TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN:4-44 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 8 (4) -8 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Fatih AKSOY, Ş. Ayhan BAYDIR, Hüseyin BAYRAKÇEKEN Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, AFYON ÖZET Enerji kaynaklarının azalması nedeniyle enerjinin daha verimli kullanımı gündeme gelmiş, alternatif yakıt ve yakıt katkıları üzerine çalışmalar hız kazanmıştır. Yakıt katkılarından biri de white spirittir. Bu çalışmada W(% kurşunsuz benzin), W (% white spirit+%9 kurşunsuz benzin) ve W (% white spirit+%8 kurşunsuz benzin) karışımları buji ile ateşlemeli tek silindirli dört zamanlı bir motorda farklı yük koşullarında motor performans ve emisyonları incelenmiştir. % yük koşulunda W, W ve W yakıtları karşılaştırıldığında en iyi motor momenti W yakıtı ile Nm olarak elde edilmiştir. Aynı koşullarda, W yakıtı kullanımı ile özgül yakıt tüketiminde ve CO emisyonlarında sırası ile % 4.6 ve %.6 bir azalma elde edilmiştir. CO, NO X ve HC emisyonlarında sırası ile %., %.7 ve %.7 lük bir artış gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Kurşunsuz benzin, katkı maddeleri, white spirit. GĐRĐŞ Otomobilin icadından bu yana motorların daha sarsıntısız ve verimli çalışması için çok sayıda araştırma yapılmıştır. Yanma sırasında bujinin ateşlemesiyle oluşturulan alev cephesi, yanma odasında ilerlerken artan basınç ve sıcaklığın etkisi ile henüz alevin ulaşmadığı kısımdaki karışım kendi kendine ateşlenebilir ve aslında istenmeyen ikinci bir yanma cephesi oluşabilir. Her iki yanma cephesinin karşı karşıya gelmesiyle yanma hızı ve silindir basıncı çok yüksek derecelere ulaşır, ısı iletimi artar, buna bağlı olarak güç azalır. Bu durum vuruntu olarak adlandırılır. Güce dönüştürülemeyen ısı ise piston ve silindir kapağında deformasyona yol açarak motora zarar verir. Vuruntu önleyici özelliği bulunan yakıt katkı maddelerinin kullanılması sıkıştırma oranının artırılabilmesine olanak sağlar ve motor gücünde artış meydana gelir. Vuruntunun önlenmesi ile motor daha sarsıntısız çalışır ve motor parçalarının mekanik ömürleri artar.. yüzyılın başlarında araştırmacılar motorların vuruntusuz çalışması için çalışmalara başlamışlardır. 96 yılında Thomas Midgley tarafından benzine iyot ilavesinin oktan sayısını artırdığı ve vuruntunun azaltıldığı tespit edilmiş ancak iyodun pahalı ve korozyona neden olması yakıt katkı maddesi olarak kullanılmasını engellemiştir. 97 yılında Charles Kettering ve Thomas Midgley etil alkol ve benzini karıştırarak uygun bir motor yakıtı üretmiştir. 9 yılında Thomas Midgley vuruntusuz bir yakıt olarak benzin alkol karışımları için bir patent almıştır. Kısa bir süre sonra Midgley kurşun tetra etilin vuruntu önleyici özelliğini keşfetmiş ve bu bileşim petrol üretim şirketleri tarafından yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ancak katkı maddesi olarak kullanılan az miktardaki kurşun bileşiğinin bile insan sağlığına ve çevreye verdiği zararlar bilim insanlarının yoğun çabaları ve araştırma sonuçları ile kanıtlanarak, bu maddenin kullanımı aşama aşama azaltılmış ve yasaklanmıştır. Bunun üzerine oktan geliştirici(vuruntu önleyici) alternatif katkı maddeleri üzerine çalışmalar artmıştır [].

