İçten Yanmalı Motorların Doğalgazla Çalışır Hale Getirilmeleri ve Dönüştürülmüş Motorların Performans Parametrelerinin Analizi (Conversion of Internal Combustion Engines to Usage of Natural Gas and Performance Parameters Analysis of Converted Engines) Veli Çelik, Kemal Bilen, Samet Gül, İ. Engin Şeker Kemal BİLEN YILDIRIM BEYAZIT ÜNİVERSİTESİ 30.05.2013 İstanbul
2/24 Motorlu Taşıtların Çevreye Etkisi Günümüzde, hava kirliliğini meydana getiren etmenlerin başında motorlu araçlar gelmektedir. Bu hava kirliliği gün geçtikçe çevre sorunu haline gelmiş ve önümüzdeki yıllarda sera etkisi ve küresel ısınma açısından daha büyük bir sorun olacaktır.
3/24 Motorlu Taşıtların Çevreye Etkisi Tüm bu olumsuzlukların önüne geçmek için çeşitli yasal zorunluluk ve yaptırımlar yapılmasına karşın çevre kirliliği istenilen seviyede azaltılamamıştır. Bunlardan en temel yasal zorunluluk olan ise Euro Emisyon Standardı dır [24].
4/24 Motorlu Taşıtların Çevreye Etkisi Ağır ticari araçlar için standardların yıllara göre belirlediği emisyon değerleri [24].
5/24 Motorlu Taşıtlarda Alternatif Yakıtlar Azalan petrol rezervleri ve sürekli artan enerji ihtiyacı için alternatif ve yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmaktadır. Bunun için motorlarda petrol yerine bitkisel yağlar, güneş enerjisi, CNG, CPG, LNG ve LPG kullanılması özellikle çevre ve ekonomi için vazgeçilmezdir.
6/24 Motorlarda CNG (Compressed Natural Gas) Kullanımı ÜSTÜNLÜKLERİ Diğer yakıtlara göre ucuzdur. Yakıt dolum işlemi kolay ve temizdir. Bünyesinde kükürt veya organik bileşikler olmadığından doğalgaz en az kirletici oluşturur. Taşıma ve bakım maliyeti düşüktür. Taşıtlarda egzoz emisyonlarında %60-90 arası azalma sağlar. CNG 15 ⁰C da 250 bar civarında depolanmaktadır. Güvenlidir. Açık havada patlamaz. SAKINCALARI Dolum istasyonları yaygın değil ve kurulması maliyetlidir. Büyük hacimli yakıt tüpleri ile yer kaybı. Sınırlı menzil. NO x emisyon problemleri olabilmektedir. Diğer yakıt türlerindeki taşıtlara göre biraz daha pahalıdır ve dönüşüm maliyetleri yüksektir. Taşıt performansını bir miktar düşürebilir.
7/24 Dünyada ve Türkiye de Araçlarda Doğalgaz Kullanımı Bölge Ortalama Büyüme Oranı (%) Asya-Pasifik 37.8 Avrupa 16.2 Kuzey Amerika -1.2 Latin Amerika 14.8 Afrika 16.1 Tüm Ülkeler 22.9 1991-2007 yılları arasında dünya genelinde doğalgazlı araç trendi. 2002 yılından itibaren dünya genelinde doğalgazlı araç kullanımının büyüme oranı.
Dünyada ve Türkiye de Araçlarda Doğalgaz Kullanımı Ülke Araç Sayısı İran 2.859.386 Pakistan 2.850.500 Arjantin 1.900.000 Brezilya 1.694.278 Hindistan 1.100.000 Çin 1.000.000 İtalya 779.090 Ukrayna 390.000 Kolombiya 348.747 Tayland 300.581 2011 yılı itibariyle doğalgazlı araçların en fazla olduğu 10 ülke ve araç sayıları. 1991-2011 yılları arasında doğalgazlı araç sayısının bölgelere göre değişimi. 8/24
Dünyada ve Türkiye de Araçlarda Doğalgaz Kullanımı Ülke Doğalgaz Dolum İstasyonu İran 1820 Pakistan 3300 Arjantin 1902 Brezilya 1719 Hindistan 724 Çin 2120 İtalya 858 Ukrayna 324 Kolombiya 651 Tayland 458 Dünyadaki doğalgaz dolum istasyonu sayısının önümüzdeki yıllar için tahmini. Doğalgazlı araçların fazla olduğu ülkelerdeki doğalgaz dolum istasyonu sayısı. 9/24
Dünyada ve Türkiye de Araçlarda Doğalgaz Kullanımı 2011 yılı itibari ile Türkiye de bulunan doğalgazlı araç ve CNG dolum istasyonu sayıları. Ülke Doğalgazlı Araç Sayısı Dolum İstasyonu Türkiye 3,339 12 CNG' li araç sayısı CNG istasyonu sayısı Türkiye İran Diğerleri Türkiye Pakistan Diğerleri 2011 yılı itibari ile Türkiye de yaklaşık 12 371 718 araç mevcuttur. Bunların sadece 3 339 adedi doğalgazlıdır. Yani Türkiye deki doğalgazlı araçların toplam araç sayısına oranı % 0.03 e karşılık gelmektedir. Bu değerler Pakistan da % 63.6, İran da % 18.48, Arjantin de ise % 15 şeklindedir. 10/24
11/24 Araçların CNG ye Dönüşümü Araçların doğalgaza dönüşümünde kullanılan parçaların genel görünümü. Doğalgaz araçlarda Otto Çevrimi ile kullanılabilmektedir. Benzinli motorlar için dönüşüm, tıpkı LPG ye dönüşümdeki gibidir. Benzinli ve dizel motorlarda çift yakıtlı karışım olarak kullanılabilir. Dizel yakıtlarda tek yakıtlı doğalgaz dönüşümü için motor, Otto Çevrimi ne dönüştürülür ve yakıt olarak motorda sadece doğalgaz kullanılır.
