Fındık Yağı Biyodizeli Üretimi, Yakıt Olarak Kullanımı, Performans Ve Emisyon Karakteristikleri (Hazelnut Oil Biodiesel Production, Use as Fuel, Performance and Emission Characteristics) Murat Çetin *, Oğuz Kürşat Demirci +, * Mühendislik Fakültesi, Erzincan Üniversitesi, Erzincan, Türkiye mcetin@erzincan.edu.tr + Meslek Yüksekokulu, Erzincan Üniversitesi Erzincan, Türkiye odemirci@erzincan.edu.tr Özet Bu çalışmada; alternatif yakıt olarak fındık yağından üretilen fındık yağı etil esteri ön yanma odalı dizel motorda kullanılmış motor ve emisyon performansları dizel yakıt ile karşılaştırılmıştır. Çalışmada doğal emişli, ön yanma odalı dört silindirli dizel motor kullanılmış ve motorda herhangi bir modifikasyon yapılamamıştır. Fındık yağı etil esteri test sonuçları standart dizel yakıt test sonuçları karşılaştırılmıştır. Fındık yağı biyodizeli ile dizel yakıt motor performansı açısından karşılaştırıldığında; maksimum motor momentinde %9.5 ve maksimum motor gücünde %9.3 azalma meydana gelmiştir. Dizel yakıt emisyon değerleri ile karşılaştırıldığında fındık yağı biyodizeli CO ve CO2 emisyonlarının düşük, HC, NOx ve duman emisyon değerlerinin yüksek olduğu gözlenmiştir. Biyodizel NOx emisyonları dizel yakıt NOx emisyonları ile karşılaştırıldığında %15 civarında daha yüksek olarak belirlenmiştir. Fındık yağı biyodizeli özgül yakıt tüketimi dizel yakıtı göre düşük hızda %6, orta devirde %9, yüksek hızda %12 artmıştır. Ortalama % 9,7 oranında yüksek özgül yakıt tüketimi hesaplanmıştır. Bu çalışmada; fındık yağı biyodizeli dizel motorlarında alternatif yakıt olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler Dizel motor, Alternatif yakıt, Fındık yağı biyodizeli, yanma, emisyonlar. Abstract In this study, hazelnut oil, ethyl ester as an alternative fuel produced hazelnut oil for pre-chamber diesel engine emissions performance compared with diesel fuel. The study naturally aspirated, four-cylinder diesel engine pre-chamber could not be used and any modifications to the engine. Hazelnut oil ethyl ester test results were compared with standard diesel fuel test results. Hazelnut oil biodiesel with diesel fuel in terms of engine performance compared; the maximum engine torque 9.5% and maximum engine power 9.3% decreased. Hazelnut oil biodiesel compared to diesel fuel emissions from CO and CO2 emissions lower, but HC, NOx and smoke emissions higher were observed. NOx emissions compared to diesel fuel, biodiesel NOx emissions were higher than 15%. Hazelnut oil biodiesel diesel fuel specific fuel consumption by 6% at low speed, medium speed 9%, and 12% of high-speed were calculated. Average high specific fuel consumption of 9.7% was calculated. As a result of this study, hazelnut oil, concluded that biodiesel can be used as an alternative fuel in diesel engines. Keywords Diesel engines, alternative fuel, hazelnut oil biodiesel, combustion, emissions. I. GİRİŞ büyük ölçüde ulaştırma sektörü tarafından tüketilmektedir. Dizel motorlar tüm dünyada genellikle taşıma amaçlı ağır araçlar tarafından kullanılan motorlardır ve otomobillerde de kullanımı yaygınlaşmaktadır. Fosil yakıt kaynaklarının azalması ve kullanımının çevre üzerindeki emisyon etkileri araştırmacıları yenilenebilir, temiz ve sürdürülebilir enerji sistemleri geliştirme amaçlı çalışmalara yönlendirmiştir. Bunun sonucu olarak içten yanmalı motorlar ile ilgili çalışmalar son zamanlarda alternatif yakıtlar üzerinde yoğunlaşmıştır. Ancak, dizel motorlar için alternatif yakıtlar; petrol rezervlerinin giderek azalması, yakıt fiyatları, çevre kirliliği ve artan egzoz emisyonları gibi çeşitli sosyo-ekonomik etkiler nedeniyle giderek önem kazanmaktadır. Çevre kirliliği ve enerji güvenliği biyodizel, dizel ve etanol-dizel yakıt karışımları gibi alternatif dizel yakıtlara daha fazla ilgi gösterilmektedir. Alternatif yakıt araştırmalarının iki temel sebebi; dünya petrol rezervlerindeki azalmalar ve egzoz kaynaklı önemli çevresel kirlilik sorunudur. Ayrıca ülkelerin ham petrol ithalatı azaltmak, alternatif yerel kaynaklardan yakıt talebini karşılamak ve bu sayede yeni istihdam oluşturma gibi diğer faktörlerdir. Araştırmacılar etanol veya metanol kullanılarak üretilen biyodizel kullanarak dizel motorlarda yanma ve emisyon etkilerini incelenmiştir. Yağların etanol veya metanol ve katalizör kullanılarak transesterifikasyon yöntemi ile üretilen yakıtlar biyodizel olarak adlandırılır. Dizel yakıtı olarak biodizelin avantajları az kükürt ve aromatik hidrokarbonlar içeriği, yüksek alevlenme noktası, yağlama, yüksek setan sayısı, herhangi bir metal reaksiyon yapmaması ve toksik olmayışıdır. Biyodizel tamamen petrol bazlı yakıtlar, biyoyakıt ve dizel yakıt karışımları hem çevresel hem de enerji yararları elde etmek için mevcut motorlarında kullanılabilir. 406
