ATIK KIZARTMA YAĞI KÖKENLİ BİYODİZELİN ÖN YANMA ODALI BİR DİZEL MOTORUN EMİSYONLARI ÜZERİNE ETKİSİ

Transkript

1 ATIK KIZARTMA YAĞI KÖKENLİ BİYODİZELİN ÖN YANMA ODALI BİR DİZEL MOTORUN EMİSYONLARI ÜZERİNE ETKİSİ (S-7) Ahmet Necati ÖZSEZEN, Mustafa ÇANAKÇI, Cenk SAYIN * Kocaeli Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Otomotiv Anabilim Dalı, 41380, Umuttepe-KOCAELİ * Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Otomotiv Anabilim Dalı, 34722, Göztepe-İSTANBUL ÖZET Bu çalışmada, palmiye yağı kökenli atık kızartma yağından elde edilen biyodizel, dört silindirli, doğal emişli, ön yanma odalı bir dizel motorda alternatif yakıt olarak kullanılmıştır. Elde edilen emisyon değerleri, petrol kökenli dizel yakıtı (PKDY) ile yapılan ölçümler referans alınarak karşılaştırılmıştır. Egzoz emisyon seviyelerini belirlemek amacıyla, motor tam yük-değişik devir testlerine tabi tutulmuştur. Deneylerde, her bir yakıt için karbon monoksit (CO), karbon dioksit (CO 2 ), yanmamış hidrokarbon (HC), azot monoksit (NO), azot oksit (NO x ) ve duman koyuluğu değerleri ölçülmüştür. Anahtar Kelimeler: Biyodizel, atık kızartma yağı, dizel motor, egzoz emisyonları THE EFFECT OF BIODIESEL FROM USED FRYING OIL ON THE EXHAUST EMISSIONS OF A DIESEL ENGINE WITH PRE-COMBUSTION CHAMBER ABSTRACT In this study, biodiesel from used frying oil based palm oil was used as an alternative fuel in a four-cylinder, naturally aspirated diesel engine with pre-combustion chamber. Obtained emission values were compared with those of petroleum-based diesel fuel. In order to determine emission levels, the engine was exposed with full load-varied speed tests. In the experiments, carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), unburned hydrocarbon (HC), nitrogen monoxide (NO), nitrogen oxides (NO x ) and smoke opacity values had been measured for each fuel. Keywords: Biodiesel, used frying oil, diesel engine, exhaust emissions 41

