Atık Kızartma Yağı Metil Esterinin Bir Dizel Motorunda, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Araştırılması

Transkript

1 Atık Kızartma Yağı Metil Esterinin Bir Dizel Motorunda, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Araştırılması R. Behçet 1, S. Aydın 1, C. İlkılıç 2, H. Aydın 1, A.V. Çakmak 3 1 Batman Üniversitesi, Batman/Türkiye, rbehcet23@gmail.com, s.aydin072@gmail.com, huseyyinaydin@gmail.com, 2 Fırat Üniversitesi, Elazığ/Türkiye, cilkilic@firat.edu.tr 3 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon/Türkiye, vahapcakmak61@gmail.com Investigation of The Effect on Engine Performance and Exhaust of Emission Waste Frying Oil Methyl Ester in a Diesel Engine Abstract Oil has limited reserves and is known to decrease day by day. Environmental pollution and harmful emissions occur as a result of combustion of fuels from petroleum product. This continues the search for alternative fuels to solve above mentioned two basic problems. In this study, considering to be an alternative source of fuel, waste cooking oil produced biodiesel fuel was mixed with diesel fuel by ratios of 25% by volume (B25), 50% (B50) and 80% (B80) and tested in a diesel engine. Test results obtained from blend fuels were presented as comparing with those obtained from diesel fuel. Keywords Waste frying oil, biodiesel, performance, exhaust emissions 1. GİRİŞ İçten yanmalı motorlarda hem petrole dayalı yakıt tüketimini hem de egzoz gazlarındaki zararlı gazları azaltmak için motorlu taşıtlarda kullanılabilecek yeni yakıt türlerinin geliştirilmesi çalışmaları yapılmaktadır. Bilimsel çalışmalar büyük ölçüde konvansiyonel olmayan yakıtların ekonomik olarak elde edilmesi ve yakıt kalitelerinin iyileştirilmesi ile ilgili teknolojik arayışları içermektedir [1]. Türkiye deki dizel yakıtla çalışan ticari araçların sayısı her geçen gün artmaktadır. Dizel araçların ticari amaçla kullanılmasının yakıt tüketimi ve çevre açısında önemi büyüktür [2]. Yapılan çalışmalara göre ülkemizde dizel yakıtı tüketimi, tüm petrol ürünleri içinde yaklaşık olarak %30,61 e karşılık gelmektedir. Ayrıca Türkiye petrol ihtiyacının yaklaşık olarak %80-85 ini dış alımla karşılanmaktadır [3]. Bu nedenlerle ülkemiz petrol ve petrol ürünleri konusunda dışa bağımlı bir ülkedir. Bu açıdan bakıldığında alternatif yakıt arayışı büyük önem arz etmektedir. Atık kızartma yağları özellikle lokanta, yemek fabrikalarında, otel ve evlerde çok miktarda ortaya çıkmaktadır. Bu gibi yerlerde oluşan atık yağlar yakıt olarak değerlendirildiğinde hem çevre kirliğini önlenmekte hem de fosil yakıtlara alternatif olmaktadır. Bu atık yağların motorlarda doğrudan kullanılmalarında bazı sakıncalar oluşmaktadır. Bu sakıncaların oluşmasına en başta yüksek viskoziteleri neden olmaktadır. Yağların viskozitelerini düşürmek için uygulanan ve en çok kullanılan en yaygın yöntemlerden biri esterleştirme (transesterifikasyon) reaksiyonudur. Bu yöntemle viskoziteleri azaltıla bilinen yağlar motorlarda kolaylıkla yakıt olarak kullanılabilmektedir. Dünyada ve ülkemizde bu yöntemle atık kızartma yağlarından biyodizel üretimi yapılıp ve dizel motorlarda yakıt olarak kullanımının araştırıldığı çalışmalar yapılmıştır. Ulusoy ve ark., [4] Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesinde atık kızartma yağlarından biyodizel üretmişlerdir. Araştırmacılar, ürettikleri biyodizeli TOFAŞ otomotiv fabrikasında bir dizel motorlu taşıtta test etmişlerdir. Testlerin sonucunda, biyodizel kullanımının normal dizel yakıtına göre fren gücünde %2,03, momentte %3,35 lik, ivmelenme test sonuçlarında, 40 km/saat ten 100 km/saat e hızlanmada %7,32 lik, 60 km/saat ten 100 km/saat e hızlanmada %8,59 luk bir azalma meydana getirdiğini ifade etmişlerdir. Emisyon testlerinde ise biyodizel kullanımı ile CO, yanmamış HC, PM emisyonunda dizel yakıtına göre sırasıyla %8,59, %30,66, %63,33 azalma olurken karbondioksit (CO 2 ) emisyonunun %2,62, NOx emisyonun %5,03 arttığını gözlemlemişlerdir. Yapılan testlerde biyodizel, dizel yakıtına göre %2,43 daha fazla yakıt tüketimi sağlamıştır. Aynı şekilde, Mittelbach ve Trıııhart [5], ester yakıtların dizel egzoz emisyonlarına etkisini incelemek amacı ile atık 72