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 8 (4) -8 Benzinli motorlarda katkı maddeleri ile ilgili yapılan birçok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalardan bir kısmı aşağıda belirtilmiştir. Hsieh ve arkadaşları buji ile ateşlemeli motorda yakıt katkı maddesi olarak etanol kullanmışlar ve %, %5, %, % ve % etanol-benzin karışımlarının motor performans ve emisyonlarına etkisini incelemişlerdir. Yakıt içerisinde alkol oranının artması ile yakıtın ısıl değeri azalırken, oktan sayısı artmaktadır. Etanol kullanımı ile motor momenti ve özgül yakıt tüketiminde bir miktar artış gözlenirken, CO ve HC emisyonlarında alkol içindeki oksijenin de yanmaya katılmasıyla sonucu olarak belirgin bir şekilde azalma gözlenmiştir []. Wu ve arkadaşları farklı hava-yakıt oranlarında etanol-benzin karışımlarının motor performans ve emisyonlarına etkisini incelemiştir. Etanol-benzin karışımları için küçük gaz kelebek açıklıklarında motor momentinde artış gözlenirken, özgül yakıt tüketiminde belirgin bir fark gözlenmemiştir. CO, CO ve HC emisyonları etanol-benzin karışımlarının içerisinde bulunan oksijen içeriğine bağlı olarak azalmıştır []. Hamdan ve arkadaşları çeşitli oranlarında metil tersiyer-bütil eter(mtbe) içeren benzin karışımlarının motor performans ve emisyonlarına etkisini incelemişlerdir. MTBE ilavesi ile egzoz emisyonlarında belirgin bir azalma tespit edilmiştir. En iyi motor performansı ve minimum egzoz emisyonu % luk MTBE-benzin karışımında elde edilmiştir [4]. Poulopoulos ve Philippopoulos, farklı motor yüklerine bağlı olarak çeşitli oranlarda metil tersiyer-bütil eter(mtbe) içeren benzin karışımlarının CO ve HC emisyonlarına etkisini incelemiştir. Yüksek motor yüklerinde MTBE ilavesi ile sadece benzin kullanımına göre HC ve CO emisyonlarında azalma gözlenirken, düşük yüklerde HC ve CO emisyonlarda artış gözlenmiştir. Soğuk ilk hareket koşullarında yakıttaki MTBE oranının artması ile HC ve CO emisyonlarında önemli bir artış gözlenmiştir. Ağırlık oranı olarak %8- MTBE içeren yakıtların kullanımı sonucunda katalitik konvertör çıkışında da MTBE maddesi belirlenmiştir [5]. Metil tersiyer-bütil eter(mtbe) in sudaki yüksek çözünürlüğünden ve zehirli etkisinden dolayı yasaklanmasının ardından yanma sırasında oksijen veren (oktan yükseltici-vuruntu önleyici) alternatif bileşikler konusundaki araştırmalar, etil tersiyer-bütil eter(etbe), tersiyer-amil metil eter(tame) ve tersiyer-amil etil eter(taee) gibi diğer eterlere yönelmiştir. Bu eterler, yakıtın yanma özelliklerini arttırmanın yanı sıra HC ve CO ve emisyonunu azaltmaktadır [4-6]. Yumrutaş ve arkadaşları buji ile ateşlemeli dört silindirli bir motorda benzine sülfat terebentin ilavesinin motor performans ve emisyonlarına etkisini incelemişlerdir. Deney sonuçları terebentin ilavesinin motor gücü, termal verim, ortalama basınç ve özgül yakıt tüketiminde olumlu etkileri olduğunu göstermiştir. Ancak sülfat terebentin ilavesi ile NOx, HC ve egzoz sıcaklığı artarken CO konsantrasyonunda azalma olmuştur [7]. Bu çalışmada düşük aromatik içeren ve biyodizel tesislerinde yakıtın düşük sıcaklıklardaki performansını artıran katkı maddesi olarak kullanılan white spirit yakıt katkı maddesi, kurşunsuz benzine %-% oranlarında ilave edilmiştir. White spirit ilavesinin motor performans ve emisyonlarına etkisi tek silindirli buji ile ateşlemeli dört zamanlı bir motorda 5 sabit devir ve değişken yük karakteristikleri için incelenmiştir.. DENEY YAKITLARI White spirit, bazı çeşitleri ham petrolün distilasyonundan elde edilen, karakteristik bir kokusu ve suyla çözünürlüğü çok düşük olan renksiz organik solventlerden biridir. Yaygın olarak boya, vernik ve mürekkep yapımında kullanılmaktadır. White spirit, aromatik içerik oranına göre %5, %5 ve % den az olarak çeşide ayrılmaktadır. Avrupa da yaygın olarak düşük aromatikli white spirit kullanılmaktadır [8].