2 1.GİRİŞ Dizel motorların endüstride ve taşıtlarda kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Dizel motorların geleceği, enerji kaynağı olarak kullanılan yakıtların sürdürebilirliğine ve çevresel açıdan kabul edilebilir emisyon üretmesine bağlıdır. Enerji kaynağı olarak petrol ve türevlerini kullanan bu motorlar için petrolün sınırlı bir kaynak olması nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarının alternatif yakıt olarak kullanılabilirliği ile ilgili çalışmalar uzunca zamandan beri sürmektedir. Alternatif yakıt olarak isimlendirilen bu yakıtlar, genel olarak petrol kökenli yakıtların dışında kalan doğalgaz, bitkisel kökenli yağlar ile alkollerden oluşmaktadır. Bitkisel yağların ayrıştırılması sonucunda elde edilen ester biyodizel olarak tanımlanmakta ve dizel motorlarda konstrüksiyon açıdan herhangi bir değişiklik yapılmadan direkt olarak kullanılabilmektedir. Dizel motorlarda biyodizel kullanımı ile PKDY a göre daha az egzoz emisyonu üretilerek bu motorlardan kaynaklanan çevresel problemler iyileştirilmektedir. Ayrıca biyodizel biyolojik olarak çok hızlı parçalanabilmekte ve enerjinin sürdürebilirliğine katkıda bulunmaktadır. Dizel motorlarda egzoz emisyonları motor tipinin bir fonksiyonu olarak değişmektedir. Bir dizel motorlu araçta kullanılan yakıtın (C x H y ) havada bulunan oksijen ile tam yanmaması sonucunda, yanmamış HC lar (parafinler, olefinler, aromatik hidrokarbonlar), yarı yanmış HC lar (aldehitler, ketonlar, karboksilik asitler), CO, ısıl parçalanma ürünleri ve türevleri (asetilen, etilen, hidrojen, karbon (is veya parçaçık)) ve yan yanma ürünleri (atmosferik azottan kaynaklanan NO x ler, yakıtın saf olmayışından kaynaklanan SO x ler) oluşmaktadır [1, 2]. Yapılan birçok çalışmada biyodizel kullanımı ile dizel motorlardan kaynaklanan emisyonlarda önemli azalmalar sağlanmıştır [3, 4, 5, 6]. Özellikle PKDY nın aromatik bileşikler içermesi is ve partikül emisyonlarının oluşmasına neden olmaktadır. Xiao ve diğ., [7] PKDY a eklenen aromatiklerin yüzdesi ile orantılı olarak partikül ve is emisyonlarında artış gözlemlemişlerdir. Biyodizelin hemen hemen hiç aromatik bileşik içermemesi partikül ve is emisyonlarında önemli azalmalar sağlamıştır. Ayrıca biyodizelin oksijen içeriği yanma bölgelerinde gerekli oksijeni sağlayarak partikül emisyon seviyesinin düşmesine neden olmaktadır. Araştırmaların çoğunluğunda is ve partikül emisyonlarında azalma sağlanırken NO ve NO x emisyonlarında kararlı bir yapı yoktur [8, 9, 10]. Biyodizel ile yapılan testlerde egzoz sıcaklığı, PKDY ile yapılan testlere göre daha az olmasına rağmen NO x oluşum seviyesi daha yüksek çıkabilmektedir. Biyodizelin kimyasal yapısındaki oksijen içeriği yanma ve oksitlenme bölgelerinde gerekli oksijeni sağlayarak HC emisyon seviyesinin düşmesine neden olmaktadır [11, 12]. 42

3 2.YAKIT ÖZELLİKLERİ Bu çalışmada kullanılan palmiye kökenli atık kızartma yağı, Kocaeli Uzay Gıda (Frito-Lay) cips fabrikasından temin edilmiştir. Büyük ölçekli proses kurularak, 6:1 molar oranda metanol, %1 alkali katalizör (KOH) miktarı ile transesterifikasyon reaksiyonu gerçekleştirilerek, biyodizel üretilmiştir. Üretim ve bazı yakıt özeliklerinin tespiti Kocaeli Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Yakıt Laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Yakıt özelliklerinin bir kısmı da Gölcük Deniz Ana Üs Komutanlığı Yakıt Laboratuarında analiz edilmiştir. Tablo 1 de deneylerde kullanılan yakıtların özellikleri ile birlikte ölçülen değerlerin Avrupa ve ABD biyodizel standart değerleri verilmektedir. Tablo 1. Deneysel çalışmada kullanılan yakıtların özellikleri EU EN USA ASTM D6751 Birim B100 Motorin Yoğunluk kg/m 3, 15 o C Kinematik viskozite mm 2 /s, 40 o C 3,5 5,0 1,9 6,0 4,28 3,41 Alevlenme noktası a o C Bulutlanma noktası a o C Akma noktası a o C Su ve tortu miktarı a %hac. 0,05 0,05 0,03 0 Bakır korozyonu a 3saat, 50 o C No.1 No.3 No.1a No.1a Serbest gliserol %küt. 0,02 0,02 0,13 - Toplam gliserol %küt. 0,25 0,24 0,23 - Setan İndeksi a ,42 IBP (İlk kaynama) a o C ,7 5% o C ,4 95% o C ,5 a Gölcük Deniz Ana Üs Komutanlığı Yakıt Laboratuarında yapılan analizler 3.MATERYAL VE METOT Deneyler, dört zamanlı, dört silindirli, doğal emişli, ön yanma odalı BMC marka bir dizel motorda gerçekleştirilmiştir. Distribütör tipi yüksek basınç pompasının kullanıldığı dizel motorunun fabrika tanımlı teknik özellikleri Tablo 2 de verilmektedir. Egzoz emisyon ölçümlerinde CO, CO 2, O 2, HC ve hava fazlalık katsayısını ölçmek için Bilsa marka MOD 500 model cihaz, NO, NO x değerlerini ölçmek için Kane-May Quintox marka KM9006 model analiz cihazı ve duman koyuluğunu ölçmek için Bosch marka RTM 430 model opasimetre kullanılmıştır. Egzoz emisyon ölçüm hattında ısı kayıplarını ve 43

