motorlarında yanma Dört zamanlı motorlarda üçüncü zamanı oluşturan yanma ve genişleme işlemi ile yakıtın kimyasal enerjisi ısı enerjisine ve elde edilen ısı enerjisinin de bir bölümünün mekanik enerjiye dönüştürüldüğü zamandır. Benzin ile dizel motorlarda yanmanın fiziği farklı olduğu halde kimyasal reaksiyonların mekanizmaları aynıdır. Motorlarda kullanılan yakıtların hava ile yakılması sonucu CO 2, H 2 O, O 2, N 2, CO, H 2, O, H, NO gibi ürünler ortaya çıkmaktadır. Bu ürünlerin egzoz gazları içerisindeki miktarları yanmanın tam veya eksik yanma olmasına bağlı olarak değişmektedir. Tam yanmanın ilk şartı, ortamda yeterli miktarda havanın bulunmasıdır. Benzinin içinde yalnızca karbon ve hidrojen olduğu kabul edilirse 1 kg benzinin tam yanması için gerekli olan hava teorik olarak yaklaşık 14,6 kg dır. Yanma için silindir içerisine alınan gerçek hava miktarı teorik hava miktarından fazla veya eksik olabilir. Gerçek hava miktarı teorik hava miktarına eşitse, silindir içerisindeki karışıma stokiyometrik karışım denir. Gerçek hava miktarı teorik hava miktarına eşitse λ=1 olur. λ < 1 ise karışıma zengin, λ > 1 ise karışıma fakir karışım denir [Dinler, 2001]. Buji ile ateşlemeli motorlarda yanma, silindir içerisine alınarak sıkıştırılan yakıt-hava karışımının harici bir kaynakla ateşlenmesi sonucunda başlatılır. Bu nedenle karışımın oluşturulması ve ateşleme, bu motorlarda yanma olayını farklı kılan önemli özelliklerdendir. Ateşleme sistemi tarafından sağlanan enerji, buji tırnakları arasında elektronlar tarafından çevredeki karışım moleküllerine aktarılarak yüksek enerjili bir nüve oluşturur. Başlangıçta ısı kaybı yüksek olduğundan reaksiyonlar yavaş gelişir ancak reaksiyona katılan molekül sayısı arttıkça açığa çıkan enerji cidarlardan transfer edilen ısıyı hızla geçerek basınç ve sıcaklığın yükselmesine neden olur. Yanma hızına bağlı olarak alev cephesi ilerlemesine devam eder ve yanmamış gazların basınç ve sıcaklığını giderek yükseltir. Yanma hızı; karışımın sıcaklığına, basıncına, yakıt/hava oranına ve yanma odasındaki türbülansa bağlı olarak değişir. Yanmamış bölgedeki gazların basınç ve sıcaklığının alev cephesinin ilerlemesiyle

24 6 sürekli artması sonucu yanmanın sonlarına doğru bu bölgedeki gazların reaksiyona katılması hemen hemen sabit hacimde gerçekleşir. Yanma odası çeperlerine doğru yaklaştıkça soğuma nedeniyle alev cephesinin ilerlemesi yavaşlar ve artan ısı kaybı nedeniyle söner [Topgül, 2006] Vuruntu Buji ile ateşlemeli motorlarda, buji ile oluşturulan alev cephesi yanma odasında ilerlerken alev cephesinin ulaşmadığı bir başka noktada basınç ve sıcaklığı yükselen taze karışımın kendiliğinden tutuşması vuruntuya sebep olmaktadır. Vuruntuyla birlikte maksimum basınç artar, yüksek frekanslı basınç değişimleri ve duyulabilen bir ses oluşur. Kendi kendine tutuşma buji ile ateşlemeli motorlarda istenmeyen bir durum olduğundan çeşitli motor parametrelerinin belirlenmesinde vuruntu dikkate alınır [Topgül, 2006]. Şekil 2.1. de yanma odasında normal yanma ve vuruntulu yanmanın nasıl olduğu görülmektedir [Korkmaz, 2008]. Şekil 2.1. Silindir içerisinde normal yanma ve vuruntulu yanmanın oluşumu [Korkmaz, 2008].

25 Vuruntunun nedenleri ve zararları Ateşleme olayı sırasında pistonun hareketiyle basıncın artması içerideki gazın zaman zaman beklenenden önce yanmasına sebep olabilir. Burada dikkat edilmesi gereken şey yakıtın hangi sıcaklık ve hangi basınçta alev aldığıdır. Yani alev almak için daha düşük sıcaklık gerektiren bir yakıt vuruntuya sebep olmaya daha elverişlidir. Bu yüzden yakıtların oktan sayısı arttırılmaktadır. Vuruntu özellikle gaz kelebeğinin tam açık konumunda çalıştığı şartlarda oluşur. Bu da motorun performansını direkt olarak sınırlar. Vuruntunun oluşumu ve şiddeti yakıtın vuruntu direncine ve motorun vuruntu karşıtı karakteristiklerine bağlıdır. Bir motorun vuruntu yapma eğilimi daha yüksek sıcaklıklar ve basınçlar gerektiren veya yanma zamanını uzatan faktörlerle artar. Bir benzin motorunda oktan sayısı gereksinimi, kullanımla birlikte genellikle artar. Bunun sebebi ise yanma odasında oluşan tortuların artmasıdır. Bu tortular motorun sıkıştırma oranını arttırırken yanma odası yüzey sıcaklığını da arttırırlar. Bu sıcaklık artışı, silindir cidarından taze dolguya doğru olan ısı geçişini arttırır ve sıkıştırma sırasında yanmayan yakıt-hava karışımından ısı transferini azaltır. Böylece son gaz sıcaklıkları daha yüksek olur ve vuruntu olasılığı artar. Yanma odasındaki tortular kararlı hale geldikçe ( km kadar kullanımdan sonra) motorun oktan sayısı gereksinimi tipik olarak 5 oktan sayısı kadar artar; bu artış 1 ile 13 oktan sayısı arasında değişebilir [Sandalcı, 2005]. Vuruntu motora değişik şekillerde hasar verebilir. Segman kaynaması, piston segmanlarında ve piston başında kırılmalar, silindir kapak contasının arıza yapması, silindir kapağında aşınma, piston tepesi ve üst ucunda aşınma, pistonun erimesi ve delinmesi. Vuruntu çok şiddetli olduğunda yanma odası duvarlarına fazladan ısı aktarılır ve böylece silindir başı ve piston hızla aşırı ısınırlar. Bu şartlar altında vuruntu kararlı değildir; aşırı ısınma motorun oktan sayısı gereksinimini arttırır ve bu da vuruntunun şiddetinin artmasına yol açar. Vuruntunun şiddeti gittikçe artar ve en sonunda kontrolsüz olan bu artış birkaç dakikada motorun arıza yapmasına sebep olabilir [Sandalcı, 2005].

26 Oktan sayısı Otto motorlarında sıkıştırma oranını ve buna bağlı olarak motorun performansını ve verimini sınırlayan en önemli faktör vuruntudur. Vuruntunun olması ya da olmaması yakıtın oktan sayısı olarak tanımlanan anti vuruntu kalitesi ile ilgilidir. Oktan sayısı normal çalışma şartlarında motorda vuruntunun oluşup oluşmayacağını belirtir. Yüksek oktan sayılı yakıt vuruntuya karşı direnç gösterir. Bir motorun oktan sayısı gereksinimi o motorun devir ve yük aralığı boyunca vuruntuya karşı direnç göstermesi olarak tanımlanır. Otto motorlarında vuruntusuz çalışma için gerekli olan oktan sayısı düzeyi yüke bağlı olarak geniş bir aralıkta değişmektedir. Bu yüzden, tam yük çalışma koşulları hariç, kısmi yüklerde yüksek oktan sayılı yakıt kullanımı gereksizdir. Oktan sayısını yükseltmek için eklenen katıklar ve uygulanan işlemler yakıt maliyetlerini arttırdığı gibi aynı zamanda yakıt içerisindeki kurşuntetraetil ve aromatik hidrokarbonlar gibi kirleticilerin oranını da arttırmaktadır. Kısaca, benzin üretiminin maliyet ve enerji giderleri oktan sayısının artmasıyla birlikte artar [Sandalcı, 2005]. Oktan sayısını ölçmek için genel olarak iki metot kullanılır: 1. motor metodu, 2. araştırma metodu. Bu yöntemlerle elde edilen oktan sayılarına motor oktan sayısı MON ve araştırma oktan sayısı RON adı verilir. Bu deneylerin şartları birbirlerinden farklı olduğu için elde edilen oktan sayıları da farklıdır. RON değeri, motorun yüke binmediği ve düşük devirlerde çalıştığı durumdaki vuruntu ölçümüdür. MON değeri ise motor zorlandığında, yük altında olduğu andaki vuruntu ölçümüdür. Birçok ülkede benzinlerin vuruntu özelliği sayısı, yani gerçek oktan sayısı, bu iki değerin aritmetik ortalaması ile elde edilir. Oktan sayısının belirlenmesi için benzin örneği, tek silindirli özel bir deney motorunda farklı sıkıştırma oranlarında kontrollü şartlarda yakılır. Daha sonra bu deney motorunda, izo-oktan ve normal heptan karışımı ile hazırlanan deney örneği de eşit şartlarda yakılır. Deney karışımından elde edilen sonuçlar benzin örneği ile aynı olana kadar karışım oranları ayarlanır. Bu karışımda izo-oktan vuruntusuza