Yakıt olarak biyodizel kullanımı için motorda hiç modifikasyonu yapılmadan veya çok az modifikasyon ile motor çalışabilir ve özellikleri itibari ile biyodizel geleneksel dizel yakıta benzer özelliklere sahiptir. Yapılan çalışmalar ve araştırma ölçüm sonuçlarına göre biyodizel kullanımının potansiyel petrol dizel yakıt bağımlılığını azaltacağını ve hava kalitesini iyileştireceğini göstermektedir. Özellikle dizel yakıta biyodizel eklenmesiyle partikül emisyonlarında önemli azalma elde edilebilir. Biyodizel ana kaynağı olarak bitkisel yağlar, dizel yakıta göre oldukça yüksek viskoziteye ve dizel yakıta göre yaklaşık eşdeğer yoğunluğa sahiptir. Transesterifikasyon işlemi ile bitkisel yağın viskozitesi düşmekte fakat dizel yakıt ile karşılaştırıldığında transesterifikasyon işlemine rağmen, biyodizel daha yüksek viskozite ve yoğunluğa sahiptir. Yakıt viskozitesi, yakıt damlacık oluşum süreci, atomizasyon, buharlaşma ve yakıt/hava karışımlarının yanma üzerinde önemli etkileri vardır ve bu faktörler motorun performans parametreleri ve egzoz emisyon değerleri üzerinde oldukça etkilidir. Bitkisel yağ ester bazlı biyodizel dizel motorlar için yakıt olarak kullanılmaktadır. Dizel motorlarda biyodizel yakıtların kullanımı ile ilgili pek çok çalışma yapılmıştır, bu çalışmalar açıkça biyodizel kullanımı ile klasik dizel yakıt bağımlılığını azaltacağını ve hava kalitesinin arttığını göstermektedir. B20 (%20 biyodizel ve %80 dizel) kullanılan en popüler biyodizel yakıt karışımı olup, farklı ülkelerde incelenmiş ve yaygın kullanılan karışım haline gelmiştir. Biyodizel etanol ile %20 harmanlanmış karışımlı yakıt kullanıldığında CO ve NO x emisyonlarında azalma, HC emisyon değerlerinde artış olduğu gözlemlenmiştir. Biyodizel veya dizel yakıtı ile karışımları ile çalışan dizel motorların egzoz emisyonları birçok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Genellikle CO, HC ve duman emisyonlarında düşme, NO x emisyonlarında ise artış olduğu bildirilmiştir. Bu biyodizelin oksijen içeriğinden dolayı daha iyi yanma ve kirletici emisyonlarının azaltılmasını sağlarken karışımdaki oksijen içeriğinin yüksek olması sonucu NO x artmasının temel faktörü olarak gösterilmiştir (Karaosmanoglu, vd., 2000; Pramanik, 2003; Dorado vd., 2003; Kalam et al., 2003; Huzayyin vd., 2004; Cheng vd., 2008; Li vd., 2009; Murugesan vd., 2009; Mbarawa, 2010). Türkiye'nin enerji talebi son yirmi yılda ekonomik ve sosyal gelişmenin bir sonucu olarak hızla artmıştır. Diğer birçok ülke gibi, Türkiye enerji ihtiyacını karşılamak için fosil yakıtlara bağlıdır, enerji ithalatı ve ithal fosil yakıtlara olan bağımlılığının daha da artması beklenmektedir. Fosil yakıtlar ülkenin toplam birincil enerji tüketiminde yaklaşık %88 civarında bir paya sahiptir. Bugün Türkiye'nin petrol üretimi ihtiyacının %10 civarı yerli kaynaklardan geri kalan %90 civarında ithal ile sağlanmaktadır. Türkiye enerji talebi için fosil yakıtlara bağımlı olmasına rağmen, her türlü yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi için büyük bir potansiyele sahiptir. Biyo-yakıtların sürdürülebilir enerji gelişimi ile Türkiye yabancı petrole olan bağımlılığını azaltırken tarımda ürün fazlası üretimden kaynaklanan düzensizliklerinin giderilmesi, yeni istihdam olanakları yaratmak, köyden kente göç azaltmak için bir fırsat sağlayabilir. 