2 Atık Kızartma Yağı Metil Esterinin Bir Dizel Motorunda, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Araştırılması kızartma yağlarından metil ester üretmişlerdir. Ester yakıt kullanılması ile HC, CO, ve partikül madde emisyonlarının azaldığını, NO x emisyonlarının ise arttığını bildirmişlerdir. Bununla beraber, atık kızartma yağlarının içeriği dolayısıyla biyodizelin içeriği kullanılan ham yağa göre değişmektedir. Bu çalışmada, pamuk yağı esaslı atık kızartma yağlarından transesterifikasyon reaksiyonu kullanılarak elde edilen biyodizel yakıtı %20, % 50 ve %80 oranlarında dizel yakıtı ile karışım oluşturularak tek silindirli direkt püskürtmeli ve hava ile soğutmalı bir dizel motorda kullanılmıştır. Üretilen karışımlarla motorun tam gaz ve değişik devir sayılarında motor performansı ve egzoz emisyon değerleri alınmıştır. Tablo 1 de biyodizel ve dizel yakıtın yakıt özellikleri gösterilmiştir. Tablo 1: Biyodizel ve dizel yakıtının yakıt özellikleri Özellikler Biyodizel Dizel Yakıtı Yoğunluk (g/cm 3 ) 0,897 0,843,5 Viskozite (mm 2 /sn)(40 0 C) 6,1 3,66 Isıl Değer (kj/kg) Parlama Noktası ( 0 C) Setan Sayısı 52,49 52 uygulanan yük kademeli olarak %10 ar dilimler halinde değiştirilebilmektedir. Deneylerde egzoz gazlarının ölçümü için CAPELEC CAP 3200 marka gaz analiz cihazı kullanılmıştır. Ölçüm cihazın probu egzoz borusuna yerleştirilerek motor çalışma sıcaklığına geldikten sonra, cihazın okuduğu değerler yine cihaz üzerinde bulunan bir yazıcı ile çıktı şeklinde alınabilmektedir. Bu cihazın teknik özellikleri Tablo 3 te görülmektedir. Tablo 3: Gaz analiz cihazın teknik özellikleri Parametre Ölçme Aralığı Hassasiyet HC ppm 1 ppm CO 2 %0-20 %0,1 CO %0-15 %0,001 O 2 %0-21,7 %0,01 Lamda 0,6-1,2 0,001 NO x ppm 1 ppm 2. MATERYAL VE METOD Deneyler, Batman Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Otomotiv Anabilim Dalı Motor Test Laboratuarında yapılmıştır. Deneylerde motor olarak, maksimum gücü 10 HP, silindir hacmi 406 cc, tek silindirli, dört zamanlı, hava soğutmalı Rainbow marka bir dizel motoru kullanılmıştır. Deney motoruna ait teknik özellikler Tablo 2 de görülmektedir. Tablo 2: Deney motorunun teknik özellikleri Markası Rainbow 186 Dizel Püskürtme sistemi Direkt püskürtmeli Silindir sayısı 1 Strok hacmi 406 cc Sıkıştırma oranı 18/1 Maksimum moment Nm (1800 d/d da) Maksimum güç 10 HP Maksimum motor devri 3600 d/d ±20 Soğutma sistemi Hava soğutmalı Püskürtme basıncı 19.6±0.49 Mpa (200 ±5 Kgf/cm 2 ) Ortalama piston hızı 7.0 m/sn (3000 d/d da) Motor deneylerinde motora bağlı olarak çalışan BT 140 model, maksimum gücü 50 KW, maksimum devri 7500 d/d olan hidrolik bir dinamometre kullanılmıştır. İzleme cihazının üzerinde motor devrini rpm (d/dak.) cinsinden, motor gücünü beygir gücü (HP) ve motor momentini kg.m olarak gösteren ekranlar mevcuttur. Ayrıca motora 73 Şekil 1: Deneylerde kullanılan BT 140 model hidrolik dinamometrenin şematik görünümü 1) Motor Test Yatağı Şasisi 2) Egzoz Emisyon Cihazı 3) Gaz Analiz Cihazın Sondası 4) Tek Silindirli Dizel Motoru 5) Yük Ayarı 6) Dinamometre 7) Takometre 8) Kontrol Ünitesi 9) Yakıt Ölçüm Ünitesi 10) Yakıt Tankı A. Motor Momenti 3.DENEYSEL SONUÇLAR Şekil 2 de dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına bağlı motor momenti görülmektedir. Motorun düşük devirlerinde tüm yakıtlarda tork düşük çıkmış olup devir sayısının artması ile motor momentinde artış gözlenmiştir. Yüksek motor hızlarında ise hacimsel verimin azalması ve mekanik kayıpların artmasından dolayı motor momenti düşmeye başlar. Ayrıca yanma mekanizmasını doğrudan etkileyen yakıtın ısıl değeri, viskozitesi, setan sayısı ve yoğunluğu gibi parametreler moment ni doğrudan etkilemektedir. B50 yakıtı için moment değerinin diğer biyodizel yakıt karışımlarından yüksek çıkmasının nedeni B50 yakıtı için yanmanın daha iyi gerçekleşmesi olabilir.