27 9 yakın kalitede yanar, normal heptan ise vuruntuya yol açar. Benzin örneği ile aynı sonuçları veren izo-oktan ve normal heptan karışımındaki izo-oktanın hacimce yüzdesi oktan sayısı olarak tanımlanır. Bir başka deyişle saf izo-oktanın oktan sayısı 100 kabul edilerek benzin örneğinin oktan sayısı belirlenir. Oktan sayısı benzinler için arasında değişmektedir oktan üçüncü sınıf yakıtlarda, oktan ise uçak yakıtlarındaki değerdir. Kullanılan benzin 50 oktan ise pistonlara çekiçle vuruyormuşçasına bir sarsıntı ile kuvvet uygulanacaktır. İdeal kuvvet, pistonları eşit ve düzenli bir şekilde iten kuvvettir. Oktan sayısı ne kadar yüksek ise, benzinin kalitesinin o kadar iyi olduğundan bahsedilmektedir. Oksijenli bileşiklerin oktan sayısı değerleri, en iyi kalitedeki benzinin oktan sayısı değerinden yüksektir ve bu nedenle benzin katkı maddesi olarak kullanılmaktadırlar. Oktan sayısı, hidrokarbonlarda dallanmış yapıların artmasıyla artış göstermektedir. Oktan sayısı ve sıkıştırma oranı arasındaki ilişki Şekil 2.2 ve Çizelge 2.1 de verilmiştir. [Şen, 2007]. Şekil 2.2. Oktan sayısı ile Sıkıştırma oranı ilişkisi [Dinler, 2001]. Çizelge 2.1. Sıkıştırma oranlarına göre oktan sayısı ihtiyacı [Korkmaz, 2008]. Sıkıştırma oranı Oktan sayısı

28 Benzinin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Karbüratörlü motorlarda kullanılan benzinin karbürasyon işlemi açısından uçucu, vuruntuya dayanıklılık açısından da tutuşma eğiliminin az olması istenir [Bayraktar, 1991]. Benzinin genel özellikleri onların yanma performansı, uçuculuğu ve yanma kararlılığı ile ilgilidir (Çizelge 2.2) [Çolak, 2006]. Çizelge 2.2. Benzinin özellikleri [Çolak, 2006]. Kimyasal Özellik BENZİN Kimyasal denklemi C 8 H 18 C/H oranı 0,445 Molekül ağırlığı(kg/kmol) 114,18 Alt ısıl değeri(kj/kg) 44,3 x 10 3 Stokiyometrik H/Y oranı 14,6 Buhar basıncı (kpa, 23,5 o C) Kendi kendine tutuşma sıcaklığı ( o C) 257 Araştırma oktan sayısı (RON) Motor oktan sayısı (MON) Görünüm Benzin her zaman net ve parlak olmalı, içerisinde herhangi bir partikül madde ve su bulunmamalıdır. Partiküller filtre ve memeleri tıkayabilir. Su donma noktası ve onun altındaki sıcaklıklarda donarak boruları tıkayabilir, giriş sistemindeki buzlanmaları artırarak korozyona sebep olabilir. Benzinin rengi havacılıkta kullanılanlar hariç genellikle belirli değildir. Havacılıkta kullanılanların sınıflarının anlaşılabilmesi için onlarda farklı bir renklendirme yapılır [Owen ve Trevor, 1990].

29 Bileşim Çevresel ve diğer sebeplerden dolayı benzinin içerisine birçok katkılar katılabilir. Bunları kısaca şöyle sıralayabiliriz [Owen ve Trevor, 1990]; Benzen; benzinin içerisine katılabilecek maksimum miktarı %3-%5 arasındadır. Çünkü benzenin içerisinde yüksek miktarda sağlığa zararlı zehirli maddeler bulunmaktadır. Hidrokarbon bileşikleri; benzinin bileşimini kontrol edebilmek için içerisindeki hidrokarbon bileşiminin de belirlenmesine gereksinim duyulur. En çok ihtiyaç duyulan özellikler olan parafinler, aromatikler ve olefinler ölçülür. Bu grupların dışında kalan hidrokarbonlar ise motor içerisinde artık bırakmaya yatkın olanlarıdır. Kurşun; maksimum kurşun içeriği miktarları benzinin kurşunlu ya da kurşunsuz olmasına göre kanunlar ile sınırlandırılmıştır. Egzoz katalizatör sistemlerine zarar verdiğinden kurşunsuz benzinlerin içerisindeki kurşun miktarı daha önemlidir. Benzinin içerisindeki oranını belirleyebilmek için çeşitli yöntemler kullanılır. Manganez; vuruntu önleyici özelliği bakımından benzin içerisinde kullanılabilinmektedir. Oksijenatlar; düşük oktanlı benzinlere katılarak oktan sayılarının yükseltilmesi sağlanır. Bunlar genelde alkol, ethanol ve methanol bileşikleridir. Fosfor; katalitik dönüştürücüleri olumsuz etkileyen diğer bir maddedir. Bu yüzden benzin içerisindeki oranı sınırlandırılmıştır. Kükürt; benzin içerisindeki miktarının %0,1 kadar bir değerde olmasına rağmen maksimum miktarı %0,2 ile sınırlandırılmıştır. Su; benzinin içerisinde hem çözünmüş hem de serbest halde bulunan su benzin borularını tıkayabilir ve korozyona sebep olur. Çözünmüş halde bulunan sudan tam

30 12 olarak kaçınılamaz. Bunun nedeni benzin içerisindeki diğer bileşiklerin üretim sırasında mutlaka su içeren çözeltilerle temas etmiş olmasıdır. Ancak serbest halde bulunan su santrifüj ile belirlenebilir İletkenlik Bir yakıtın üzerinde statik elektrik yüklü olup olmadığının belirlenebilmesinde yakıtın iletkenliği önemlidir. Yakıtın iletkenlik değeri içerisinde bulunan hidrokarbon konsantrasyonu ve oksijenat bulunup bulunmadığına dayalıdır Korozyon Korozyon sadece parçalara zarar vermekle kalmıyor, ayrıca bakır gibi çözünmüş metallerin oksitlenmesini kolaylaştırıyor. Korozyon filtreleri ve kanalları tıkayabilir ve yakıt sistemi parçalarının aşınma oranını artırır Yoğunluk Yoğunluk oranının bilinmesi hacmin ağırlığa dönüştürülmesi işleminde yararlıdır. Ayrıca benzinin tanımlanmasında da kullanılabilir. Birçok benzinin yoğunluk değeri 0,72 ile 0,78 değerleri arasındadır Alevlenme noktası Alevlenme noktası numune bir yakıtın buharının bir ateşleme kaynağı tarafından belirli şartlar altında ateşlendiği en düşük sıcaklık noktasıdır Donma noktası Donma noktası aslında doğrudan otomotiv sektöründe kullanılan benzinler ile ilgili değildir. Havacılıkta kullanılan benzinlerde maksimum değer -60 o C dir [Owen ve Trevor, 1990].

31 Isıl değer Yakıtın yanma sonucunda verdiği ısı miktarı, birim miktardaki yakıtın enerji içeriğini gösterdiğinden önemlidir. Oksijenat içermeyen benzinlerin genel olarak ısıl değeri yaklaşık 43 kj/kg dır Yüzey gerilimi Yüzey gerilimi venturi boğazında ve memelerdeki emme gücünü ve yakıtın atomizasyonunu etkilediğinden önemlidir. Yakıtın yüzey gerilimi yoğunlukla artar, sıcaklıkla azalır. Benzin için yüzey gerilimi (0,019-0,023) değerleri arasındadır Viskozite Viskozite bir akıcılık ölçüsüdür. Yakıtın düşük çalışma sıcaklıklarında dahi serbestçe akacak kadar viskozitesi düşük olmalı, sızıntıya engel olacak ve pompa sistemini yağlayabilecek kadar da yüksek viskoziteli olmalıdır. Viskozite akış halinde olan bir sıvının akmaya karşı gösterdiği direnç olarak da tanımlanabilir [Owen ve Trevor, 1990] Benzin Katkıları Rafineriler tarafından işlenerek içten yanmalı motorlarda kullanıma hazır hale getirilen yakıtların da istenilen özellikleri tam olarak sağlamaları gerekmektedir. Motorlarda yanma olayı oldukça kısa bir süre içerisinde meydana gelir. Bu nedenle kullanılan motor yakıtlarının motorun yapısına uygun ve motor performansını iyileştirici özelliklerde olmaları istenmektedir. Motor yakıtlarının seçiminde aranacak temel özellikler şunlardır [Akyaz, 2007]: Yakıt donanımına uygun olmalıdır. Benzin motorlarında yakıt ile hava her hava koşulunda kolayca buharlaşabilmeli ve dizel motorlarında ise basınçlı yakıt sıkıştırılmış havanın içerisine püskürtüldüğünde ince parçacıklara ayrılabilmeli,