2020 yıllarında, benzin tüketimi yaklaşık 2.5 milyon ton civarında yani bugünkü seviyelerde kalacağı tahmin edilmektedir. Ancak, motorin tüketiminin 13.9 milyon tondan (2010 yılında) 18,3 milyon ton civarına yükseleceği muhtemel görünmektedir. Türkiye biyoyakıt bitkileri üretimi için uygun tarım arazileri olan büyük bir alana sahiptir. Bugün Türkiye'nin biyodizel üretimi yılda sadece yaklaşık 60.000 ton civarındadır. Bu çalışmada, dizel yakıt olarak fındık yağı biyodizel doğrudan kullanımının değerlendirilmesi yapılmıştır. Türkiye dünyanın en büyük fındık üreticisi ülkesi olduğu için fındık özellikle Türkiye açısından önemlidir. Türkiye'de geniş bir üretim alanına sahip fındık tarımından elde edilen fındığın gıda sektöründe kullanılamayacak fındıktan yakıt amaçlı yağ üretilmesinin mümkün olması söz konusu olduğundan bu çalışma yapılmıştır. Yıllık iyi kültürel uygulama ile 2200 kg/ha verim ürün değerinin karşılığı 20 varil petrol eşdeğeridir. Türkiye'de dizel motorlarda fındık yağı biyodizel yakıtların kullanımı ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda fındık yağı metil esteri ve standart dizel yakıtı dört silindirli, turboşarjlı, direkt enjeksiyonlu bir dizel motorunda test edilmiş ve elde edilen sonuçlarına göre fındık yağı metil esterinin dizel yakıttan daha düşük CO, NO x, duman düzeyine sahip olduğu, egzoz gazı sıcaklıklarının ise benzerlik gösterdiği belirlenmiştir. Yapılan başka bir çalışmada fındık soapstock ve atık ayçiçeği yağı karışımından metil ester biyodizeli üretilmiş ve üretilen biodizel, bir dizel motorda 2 D numara dizel yakıt ile farklı oranlarda karıştırılarak değişimleri araştırılmış, düşük ve orta hızlarda karışımdaki CO emisyonları yüksek, tüm deney hızlarında CO 2 yükselirken, düşük veya yüksek deneysel hız aralığında yüksek yanma sıcaklığı ve tam yükte karışımdaki zengin oksijen içeriğinden dolayı NO x emisyonun oldukça yüksek değerlerde olduğu görüldüğü gözlemlenmiştir (Usta, vd., 2005; İçingür ve Koçak, 2006; Buyukkaya, 2010; Cetin ve Yuksel, 2007; Karabektas, vd., 2008). II. FINDIK YAĞI ETİL ESTERİ ELDE EDİLMESİ Transesterifikasyon, gliserin ve ester oluşturmak için hayvansal ya da bitkisel yağların alkol ile reaksiyonu işlemidir. Bu yöntemde reaksiyon oranını ve ürünü geliştirmek için bir katalizör kullanılır. Reaksiyon şekil 1 de görülmektedir (Ma and Hanna, 1999). Şekil 1 Alkol ile trigliseridlerin transesterifikasyonu (Ma and Hanna, 1999) 407
Transesterifikasyon işlemi bitkisel yağların viskozite, yoğunluk indirgenmesi için yaygın olarak uygulanan ve dizel yakıtı benzer bir yakıt olarak düşük viskoziteli bitkisel yağ dönüştürmek etkin bir yöntemdir. Avrupa ülkelerinin aksine Türkiye de biyodizel üretim potansiyeli olan kolza ayçiçek ve pamuk tohumu üretiminden daha az üretilmektedir. Çalışmada numune üretim için kullanılacak fındık yağı Fiskobirlik (FKB) fındık yağı fabrikası tarafından üretilen saf fındık yağı kullanılmıştır. Çalışmada; fındık yağının transesterifikasyonu ve biyodizele dönüşümünde katalizör olarak sodyum hidroksit (NaOH) kullanılmıştır. Fındık yağı etil esteri; Erzincan Üniversitesi Meslek Yüksek Okulu Motorlu Taşıtlar ve Ulaştırma Teknolojileri Otomotiv Teknolojisi Programı laboratuarında prototip biyodizel üretim sistemi kullanılarak üretilmiştir. Fındık yağı transesterifikasyon işleminde oran olarak 1.25 litre etil alkol (C 2H 5OH), katalizör olarak 50 gram sodyumhidroksit (NaOH) ve 5 litre saf rafine fındık yağı kullanılmıştır. Biyodizel üretim işleminde %99.8 saflıkta sodyumhidroksit, %95 saflıkta ve 0.79 kg/l yoğunlukta etanol, 0.910 kg/l yoğunluk ve %99.5 saf rafine fındık yağı, kullanılmıştır. Üretimin ilk aşamasında; fındık yağı 8 litre kapasiteli bir reaktörde yaklaşık 65 ºC sıcaklığa getirilmiştir. Etanol-katalizör ayrı kapta karıştırıldıktan sonra, katalizör ve etanol karışımı reaktör içinde ısıtılmış fındık yağına ilave edilerek karışım yapılmıştır. Karışım 65 ºC sabit sıcaklıkta esterleştirme işlemi için yaklaşık 1 saat süreyle karıştırılarak esterleştirme işlemi tamamlanmıştır. Esterleştirme işleminden sonra gliserin katmanı alt kısımda etil esterde kabın üst kısmında olacak şekilde iki ayrı tabaka halinde ayrışan ürünler farklı kaplara alınmıştır. Üretilen etil ester 4 saat süre ile 65 ± 1 C sıcaklıkta tutularak, reaksiyon ürünleri, bir ayırma hunisi içinde 6 saat boyunca yerçekimi altında dinlendirilmiştir. Üretim sonunda yapılan bu işlem üretilen biyodizel içinde motorlar için zararlı olabilecek yabancı maddeler, su