4 yanmamış partiküllerin yüzeyde yoğuşmasını önlemek için egzoz hattı izole edilmiştir. Ayrıca, egzoz hattında biriken suyu almak için, hatta su toplayıcı hazne ilave edilmiştir. Şekil 1 de motor test düzeneğinin şematik görünüşü verilmektedir. Tablo 2. Dizel motorun teknik özellikleri Motor 1,8 VD Dizel BMC Yanma Odası Şekli Ön Yanma Odalı Tipi 4 zamanlı, su soğutmalı Silindir Sayısı 4 Silindir Çapı 80,26 mm Strok 88,9 mm Sıkıştırma Oranı 21,47: 1 Püskürtme Pompası Mekanik regülâtörlü, Distribütör pompa Püskürtme basıncı Enjektör Delik Çapı 130 bar 0,2 mm Maksimum Güç 38,8 kw (4250 d/d) Azami Moment 105,5 Nm (2400 d/d) Püskürtme Sırası Egzoz Emisyon Test Cihazları Manometre Yakıt Tankı Dizel Motor Dinamometre Sıcaklık Göstergeleri Devir Algılayıcısı Yük Hücresi Şekil 1. Motor test düzeneğinin şematik görünüşü Hem PKDY hem de biyodizel (B100) deneyleri için motorda herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Tüm testler motor kararlı hale geldikten sonra gerçekleştirilmiştir. Motor çalışma sıcaklığına ulaştıktan sonra, B100 ve PKDY kullanılarak, 500 d/d lık aralıklar ile 44

5 1000 d/d dan başlayarak 3000 d/d ya kadar, aynı hız aralığında ve tam yükte, emisyon değerleri ölçülmüştür. PDKY ve B100 yakıtı kullanımı ile elde elden tam yük değerlerinin devir ile değişimi Tablo 3 de verilmektedir. Tablo 3. Tam yük değerlerinin devir ile değişimi Motor Devri (d/d) PKDY (Nm) 84,92 88,81 95,23 91,24 85,58 B100 (Nm) 75,23 83,25 89,91 85,22 80,25 4.TEST SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME 4.1.Karbon Monoksit (CO) Emisyonlarının Karşılaştırılması Yanma ürünleri arasında CO bulunmasının ana nedeni oksijenin yetersiz olmasıdır. Temel olarak CO oluşumu hava fazlalık katsayısının kuvvetli bir fonksiyonu olarak değişmektedir. CO emisyonu motorda kullanılamayan kayıp kimyasal enerjiyi ifade ettiği için önemli bir parametredir [13]. Şekil 2 de PKDY ile biyodizel kullanımının CO emisyonu üzerine etkisi gösterilmektedir. 1,20 1,00 Karbon monoksit (CO), % 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 PKDY B100 Şekil 2. PKDY ile biyodizel kullanımının CO emisyonu üzerine etkisi 45