32 14 Vuruntu dayanımı iyi olmalı ve motorun ilk harekete geçişi kolay olmalı, Egzoz emisyonlarının kirletici özelliği düşük olmalı (Çevre dostu olmalı) ve yanma sistemine zarar veren bileşikler oluşturmamalıdır. Yakıtın ısıl değeri yüksek olmalı, Kolay elde edilebilmeli, depolanabilmeli ve taşınabilmeli, Maliyeti ucuz olmalıdır dan beri benzinin oktan sayısını artırmak için kurşun yerine oksijenatlar %2 ile %8 oranında sınırlı alanda kullanılmaktadır lerde oksijenat kullanımının yaygınlaşması ile bazı ülkelerde özellikle soğuk havalarda CO emisyonlarını kontrol altında tutabilmek için oksijenatlı benzin uygulamaları başlatmışlardır. Benzin katkı maddesi olarak oksijenli bileşenlerden düşük molekül ağırlıklı alkoller ve eterler kullanılmaktadır. En çok kullanılan alkoller; metanol, etanol, tersiyer bütil alkol (TBA) ve bunların değişik hacimlerde hazırlanan türevleridir. Eterlerden de özellikle tersiyer eterler, oksijenli bileşenler olarak kullanılmaktadırlar. Metil tersiyer bütil eter (MTBE), etil tersiyer bütil eter (ETBE), tersiyer amil metil eter (TAME) ve tersiyer amil eter (TAEE) en çok kullanılan eterlerdir. Eterlerin alkollere göre avantajları aşağıdaki şekilde sıralanabilir [Erdal, 2004, Şen, 2007]; Düşük buhar basınçlarına sahip olmaları (RVP; maddenin 37,7 o C deki buhar), Yüksek oktan sayısına sahip olmaları, Düşük yanma ısısına sahip olmaları, Benzin karışımı ile faz oluşturmamaları Eterler Eterler iki alkil gruba bağlı oksijen içeren bileşiklerden oluşan bir sınıf organik bileşiktir. MTBE benzinle iyi karışım yapabilen yüksek miktarda sıvı çözünürlüklü, renksiz organik bir sıvıdır. Benzin içerisine hacimsel olarak %15 oranına kadar başarılı bir şekilde katılabilir. Araştırma oktan sayısı (RON) 117, motor oktan sayısı (MON) 101 dir.

33 15 ETBE ise MTBE ye benzer şekilde izobütan ve etanolden üretilen renksiz sıvıdır. MTBE ye göre biraz daha oktan içeren ETBE nin RON değeri 118, MON değeri ise 101 dir. TAME ise methanolün tertiary-amylene ile reaksiyona girmesiyle oluşur. Oktan sayısı MTBE ve ETBE ye göre daha düşük olan TAME nin RON değeri 112, MON değeri 98 dir. TAEE de ethanolün tertiary-amylene ile reaksiyona girmesiyle oluşur. Oktan sayısı MTBE ve ETBE ye göre daha düşük olan TAEE nin RON değeri 105, MON değeri 95 tir. DIPE, izopropanol maddesinden elde edilen propilen maddesinin su ile reaksiyona girmesi sonucu oluşur. Oktan sayısı MTBE ve ETBE ye göre daha düşük olan DIPE nin RON değeri 105, MON değeri 95 tir. Ayrıca içeriğindeki oksijen miktarı %15,7 dir [Bergendahl, 2007] Alkoller Alkol hidroksil gruplar içeren bir organik bileşik grubudur. Ethanol renksiz organik bir sıvıdır. Genellikle oktan artırıcı olarak ya da oksijenatlı benzin üretiminde benzin içerisine hacimsel olarak %10 un üzerinde katılır. Ayrıca büyük bir oranda (%85 hacimsel) alternatif yakıt olarak ta kullanılabilmektedir. RON değeri 123 ve MON değeri 96 dır. Ethanol tarımsal ürünlerin, (şeker kamışı, şeker pancarı, mısır nişastası gibi kolayca şekere dönüştürülebilen ürünler) fermantasyonundan türetilir. Methanol de su ile sonsuz çözünürlüğü bulunan sıvı organik bileşiklerdir. Benzin içerisine oksijenat ve oktan artırıcı olarak karıştırılır, fakat etanol ve eterlere göre daha fazla faz ayrılma eğilimine sahiptir. Benzin-methanol karışımlarında karışımı tek fazda tutabilmek için TBA (Tertiary-Butyl Alcohol) kullanılır. TBA nın RON değeri 123, MON değeri ise 91 dir. Methanol genellikle buhar reformu ile doğal gazdan elde edilir. Doğada biyolojik olarak parçalanabilir ve suda sonsuz çözünebilir.

34 16 İzopropanol ise renksiz, berrak RON değeri 121, MON değeri 93 olan organik bir sıvıdır. Propilenin oksitlenmesi ile üretilir. Bir oksijenat ve oktan artırıcı katkı maddesi olarak kullanımının yanında benzin içerisinde bulunan suyun ayrı bir faz olarak tutulmasına yardımcı olmak için de kullanılır [Bergendahl, 2007]. Bir alternatif yakıt olarak ta kullanılabilen alkol ve özellikle de metanole ilgi ilk olarak Amerika da başlamıştır. Gerek etanol gerekse metanol, Brezilya ve A.B.D. başta olmak üzere, birçok ülkede yaygın olarak kullanılmaktadır. Alkol kullanımının temel gerekçeleri, genellikle bazı ülkelerdeki petrol yetersizliği, yenilenebilir ve temiz bir yakıt olmasıdır. Alkol kullanımının yaygınlaşmasını engelleyen faktörler ise; petrol üretiminin henüz talebi karşılayamayacak düzeye inmemiş olması ve birim kütlesinin ısı değerinin düşük, enerji fiyatının benzine göre yüksek olmasıdır. Kömür, çeşitli ham malzemeler, doğalgaz veya biokütleden üretilebilen metanol, benzinli motorlarda fazla bir değişiklik yapılmadan saf olarak (M100 olarak bilinen) veya benzinle farklı oranlarda karıştırılarak kullanılabilmektedir. En yaygın kullanımı %85 metanol ve %15 benzin karışımıdır [Ayhan, 2006]. Metanolün benzinle karıştırılarak kullanılmasındaki en önemli sorun, faz ayrışmasıdır. Alkollerin higroskopik özelliklerinden dolayı, pratik olarak benzin + alkol + sudan oluşan üçlü bir karışım, motor yakıtı olarak kullanıldığında, homojen olması gereken sistemde, daima iki ayrı sıvı fazı oluşmaktadır. Bu ayrışmada, üst faz benzin, alt faz ise alkol bakımından zengin olmaktadır. Ayrışmış karışımla çalışan bir motorda, alkol fazı tek başına motora ulaştığında, yakıt yetersizliği ve gücün aniden düşmesine bağlı olarak, motorda tekleme, sarsıntılar ve ilk hareket zorlukları olmaktadır. Metanollü benzinlerde faz ayrışması; alkol, su miktarı, ortam sıcaklığı ve benzinin bileşimine bağlı olarak değişmekte ve genel olarak sıcaklık düştükçe faz ayrışması olasılığı artmaktadır (Çizelge.2.3) [Ayhan, 2006].

