Farklı biyodizellerin çevrimsel değişimlerinin analizi

Transkript

1 Farklı biyodizellerin çevrimsel değişimlerinin analizi Ali TÜRKCAN Department of Automotive Engineering, Kocaeli University, 438, İzmit-Turkey Abstract In this study, the changes in cycle to cycle variations and correlation coefficient between combustion characteristics of the biodiesels from produced different raw material were investigated and compared with pure biodiesel. Four different types of biodiesel were used as ethyl, methyl, chicken and leather for current study. It was observed that indicated mean effective pressure (IMEP) and the maximum cylinder gas pressure (P max ) increased while the maximum pressure rise rate (MBAO) decreased with increase in engine load for all test fuels. Furthermore, the maximum cyclic variability was observed for MBAO when compared with other combustion parameters. The correlation coefficients between combustion parameters were calculated and the maximum correlation coefficient was obtained for R(IMEP,Pmax) as compared with R(IMEP,MBAO) and R(MBAO,Pmax). Keywords Biodiesel, cyclic variations, correlation coefficient. Özet Bu çalışmada farklı hammaddelerden üretilmiş biyodizellerin yanma karakteristiklerinin çevrimsel değişim katsayıları ve yanma parametreleri arasındaki korelasyon katsayılarının motor yüküne bağlı değişimleri incelenmiş ve dizel yakıtı ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışma için kullanılan dört farklı biyodizel,, ve biyodizeldir. Motor yükünün artışıyla bütün test yakıtları için indike ortalama efektif basıncın (IMEP) ve maksimum silindir gaz basıncının (P max ) arttığı ancak maksimum basınç artış oranının (MBAO) azaldığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte yanma karakteristikleri üzerindeki çevrimsel değişim katsayıları karşılaştırıldığında en büyük çevrimsel değişim katsayılarının MBAO için görüldüğü tespit edilmiştir. Yanma parametreleri arasındaki ilişkinin gösterilmesi için korelasyon katsayıları hesaplanmış R(IMEP,P max ) arasındaki korelasyon katsayısının R(IMEP,MBAO) ve R(MBAO,P max ) ikililerine göre çok daha yüksek değerlerde olduğu tespit edilmiştir. Anahtar kelimeler Biyodizel, çevrimsel değişim, kolerasyon katsayısı I. GİRİŞ Biyodizel bilindiği gibi dizel yakıtının yerini alabilecek en önemli alternatif yakıttır. Biyodizel çevreci, geri dönüşümlü ve toksit olmayan bir alternatif yakıt olmakla birlikte hayvansal ve bitkisel atıklardan üretilebilmektedir. in yanma kontrolünde püskürtme parametreleri önem arz etmektedir. yakıtı yerine biyodizelin kullanılmasında yakıt özellikleri değişecek ve püskürtme parametreleri dolayısıyla yanma karakteristikleri etkilenecektir. Bu etki özellikle çevrimden çevrime yanma karakteristiklerinin değişiminde önemli rol oynayacaktır. Çevrimden çevrime yanma karakteristiklerindeki değişimler yakıt ekonomisi ve motor performansını etkilemektedir. Bu yüzden birçok araştırmacı yanma parametrelerindeki çevrimden çevrime olan değişimleri (COV(coefficient variations)) buji ateşlemeli, dizel motorlar ve farklı alternatif yakıtlar için incelemişlerdir [-6]. Hassaneen ve ark. [3] 8 silindirli buji ateşlemeli bir motorda doğal gazın maksimum silindir gaz basıncı (P max ) ve indike ortalama efektif basıncı (IMEP) değerlerinin çevrimsel farklılıklarını analiz etmişlerdir. COV Pmax ve COV IMEP değerlerinin eşdeğerlik oranının azalmasıyla %33 e kadar çıkabildiği görülmüştür. Stone ve ark. [7] ateşleme zamanının maksimum basınç artış oranının (MBAO) çevrimden çevrime değişimlerini (COV MBAO ) ve COV IMEP üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Ateşleme zamanının