ve artık katalizörün ayrıştırılması için önemlidir. Üretilen fındık yağı biyodizeli içindeki suyun uzaklaştırılması için 100 ºC sıcaklıkta tutularak 2 saat bekletilmiş ve tekrar 6 saat boyunca yerçekimi etkisi altında dinlendirilerek tabanda biriken su, toz ve birikintiler tabandan boşaltılmıştır. Son olarak, üretilen fındık yağı biyodizel soğumaya bırakılmış ve depolanmıştır. Biyodizel üretim süreci ve üretim düzeneği şematik olarak şekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 2 Biyodizel üretim süreci ve üretim düzeneği Üretilen fındık yağı biyodizeli ve deneysel çalışmada kullanılan fındık yağı ve motorinin özellikleri Tablo 1'de verilmiştir. Tablo 1 incelendiğinde fındık yağı biyodizeli, fındık yağı ve dizel yakıtın spesifik ağırlık ve ısıl değer açısından önemli bir farkı yoktur. Fındık yağı viskozitesi dizel yakıtın viskozitesinden 11 kat daha yüksektir ve fındık yağı alt ısıl değeri %27daha düşüktür. viskozitesi dizel yakıttan 1.75 kat yüksek, ısıl değeri ise %14 daha düşük olarak ölçülmüştür. Teknolojik açıdan bakıldığında fındık yağı biyodizelinin bir dizel motor için temel yakıt özelliklerini karşılamada yeterli olduğu görülmektedir. Bu nedenle, fındık yağı biyodizelinin alternatif yakıt olarak bir dizel motor için geleneksel dizel yakıt yerine kullanılabileceği uygun ve muhtemel görülmektedir. TABLO I ÜRETİLEN FINDIK YAĞI BİYODİZELİ, KULLANILAN FINDIK YAĞI VE MOTORİNİN ÖZELLİKLERİ Özellikler Fındık Yağı Etil Esteri Fındık Yağı Dizel Yakıtı Yoğunluk(kg/l) 0.88 0.91 0.86 Alevlenme 50-170 245 60 Noktası( C) Setan Sayısı 45-50 41-43 50 min. Kükürt(%) 0.00-0.0024 0.030 0.050 Alt Isıl 32000-33028 45390 Değeri(kJ/kg) 36000 Renk Açık yeşil Kehribar sarı Kinematik 1.9-6.6 30.97 2.9 Viskozite (mm 2 /s) Su ve Çözelti(%) 0 0 0 Kül(%) 0.01-0.02 0.004 0.001 III. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada, Erzincan Üniversitesi Meslek Yüksekokulu Otomotiv Teknolojisi Programı Dizel Motorları laboratuvarında biyodizel üretim sistemi kullanılarak transesterifikasyon yöntemi ile fındık yağı etil esteri 408
üretilmiştir. Deney düzeneği düzeni Şekil 3'de gösterilmiştir. Deneyde doğal emişli, ön yanma odalı, 2403 cm3 silindir hacimli, dört silindirli, dört zamanlı, su soğutmalı, sıkıştırma oranı 21/1 olan Mercedes-Benz OM 616 dizel motor kullanılmıştır. Katalog değerlerine göre deney motorunun maksimum momenti 2400 devirde 138 Nm, maksimum motor gücü 4200 devirde 44 kw olup deney motorunda herhangi bir değişiklik yapılmadan deneyler yapılmıştır. Basit bir mekanizma ile gaz konumu kontrol ederek motor kısmi ve tam yüklerde çalıştırılmıştır. Deney motoru her yakıt için standart koşullar sağlanacak şekilde düzenlenerek ölçümler alınmış, test süresi boyunca egzoz emisyon değerleri, yağ ve soğutma suyu sıcaklık değerleri ölçülmüştür. Eşdeğer ölçüm işlemleri motor aynı çalışma koşullarında tutarak 2 yakıt için de 3 kez tekrarlanarak yapılmıştır. Statik yakıt püskürtme avansı ÜÖN dan 20 krank açısı olarak ayarlanmış ve testler 2 farklı tip yakıt ile farklı motor hızlarında yapılmıştır. Ölçümlerde eşit deney şartlarını sağlamak için motor dizel yakıt ile 20 dakika relanti devrinde çalıştırıldıktan sonra dizel yakıt performans ve emisyon ölçümleri alınmıştır. Aynı işlem fındık yağı biyodizeli ölçümleri öncesi tekrarlanmıştır. ve fındık yağı biyodizeli emisyon ölçümlerinde; Bosch ETT008.55EU ve Bosch BEA370 gaz analizörü kullanılmıştır. CO 2 ve CO emisyonları % hacimsel, NO x ve HC emisyonları da ppm olarak ölçülmüştür. Duman emisyon ölçümü Bosch 3.011 egzoz gazı ölçüm modülü ile ölçülmüştür. Ön yanma odalı dizel motoru ile yapılan çalışmanın performans ve emisyon sonuçları, dizel yakıt ve fındık yağı biyodizel dizeli değerleri karşılaştırılarak grafikler haline dönüştürülüp analiz edilmiştir. Test cihazları üzerindeki sıcaklık ölçerler kullanılarak ortam havası ve motor giriş havası sıcaklıkları, yağlama yağı, egzoz gazı sıcaklıkları ve soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları ölçülmüştür. Cihaz üzerindeki basınçölçerler ile emme manifold basıncı, ortam basıncı ve nem ölçümü yapılmıştır. Şekil 3 Deney sisteminin şematik görünüşü IV. MOTOR PERFORMANS PARAMETRELERİNİN HESABI Motor üzerinde