35 17 Çizelge 2.3. Benzin katkı maddelerinin fiziksel özellikleri [Şen, 2007] Bileşen Kaynama Oksijen Karışım Karışım RVP Noktası İçeriği Oktan Sayısı (Psi) ( o C) (%ağırlık) Eterler MTBE ,2 TAME ,7 ETBE ,7 TAEE ,8 DIPE ,7 Alkoller Metanol ,9 Etanol ,7 TBA ,6 Ayrıca piyasada yakıt iyileştirici, oktan artırıcı, motor gücü artırıcı ve motor temizleyici özelliklere sahip olduğu iddia edilerek otomobil kullanıcılarının hizmetine sunulan ve içeriği bilinmeyen katkı maddeleri vardır. Sunulan çalışmada piyasada satılan 5 farklı firmaya ait yakıt katkı maddesinin belirtilen özelliklere sahip olup olmadığının tespit edilebilmesi için farklı oranlarda karışımlar hazırlanarak motor performans ve egzoz emisyon değerlerindeki değişimler gözlemlendi Literatür Özetleri Enerji, hayatımız için, enerji tüketimi ise yaşam standartlarımız ile oldukça önemlidir. Gelişmiş ülkeler, sürekli olarak ucuz ve bol malzeme kullanımını alışkanlık haline getirmiştir. Son zamanlarda, gelişmekte olan ülkeler dünya nüfusunun büyük bir çoğunluğunu oluşturmakta, gelişmiş ülkelerin üretim ihtiyacını karşılarken, kendilerinin gelecekteki enerji ihtiyaçlarını güvence altına alan adımlar atmaktadır. Geleneksel fosil yakıt kaynaklarının sınırlı miktarı üzerinde rekabet yoğunlaşmakta, daha zorlu çevre sorunları, özellikle CO 2 emisyonu ile ilgili önemini arttırmaya başlamıştır. Bunun yanında atmosferdeki CO 2 yoğunluğunun ortalama

36 18 küresel sıcaklık ile ilişkili olduğuna dair güçlü kanıtlar bulunmaktadır. Ayrıca, model tahminleri karbondioksit konsantrasyonu artmaya devam ettikçe yükselen sıcaklık asırlık gözlenen eğilim hızlandırmak olabileceğini göstermektedir. Böyle bir senaryo potansiyel tehlike göz önüne alındığında, bu adımları zamanında uygulanacak olan teknolojik çözümler, bir numara ile enerji ile ilgili CO 2 emisyonlarını dizginlemek için alınması önerilir. Bu çözümler enerji dönüşüm ve kullanım verimliliği, karbon yakalama ve tutma önemli bir gelişme ve nükleer enerji ve yenilenebilir kaynakların kullanımının genişletilmesine yer vermektedir [Ghoniem, 2011]. Gallagher ve arkadaşları tarafından yapılan bu çalışmada, benzin, kalite ve katkı maddeleri gibi sektörel çalışmalara yer verilmektedir. Benzin üreticileri ve perakendecileri arası maliyet ve katkı yer almaktadır. Daha sonra perakende benzin satış fiyatı ve piyasa kaynakları harmanlanarak giriş değerleri için düzeltme katsayıları geliştirilmekte, oktan gibi ölçülebilir özellikleri ile bu talepler dengelenmektedir. Ürün kalitesini düzenleyen yeni politikalar sayesinde bu yöntemin etkileri hakkında tahminler de artırabilmektedir. Yapılan analizlere göre bu tahminler; fabrika çıkış fiyatı, pazarlar, yeni süreç ve rekabet şeklinde sıralanmaktadır [Gallagher ve ark., 2006]. Bayraktar, benzine değişik oranlarda etilalkol ve izopropanol karıştırarak hazırladığı karışımları dört farklı sıkıştırma oranında, dört değişik gaz durumunda, değişik devir sayılarında deneyerek motorun karakteristik değerlerindeki değişimlerini araştırmıştır. Çalışma sonunda benzin-etilalkol ve benzin-etilalkol-izopropanol karışımlarının motorun efektif verimi ve efektif gücünde artış, özgül yakıt tüketimi ve CO emisyonlarında ise azalma olduğunu tespit etmiştir. Ancak etilalkol ve izopropanolun pahalı yakıtlar olduklarından yakıt fiyatında artma olduğu görülmektedir [Bayraktar, 1991]. İmrağ, benzinli motorlarda biyoetanol kullanımının motor karakteristik değerlerine ve egzoz emisyonlarına etkilerini araştırmıştır. Yapılan deneysel çalışmada, yakıt olarak sadece benzin (E0), %5 etanol karışımı (E05), %10 etanol karışımı (E10), %20 etanol karışımı (E20) kullanılmıştır. Motor gücündeki ve torkundaki maksimum

37 19 artış E10 yakıtı ile motor gücünü 3,8 HP, motor torkunu 3,93 Nm, özgül yakıt tüketimi alkol karışımlarında E0 a göre daha yüksek olduğunu ve maksimum farkının 125,49 g/kwh olduğunu belirlemiştir. Egzoz emisyonlarından, CO ve HC da alkolün etkisiyle önemli bir düşüş sağladığı, E20 yakıtı ile CO nun %0,08 ve HC nin ise 57 ppm olarak ölçüldüğünü tespit etmiştir [İmrağ, 2006]. Koç tarafından yapılan deneysel çalışmada, tek silindirli dört zamanlı, yakıt püskürtmeli, buji ile ateşlemeli yüksek sıkıştırmalı bir benzin motorunda, E0, E50 ve E85 yakıtlarının motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkilerini incelemiştir. Deneyler tam yükte yapılmış olup, motor devri, ateşleme avansı, hava fazlalık katsayısı ve sıkıştırma oranı değişken parametreler olarak seçilmiştir. Motor sıkıştırma oranı 10 dan 11 e yükseltildiğinde tüm yakıtlarla yapılan çalışmalarda ve tüm deney şartlarında motor gücünde artışlar tespit etmiştir. Motor gücündeki en yüksek artış oranı E85 ile elde edilmiştir. Sıkıştırma oranı 11 den 12 ye yükseltildiğinde motor gücünde bir miktar azalma tespit edilmiştir. Bütün motor deneylerinde en yüksek özgül yakıt tüketiminin E85 yakıtı ile olduğunu belirlemiştir. Motor devrine bağlı testlerde ise devir artışına bağlı olarak HC emisyonunda azalma tespit edilmiştir. Ancak sıkıştırma oranının artırılmasıyla HC emisyonlarında her üç deney yakıtında da artış belirlemiştir. Hava fazlalık katsayısının artışına bağlı olarak HC ve CO emisyonlarında azalma, NOx emisyonlarında artış görülmüştür. Motor performansı dikkate alındığında 11 sıkıştırma oranında en iyi sonuçlar E85 yakıtı ile olduğunu ifade etmektedir [Koç, 2006]. Balki, benzinli bir motorda yüksek sıkıştırma oranlarında LPG kullanımının motor performansı üzerindeki etkilerini deneysel olarak incelemiştir. Deneylerde tek silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli, sıkıştırma oranı değiştirilebilen bir araştırma motoru kullanılmış, deneyler motorun 5/1 orijinal sıkıştırma oranında benzin ile 5/1, 7/1 ve 9/1 sıkıştırma oranlarında LPG ile çalıştırılmıştır. Deneyler sonucunda orijinal sıkıştırma oranında LPG ile çalışmada, benzine göre güç ve momentte bir düşüş, özgül yakıt tüketimi ve egzoz emisyonlarında bir iyileşme tespit edilmiştir. Sıkıştırma oranının artırılmasıyla, LPG ile yapılan çalışmada benzine göre güç ve momentte artma, özgül yakıt tüketiminde ise azalma görülmüştür. Ayrıca

38 20 sıkıştırma oranı arttıkça HC emisyonlarında bir miktar artma kaydedilmiştir. Ancak bu artış benzin ile olan çalışma değerlerinin altında bulunmuştur [Balki, 2005]. Akyaz, kurşunsuz benzinin içerisine; naftalin ve tersiyer bütil alkolü (TBA) ayrı ayrı katarak karışımların motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkilerini araştırmıştır. Deneyler, tam gazda, değişik devir sayıları ve sıkıştırma oranlarında gerçekleştirilmiş, katkı maddesi olarak kullanılan naftalin dört farklı kütlesel oranda (%2, %4, %6, %8), TBA ise dört farklı hacimsel oranda (%1, %2, %3, %4) benzine katılmıştır. Deneylerin tümü elektrikli dinamometre ile donatılmış, değişken sıkıştırma oranlı tek silindirli bir benzin motoru kullanılarak yapılmıştır. Deney sonuçları; TBA ün katkı maddesi olarak katılmasının motor performansını ve egzoz emisyonlarını iyileştirici yönde etkilediğini göstermiş, TBA e ilişkin en iyi değerler %2 TBA veya %3 TBA karışım oranları için elde edilmiştir. Naftalin motor performansını iyileştirirken egzoz emisyon değerlerini kötüleştirmiştir. CO emisyon değerleri naftalinin katkı miktarı arttırıldıkça artış; TBA ün katkı miktarı arttıkça düşüş göstermiştir. Naftalin için en düşük CO değerleri %2 karışım oranında, TBA için ise %4 karışım oranında elde edilmiştir [Akyaz, 2007]. Koşar, benzinli motorlarda hidrojen kullanımının performans ve emisyonlara etkilerini deneysel olarak incelemiştir. Deneyler tek silindirli benzinli bir motorun benzin ve hidrojen yakıtları ile çalıştırılarak yapılmış ve tam yük ve değişik devirlerde yapılan testler ile her iki yakıtla çalışma sonunda motor momenti, motor gücü ve özgül yakıt tüketimi değerleri belirlenmiştir. Deney motoru en yüksek moment değerini benzinde /min de, hidrojende ise /min de bulunmuştur. Hidrojenin moment eğrisi benzinin moment eğrisinden %33 düşük elde edilmiştir. Bunun sebebi ise hidrojenli çalışmada silindir içerisine alınan dolgu miktarının düşük olmasıdır. Hidrojenin alt ısıl değeri benzine göre daha yüksek olduğu için hidrojen yakıtlı çalışmalarda özgül yakıt tüketimi azalmaktadır. Özgül yakıt tüketimini azaltan diğer bir sebep ise hidrojenin hızlı yanmasından kaynaklanan daha yüksek basınç artış hızıdır. Ayrıca, moment ve güç değerlerine paralel olarak yüksek hızlarda hidrojenli çalışmada özgül yakıt tüketiminin benzinli çalışmaya göre oldukça düşük çıktığı tespit edilmiştir. Hidrojen yakıtı bünyesinde Karbon (C)