öne alınmasıyla, COV MBAO azaltılabildiğini ve minimum COV IMEP değerinin ise maksimum fren torkunun (MBT) elde edildiği ateşleme zamanında görüldüğü tespit edilmiştir. Selim dizel, LPG ve metanın tek silindirli bir dizel motorda çift yakıt uygulaması stratejisini kullanarak çevrimsel farklılıkların analizini yapmıştır. Çift yakıt uygulamasında metan ve LPG ana yakıt dizel ise pilot yakıt olarak kullanılmıştır. Pilot yakıt oranının %3-35 e kadar artırılmasıyla (yani LPG nin azaltılması) COV IMEP artmış ve COV MBAO azalmıştır. Bununla birlikte %35-45 aralığındaki pilot püskürtme oranları için ise COV Pmax ın arttığı görülmüştür. Motor devrinin artmasıyla da çevrimsel farklılıkların azaldığı tespit edilmiştir [8]. Rakapoulos ve ark. [9] dizel ve dizel-etanol karışımlarının kullanıldığı bir dizel motorda motor yüküne bağlı olarak kolerasyon katsayılarının değişimi incelenmiştir. Hem dizel hem de dizel-etanol karışımları için P max MBAO arasındaki kolerasyon katsayısı R(P max,mbao) pozitif elde edilmiş ve motor yükünün artışıyla bu katsayının düştüğü görülmüştür. Bu çalışmanın amacı farklı türde üretilen biyodizellerin yanma karakteristikleri üzerindeki çevrimsel değişimlerini geleneksel dizel yakıtı ile karşılaştırmaktır. Bu çalışmadan elde edilecek sonuçlar ile farklı hammaddelerden yapılmış biyodizellerin dizel yakıtı yerine kullanımında çevrimsel farklılıkların nasıl değiştiği tespit edilecek dolayısıyla dizel yanma kontrolünü nasıl etkileyebileceği ortaya çıkarılmış olacaktır. II. MATERYAL METOT Motor testleri Ford marka turbo dizel bir motorda yapılmıştır. Test motorunun teknik özellikleri Tablo de verilmiştir. Motor testleri hidrolik dinamometre ile gerçekleştirilmiştir. Yanma analizlerini gerçekleştirmek için Kistler marka 66B model su soğutmalı piezo elektrik basınç sensörü kullanılmıştır. Silindir basınç sensörü, birinci silindirin yanma odasının merkezine bakacak şekilde 45

2 yerleştirilmiştir. Krank açısını (KA) belirlemek için ise manyetik devir sensörü kullanılmıştır. Manyetik devir sensörü, krank kasnağında üst ölü nokta için belirlenen yer kullanılarak üst ölü noktada sinyal üretecek şekilde yerleştirilmiştir. Alınan sinyaller sinyal şartlandırıcı ile filtrelenmiş ve bir bilgisayar yazılımı sayesinde KA değerine dönüştürülmüştür. Basınç sensöründen gelen sinyaller Kistler 564-A model sinyal şartlandırıcı ve Advantech PCI-76 veri toplama kartı kullanılarak bilgisayara aktarılmıştır. Bilgisayara kaydedilen veriler, bir bilgisayar yazılımı kullanılarak işlenmiştir. Motor test sisteminin şematik görünüşü Şekil de gösterilmiştir. Testlerde dört farklı biyodizel kullanılmıştır. İstanbul Organize Sanayi Bölgesi nde bulunan katı atık işleme tesisinden atık deri yağı alınarak deri biyodizel üretilmiştir. Beypiliç Bolu tesislerinde bulunan rendering tesisinden alınan atık tavuk yağından ise tavuk biyodizel elde edilmiştir. Atık kızartma yağı yerel bir işletmeden temin edilerek transesterifikasyon reaksiyonu için iki farklı alkol kullanılmış, etil ve metil ester olmak üzere iki farklı biyodizel üretilmiştir. Yakıt üretimi, Kocaeli Üniversitesi Alternatif Yakıtlar Araştırma Geliştirme ve Uygulama Merkezinde (AYARGEM) bulunan pilot biyodizel üretim tesisinde yapılmıştır. Biyodizel üretim tesisi için detaylı bilgi ilgili referansta verilmiştir []. Test yakıtlarının temel özellikleri Tablo de gösterilmiştir. Yakıt özelliklerinin karakterizasyonu, Kocaeli Üniversitesi AYARGEM ve TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Enstitüsünde uluslararası standart deney metotlarına uygun olarak yapılmıştır. Tablo. Testlerde kullanılan dizel motorun teknik