6 Tüm devirlerde biyodizel kullanımıyla elde edilen CO emisyonu, PKDY kullanımına göre azalma göstermiştir. Biyodizel kullanılan testlerde 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 d/d da sırasıyla %56, %74, %62, %62 ve %50 PKDY a oranla azalma sağlanmıştır. Genel ortalama alındığında, biyodizel kullanımı ile CO emisyonunda %60,8 lik bir azalma gözlenmektedir ve 3000 d/d lık PKDY ile yapılan testlerde hava-yakıt oranı (14,17 ve 14,65), diğer devirlerdeki hava-yakıt oranlarına (15,31, 15,31 ve 15,18) nazaran daha düşük seviyede olduğundan bu devirler CO oranında bir artış görülmüştür ve 3000 d/d dışındaki devirlerde ortamda daha fazla oksijen bulunduğu için CO lerin bir kısmının CO 2 e dönüştüğü düşünülmektedir. 4.2.Karbon dioksit (CO 2 ) emisyonlarının karşılaştırılması Egzoz ürünleri arasında bulunan CO 2 tam yanmayı ifade ettiğinden önemli bir parametredir. Şekil 3 de PKDY ile biyodizel kullanımının CO 2 emisyonu üzerine etkisi gösterilmektedir. 14 Karbon dioksit yüzdesi (CO 2 ), % PKDY B Şekil 3. PKDY ile biyodizel kullanımının CO 2 emisyonu üzerine etkisi Biyodizel kullanımı ile 1000, 1500 ve 2000 d/d da sırasıyla %10, %4,4 ve %3 PKDY a oranla azalma görülürken, 2500 ve 3000 d/d da ise sırasıyla %0,7 ve %1,4 PKDY a oranla artış olmuştur. Genel ortalama alındığında ise biyodizel kullanımı ile CO 2 emisyonunda %3 lük bir azalma gözlenmektedir. 46

7 4.3. Yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonlarının karşılaştırılması Yanma ürünleri arasında yanmamış HC ların bulunmasının nedeni, yakıtın tutuşma sıcaklılığına gelmemesi veya ortamda oksijenin yetersiz olmasıdır. Mekanik püskürtmeli sistemlerde yakıt pompası, düşük hızlarda daha az atomizasyon ile püskürtme yaptığından, yakıtta iyi bir parçalanma olmamaktadır. Bu durum motor devrinin düşük olduğu durumlarda daha yüksek HC emisyonlarının oluşmasına neden olmaktadır [14]. Şekil 4 de PKDY ile biyodizel kullanımının yanmamış HC emisyonu üzerine etkisi gösterilmektedir. 12 Yanmamış hidrokarbon (HC), ppm PKDY B100 2 Şekil 4. PKDY ile biyodizel kullanımının yanmamış HC emisyonu üzerine etkisi Tüm devirlerde biyodizel kullanımıyla elde edilen HC emisyonu PKDY kullanıldığında elde edilen HC emisyonuna oranla azalma göstermiştir. Biyodizel kullanılan testlerde elde edilen HC emisyonunda 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 d/d da sırasıyla %66, %36, %31, %23 ve %37,5 PKDY a oranla azalma sağlanmıştır. Genel ortalama alındığında ise biyodizel kullanımı ile HC emisyonunda %38,7 lik bir azalma gözlenmektedir. Artan motor hızı ile birlikte her iki yakıt kullanımında da HC emisyonu birbirine paralel bir azalma sergilemektedir. Bu duruma biyodizel ile PDKY viskozitelerinin birbirine çok yakın olmasının etkili olduğu düşünülmektedir. Deneyler devir temel alınarak yapıldığı için benzer atomizasyon oranında ve aynı şartlarda gerçekleşen testlerde biyodizelin içeriğindeki oksijenin, HC emisyonunda azalmaya neden olduğu söylenebilir. Ayrıca devir artışı ile türbülans arttığından yanmamış HC oranında azalma meydana gelmektedir. Dizel motorlarda yanma odasının tipi ve şekli emisyon miktarını önemli derecede etkilemektedir. Ön yanma odalı dizel motorlar, direkt püskürtmeli dizel motorlara nazaran daha az yanmamış HC 47