39 21 bulundurmadığından CO, CO 2 ve HC emisyonları neredeyse sıfır çıkmış, çok az miktarda olan CO, CO 2 ve HC emisyonlarının sebebi de silindir yüzeylerinde yağlayıcı film oluşturan ve yanma odası tarafında kalan motor yağının yanmaya katılmasındandır. NO ve NO x emisyonları hidrojen motorunda benzinli motora göre çok daha düşük çıkmış, her iki yakıtlı çalışmada da maksimum NO x değerleri ise maksimum moment devirlerinde elde edilmiştir [Koşar, 2007]. Yeni, benzine katılan oksijenat katkılarının karışımın fiziksel ve kimyasal özelliklerine olan etkilerini araştırmıştır. Birer oksijenat olan etil alkol, metil alkol, metil tersiyer bütil eter (MTBE), di-izopropil eter (DIPE), tersiyer amil alkol (TAA), tersiyer bütil alkol (TBA), kurşunsuz benzin içerisine %2,5, %5, %7,5, %10, %15, %20 oranlarında karıştırılmıştır. Oluşturulan bu karışımların fiziksel ve kimyasal özellikleri, ASTM (Standart Amerikan Test ve Malzeme Enstitüsü) metotlarına uygun olarak analiz edilmiş ve oksijenatların benzinin özelliklerini iyileştirmesine olan etkileri incelenmiştir [Yeni, 2005]. Deneylerin sonucunda; Alkol katkılarının yoğunlukları yüksek olduğundan karışımların yoğunluklarını yükselttiği, Eter katkılarının yoğunlukları düşük olduğundan karışımların yoğunluklarını düşürdüğü, Bütün katkıların yakıtın MON ve RON sayılarını yükselttiği, En yüksek ve en düşük MON değerlerini sırasıyla TBA ve MTBE katkılarının verdiği, En yüksek ve en düşük RON değerlerini sırasıyla TAA ve DIPE katkılarının verdiği, En yüksek buhar basıncını metanolün en düşük buhar basıncını da TBA katkısının verdiği, En yüksek kükürt içeriğini DIPE katkısının en düşük ise metanolün verdiği, En yüksek kalori kaybının DIPE katkısında en düşük kalori kaybının ise etanol katkılarında olduğu tespit edilmiştir.

40 22 Örs, benzin-etanol karışımlarının taşıt performansı ve egzoz emisyonları üzerindeki etkileri konulu araştırmasında, elektronik ateşleme sistemi ve yakıt püskürtme sistemine sahip bir taşıtta tekerlek tahrik kuvveti, CO, HC ve CO 2 emisyonlarının değişimlerini incelemiştir. Yapılan bu çalışmada hacimsel olarak %10, %20, %30 etanol içeren, kurşunsuz benzin-etanol karışımları kullanılmıştır. Deney sonuçlarına göre; tekerlek tahrik kuvvetindeki en yüksek artışın 2. vites durumunda, 20 km/h taşıt hızında E20 yakıtı ile %9,56 oranında olduğunu, tekerlek tahrik kuvvetindeki en yüksek düşüşün 4. vites durumunda, 100 km/h taşıt hızında, E30 yakıtı ile %5,75 oranında olduğunu tespit etmiştir. Emisyonlara bakıldığında; CO emisyonunda en yüksek düşüş, 4. vites durumunda, 140 km/h taşıt hızında, E20 yakıtı ile yaklaşık 5 kat ve HC emisyonunda, en yüksek düşüş, 2. vites durumunda, 20 km/h taşıt hızında, E10 yakıtı ile yaklaşık 9 kat civarında belirlemiştir [Örs, 2007]. Korkmaz, piyasada satılan 95, 97 ve 100 oktan sayılı benzinlerin buji ile ateşlemeli motorların performans ve emisyon değerlerine etkilerini deneysel olarak incelemiştir. Çalışmalarını, %25, %50, %75, %100 gaz kelebeği açıklıklarında ve 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000 ve /min motor devirlerinde yapmıştır. Deney sonunda motorun standart yakıtı olan 95 oktanlı benzinin en iyi performans ve egzoz emisyonu sonuçlarını verdiği, sadece NOx emisyonlarının diğer benzinlerle kıyaslandığında daha yüksek değerlerde üretildiğini belirlemiştir [Korkmaz, 2008]. Hışır, bütanol benzin karışımlarının buji ile ateşlemeli motorun performans ve emisyon değerlerine etkilerini araştırmıştır. Hacimsel olarak %5, %10, %20 bütanol içeren üç farklı bütanol-benzin karışımı dört zamanlı, tek silindirli, buji ateşlemeli bir motorda test etmiştir. Yapılan testlerde, motor momenti, güç, özgül yakıt tüketimi, CO, HC ve NO x emisyonları motor devrine bağlı olarak belirlemiştir. Benzine bütanol ilave edilmesiyle motor momenti ve gücünde bir miktar azalma, özgül yakıt tüketiminde artmanın olduğunu, CO ve HC emisyonlarında azalmanın, NO emisyonlarında ise artmanın olduğunu belirlemiştir [Hışır, 2010].

41 23 Sayın ve arkadaşları, benzin+lpg den oluşan çift yakıtın performans ve emisyonlar üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Bu amaçla dört silindirli bir benzin motorunu benzin+lpg ile çalışabilecek şekilde modifiye etmişlerdir. Sonuçta, çift yakıtlı çalışma ile özgül yakıt tüketiminde %4, CO da %13, partikülde ise %5 azalma olduğunu belirlemişlerdir [Sayın ve ark., 2005]. Chao ve arkadaşları, dört silindirli, karbüratörlü, 1490 cm 3 silindir hacmine sahip ve 6,88 kw/h, /min, 9:1 sıkıştırma oranlı Mazda da E5 yakıtı benzinli bir motor üzerinde yaptıkları deneysel çalışmada, 1000, 1500, 2200 ve 3000 motor devirlerinde, %0, %20, %30 ve %40 gaz kelebek açıklıklarında, enjektör temizleyici, oktan arttırıcı ve üst yağ katkısı olmak üzere toplam üç ayrı katkı maddesinin egzoz emisyonlarına etkilerini incelemişlerdir. Her bir testin üç defa yapıldığı deneyler sonucunda, egzoz gazları tanımlanmış 13 Uçucu Organik Hidrokarbon (VOCs) için analiz edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda ise, deneylerde kullanılan 95 oktan kurşunsuz benzin ile katkılı yakıtlar karşılaştırıldığında, 95 oktan kurşunsuz benzin tek başına yakıt olarak kullanıldığında VOC konsantrasyonunun yüksek olduğu, düşük motor devirlerinde hafif hidrokarbonlardan olan 1,3-bütadiene, n-pentane, 2- methylbutane, n-heptane ve n-hexane emisyonlarının yüksek çıktığı, diğer yüksek ağırlıklı hidrokarbonlardan olan benzene, toluene, ethylbenzene, o-xylene, m-xylene ve p-xylene emisyonlarının düşük çıktığı gözlemlenmiştir. 95 oktan kurşunsuz benzin ile /min, /min ve /min motor devirlerinde egzoz emisyonları neredeyse aynı olurken, bu devirlere göre rölanti devrinde 1,16-1,29 ve 4,33-4,53 kat daha yüksek olduğu ve aromatik VOCs ların egzoz emisyonlarındaki konsantrasyonunun motor devri ile paralel olarak arttığını belirlemişlerdir. Ayrıca test aracı şehir içerisinde düşük motor devirlerinde kullanıldığında yayılan VOCs emisyonlarının çok yüksek seviyede olduğunu tespit etmişlerdir [Chao ve ark., 1997]. Geivanidis ve arkadaşları, methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl (MMT) ve kurşunun yerini alan diğer benzin katkılarının egzoz emisyonlarına etkilerini araştırmışlardır. MMT benzinin oktan sayısını artırıcı yakıt katkısı olarak üretilen organik manganezdir. Deneyde kullanılmak üzere iki sınıf yakıt sentezlenmiş, 5