özellikleri Motor 6 litre Ford Cargo Direkt püskürtmeli, Tipi turbo-ara soğutmalı, 4 zamanlı, su soğutmalı Silindir Sayısı 6 Silindir Çapı 4,8 mm Piston Kursu 4,9 mm Sıkıştırma Oranı 6,4: Püskürtme Pompası Sıra tipi Enjektör Açılma Basıncı 97 bar Maksimum Güç 36 kw 4 d.d - Maksimum Moment 65 Nm 4 d.d - Püskürtme Sırası Tablo. Test yakıtlarının özellikleri Özellik Birim Motorin Yoğunluk (5 C) kg.m ,7 889,7 884,3 883,4 Viskozite mm.s - (4 C),96 4,7 5,3 4,5 4,9 Parlama Noktası C Su İçeriği ppm Üst Isıl MJ.kg - Değer 45,96 39,89 39,69 39,87 4,5 Setan Sayısı - 56,8 58,8 5,3 54,9 53,5 K-tipi Termokapıllar Basınç Sensörü Orifis Plaka Bilgisayar Veri Toplama Kartı Sinyal Şartlandırıcı Yakıt Tankı DİZEL MOTOR Dijital Fark Basınç Ölçer Devir Sensörü Hidrolik Dinamometre Egzoz Emisyon Test Cihazı Şaft Dijital Terazi Yük Hücresi Şekil. Motor test sisteminin şematik görünüşü. III. BULGULAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada dört farklı biyodizel ve referans dizel yakıtı test yakıtları olarak belirlenmiştir. Tesler %5, %5 ve % motor yüklerinde yapılmış ve yanma analizleri ve kolerasyon katsayılarının hesabı için 5 ardışık motor çevrimi kullanılmıştır. İndike ortalama efektif basınç (IMEP), maksimum silindir gaz basıncı (P max ) ve maksimum basınç 46

3 artış oranı (MBAO) için 5 ardışık çevrimin ortalaması alınmıştır. IMEP, P max ve MBAO nın çevrimden çevrime değişim katsayısı (COV) için 5 ardışık çevrim referans alınarak COV hesabı için aşağıda verilen formül kullanılmıştır. SD ( X ) COVx x % X Burada X ana parametre, SD (X) standart sapma ve X ise ortalama değeridir. Standart sapma aşağıda verilen formül ile hesaplanmıştır. N SD ( X ) ( X ( j) X ) N j nedeninin biyodizelin setan sayısının (58,8) en yüksek ve biyodizelin ise (5,3) en düşük değere sahip olmasından kaynaklanabileceği düşünülmektedir. IMEP(kPa) Burada N örnek sayısı ve X(j) ise j çevrim numarasındaki ana parametre değeridir. Yanma parametreleri arasındaki ilişkinin tanımlanmasındaki kolerasyon katsayısı R ile gösterilmiştir. Buradaki R, X parametresi ile Y parametresinin arasındaki kolerasyon katsayısını ifade etmektedir ve aşağıda verilen formül ile hesaplanmıştır. N [(X j X).(Y j Y)] N j RXY (, ) S ( X ). S ( Y) D D P max (kpa) 9 8 Bu çalışmada R(IMEP,P max ), R(IMEP, MBAO) ve R(P max, MBAO) arasındaki kolerasyon katsayıları hesaplanmış ve farklı hammaddelerden türetilen biyodizellerin yanma parametreleri arasındaki ilişkilerin motor yüküne bağlı olarak nasıl değiştiği incelenmiştir. Şekil de motor yüküne bağlı olarak IMEP, P max ve MBAO nın motor yüküne bağlı değişimi verilmiştir. Motor yükünün artmasıyla IMEP değeri artmıştır. Maksimum IMEP değeri %5 ve tam yük (%) şartlarında tavuk biyodizel ile elde edilmiştir. ile karşılaştırıldığında biyodizeller ile %5 ve tam yük şartlarında daha yüksek IMEP değerlerine ulaşıldığı Şekil da açıkca görülmektedir. Ayrıca % 5 yük şartlarında da yine biyodizeller arasında en büyük IMEP değeri biyodizel ile elde edilmiştir. Şekil de ise maksimum P max değerleri tüm yüklerde yine biyodizel kullanımıya elde edilmiştir. şartlarında, ve biyodizellerin P max değerlerinde kayda değer bir azalma tespit edilmiştir. Şekil de MBAO değerlerinin motor yüküne bağlı değişimi verilmiştir. Biyodizellerin MBAO değerleri motor yükünün artışıyla azalmıştır. En düşük MBAO değerleri biyodizel ile elde edilirken en yüksek MBAO değerleri biyodizel kullanımı ile elde edilmiştir. yakıtının MBAO değerleri %5 ve %5 yük şartları için en yüksek değerdedir. Tam yük şartlarında, deri biyodizel için MBAO değerlerinin diğer test yakıtlarına göre önemli derecede düşük olmasının ve biyodizelin MBAO nın diğer test yakıtlarına göre yüksek olamsının MBAO (kpa/ o CA) Şekil. Yüke bağlı IMEP, Pmax ve MBAO değişimi Şekil 3 de COV IMEP, Pmax ve MBAO için hesaplanmış ve motor yüküne bağlı değişimleri verilmiştir. Şekil 3 da görüldüğü üzere en düşük COV IMEP değerleri tam yük şartlarında biyodizel kullanımı ile elde edilirken en düşük COV IMEP değeri %5 yük şartlarında dizel yakıtı kullanımı ile elde edilmiştir. COV Pmax değerlerinin motor yüküne bağlı değişimi Şekil 3 de verilmiştir. 47