herhangi bir değişiklik yapılmadan deneyler yapılmıştır. Her yakıt testi için, hava ve yakıt hacimsel debileri ölçülerek yakıt tüketim oranları hesaplanmıştır. Hava/yakıt oranının stokiyometrik hava/yakıt oranı ve gerçek hava/yakıt oranı esas alınarak hesaplanmıştır. Deneysel çalışma sırasında, fren gücü (Pe), fren özgül yakıt tüketimi (be), fren ısıl verim (bte), fren ortalama efektif basıncı (bmep) gibi performans parametreleri, motor torku (Me) göre, motor devri (ne) ve yakıt tüketim oranı (ṁf) belirtilen aşağıdaki denklemler kullanılarak hesaplanmıştır. Fren gücü, Pe (kw) P e Me ne (1) 9549 Fren ortalama efektif basınçı, bmep (bar), 5 4 Me / VH 10 bmep (2) Bilindiği gibi, VH (m3) motor toplam (dört silindir) silindir hacmi. Fren özgül yakıt tüketimi,(g /kwh) cinsinden olmak üzere, B. 3. m f..10 3600 Pe (3) f f / 3600 be H. u e V. MOTOR PERFORMANSI VE EMİSYONLARI SONUÇLARI ı ve fındık yağı biyodizeli kullanılarak çeşitli motor yüklerinde motor momenti (Me), fren gücü (Pe), fren özgül yakıt tüketimi(be) ve (CO, CO 2, HC, NO x ve O 2) egzoz emisyonları grafiklere dönüştürülmüş ve karşılaştırılmıştır. Biyodizel yakıtların viskozitesi esterifkasyon işlemine rağmen dizel yakıta göre yüksektir ve bu durum motorun yakıt damlacık oluşumu, atomizasyon, buharlaşma ve yakıt/hava karışımı süreci üzerinde önemli etkileyen bir özellik ifade etmekte, performans ve emisyonlar üzerinde etkin rol oynamaktadır. A. Motor performansı Motor performansları farklı yükler altında ve hız aralığında dizel yakıt ve fındık yağı biyodizeli kullanılarak karşılaştırılmıştır. Şekil 4(a) motor momenti ve (b) fren gücü değerleri dizel ve fındık yağı biyodizeli değerlerine göre grafik olarak verilmiştir. Grafikler incelendiğinde motor hız artışı ile motor tork ve güç artışı görülmektedir. Motorun değişik yük ve hız koşullarında fındık yağı biyodizel kullanımında elde edilen motor gücü ve motor momenti genellikle dizel yakıt kullanarak ölçülen değerlerden daha düşüktür. Bu öncelikle dizel yakıtın ısıl değerinin fındık yağı biyodizeli ısıl değerinden daha yüksek olmasına bağlı olarak ifade edilebilir. Çalışmada değişik motor devirlerinde püskürtülen yakıt miktarı değiştirilmemiş, dizel yakıt ve biyodizel için enjeksiyon pompasında herhangi bir değişiklik yapılmadığından her iki yakıt için eşdeğer yakıt püskürtülmüştür. Biyodizelin ısıl değerinin dizel yakıttan düşük olmasından dolayı yani kullanılan yakıtların ısıl değer farkından dolayı üretilen moment ve güç biyodizelde daha düşük olmaktadır. Diğer sebep ise fındık yağı biyodizelinin viskozitesi dizel yakıta daha yüksek olduğundan ve eşdeğer püskürtme basıncı kullanıldığından atomizasyon iyi olmamakta, (4) 409
yanma işlemi olumsuz etkilenmekte motor momenti ve gücü düşmektedir. Maksimum tork değerleri dizel yakıtta daha yüksek ve 2250 devir/dakika civarında gözlenmiştir (Şekil 4a). 2155 devir/dakikada dizel yakıt için 138 Nm maksimum tork değeri ve fındık yağı biyodizeli için 133 Nm tork değeri ölçülmüştür. tan elde edilen motor gücü fındık yağı biyodizelinin gücüne göre daha yüksek bulunmuştur (Şekil 4b). 4200 devir/dakika motor devrinde dizel yakıt için 43 kw ve fındık yağı biyodizeli 40.3 kw n maksimum motor gücü değerleri hesaplanmıştır. Bunun sebepleri; dizel yakıtın ısıl değerinin fındık yağı biyodizelinin ısıl değerinden yüksek olması, eşdeğer kütlede yakıt püskürtülmesi ve fındık yağı biyodizeli viskozitesinin dizel yakıt viskozitesinden yüksek olmasına bağlı olarak püskürtülen yakıt tanecik boyutunun büyüklüğü ve yanmanın bu nedenle olumsuz etkilenmesinden kaynaklandığı kanaatine varılmıştır. 