42 24 kurşunlu yakıt (LRG), 3 kurşunsuz yakıt (ULG) ve bu karışımların özellikleri Çizelge 2.4 te gösterilmektedir [Geivanidis ve ark., 2003]. Çizelge 2.4 Deneylerde kullanılmak üzere hazırlanan yakıtların özellikleri [Geivanidis ve ark., 2003] Test Yakıtları ve Özellikleri Yakıt Kodu LRG-1 LRG-2 LRG-3 ULG-1 ULG-3 ULG-2 = LRG-4 =LRG-5 Aromatikler (%) 24,8 37,6 33,8 37,5 33,6 37,5 Olefinler (%) 32,7 10,7 11,7 12,1 12,0 12,1 Benzen (%) 1,0 1,0 0,8 0,9 0,8 0,9 MTBE (%) 0,7 8,5 7,6 4,1 4,4 4,1 RVP (kpa) Sülfür (ppm) Pb (g/1) 0, Mn (mg/1) Yoğunluk (g/ml@15 o C) 0,731 0,755 0,746 0,755 0,744 0,753 Karbon miktarı (%) 86,36 85,60 85,55 86,32 86,02 86,32 RON (CFR) 96,1 96,7 96,3 96,0 96,0 97,1 Deneylerde ikisi katalizatörlü ikisi katalizatörsüz olmak üzere 4 farklı araç şasi dinamometresi üzerinde test edilmiş ve her yakıt değişiminden sonra araçlar yaklaşık 100 km kullanılmıştır. 1. katalizörlü araçta tüm yakıtlar için CO hariç tüm kirletici emisyonlar standart değerlerin altında olduğunu belirlemişlerdir. Katalizörlü araçlarda genel olarak yakıt tüketimi ve egzoz emisyon değerleri için tüm yakıt karışımlarında ölçülebilir bir etki belirleyememişlerdir. Hızlanma testlerinde ise LRG-2 yakıtlı aracın daha kötü performans verdiği, bunun sebebinin ise an fazla MTBE katkısının LRG-2 yakıtında olduğu ve yakıtın kalori değerini düşürdüğünü tespit etmişlerdir [Geivanidis ve ark., 2003]. Mi ve arkadaşları benzin katkılarının PAH emisyonlarına etkilerini araştırmışlar, deneylerde 92 oktan kurşunsuz (92-LFG), 95 oktan kurşunsuz (95-LFG) ve Premium

43 25 kurşunlu benzin (PLG) ve yakıt katkı maddesi olarak Tayvan da yaygın olarak kullanılan SA ve SB katkılarını kullanmışlardır. Katkı maddelerinin her üç yakıta da %6 oranlarında katılarak yapıldığı deney sonucunda, benzin katkı maddelerinin normal benzine göre daha fazla kanserojen yapıcı PAH emisyonları yaydıklarını tespit etmişlerdir [Mi ve ark., 1998]. Sayın ve arkadaşları, motorun ihtiyacından daha fazla oktan sayılı benzin kullanımının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. Test çalışmasında karbüratörlü yakıt sistemine sahip FIAT DKS marka, 1600cc lik bir motor kullanılmıştır. 91-RON (Research Octane Number) olarak test edilen motorda 91-RON ve 95-RON benzinler kullanılmış, ve motorun ihtiyacından daha fazla oktana sahip benzin kullanımının sadece motor performansını düşürmediği aynı zamanda egzoz emisyonlarınıda artırdığını belirlemişlerdir [Sayın ve ark., 2005]. Silva ve arkadaşları, benzin katkılarının vuruntu ve RVP (Reid Vapor Pressure) üzerindeki etkilerini deneysel olarak araştırmışlar. Benzin içerisine 5 farklı oranda karıştırılan (%5, %10, %15, %20, %25) ethanol ve MTBE (methyl tert-butyl ether) karışımların RVP basınçlarını yükselttiğini belirlemişlerdir. Toluen ve izooktan katkıları karışımların oktan sayılarını lineer olarak arttırırken RVP basınçlarını düşürmektedir. Karışımların oktan sayıları, RVP basınçları ve yoğunlukları ASTM (American Society for Testing and Materials) metodu ile RON ve MON sayıları ise CFR motoru ile ölçülmüştür [Silva ve ark., 2005]. Çalışır ve Gümüş tarafından metanol-benzin karışımlarının buji ile ateşlemeli motorlarda kullanımı incelenmiş, metanol oranının farklı ateşleme avanslarında motor performansına ve egzoz emisyonlarına olan etkileri araştırılmıştır. Deney sonuçları, metanol-benzin karışımlarının benzinli motorlarda önemli bir değişiklik gerektirmeden kullanılabileceğini göstermiştir. Motor verimi ve emisyon değerlerine göre en iyi sonuç 20 o KMA avans değerinde %15 metanol - %85 benzin karışımında elde edilmiştir [Çalışır ve Gümüş, 2009].

44 26 Çelikten ve Gürü, B50 biyodizel yakıtı ve bu yakıta farklı oranlarda katılan Mn katkısının motor performansı ve emisyon değerlerindeki değişimlerini incelemişlerdir. Mn yakıtlar içerisinde yanmayı artırıcı katalizör görevi görmektedir. Bu yöntemle yakıtın setan sayısını belirli oranda artırırken donma noktasının da azaltılmasını sağlamaktadır. Bu araştırmada dizel motorlarında kullanılan dizel yakıtına %50 kanola metil esterinden oluşan biyodizel yakıt karışımı B50 temel yakıt olarak kullanılmıştır. Elde edilen B50 yakıtına sırasıyla 1, 6 ve 12 ppm olmak üzere 3 farklı oranda Mn katkı maddesi ilave edilmiş, elde edilen karışım yakıtlar tam yük ve farklı motor devirlerinde hidrolik dinamometre üzerinde bağlı bulunan dört zamanlı dört silindirli bir dizel motoru üzerinde test edilmiştir. Deney sonucunda motor performansının kısmen arttığı, CO, HC ve % duman koyuluğu oranının belirli miktarda azaldığı ve NOx emisyonlarının da belirli oranlarda arttığını tespit etmişlerdir [Çelikten ve Gürü, 2010]. Cataluna ve arkadaşları tarafından, di-tert amil eter (di-tae), ter-amil etil eter (TAEE), metil tersiyer butil eter (MTBE) maddeleri belirli oranlarda kullanılarak oluşturulan ve içerisindeki oksijen oranı %2,7 oranında olan benzin kompozisyonları kullanılarak bir benzinli motorun hızlanma ve performans değerleri ölçülmüştür. Performans testleri elektronik ateşleme sistemine sahip bir FIAT Strada marka otomobil ve rulo tipi bir şasi dinamometresi kullanılarak yapılmıştır. Yapılan testler neticesinde benzin + Di-TAE, benzin + TAEE ve benzin + MTBE kompozisyonları ile yapılan hızlanma testlerinden en iyi hızlanma performansı benzin + TAEE kompozisyonu ile elde edilirken en düşük özgül yakıt tüketimi de benzin + di- TAE kompozisyonlarından alınmıştır. Ayrıca TAEE katkısının MTBE ye göre daha düşük özgül yakıt tüketimi, daha yüksek termik verim ve kısmen yenilenebilir olması gibi özelliklere sahip olduğu tespit edildiğinden içten yanmalı Otto çevrimli motorlarda MTBE nin yerini alabilecek bir alternatif olduğu tespit edilmiştir [Cataluna ve ark., 2010]. Chen ve arkadaşları, farklı oranlardaki ethanol benzin karışımlarının buji ile ateşlemeli bir motorun soğuk çalışma sırasında egzoz emisyonlarına etkilerini araştırmışlardır. E5, E10, E20 ve E30 karışımlarında motor düzgün bir şekilde

45 27 çalıştırılabilmiştir. %20 ve daha fazla oranlardaki ethanol - benzin karışımlarında HC ve CO emisyonlarında önemli bir azalma görülmüştür. Ancak E40 oranında yapılan testlerde hava yakıt oranının çok düşük olmasından motorun rölantide çalışmasının düzensizleşmeye başladığı görülmüştür. Sonuç olarak soğuk çalışma durumunda en iyi ethanol benzin karışımının en az %20, en çok %30 olması gerektiği sonucuna varılmıştır [Chen ve ark., 2011]. Şekil 2.3. E0 için soğuk çalışma emisyonları [Chen ve ark., 2011].

46 28 Şekil 2.4. E20 için soğuk çalışma emisyonları [Chen ve ark., 2011]. Şekil 2.5. E40 için soğuk çalışma emisyonları [Chen ve ark., 2011].