4 COV IMEP (%) R (IMEP, P max ) COV P max (%) R (IMEP, MBAO) COV MBAO (%) R (MBAO, P max ) Şekil 3. Yüke bağlı IMEP, P max ve MBAO çevrimsel değişim katsayısılarının değişimi Motor yüküne bağlı COV Pmax değerlerinin değişiminde belirgin bir eğilim görülmemektedir. Ancak tam yük şartlarında dizel yakıtının COV Pmax değerlerinin biyodizellere göre yüksek olduğunu görülmektedir. Bununla birlikte COV Pmax değerleri %-. aralığında değişirken COV IMEP değerlerinin %-5 aralığı gibi daha yüksek değerlerde bir değişim katsayısına sahiptir. Bu durum P max değerlerinde daha kararlı bir değişimin gerçekleştiğini göstermektedir. Şekil 3 de ise COV MBAO değerlerinin motor yüküne bağlı değişim verilmiştir. Şekil 4. Yüke bağlı IMEP, P max ve MBAO arasındaki kolerasyon katsayılarının değişimi %5 ve tam yük şartlarında biyodizel yakıtların COV MBAO değerleri dizele göre düşük elde edilmiştir. biyodizelin MBAO için çevrimsel farklılıkları %5 yükte kayda değer şekilde yüksek elde edilmiştir. Bununla birlikte tam yük şartlarında ise ester biyodizel ile Ester biyodizelin değerleri en düşük değerde elde edilmiştir. COV MBAO COV MBAO değerlerindeki değişim COV IMEP ve COV Pmax değerleri ile karşılaştırıldığında maksimum seviyededir. Motorun kararlı çalışması açısından çevrimsel farklılıkların maksimum % aşmaması istenir. %5 yük şartlarında 48

5 biyodizelin % sınırı aştığı görülmüştür. Bu duruma neden olarak diğer test yakıtlarına göre su içeriğinin, viskozite ve yoğunluğunun en yüksek olması ve setan sayısının en düşük olmasının neden olduğu düşünülmektedir. Şekil 4 de motor yüküne bağlı olarak IMEP, P max ve MBAO arasındaki kolerasyon katsayılarının değişimi verilmiştir. R(IMEP,P max ) kolerasyon katsayının biyodizellere göre bütün yüklerde en yüksek değerlerde elde edildiği Şekil 4 da açıkca görülmektedir. Kolerasyon katsayısının yüksek olması bu iki parametre arasında güçlü bir ilişkinin olduğunun bir göstergesidir. %5 yüklerde kolerasyon katsayısı bütün test yakıtları için en yüksek değerlerdedir. Şekil 4 de ise R(IMEP,MBAO) kolerasyon katsayının yüke bağlı değişimi verilmiştir. biyodizel için %5 ve %5 yük şartlarında kolerasyon katsayısının negatif bir kolerasyon katsayısı olduğu hesaplanmış ancak tam yük şartlarında ise diğer test yakıtlarına göre maksimum kolerasyon katsayısına sahip olduğu belirlenmiştir. IMEP ile P max arasındaki kolerasyon ilişkisinin IMEP ile MBAO arasındaki kolerasyon ilişkisi ile karşılaştırıldığında çok daha zayıf bir ilişkinin olduğu Şekil 4 ve den açıkca görülmektedir. Şekil 4 de ise R(MBAO, P max,) kolerasyon katsayının yüke bağlı değişimi verilmiştir. %5 yük şartları için biyodizel kullanımlarımda dizele göre bu iki parametre arasında daha güçlü bir ilişkinin olduğu görülmüştür. ve biyodizel türleri için motor yükünün artışıyla R(MBAO,P max,) kolerasyon katsayının azaldığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak yakıt özelliklerinin değişimi yanma parametreleri arasındaki ilişki üzerinde motor yükünün değişimine göre daha çok etkilediği tespit edilmiştir. SONUÇLAR Bu çalışmada 6 silindirli, 6 litre ve direk enjeksiyonlu bir dizel motorda dört