8 emisyonu üretmektedir [15]. Bu çalışmada görülmüştür ki, hem PKDY hem de biyodizel kullanımı sırasında üretilen yanmamış HC emisyonu çok küçük seviyededir. Bu durum literatürü destekleyecek niteliktedir. Ayrıca test yapılan dizel motorun sıkıştırma oranının yüksek olması (bkz. Tablo 2), egzoz sıcaklıklarının o C arasında olmasına neden olmuştur. Sıcak ortamdaki yanmamış hidrokarbonların egzoz çıkışına doğru oksidasyona uğradığı düşünülmektedir Azot monoksit (NO) emisyonlarının karşılaştırılması Yanma sonucu ulaşılan yüksek sıcaklıklarda, havanın içerisindeki azotun oksijen ile birleşmesi sonucu azot oksitler meydana gelmektedir. Şekil 5 de PKDY ile biyodizel kullanımının NO emisyonu üzerine etkisi gösterilmektedir Azot monksit (NO), ppm PKDY B100 Şekil 5. PKDY ile biyodizel kullanımının NO emisyonu üzerine etkisi Ön yanma odalı dizel motorda biyodizel kullanımını PKDY a oranla NO emisyonunda önemli bir artış sağlamamıştır. Biyodizel kullanımı ile PKDY a oranla 1000 ve 3000 d/d da sırasıyla %18 ve %29 azalma görülürken, 1500, 2000 ve 3000 d/d ise sırasıyla %16, %65 ve %39 artış olmuştur. Genel ortalama alındığında ise biyodizel kullanımı ile NO kirleticisinde %14,6 lık bir artış gözlenmektedir. PKDY ile yapılan testlerde, motorun hız ve yük şartları NO emisyonunu etkilerken, biyodizel ile yapılan testlerde NO oluşumu motorun yük ve hız şartlarına fazla bağlı kalmadan daha yatay hareket ettiği gözlemlenmiştir d/d lık tam yükte biyodizel ile test yapılırken bağıl nem %45 seviyesinde iken, PKDY ile test sırasında bağıl nem %30,8 seviyesinde olmuştur. Hava-yakıt karışımı içerisindeki nem artışı 48

9 daha düşük egzoz sıcaklıklarına sebep olduğundan, bu durum 1000 d/d lık tam yük biyodizel testinde termal NO oluşumunda azalmaya neden olduğu düşünülmüştür. Dizel motorlarda hava-yakıt karışımı stokiyometrik şartlara yaklaştıkça NO emisyonunda artış olmaktadır [14]. Bu çalışmada, PKDY kullanılan 3000 d/d lık tam yük testi stokiyometrik orana en yakın koşulda gerçekleşmiştir. Bu durum egzoz sıcaklığının 656 o C çıkmasına neden olduğundan termal NO oluşumu maksimum seviyeye çıkmıştır Azot oksit (NO x ) emisyonlarının karşılaştırılması NO x içerisinde ana elemanlar olarak NO ve NO 2 bulunmaktadır. Şekil 6 da PKDY ile biyodizel kullanımının NO x emisyonu üzerine etkisi gösterilmektedir. Emisyon cihazında NO x tespiti, NO ölçümü ile orantılı olarak belirlendiğinden, NO ölçümündeki değerlerin bir benzeri NO x için de geçerlidir Azot oksitler (NO X ), ppm PKDY B100 Şekil 6. PKDY ile biyodizel kullanımının NO x emisyonu üzerine etkisi 4.6. Duman koyuluğunun karşılaştırılması Yakıtın oksijen içermesi duman koyuluğunu etkileyen önemli bir parametredir. Biyodizel oksijen içeriği yanma bölgelerinde gerekli oksijeni sağlayarak duman koyuluğunun düşmesine neden olmaktadır [11]. Şekil 7 de PKDY ile biyodizel kullanımının duman koyuluğu üzerine etkisi gösterilmektedir. Ön yanma odalı dizel motorda biyodizel kullanımı PKDY a oranla duman koyuluğunda önemli azalma sağlamaktadır. Yakıt olarak biyodizel kullanılan testlerde PKDY kullanımına oranla 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 d/d da sırasıyla %7,1, %8, %30, %35 ve %31 azalma 49