47 29 Eyidoğan ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada, ethanol-benzin (E5, E10) ve Methanol-benzin (M5, M10) karışımlarının buji ile ateşlemeli bir motorun performans ve yanma karakteristiklerine etkileri incelenmiştir. Deneylerde dört silindirli, dört zamanlı, çok noktadan püskürtmeli buji ile ateşlemeli motora sahip bir araç kullanılmıştır. Testler şasi dinamometresi üzerinde, (80 ve 100 Km/h) olmak üzere iki farklı hızda ve (5, 10, 15 ve 20 kw) olmak üzere dört farklı tekerlek gücünde gerçekleştirilmiştir. Alkol- benzin karışımı yakıtlardan elde edilen sonuçlar benzin yakıtı ile yapılan test sonuçları ile karşılaştırıldığında, alkol-benzin karışımı kullanıldığında fren özgül yakıt tüketiminin arttığı ve silindir gaz basıncının benzin yakıtlarına göre daha geç arttığı tespit edilmiştir [Eyidoğan ve ark., 2010]. Ji ve Wang tarafından 1,6 L dört silindirli, buji ile ateşlemeli bir motorda yakıta ek olarak hidrojen yakıtı kullanımının motor performansına etkileri incelenmiştir. Bunun için motorun emme manifolduna dört adet delik açılarak dört adet hidrojen enjektörü yerleştirilmiştir. Benzin ve hidrojenin püskürtme zamanlama ve süreleri bilgisayar tarafından komut ile kalibre edilebilen bir elektronik kontrol ünitesi tarafından kontrol edilmiş, motor 1400 d/d hızda iken manifold mutlak basıncı (MAP) 61,5 kpa olarak ölçülmüştür. %3 ve %6 olmak üzere iki farklı oranda hidrojen eklenerek yanmaya etkileri gözlenmiş, %6 oranında hidrojen eklendiğinde orijinal motor fren termik veriminin %26,37 den %31,56 ya kadar arttığı tespit edilmiştir. Hidrojen eklendiğinde alev gelişme ve yayılma süreleri ile HC ve CO 2 emisyonlarında azalma olduğu tespit edilmiştir. Aşırı hava oranı stokiyometrik koşullara yaklaştığında CO emisyonu hidrojen ilavesi ile azalma eğilimi gösterdiği, hidrojen katkı oranı arttıkça silindir sıcaklığına bağlı olarak NOx emisyonlarının da arttığı görülmüştür [Ji ve Wang, 2009]. Jia ve arkadaşları dört zamanlı bir motosiklet motorunda hacimsel olarak %10 ethanol (E10) kullanılarak şasi dinamometresi üzerinde farklı sürüş koşullarında emisyon karakteristiklerini incelemişlerdir. Sonuç olarak, kurşunsuz benzin ile kıyaslandığında E10 yakıt karışımı kullanıldığında CO ve HC emisyonlarının azaldığı ancak NOx emisyonlarında önemli bir değişiklik olmadığı gözlemlenmiştir.

48 30 Ayrıca E10 yakıtı kullanılan motosiklet motoru, kurşunsuz benzin kullanılan motora göre daha fazla etilen, asetaldehit ve ethanol emisyonları ürettiği tespit edilip, ethanol - benzin karışımı yakıt kullanıldığında aromatiklerde önemli bir azalma olmadığı gözlemlenmiştir [Jia ve ark., 2005]. Poulopoulos ve Philippopoulos tarafından yapılan çalışmada, MTBE katkısının egzoz emisyonlarına etkileri araştırılmıştır. Deneylerde hidrolik dinamometre ile donatılmış dört silindirli, 1,6 L hacimli bir motor kullanılmıştır. Test yakıtlarında %0 ile %11 arasında MTBE kullanılmıştır. MTBE katkısı ile CO ve HC emisyonlarının sadece yüksek motor yüklerinde azaldığı görülmüştür. Soğuk çalışma koşullarında MTBE, CO ve HC emisyonlarının yakıta MTBE katılması ile birlikte arttığı tespit edilmiştir. Katalitik konvertör düşük sıcaklıklarda çalıştığı sürece çıkış noktasındaki egzoz gazları içerisinde %8 daha fazla MTBE görülmüştür. Etilen emisyonları katalitik konvertörün etkisiyle önemli ölçüde azalırken, metan emisyonlarının hemen hemen aynı seviyede kaldığı tespit edilmiştir [Poulopoulos ve Philippopoulos, 2000].

49 31 3. MATERYAL METOT 5 farklı benzin katkı maddesi kullanılarak farklı oranlarda hazırlanan yakıt karışımları ile yapılan test işlemleri aşağıda belirtilen materyal ve metotlar kullanılarak gerçekleştirildi Materyal Bu bölümde deneylerin yapıldığı ortam ile deneylerde kullanılan motor ve diğer tüm ölçüm cihazlarının teknik özellikleri verilmektedir Deney ortamı Deneyler, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Otomotiv Anabilim Dalı İçten Yanmalı Motorlar Laboratuarında gerçekleştirildi. Deneyler TS 1231 de belirtilen atmosferik deney şartlarına uygun bir ortamda gerçekleştirildi. TS 1231 de belirtilen buji ile ateşlemeli motorlar için atmosferik deney şartları; sıcaklık 288 K<T<308 K ve basınç 80 kpa<p<110 kpa değerleri arasında olmalıdır [Topgül, 2006]. Deneylerde içten yanmalı benzinli bir motor, dinamometre, dijital terazi ve egzoz emisyon cihazı kullanıldı Deney motoru Deneylerde, dört silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli ve tek noktadan püskürtmeli Ford marka 1,3 litrelik bir motor kullanıldı. Motorun teknik özellikleri Çizelge 3.1 de verilmiştir. Resim 3.1. de de deneylerde kullanılan motor görülmektedir.

50 Resim 3.1. Deneylerde kullanılan motor 32

51 33 Çizelge 3.1. Deneylerde kullanılan motora ait teknik özellikler Motorun Teknik Özellikleri Motorun Markası Ford VSG 413 Yakıt Sistemi Püskürtmeli Motor gücü 43 kw /min Motor torku 98 Nm /min Silindir çapı 73,96 mm Kurs boyu 75,48 mm Silindir hacmi 1297 cc Sıkıştırma oranı 8,8 : 1 Ateşleme sırası Kompresyon basıncı bar Rölanti devri 750 1/min Supap Zamanları Emme açılması 12 o BTDC Emme kapanması 48 o ABDC Egzoz açılması 47 o BBDC Egzoz kapanması 13 o ATDC Dinamometre Tam yükte, 7 farklı motor devrinde yapılan deneylerde motorun frenlenmesi için Cussons firmasınca üretilen 160 kw a kadar yükleme yapabilen P8602 Multi- Cylinder Engine Test dinamometre seti kullanılmıştır. Resim 4.2. de dinamometre ve deney seti yer almaktadır.

52 34 Resim 3.2. Deneylerde kullanılan dinamometre ve deney seti P8602 motor test dinamometresi (Resim 3.2) istenildiğinde 160 kw a kadar yükleme yapabilmektedir /min arasında 475 Nm ye kadar tork ölçümü yapılabilmektedir. Cihaz yüklemeyi Eddy Akımı ile gerçekleştirmektedir. Cihazın çalışma gerilimi 240 V ± %10, (50 Hz) ve çektiği akım 16 A dir. Deneylerin gerçekleştirilmesi esnasında dikkate alınan parametrelerin (giriş hava, atmosfer ve soğutma suyu sıcaklıkları, tork, motor devri ve yükü, vb.) değiştirilmesi ve kontrolünde Resim 3.3 de gösterilen kontrol paneli kullanıldı.

53 35 Resim 3.3. Dinamometre kontrol paneli Çizelge 3.2. Deneylerde kullanılan dinamometrenin kontrol paneli kısımları 1. Motor devri göstergesi (1/min), 2. Yakıt ölçümü için 50 ml ve 100 ml bölümlü cam tüp, 3. Motor torku göstergesi (Nm), 4. Motor yükleme anahtarı, 5. Dijital gösterge ( C), 6. Marş anahtarı, 7. Dinamometre yükleme gücü göstergesi, 9. Hava akış basıncı için eğik manometre, 8. Acil durdurma butonu, 10. Gaz kelebeği kumanda kolu bulunmaktadır.