farklı biyodizel ve geleneksel dizel yakıtının farklı motor yüklerinde yanma parametreleri arasındaki çevrimsel farklılıklar ve yanma parametreleri arasındaki korelasyon katsayıları hesaplanmış yakıt farkının etkisi incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda elde edilen ham sonuçlar maddeler halinde aşağıda verilmiştir. ) ile karşılaştırıldığında biyodizeller ile %5 ve tam yük şartlarında daha yüksek IMEP değerlerine ulaşılmıştır. ) En düşük MBAO değerleri biyodizel ile elde edilirken en yüksek MBAO değerleri biyodizel kullanımı ile elde edilmiştir. 3) %5 yük şartlarında COV IMEP değerindeki değişim dizel yakıtı kullanımı ile minimum, %5 yük şartlarında ise maksimum değerde edilmiştir. 4) COV Pmax değerleri %-. aralığında değişirken COV IMEP değerlerinin değişimi %-5 aralığında hesaplanmıştır. 5) COV MBAO değerlerindeki değişim COV IMEP ve COV Pmax değerleri ile karşılaştırıldığında maksimum seviyededir. 6) R(IMEP,P max ) korelasyon katsayısı biyodizellere göre bütün yüklerde en yüksek değerlerdedir. 7) IMEP ile P max arasındaki korelasyon ilişkisinin IMEP ile MBAO arasındaki korelasyon ilişkisi ile karşılaştırıldığında çok daha zayıf bir ilişki bulunduğu tespit edilmiştir. 8) Yanma parametreleri arasındaki korelasyon ilişkisi üzerinde yakıt özelliklerinin motor yükünden daha etkili bir parametre olduğu belirlenmiştir. TEŞEKKÜR Bu çalışma, 8/APP ve /37 numaralı projeler ile Kocaeli Üniversitesi ve İzmit Belediyesi tarafından desteklenmiştir. Ayrıca atık hayvansal yağ ve biyodizel temini sağlayan İstanbul Organize Sanayi, Bolu Beypiliç ve DB Tarımsal Enerji yöneticilerine teşekkür ederiz. KAYNAKLAR [] Z.H. Huang, L.X. Liu, D.M. Jiang, Y. Ren, B. Liu, K. Zeng, Study on cycle-by-cycle variations of combustion in a natural-gas directinjection engine. Proc Inst Mech Eng Part D: J Auto Eng,, , 8. [] D.A. Kouremenos, C.D. Rakopoulos, K.G. Kotsos, A stochastic experimental investigation of the cyclic pressure variation in a DI single-cylinder diesel engine, Energy Res,6, , 99. [3] A.E. Hassaneen, K.S. Varde, A.H. Bawady, A study of the flame development and rapid burn duration in a lean-burn fuel injected natural gas S.I. engine. SAE 98384; 998. [4] H.G. Zhang,X.J. Han, B.F. Yao, G.X. Li, "Study on the effect of engine operation parameters on cyclic combustion variations and correlation coefficient between the pressure-related parameters of a CNG engine"applied Energy,4,99,3. [5] Z. Xin, X. Jian, Z. Shizhuo, H. Xiaosen, L. Jianhua, The experimental study on cyclic variation in a spark ignited engine fueled with biogas and hydrogen blends, International Journal of Hydrogen Energy, 38,64-68,3. [6] C.Cinar, A.Uyumaz, H.Solmaz, F. Sahin, S. Polat, E. Yilmaz,"Effects of intake air temperature on combustion, performance and emission characteristics of a HCCI engine fueled with the blends of % n- heptane and 8% isooctane fuels",fuel Processing Technology,3,75-8,5. [7] C.R. Stone, A.G. Brown, P. Beckwith, A turbulent combustion model used to give insights into cycle-by-cycle variation in spark ignition engine combustion, London, C448/3; 47-55,99. [8] Mohamed Y.E., Selim, Effect of engine parameters and gaseous fuel type on the cyclic variability of dual fuel engines, Fuel, 84, pp , 5. [9] D.C. Rakopoulos, C.D. Rakopoulos,E.G. Giakoumis, R.G. Papagiannakis, D.C.Kyritsis, Experimental-stochastic investigation of the combustion cyclic variability in HSDI diesel engine using ethanol diesel fuel blends, Fuel, 87, , 8. [] E. Alptekin, M. Canakci, H. Sanli, Biodiesel production from vegetable oil and waste animal fats in a pilot plant, Waste Management, 34, 46-54, 4. 49