3 Aksoy, F., Baydır, Ş. A., Bayrakçeken, H. Teknolojik Araştırmalar 8 (4) -8 White spirit ve kurşunsuz benzinin teknik özellikleri Tablo de verilmektedir. Tablo. White spirit ve kurşunsuz benzinin fiziksel özellikleri [8, ] Özellikler Kurşunsuz benzin White Spirit Kimyasal bileşimi C 4 - C C 8 - C 6 Moleküler Ağırlık 5 4 Yoğunluk (kg/m) 5 C Parlama Noktası ( C) 4 6 Alt Isıl Değer (kj/kg) White spirit kurşunsuz benzin yakıtına göre yüksek parlama noktası ve ısıl değere sahiptir. Deneylerde kullanılan yakıtlar, karışım oranı baz alınarak içerdikleri white spirit oranına göre W (% kurşunsuz benzin), W (% white spirit-%9 kurşunsuz benzin) ve W (% white spirit-%8 kurşunsuz benzin) olarak isimlendirilmiştir.. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneyler dört zamanlı tek silindirli buji ile ateşlemeli bir motorda yapılmıştır. Test motorunun teknik özellikleri Tablo de görülmektedir. Marka Tablo. Deney motorunun teknik özellikleri Loncin Motor Tipi Tek silindirli, 4 zamanlı Max. Güç.(kW/4 min - ) 4.8 Max. Motor Momenti (Nm/ min - ) / Silindir Çapı x Strok(mm) Motor momenti Esit marka. hassasiyetinde yük hücresine sahip elektrikli dinamometre kullanılarak ölçülmüştür. Yakıt tüketimi ölçümü için %. hassasiyetli elektronik terazi ve. s hassasiyetinde dijital kronometre kullanılmıştır. Deneyler, motorun maksimum moment devrine yakın olan ve dinamometrenin dengede tutulduğu 5 min - lık sabit devirde %5, %5, %75 ve % yük oranlarında gerçekleştirilmiştir. Deney donanımı Şekil de şematik olarak görülmektedir.. Dinamometre. Kontrol paneli. Yakıt ölçümü 4. Deney motoru 5. Egzoz emisyon cihazı 6. NO x emisyonu ölçüm cihazı Şekil. Deney Düzeneğinin Şematik Görünümü

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 8 (4) -8 Emisyon ölçümlerinde baca gazı ve egzoz gaz analiz cihazları kullanılmıştır. HC, CO ve CO emisyonları egzoz gaz analiz cihazı ile NO x emisyonu baca gazı analiz cihazı ölçülmüştür. Egzoz emisyonları motor kararlı duruma geldikten sonra kaydedilmiş ve 5 adet ölçümün ortalamaları emisyon değeri olarak kullanılmıştır. 4. TARTIŞMA 4. Motor Performansı Şekil ve de deney yakıtları için motor momentinin ve gücünün yüke bağlı olarak değişimi görülmektedir. % motor yükünde gaz kelebeği tam açıkken kurşunsuz benzin yakıtı için motor momenti ve gücü sırası ile 8.98 Nm ve.6 kw olarak elde edilmiştir. Aynı yükte W ve W yakıtlarının motor momenti ve gücü kurşunsuz benzin ile karşılaştırıldığında sırası ile %5. ve % 4.7 lik bir artış gözlenmiştir. Motor momenti ve gücündeki bu artışın white spirit ısıl değerinin kurşunsuz benzinden yüksek olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Motor Momenti (Nm) Şekil. Motor yüküne bağlı olarak motor momentinin değişimi,5 Motor Gücü (kw),5,5, Şekil. Motor yüküne bağlı olarak motor gücünün değişimi Şekil 4 de W, W ve kurşunsuz benzin yakıtları için motor yüküne bağlı olarak özgül yakıt tüketiminin değişimi görülmektedir. % motor yükünde kurşunsuz benzin ile karşılaştırıldığında W ve W yakıtları için sırası ile % 4.6 ve % 5.7 lik bir azalma gözlenmektedir. Ancak %5 ve %75 yük değerlerinde W ve W yakıtının özgül yakıt tüketimi değerlerinde kurşunsuz benzine göre bir artış 4