150 Motor Momenti (Nm) Motor gücü(kw) 125 100 50 40 30 20 10 75 50 Fındıkyağı biyodizeli Şekil 4 (a) Motor torku (b) motor gücü parametrelerinin motor devrine göre değişimi. B. Özgül yakıt tüketimi Şekil 5 te yakıtların özgül yakıt tüketimi (be) eğrileri motor devri için karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Özgül yakıt tüketimi (be) yakıtlar için orta motor hızlarında düşme eğilimi göstermiş, orta hızın üstünde motor hızı ile beraber her iki yakıt içinde artmıştır. ın ısıl değeri yüksek olduğundan doğal olarak fındık yağı biyodizeline göre özgül yakıt tüketimi daha düşüktür. Yüksek motor hızlarında bağlı olarak, sürtünme gücü artmış, buna bağlı olarak mekanik verimde düşmeye bağlı olarak motor torku ve gücünde düşme olmuştur. ı ve fındık yağı biyodizeli kullanan motor testleri sonuçları karşılaştırıldığında fındık yağı biyodizeli tüketiminin yaklaşık %10-12 daha fazla olduğunu görülmüştür. Birim güç başına tüketilen yakıt miktarının dizel yakıt ile fındık yağı biyodizel karşılaştırıldığında yakıtların ısıl değerinden kaynaklandığı şeklinde açıklanabilir. nin ısıl değerinin düşüklüğünden dolayı eşdeğer güç çıkışı elde etmek için motora enjekte edilen fındık yağı biyodizelinin artırılması gerekir. be(g/kwh) 335 315 295 275 255 235 215 195 175 Şekil 5 Yakıtlar için özgül yakıt tüketiminin motor hızına bağlı değişimi C. Egzoz gazı emisyonları Şekil 6 da farklı motor hızlarında iki yakıt için CO emisyonlarını karşılaştırmalı olarak vermektedir. En düşük CO emisyonu fındık yağı biyodizeli kullanıldığına elde edilmiştir ve tüm motor çalışma aralığında fındık yağı biyodizeli CO emisyonu daha düşüktür. nin oksijen içeriği ve dizel yakıta göre daha düşük karbon içeriğinden dolayı fındık yağı biyodizeli dizelyakıt ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha düşük CO konsantrasyonu yaymıştır. Bu nedenle, fındık yağı biyodizeli dizel motorlar için fosil yakıt yerine temiz, düşük karbon alternatif yakıt olarak kullanılabilir. CO(volume %) 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Şekil 6 Yakıtlar için CO emisyonlarının motor hızına bağlı değişimi. Şekil 7 de yakıtlar için HC emisyonları incelendiğinde orta motor hızında düşüşler, yüksek motor hızlarında artış eğilimi göstermektedir. Tüm motor devirlerinde dizel yakıta göre fındık yağı biyodizeli daha yüksek yanmamış hidrokarbon(hc) emisyonları üretmektedir. Bunun sebebi fındık yağı biyodizelinin yüksek viskozitesi ve bunun sonucunda yanmada kötüleşmeye bağlı olarak yanmamış hidrokarbonların yüksek düzeyde olmasına sebep olmuştur. Ayrıca yanmada bozulma (yüksek gizli buharlaşma ısıları gibi) neden olan faktörler artan HC üretiminden sorumlu olabilir. için CO emisyonlu dizel yakıta göre daha düşük olmasına rağmen 410
HC emisyonu yüksek olarak gözlemlenmiştir. Bunun nedeni fındık yağı biyodizelinin oksijen içeriği nedeniyle yanma odası içinde daha iyi yanma gerçekleşmesinden olduğu kanaatine varılmıştır. HC (ppm) Şekil 7. Yakıtlar için HC emisyonlarının motor hızına bağlı değişimi Şekil 8 de dizel yakıt ve fındık yağı biyodizeli için O 2 konsantrasyonları verilmiştir. O 2 emisyon değerleri dizel yakıt ile hemen hemen benzer bir eğilim göstermekte fakat fındık yağı biyodizel değerleri daha yüksek olmaktadır. Egzoz gazındaki oksijen konsantrasyon değerlerinin motor hızına bağlı değişimi incelendiğinde fındık yağı biyodizeli egzoz gazı içindeki O 2 değerinin tüm hız aralığında dizel yakıta göre daha yüksek olduğu görülebilir. O 2 değerlerinin daha yüksek olması fındık yağı biyodizeli bünyesindeki oksijen içeriği ve yanmada hava fazlalık katsayısının büyüklüğüne bağlı olarak havadaki yüksek oksijen içeriğinden kaynaklandığı kanaatine varılmıştır. Şekil 8 de O 2 değerleri ve Şekil 9 da CO 2 emisyonları içinde benzer durum söz konusudur. Bu durum fındık yağı biyodizelinin kimyasal içeriği ve yanmaya bağlı oluşan reaksiyonlar ile açıklanabilir. O2 (volume%) 66 64 62 60 58 56 18 17 16 15 14 13 12 Şekil 8 O 2 konsantrasyonlarının motor hızına bağlı değişimi değerlerinin altındadır ve bunun sebebi, fındık biyodizelinin kimyasal yapısında daha düşük düzeyde karbon olmasıdır. Diğer sebebi ise fındık yağı biyodizelinin düşük hava/yakıt oranına sahip olması olarak yorumlanabilir. Genel olarak, karbondioksit miktarı yakıtın yanmasını ve artan motor hızı ve yakıt kitlesi olan CO 2 emisyonu artışı yakıt enjeksiyon miktarı ile orantılıdır. Tam yanma için biyodizelin oksijen içermesi nedeni ile etkili yanma işlemi göstermekte ve daha düşük düzeyde CO 2 üretilmektedir. dizel yakıtı göre daha düşük CO 2 emisyon değerleri endeksine sahiptir. Bu muhtemelen fındık yağı biyodizeli yakıt/hava oranı ve hava/yakıt oranının azalmasına bağlı olarak daha düşük düzeyde CO 2 emisyon konsantrasyonu oluşmasından kaynaklanmaktadır. yakılması düşük karbon içeriği nedeniyle, dizel yakıt ile karşılaştırıldığında daha düşük CO 2 emisyon yayılmasına sebep olmaktadır. CO2 (Volume%) 8 7 6 5 4 3 2 Şekil 9 Test yakıtları için motor hızına bağlı CO 2 değişimi Şekil 10 da kullanılan tüm yakıtlar için motor devirlerine bağlı olarak duman değerlerini göstermektedir. Şekil 10 da fındık yağı biyodizeli yaklaşık 2000 motor devri civarına kadar dizel yakıtı göre daha az duman verdiği görülmektedir. 