10 sağlamıştır. Genel ortalama alındığında ise biyodizel kullanımı ile duman koyuluğunda %22,3 lük bir azalma gözlenmektedir. Motor devri artıkça yanma odasındaki akışkan hareketleri hızlandığından ve türbülans arttığından yakıt-hava karışımının reaksiyonu artmaktadır [16]. Bu durumun bir sonucu olarak biyodizelin içeriğindeki oksijen daha fazla karbon ile reaksiyona girmekte ve saf halde egzozdan çıkan karbon parçacıklarının sayısı azalmaktadır. 115 PKDY B100 Duman Koyuluğu, % Şekil 7. PKDY ile biyodizel kullanımının duman koyuluğu üzerine etkisi 5. SONUÇ Oksijenli yakıtların alternatif dizel yakıtı olarak veya petrol kökenli yakıtlara karıştırılarak kullanılması ile içten yanmalı motorlu araçlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarının azaltılması, her zaman gündemde olan bir konu olmuştur. Dizel motorlu araçlarda, PKDY kullanımı kirliliğe sebebiyet verdiğinden, biyodizel gibi çevreye duyarlı alternatif yakıtlar önem kazanmıştır. Bu çalışmada, biyodizelin dizel motorda kullanımında herhangi bir probleme rastlanmamıştır. Testlerde biyodizel kullanımının PKDY kullanımına benzer performans gösterdiği görülmüştür. Bu çalışmanın sonucunda, biyodizel kullanımıyla PKDY a oranla CO, CO 2, HC ve duman koyuluğunda sırasıyla %60,8, %3, %38,7 ve %22,3 lük bir azalma sağlanırken, azot oksit emisyonlarında %14,6 lık bir artış gözlenmiştir. 50

11 6. KAYNAKLAR [1] A.A. Abdel-Rahman, On the Emissions from Internal-Combustion Engines: A Review, Int. J. of Energy Res., 22: , [2] Adler, U., Automotive Handbook, Robert Bosch GmbH, Stutgart, [3] Graboski, M.S, McCormick, R.L, Alleman, T.L. and Herring, A.M., The Effect of Biodiesel Composition on Engine Emissions from a DDC Series 60 Diesel Engine, NREL Final Report 2, February, [4] Canakci, M. and Van Gerpen, J.H., Comparison of Engine Performance and Emissions for Petroleum Diesel Fuel, Yellow Grease Biodiesel, and Soybean Oil Biodiesel Trans. of the ASAE, 46(4): , [5] Krahl, J., Munack, A., Bahadir, M., Schumacher, L.G. and Elser, N., Review: Utilization of Rapeseed Oil, Rapeseed Oil Methyl Ester or Diesel Fuel: Exhaust Gas Emission and Estimation of Environmental Effects, SAE Paper, No , [6] Masjuki, H., Abdulmuin, M.Z. and Sii, H.S., Indirect Injection Diesel Engine Operation on Palm Oil Methyl Esters and its Emulsions, Proc. Instn. Mech. Engrs., Part D, 211: , [7] Xiao, Z., Ladommatos, N. and Zhao, H., The Effect of Aromatic Hydrocarbons and Oxygenates on Diesel Engine Emissions, Proc. Instn. Mech. Eng., Part D, Vol. 214: , [8] Kalam, M.A., Husnawan, M. and Masjuki, H.H., Exhaust Emission and Combustion Evaluation of Coconut Oil-Powered Indirect Injection Diesel Engine, Renewable Energy, 28: , [9] Ulusoy, Y., Tekin, Y., Cetinkaya, M. and Karaosmanoğlu, F., The Engine Tests of Biodiesel from Used Frying Oils, Energy Sources, 26: , [10] Yücesu, H., Altın, R. ve Çetinkaya, S., Dizel Motorlarında Alternatif Yakıt Olarak Bitkisel Yağ Kullanımının Deneysel İncelenmesi, Turk J. Engin. Environ. Sci. Vol. 25: 39 49, [11] Graboski, M.S, McCormick, R.L., Combustion of Fat and Vegetable Oil Derived Fuels in Diesel Engines, Prog. En. Comb. Sci., 24: , [12] Canakci, M., Production of Biodiesel from Feedstocks with High Free Fatty Acids and its Effect on Diesel Engine Performance and Emissions, Ph.D. Dissertation, Iowa State University, [13] Borman, G.L. and Ragland, K.W., Combustion Engineering, McGraw-Hill, New York, [14] Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Int. Editions, New York, [15] Soruşbay, C., İçten Yanmalı Motorlarda Egzoz Gazları Emisyonu, Ders Notları, İTÜ, İstanbul, [16] Zhao, H. and Ladammatos, N., Engine Combustion Instrumentation and Diagnostics, SAE Warrendale,