3 Çetinkaya ve ark.[6] kullanılmış kızartma yağlarında elde ettikleri biyodizeli yakıt olarak kullandıkları çalışmalarında efektif güç ve döndürme momentinde motorine göre %3 ve %5 lik azalma olduğu belirlemişlerdir. Şekil 4: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına bağlı motorun ÖYT Şekil 2: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına bağlı motor momenti B. Efektif Motor Gücü Bu devirde D2 yakıtında 202,5 g/kwh, B25 yakıtında 207 g/kwh, B50 yakıtında 208 g/kwh ve B80 yakıtında 209 g/kwh olarak ölçülmüştür. ÖYT tüm devirlerde biyodizel karışımı yakıtlarda, dizel yakıtına göre daha fazla çıkmıştır. Bu durum, biyodizel karışımlı yakıtların ısıl değerleri dizel yakıtından düşük olmasından kaynaklanıyor olabilir. Bu açıdan baktığımızdan biyodizel karışımı yakıtların ısıl değerleri düşük olduğundan birim güç başına tüketilen yakıt miktarı daha fazladır. D. Azot Oksit Emisyonu (NOx) Şekil 3: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına bağlı motorun efektif güç Şekil 5 te Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre NOx emisyonunun görülmektedir ve 2000 dev/dak. da tüm biyodizel karışımları dizel yakıtından daha fazla azot oksit emisyonu üretmişlerdir. Biyodizel içerisindeki oksijen miktarının fazla olmasından dolayı yanma iyileşmekte ve bunun sonucu olarak da egzozdan atılan NOx miktarı artmıştır. B50 yakıtı için yanmanın tam yanmaya daha yakın olması ve dolaysıyla yanma sonu sıcaklıkların yüksek olması bu yakıt için NOx emisyonun yüksek çıkmasını sağlamıştır. Şekil 3 te dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına bağlı motorun efektif güç görülmektedir. Şekil 3 incelendiğinde normal dizel yakıtı ile B25, B50 ve B80 den daha fazla güç elde edilmiştir. C. Özgül Yakıt Tüketimi (ÖYT) Şekil 4 te dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına bağlı motorun özgül yakıt tüketimi görülmektedir. Motor tam gaz altında çalışırken minimum özgül yakıt tüketimi bütün yakıtlar için 2000 devirde tespit edilmiştir. Şekil 5: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre NOx emisyon 74

4 Atık Kızartma Yağı Metil Esterinin Bir Dizel Motorunda, Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Araştırılması 2000 devirden sonra emme zamanının kısalması ile içeri alınan oksijen miktarı azalır ve havanın içerisindeki oksijen ile azotun birlikte bulunma süreleri azaldığından silindir içerisindeki NOx miktarı düşer. Bunun sonucu olarak tüm yakıtlarda 2000 devirden sonra azot oksit miktarında düşüş olmuştur. daha fazla dönüştüğünden karbondioksit miktarından düşüş olur. E. Yanmamış Hidrokarbon Emisyonu (HC) Şekil 6 da dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre HC emisyon görülmektedir. Motorun düşük devirlerinde HC emisyonu tüm yakıtlarda yüksek çıkmıştır. Bu durumun muhtemel sebebi düşük devirlerde silindir içi sıcaklığın düşük değerlerde seyretmesi ile açıklanabilir. Nitekim; Şekil 7 de görüldüğü gibi düşük motor hızlarında CO2 emisyonlarının düşük çıkmış olması bunun bir kanıtı olarak ileri sürülebilir. Motor devri artıkça biyodizel karışımları ve dizel yakıtı için HC emisyonunda önemli bir azalma görülmektedir. Biyodizel içerisindeki oksijen fazlalığı nedeni ile HC lar, biyodizel karışımlarında dizel yakıtına kıyasla daha az çıkmıştır. Şekil 6: Deney yakıtları için HC emisyonun motor devri ile F. Karbondioksit (CO2) Şekil 7 de dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının, motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre CO2 emisyonu görülmektedir. Düşük devirlerde CO2 tüm yakıtlarda düşük çıkmıştır ve 1500 motor devirlerinde metil ester karışımları dizel yakıtından daha fazla CO2 emisyonuna neden olduğundan daha iyi bir yanmaya sahip olduğunu göstermektedir. Motor 2000 devirde çalışırken, CO2 miktarı en