12/24 Araçların CNG ye Dönüşümünde Motor Uyarlamaları Doğalgaza dönüşümde enjektör yuvaları genişletilerek enjektörlerin yerine bujilerin yerleştirilmesi ve supap yataklarının yenilenmesi [12].
13/24 Araçların CNG ye Dönüşümünde Motor Uyarlamaları Bir dizel motorda doğalgaza dönüşüm sırasında pistonda yapılan değişiklikler.
14/24 Araçların CNG ye Dönüşümünde Motor Uyarlamaları Bir dizel motorun doğalgaza dönüşümündeki aşamalar.
15/24 Pistonda Yapılan Değişiklikler d 3 : Pistonda oluşturulan silindirik hacmin çapı (mm) h 3 : Pistonda oluşturulan silindirik hacmin yüksekliği (mm) k : Özgül ısılar oranı (c p /c v ) V 1 : Piston alt ölü noktada iken yanma odası hacmi (mm 3 ) V 2 : Piston üst ölü noktada iken yanma odası hacmi (mm 3 ) V 3 : Dönüşüm için pistonun üst kısmında oluşturulan hacim (mm 3 )
16/24 Pistonda Yapılan Değişiklikler İçin Hesaplamalar Sıkıştırma oranı AÖN ve ÜÖN deki hacimler oranı şeklinde yazılabilir. V1 V V 2 2 (1) Burada V 1 ve V 2 aşağıdaki gibi yazılabilir. V V 2 3 50 120 942 mm 2 1 r h 478 2 3 50 x 7 x mm 2 2 r x 854 (2) (3) Sıkıştırma oranının 17 olması durumu için yukarıdaki hacim değerleri Denklem 1 de yerine yazıldığında; 942 478 7854 x 17 x 7854 x 7.5 mm (4) Böylece ; V2 7854 x 58 905 mm 3
17/24 Pistonda Yapılan Değişiklikler Bu durumda sıkıştırma oranını 17 den 11 e düşürmek için şekildeki gibi bir V 3 hacmi oluşturulması gerekir. Bu hacim aşağıdaki gibi hesaplanır. d V1 V2 V V V 2 3 3 (5) 942 478 58905 V3 11 V3 35342. 8 mm 58905 V V 3 d 2 3 2 h 3 3 3 (6) (7) Eğer d 3 =50 mm seçilip 7 numaralı denklemde yerine yazılırsa, h 3 = 18 mm bulunur.
18/24 td 1 1 k1 Pistonda Yapılan Değişiklikler Ayrıca Denklem 8 den de görüleceği üzere, dizel motorlarda Ø >1 ve k>1 olduğundan, ön genişleme oranı olan Ø nin artmasının, motorun teorik ısıl verimini düşüreceği açıktır. k 1 k 1 (8) Çift yakıt ile çalışır hale dönüştürülmüş bir dizel motorda ise teorik ısıl verim ifadesi; tdd 1 1 k1 d k d 1 k d 1 (9) Dönüştürülmüş motorun ön genişleme oranı aşağıdaki gibi tanımlanabilir. d V 2 V ' 3 V 3 (10)
19/24 Dönüştürülmüş Motorların Yakıt Tüketimi Kategoriler Benzin Dizel CNG LPG Hızlanma (0 100 km/h) süresi (s) 12 14 12 11 Yakıt tüketimi (dm 3 /100 km) 6.9 6.0 29.4 7.6 57 litrelik bir tank ile menzil (km) 820 935 205 755 Yakıt doldurma süresi (s) 120 120 300 300 Aynı tür motorun değişik yakıt türlerindeki performans değerleri [10]. Motor cinsi Alınan toplam yol (km) Tüketilen toplam yakıt miktarı (kg) Tüketilen yakıt miktarı Toplam CO 2 emisyonu (kg) Maliyet ( ) Raba Man dizel motoru 37.5 14.19 44 (l/10 km) 45.08 182.6 Nonox doğalgaz motoru 37.5 14.33 56.2 (m 3 /100 km) 38.80 118.02 Aynı mesafede eşdeğer motorların çeşitli parametreler açısından incelenmesi [15].