54 Egzoz emisyonları ölçüm cihazı Egzoz emisyonlarının ölçümünde Resim 3.4. te görülen Sun MGA 1500S marka dijital göstergeli egzoz gaz analizörü kullanıldı. Resim 3.4. Sun MGA 1500S egzoz gaz analizörü Sun MGA Cihazının genel özellikleri; 1. İnfrared yöntemle ölçüm yapmaktadır. 2. TSE ve Avrupa da kullanılan ISO 3930, OIML Class 0 standartlarına uygundur. 3. Cihaz CO, CO 2, HC, O 2 ve NO gazlarını, AFR ve LAMBDA değerini ölçer. 4. İstenirse ilave olarak motor devri, yağ sıcaklığı üniteleri ilave edilebilir. 5. Sonuçlar için cihazın kendi üzerine monte edilmiş yazıcı bulunmakta olup, cihaza A4 boyutunda yazıcı kağıdı bağlanabilmekte ve yazıcı çıktısı Türkçedir. Yazıcı

55 37 çıktısında alt- üst limit değerleri, ölçüm değerleri, ölçümü yapan kurumun unvanı ve tarih, plaka ve km yazmak için yerler bulunmaktadır. 6. Cihazı korumak amacıyla cihazın girişinde iki yollu filtre sistemi vardır. 7. Gaz ölçme süresinin kısa olması amacıyla cihazın pompası yüksek verimli ve iki yolludur. 8. Cihazın filtreleri dolduğu zaman veya hortumu tıkandığında az hava uyarısı vermektedir. 9. Normal ve süper benzin kullanan veya LPG ile çalışan araçların gaz analizi için cihazda seçim yapılabilmektedir. 10. Ölçümlerin her coğrafi bölgede aynı hassasiyetle yapılabilmesi için ölçüm yapılan yerin rakım değeri cihaz tarafından otomatik olarak algılanır veya rakım değeri cihaza girilebilmektedir. 11. Periyodik kalibrasyonlarının hassas olması amacıyla cihazın içini açmadan kalibrasyon gazı ile otomatik kalibrasyon yapılabilmektedir. 12. Bilgisayara veya başka motor test cihazlarına bağlantı için RS 232 ara yüzü bulunur. Cihaz bilgisayara bağlanırsa araç seçimi yapılabilir ve diagnostik mesaj alınabilmektedir. 13. Arızaları ekrandan uyarıcı mesajlar ile verebilmektedir. Cihazın ölçüm sınırları ve hassasiyeti Çizelge 3.3'de görülmektedir. Çizelge 3.3. Sun MGA 1500S egzoz gaz analizörünün ölçme hassasiyet değerleri Parametre Ölçme aralığı Hassasiyet HC ppm 1 ppm CO 0 15 % 0,001 % CO % 0,1 % O % 0,01 % LAMBDA (λ) 0,6 1,2 0,001 NOx ppm 1 ppm

56 Dijital terazi Deneylerde yakıt tüketimi, kütlesel olarak ölçülmüştür. Ölçümde 1 gram hassasiyetinde ve 30 kg a kadar ölçüm yapabilen Dikomsan marka JS-BM30 model dijital terazi kullanıldı. Resim 3.5. de dijital terazi görülmektedir. Resim 3.5. Deneylerde kullanılan dijital terazi Deney yakıtları Deneylerde kurşunsuz 95 oktan benzin ve 5 farklı marka benzin katkı maddesi ile farklı oranlarda hazırlanan karışımlar kullanıldı. Karışımlar hacimsel olarak oluşturuldu. Kurşunsuz benzin Shell firmasına bağlı bir benzin istasyonundan ve hep aynı istasyonun aynı pompasından olacak şekilde temin edildi. Grafiklerde ve değerlendirmelerde karışıklık olmaması açısından benzin için A ve 1., 2., 3., 4., 5. katkı maddeleri için sırasıyla B, C, D,E, F isimlendirmeleri yapıldı.

57 39 Kullanılan katkı maddelerinin önerilen miktarları için TE (Tavsiye Edilen) kısaltması kullanıldı. Deneyler; A (%100 benzin) için 2 test, A + B (benzin + B katkısı için % 0,3, % 0,6 (TE) ve % 0,9 olmak üzere 3 test, A + C (benzin + C katkısı için % 0,02, % 0,04 (TE) ve % 0,06 olmak üzere 3 test, A + D (benzin + D katkısı için % 0,25, % 0,5 (TE) ve %0,75 olmak üzere 3 test, A + E (benzin + E katkısı için % 0,3, % 0,6 (TE) ve % 0,9 olmak üzere 3 test, A + F (benzin + F katkısı için % 0,175, % 0,35 (TE) ve % 0,525 olmak üzere 3 test yapıldı ve toplam 17 ayrı yakıt + katkı maddesi karışımının testi yapıldı. Çizelge 3.4 te araştırmada kullanılan katkı maddelerinin ambalajları üzerinde yazan özellikler sembol harflerin karşısında yer almaktadır.

58 40 Çizelge 3.4. Deneylerde kullanılan benzin katkılarının özellikleri Yakıtın Adı Özellikleri A (BENZİN) Shell petrol istasyonuna ait 95 oktan kurşunsuz benzin. B Benzinli motorlarda hava benzin karışımından elde edilen yanma kalitesini düzenleyerek motor verimini artıran yakıt katkısıdır. Yakıtta tasarruf sağlar, motorun gücünü arttırır ve ömrünü uzatır. Yakıt sistemini temizler, paslanmayı önler, valf ve silindirleri kayganlaştırır. Egzoz dumanını azaltır, yakıtta tam ve düzenli yanma sağlar. C D %25 e varan yakıt tasarrufu, %20 ye varan güç artışı. Zararlı emisyonlarda %98 e varan azalma sağlar, düşük oktan ve setanlı yakıt kullanımını sağlar, motor içi kurum ve karbon atıklarını temizler, motor vuruntularını azaltır veya kaldırır, kaybolmuş motor performansını yeniler, zor koşullarda sürüş rahatlığı sağlar, düşük devirde motor performansını artırır, enjektörleri temizler, sürekli kullanımında temiz kalmasını sağlar. 80 litre yakıta yeterlidir. Tüm yakıt sistemini temiz tutarak, yakıt kilometresini artırmak ve bakım masraflarını azaltmak için tasarlanmıştır. Turbo olsun olmasın ister kurşunlu ister kurşunsuz tüm benzinli araçlarda kullanılır. Yakıtın iyi yanmasını sağlayarak yakıt tasarrufu sağlar ve motorun gücünü maksimum düzeye çıkarır. Karbüratörün kir ve tortusunu, supap, enjektör ve yataklardaki kurumları temizler, paslanmayı önler. Motorun yanma odasındaki artıkların neden olduğu tekleme, ters çalışma ve stop etmesini önler. Yoğunlaşma sonucu benzin deposunda oluşan suyu emer ve tüm yakıt sisteminde oluşan pas ve korozyonu önler.

59 41 Çizelge 3.4. (Devam) Deneylerde kullanılan benzin katkılarının özellikleri Buji ömrünün uzamasına yardımcı olur. Egzoz gazlarını ve hava kirliliğini azaltır. Emisyon kontrolüne yardımcı olur. Yüksek kaliteli baz yağların karışımından imal edilmiştir. E F Yakıtta ekonomi sağlar, motorun gücünü artırır. Sistem içinde su birikimini engeller, karbüratör ve enjektör sisteminde kirlenmeyi önler. Maksimum performans sağlar, düşük oktanlı yakıttan kaynaklanan motor vuruntusunu durdurmak için formüle edilmiştir. Kurşunlu ve kurşunsuz benzinlerde kullanılabilir. Özel katkı maddeleri oktanı artırır ve yakıt sistemini temizler. Alkol ihtiva etmez, katalitik konvertörler ve oksijen sensörleri için emniyetlidir Metot Deneyler materyal bölümünde özellikleri belirtilen Ford marka VSG 413 yakıt püskürtmeli, 4 silindirli, 1,3 litre silindir hacmine sahip bir motorda gerçekleştirildi. Deneyler sırasında ortam sıcaklığı ve atmosfer basıncı değerleri kaydedildi. Her deneyden önce tüm sistem kontrol edildi, ölçümlere motor çalışma sıcaklığına ulaşıldığı zaman başlandı. Sağlıklı bir kıyaslama yapabilmek için benzin ile iki defa test yapıldı. Daha sonra benzin + B, C, D, E ve F katkı maddeleri ayrı ayrı en az 3 farklı oranda kullanılarak diğer testler yapıldı. Deneyler tam yükte ve (1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000 ve /min) motor devirlerinde olmak üzere 7 ayrı motor devrinde yapıldı. Her devir için 1 dakikalık süre içerisinde tüketilen kütlesel yakıt miktarı, tork, atmosferik sıcaklık ve basınç, ayrıca egzoz gaz analizöründen CO, CO 2, HC, O 2 ve λ (AFR) değerleri ölçüldü. Deneyler esnasında yakıt tüketimini kütlesel olarak dijital terazi ile ölçebilmek ve karışımları hazırlayabilmek için motorun yakıt gidiş ve geri dönüş hortumları depodan sökülerek dijital terazi üzerinde bulunan 5 litrelik bir kap içerisine daldırıldı. (Resim 3.6)

60 42 Resim 3.6. Deneylerde kullanılan yakıt ölçme yöntemi Motor momenti Motor momenti, dinamometrenin kontrol panelinde yer alan analog ve dijital göstergelerden her motor devri için direkt olarak kaydedildi. Ortam basıncı ve sıcaklığı dikkate alınarak, TS 1231 e göre, buji ile ateşlemeli motorlar için verilen düzeltme faktörü kullanıldı. K d =(99/P) 1,2 * (T/298) 0,6 (3.1) M = K d * M ö (Nm) (3.2)