yüksek seviyede olmaktadır. Muhtemelen motor devri artıkça hacimsel verimin azalması ve tam yanma için gereken sürenin kısalmasından dolayı CO lar CO2 ye dönüşemediğinden bu devirde artışlar olmuştur devirde ise metil ester karışımları için CO2 emisyonu dizel yakıtından daha düşük çıkmıştır. Motor devrinin artışı ile silindir içerisine alınan kava miktarının artışıyla beraber yanma için gerekli oksijen bulunduğun da CO lar CO2 ye 75 Şekil 7: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre CO2 emisyon G. Karbon monoksit (CO) Şekil 8 de dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre CO emisyonu görülmektedir. B25, B50 ve B80 karışımları bütün devirlerde dizel yakıtından düşük CO emisyonu oluşturmuştur. Düşük devirlerde bütün yakıtlarda yüksek iken, motor devri arttığında yakıtların tümü için, CO emisyonunda düşüş olmuştur. CO oluşumunun temeli yanmanın eksik olmasıdır. Dizel motorları çalışma sistemlerinden ötürü fazla hava ile çalıştığından, CO emisyonu tüm test yakıtlarında genel itibari ile düşük çıkmıştır. Karışım yakıtlarda biyodizelin içerisindeki oksijenden dolayı yanma iyileştiğinden dizel yakıtına oranla daha düşük çıkmıştır. Setan sayısı da biyodizel karışımlarında yüksek olduğundan, tutuşma gecikmesini kısaltarak yakıtça zengin bölgelerini önler. Bu nedenle CO emisyonu CO2 ye daha çok dönüştüğünden biyodizel karışımlarında CO emisyonlarının dizel yakıtından daha düşük çıkmasına sebep olmuştur. Şekil 8: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre CO emisyonu

5 H. Oksijen (O2) Şekil 9 da dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarında, motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre oksijen emisyon görülmektedir. Biyodizel karışımlarında metil ester oranı artıkça O2 miktarında artışlar meydana gelmiştir. Biyodizelin içerisinde oksijen mevcut olduğundan bütün devirlerde normal dizel yakıtından daha fazla oksijen salınımı gerçekleşmiştir. [3] Anonim, Türkiye Ham Petrol ve Petrol Ürünleri Bilgileri, Petrol İşleri Genel Müdürlüğü,2004. [4] Ulusoy, Y., Tekin, Y., Cetinkaya, M., Karaosmanoğlu, F., The engine tests of biodiesel from used frying oils, Energy Sources, Vol.26, , (2004). [5] Mıttelbach, M., Trıııhart, P., Diesel Fuels Derived From Vegetable Oils III. Emission Test Using Methyl Ester of Used Frying Oil, Journal of American Oil Chemistry Society, vol. 65(7), pp ,1988. [6] Çetinkaya, M., Ulusoy, Y., Tekin, Y., and Karaosmanoğlu, F., Engine and Winter Road Test Performances of Used Cooking Oil Originated Biodiesel Energy Conversion and Management, vol. 46, pp , Şekil 9: Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre O2 emisyonu 4. SONUÇLAR Atık kızartma yağından elde edilen biyodizelin dizel yakıtıyla olan B25, B50 ve B80 karışımlarından elde edilen motor performansı ve egzoz emisyon değerleri benzer biyodizel çalışmaları ile benzerlikler göstermektedir. Elde edilen motor momenti ve efektif motor gücü dizel yakıtından biraz düşük, yakıt tüketimi ise fazla çıkmıştır. Aynı devirlerde elde edilen değerler birbirine yakın çıkmıştır. Emisyon deneylerinde ise, NOx ve O2, metil ester karışımlarında dizel yakıtından daha yüksek çıkmıştır. HC, CO2 ve CO emisyonları metil ester karışımlarında daha düşük seviyelerinde kalmıştır. Motor emisyonlarında metil ester karışımları genel itibari ile çevre açısından daha az zararlı olduğu belirlenmiştir. Günümüzde olan enerji ihtiyacının karşılanması açısında atık kızartma yağlardan elde edilen biyodizelin fosil yakıtlara alternatif yakıt olabileceği kanısına varılmıştır. KAYNAKLAR [1] Borat, O., Balcı, M. ve Sürmen A İçten Yanmalı Motorlar. Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Yayınları: Ankara,513 s. [2] Anonim, Otomotiv Sanayi Genel ve İstatistik Bülteni 2002, Otomotiv Sanayi Dergisi,