Güç [kw] 20/24 Dönüştürülmüş Motorların Performans Analizi 50 40 30 Motor devir sayısı - Motor gücü değişimi 20 10 0 1200 1500 1800 2000 2200 Devir sayısı [d/dk] Dizel motor Doğalgaza dönüştürülmüş motor Motor cinsine bağlı olarak devir sayısının motor gücüne etkisi [16].
21/24 Dönüştürülmüş Motorların Egzoz Emisyonu Analizi Motor cinsinin sırasıyla CO, CO 2, HC ve PM emisyonu üzerindeki etkisi [16].
22/24 Dönüştürülmüş Motorların Egzoz Emisyonu Analizi Yakıt türü CO (g/km) HC (g/km) NO x (g/km) PM (g/km) CO 2 (g/km) Soğuk Sıcak Soğuk Sıcak Soğuk Sıcak Soğuk Sıcak Ortalama Benzin 1.97 0.45 0.27 0.10 0.18 0.13 0.011 0.004 221 LPG 1.01 0.53 0.15 0.09 0.15 0.10 0.006 0.006 202 CNG 0.36 0.34 0.37 0.17 0.17 0.14 0.011 0.003 196 Dizel 0.68 0.49 0.12 0.09 0.78 0.74 0.085 0.074 232 Çeşitli yakıt türlerinin motorun sıcak ve soğuk durumuna göre emisyonlar açısından mukayesesi [10].
23/24 CNG Tankları ve CNG İstasyonlarında Emniyet Tedbirleri CNG tanklarının dayanım testleri aşağıdaki aşamalardan oluşur. En zorlu koşullarda bile tankların tahrip olmaması beklenir.
24/24 CNG İstasyonu İle İlgili Emniyet Tedbirleri I. Tesisat II. Tesisat/yer Mesafe (m) I. Tesisat II. Tesisat/yer Mesafe (m) CNG dispenseri LPG dispenseri 6 CNG deposu Yol sınırı 5 CNG dispenseri Akaryakıt pompası 6 CNG deposu Demiryolu sınırı 15 CNG dispenseri LPG tankı 6 CNG deposu Komşu parsel sınırı 5 CNG dispenseri Akaryakıt tankı 6 CNG deposu İdari bina 5 CNG dispenseri CNG deposu 3 CNG deposu Açık ateş kaynağı (lokanta, jeneratör vb.) 15 CNG dispenseri CNG kompresörü 3 CNG deposu Okul, cami, hastane 50 CNG dispenseri Yol sınırı 5 CNG deposu Poliklinik, dershane vb. 25 CNG dispenseri Demiryolu sınırı 15 CNG kompresörü LPG dispenseri 6 CNG dispenseri Komşu parsel sınırı 5 CNG kompresörü Akaryakıt pompası 6 CNG dispenseri İdari bina 5 CNG kompresörü LPG tankı 6 CNG dispenseri Açık ateş kaynağı (lokanta, jeneratör vb.) 15 CNG kompresörü CNG dispenseri 6 CNG dispenseri Okul, cami, hastane 50 CNG kompresörü LPG tankı 6 CNG dispenseri Poliklinik, dershane vb. 25 CNG kompresörü Akaryakıt tankı 6 CNG deposu LPG dispenseri 6 CNG kompresörü CNG deposu 3 CNG deposu Akaryakıt pompası 6 CNG kompresörü Yol sınırı 5 CNG deposu CNG dispenseri 3 CNG kompresörü Demiryolu sınırı 15 CNG deposu LPG tankı 6 CNG kompresörü Komşu parsel sınırı 5 CNG deposu Akaryakıt tankı 6 CNG kompresörü İdari bina 5 CNG deposu CNG kompresörü 3 CNG kompresörü Açık ateş kaynağı (lokanta, jeneratör vb.) 15 * Kompresör ile CNG deposu, 1000 std m 3 e kadar uygun havalandırma ile aynı ortamda bulunabilir. ** CNG dispenserleri arasındaki mesafe, dolum işlemine uygun olacak şekilde ayarlanacaktır. *** Arsa sınırında, CNG deposunun bulunduğu kısımda yangına en az 2 saat dayanıklı yangın duvarı olacaktır. **** CNG deposu ile ilgili mesafeler, maksimum depo kapasitesi 10 000 lt su hacmi ve 250 bar (gage) basınç şartları için geçerlidir. CNG deposu grupları arasındaki mesafe olmalıdır. CNG ikmal istasyonları için çeşitli birimlerle aralarındaki gerekli emniyet mesafeleri [18].
DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİZ! SORULAR?