5 Aksoy, F., Baydır, Ş. A., Bayrakçeken, H. Teknolojik Araştırmalar 8 (4) -8 gözlenmektedir. % yük değerlerinde özgül yakıt tüketimindeki azalmanın white spirit ısıl değerinin kurşunsuz benzinden daha yüksek olmasından kaynaklandığı tahmin edilmektedir. 7 6 Ö. Y. T. (g/kwh) Egzoz Emisyonları Şekil 4. Motor yüküne bağlı olarak özgül yakıt tüketiminin değişimi Şekil 5 de motor yüküne bağlı olarak HC emisyonlarının değişimi görülmektedir. %75 motor yükünde kurşunsuz benzin yakıtı ile karşılaştırıldığında W ve W yakıtlarının HC emisyonlarında sırası ile %.6 ve % 5.4 lük bir artış gözlenmiştir. Maksimum motor yükünde HC emisyonlarındaki artış %.7 ve %.47 olarak elde edilmiştir. HC (ppm) Şekil 5. Motor yüküne bağlı olarak HC emisyon değerlerinin değişimi Şekil 6 de motor yüküne bağlı olarak CO emisyonlarının değişimi görülmektedir. Tüm yakıtlar için minimum CO emisyonları %5 motor yükü için elde edilmiştir. %5 motor yükünde white spirit katkısı ile CO emisyonlarında artış gözlenirken, diğer yük koşullarında CO emisyonlarında bir azalma gözlenmiştir. % yük koşullarında kurşunsuz benzine (W) göre W ve W yakıtlarının CO emisyonlarında sırasıyla %.6 ve %5.5 bir azalma gözlenmiştir. 5

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 8 (4) CO (%) Şekil 6. Motor yüküne bağlı olarak CO emisyon değerlerinin değişimi Şekil 7 de motor yüküne bağlı olarak CO emisyonlarının değişimi görülmektedir. %5 ve %5 yüklerde W ve W yakıtlarının CO emisyonlarında kurşunsuz benzine göre bir azalma gözlenirken, %75 ve % yüklerde artış gözlenmektedir. Maksimum motor yükünde W ve W yakıtının CO emisyonlarında %. ve %.5 bir artış gözlenmiştir. %75 motor yükünde yanma iyi olduğundan CO emisyonları azalmıştır. 8 7 CO (%) Şekil 7. Motor yüküne bağlı olarak CO emisyon değerlerinin değişimi Şekil 8 de motor yüküne bağlı olarak NOx emisyonlarının değişimi görülmektedir. Tüm yakıtlar için NO x emisyonları %75 yüke kadar artmakta daha sonra azalmaktadır. %75 yükte NO x emisyonları karşılaştırıldığında kurşunsuz benzine W yakıtı için %.7 lik atış gözlenirken, W yakıtı için %.4 lük bir azalma gözlenmektedir. 6