2000 devir/dakikanın üzerindeki motor hızlarında fındık yağı biyodizeli duman değeri dizel duman değerinden büyüktür. Fakat yaklaşık 3500 devir/dakika üzerindeki motor devirlerinde dizel duman değeri fındık yağı biyodizeli duman değerinin üzerine çıkmaktadır. Fındık yağı biyodizel viskozitesi veya viskoziteye göre enjektör püskürtme basıncının düşük olması duman değerlerindeki değişimler üzerinde etkili olduğu ve yanmanın bozulmasına neden olduğu kanaatine varılmıştır. 3500 devir/dakikanın üzerinde fındık yağı biyodizeli duman emisyonlarındaki düşmenin sebebi ise yüksek motor hızlarında püskürtme süresindeki azalmanın püskürtülen yakıt tanecik boyutunun küçülmesi ve küçük tanecik boyutunun yanmayı iyileştirmesi sonucunda duman değerinin düşmesini sağladığı şeklinde yorumlanmıştır. Şekil 9 de test yakıtlarının motor hızına bağlı olarak, CO2 emisyonu değişimi görülmektedir. CO2 emisyonu iki yakıt içinde motor devir artışına bağlı olarak artmıştır. CO2 değerleri tüm motor devirlerinde fındık yağı biyodizeli CO2 değerlerine göre daha yüksek değerde olmuştur. Fındık yağı biyodizeli CO2 değerleri dizel yakıt CO2 emisyon 411
Duman (BSU 1/m) Şekil 10. Yakıtlar için duman emisyon değerlerinin motor hızına bağlı değişimi Şekil 11 da tüm yakıtlar için NO x emisyonu değerleri verilmiştir. NO x emisyon değerleri tüm yakıtlar için motor hızı artışı ile azalma gözlenmiştir. Tüm motor çalışma devirlerinde fındık yağı biyodizeli NO x emisyonlarının dizel yakıt NO x emisyonlarından yüksektir. NO x emisyon değerleri tüm yakıtlar için motor hızı artışına bağlı olarak benzer düşme eğilimi gözlenmiştir. NO x oluşumu büyük oranda yüksek alev sıcaklığı ve yüksek sıkıştırma oranına bağlıdır. NO x emisyon yüksek motor hızları ve düşük hava/yakıt oranlarında düşer fakat hava fazlalık katsayısı büyük olduğunda oksijen zenginliği faktörü NO x emisyononunu artırmaktadır. Tüm motor hızları için dizel yakıt ile karşılaştırıldığında fındık yağı biyodizeli NO x emisyonlarının yaklaşık %12-18 daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu muhtemelen fındık yağı biyodizelinin nispeten dizel yakıttan daha yüksek oksijen içeriğine sahip olmasına bağlı olarak daha yüksek NO x emisyonları üretmesini sağlamıştır. Son olarak, fındık yağı biyodizelinin genellikle dizel yakıta göre tüm motor test hızlarında yüksek NO x emisyonu ürettiği gözlemlenmiştir. NOx(ppm) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 500 450 400 350 300 250 200 150 Fındıkyağı biyodizeli Şekil 11. Yakıtlar için NOx emisyon değerlerinin motor hızına bağlı değişimi Şekil 12 de farklı yakıtlar için motor devrine bağlı olarak egzoz gazı sıcaklık değerleri verilmiştir. Tüm motor hızları için fındık yağı biyodizeli egzoz gazı sıcaklıklarının dizel yakıt egzoz gazı sıcaklıklarından daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. 4350 devir/dakika motor hızında dizel yakıt için ölçülen en yüksek egzoz gazı sıcaklığı 555 o C ve fındık yağı biyodizeli egzoz gazı sıcaklığı değeri 515 o C olarak ölçülmüştür. Fındık yağı biyodizelinin egzoz gazı sıcaklığının daha düşük olmasının nedeni dizel yakıta göre bu yakıtın düşük kalorifik değere sahip olması ve setan sayısı farklılıklarndan kaynaklanmaktadır. Bunun sebeplerinin biyodizelin yüksek setan sayısı, kısa tutuşma süresi ve yanma sonu sıcaklığının bir sonucu olarak daha düşük olduğu söylenebilir. Egzoz gazı(oc) sıcak 600 500 400 300 200 100 0 Şekil 12.Yakıtların egzoz gazı sıcaklığının motor hızına göre değişimi VI. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Alternatif yakıt olarak fındık yağı biyodizelinin kullanıldığı bu çalışmada gözlemlenen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. Motor ve sistemlerinde herhangi bir değişiklik yapılmaksızın fındık yağı biyodizelinin alternatif yakıt olarak başarılı bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür. ısıl değeri dizele yakın fakat daha düşüktür. alt ısıl değerinin düşük olmasından dolayı özgül yakıt tüketimi; dizel yakıtı göre daha yüksektir. Özgül yakıt tüketimi; düşük hızda %6, orta devirli %9, yüksek hızda %12 artmıştır. Ortalama %9.7 oranında yüksek özgül yakıt tüketimi hesaplanmıştır. Motor performansı fındık yağı biyodizeli kullanıldığında; maksimum motor moment değerinde %9.5 ve maksimum motor gücü değerinde %9.3 düşme olmuştur. emisyon ile karşılaştırıldığında fındık yağı biyodizeli emisyonları CO ve CO2 dışında (HC, NOx ve duman) yüksektir. Biyodizel NOx emisyonları dizel yakıt NOx emisyonları ile karşılaştırıldığında %15 civarında daha yüksek olarak belirlenmiştir. dizel yakıta göre maliyet olarak oldukça yüksektir. Fındık bozularak gıda üretiminde kullanılamaz olduğunda ekonomik açıdan uygunluk gösterebilir. fiziksel ve kimyasal özellikleri dizel yakıt özelliklerine benzerlik göstermektedir. Bu sonuçlar ve fındık yağı biyodizeli yerel olanaklara dayanarak, fındıktan elde edilerek dizel motorlarda potansiyel bir alternatif olarak gösterilebilir. Terminoloji IDI İndirekt dizel enjeksiyon ρ Yoğunluk, kg/m3 % vol. % hacimsel BSU Bosch Duman Birimi 412
NaOH Sodyum BSU 1/m hidroksit CO Karbonmonoksit L Litre CO2 Karbondioksit º C Derece Santigrat HC Hidrokarbon Nm Newtonmetre O2 Oksijen kw Kilowatt NOx Azotoksit be Özgül yakıt tüketimi,kg/kwh kg Kilogram BTE Fren termik verim, % PPM Milyon başına bmep Fren Ortalama partikül Efektif Basıncı Pe Efektif fren Me Efektif Moment, gücü, kw Nm ne Motor devri Karabektas M., Ergen G. and Hosoz M. 2008. The effects of preheated cottonseed oil methyl ester on the performance and exhaust emissions of a diesel engine. Applied Thermal Engineering 28; 2136 2143. Ma, F., Hanna, A. M. 1999. Biodiesel production: a review, Bioresource Technology, 70;1-15 KAYNAKLAR Karaosmanoglu F., Kurt G. and Ozaktas T. 2000. Long term CI engine test of sunflower oil. Renewable Energy 19; 219 221. K. Pramanik, Properties and use of jatropha curcas oil and diesel fuel blends in compression ignition engine, Renewable Energy 28 (2003) 239 248. M.P. Dorado, E. Ballesteros, J.M. Arnal, J. Gomez, F.J. Lopez, Exhaust emissions from a diesel engine fuelled with transesterified waste olive oil, Fuel 82 (2003) 311 1315. Kalam, M.A., Husnawan M. and Masjuki H.H., 2003. Exhaust emissions and combustion evaluation of coconut oil-powered indirect injection diesel engine. Renewable Energy 28; 2405 2415. Huzayyin A.S., A.H. Bawady, Rady M.A. and Dawood A. 2004. Experimental evaluation of diesel engine performance and emission using blends of jojoba oil and diesel fuel. Energy Conversion and Management 45; 2093 2112. C.H. Cheng, C.S. Cheung, T.L. Chan, S.C. Lee, C.D. Yao, K.S. Tsang, Comparison of emissions of a direct injection diesel engine operation on biodiesel with emulsified and fumigated methanol, Fuel 87 (2008) 1870-1879. Li E., Zhi Ping Xu and Victor Rudolph. 2009. MgCoAl LDH derived heterogeneous catalysts for the ethanol transesterification of canola oil to biodiesel. Applied Catalysis B: Environmental 88;1 2, 42 49. Murugesan A., Umarani C., Subramanian R. and Nedunchezhian N. 2009. Biodiesel as an alternative fuel for diesel engines-a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 13; 653 662. Mbarawa M. 2010. The effect of clove oil and diesel fuel blends on the engine performance and exhaust emissions of a compression-ignition engine. Biomass and Bioenergy 34; 1555-1561. Usta, N., Ozturk E., Can O., Conkur E.S., Nas S., Con A.H., Can A.C. and Topcu M. 2005. Combustion of biodiesel fuel produced from hazelnut soapstock/waste sunflower oil mixture in a diesel engine. Energy Conversion and Management 46; 741 755. İçingür Y. and Koçak M.S. 2006. A Study on the performance and emission parameters of hazelnut oil methyl ester as an alternative diesel fuel. Journal of Polytechnic 9; 119-124. Buyukkaya E. 2010. Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics. Fuel 89 3099 3105. Cetin M. and F. Yuksel. 2007. The use of hazelnut oil as a fuel in pre-chamber diesel engine. Applied Thermal Engineering 27; 63 67. 413