7 Aksoy, F., Baydır, Ş. A., Bayrakçeken, H. Teknolojik Araştırmalar 8 (4) -8 NOx (ppm) 5. SONUÇ ve ÖNERĐLER Şekil 8. Motor yüküne bağlı olarak NOx emisyon değerlerinin değişimi White spiritin motor performansı ve emisyonlarına etkileri incelendiğinde aşağıdaki sonuçlar gözlenmiştir; Tam yük altında deneylerde kullanılan tüm yakıtlarının motor performansları incelendiğinde en yüksek motor momenti Nm (kurşunsuz benzin e göre %5.4 daha fazla), en yüksek motor gücü.8 kw (kurşunsuz benzin e göre %5.4 daha fazla) ile W yakıtı ile elde edilmiştir. Diğer yük koşulları incelendiğinde %75 motor yükü hariç W yakıtının motor performansı kurşunsuz benzine (W) göre daha yüksek elde edilmiştir. W ve W yakıtının özgül yakıt tüketimlerinde %5 ve %75 motor yüklerinde kurşunsuz benzine (W) göre bir artış gözlenirken, maksimum motor yükünde özgül yakıt tüketimlerinde belirgin bir şekilde azama gözlenmiştir. Bu azalma W yakıtında %5.8 olarak belirlenmiştir. Motor yükünün artmasıyla HC emisyonlarında artış gözlenirken CO emisyonlarında azalma gözlenmektedir. % motor yükünde W ve W yakıtları için kurşunsuz benzine (W) göre HC emisyonlarında %.7 ve %.47 lik bir artış gözlenmektedir. Aynı koşullarda, CO emisyonlarında W ve W yakıtlarında kurşunsuz benzine (W) göre %.6 ve %5.5 bir azalma gözlenmiştir. NO x emisyonları %75 yük değerine kadar artış göstermekte ve daha sonra azalmaktadır. Maksimum motor yükünde W yakıtının NO x emisyonları kurşunsuz benzine (W) göre %4. artış gözlenirken, W yakıtında %6.6 lık bir azalma gözlenmektedir. Farklı yük koşullarında kurşunsuz benzin içerisine white spirit ilavesi motor performans ve emisyonlarında iyileşmeler sağlayacaktır. White spiritin motor devrine bağlı olarak motor performans ve emisyonlarına etkileri incelenerek bilimsel literatüre katkı sağlanabilinir. 7

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 8 (4) -8 KAYNAKLAR. Nadim, F., Zack, P., Hoag, G. E., Liu, S.,, United States experience with gasoline additives, Energy Policy, 9(), -5.. Hsieh, W. D., Chenb, R. H., Wub, T. L., Lina, T. H.,, Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol gasoline blended fuels, Atmospheric Environment, 6, Wu, C. W., Chen, R. H., Pu, J. Y., Lin, T. H., 4, The influence of air fuel on engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol gasoline-blended fuels, Atmospheric Environment, 8, Hamdan, M. A., Al-Subaih, T. A.,, Improvement of locally produced gasoline and studying its effects on both the performance of the engine and the environment, Energy Conversion and Management, 4, Poulopoulos, S., Philippopoulos, C.,, Influence of MTBE addition into gasoline on automotive exhaust emissions, Atmospheric Environment, 8, 4, Da Silva, R., Cataluña, R., De Menezes, E. W., Samios, D., Sartori Piatnicki, C. M., 5, Effect of additives on the antiknock properties and Reid vapor pressure of gasoline, Fuel, 7-8(84), Yumrutas, R., Alma, M. H., Özcan, H., Kaşka, Ö., 8, Investigation of purified sulfate turpentine on engine performance and exhaust emission, Fuel, 87, Henrik, R. L., Per Plenge, Jorgensen, O. S.,, Effects of white spirits on rat brain 5-HT receptor functions and synaptic remodeling, Neurotoxicology and Teratology, 6,,