DÜŞÜK GÜÇLÜ BİR DİZEL MOTORDA ATIK BİYODİZEL KULLANIMININ MOTOR PERFORMANS VE EMİSYONLARINA ETKİSİ Samet Çat 1, Mustafa Aydın 2, Samet Uslu 3, Mustafa Bahattin Çelik 4, Bülent Özdalyan 5 sametcat@karabuk.edu.tr Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Karabük Türkiye 2 maydin@karabuk.edu.tr Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü Karabük TÜRKİYE 3 sametuslu@karabuk.edu.tr Karabük Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü Karabük TÜRKİYE 4 mcelik@karabuk.edu.tr Karabük Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü Karabük TÜRKİYE 5 bozdalyan@karabuk.edu.tr Karabük Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü Karabük TÜRKİYE ÖZET Bu çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, direkt püskürtmeli düşük güçlü bir dizel motorda atık yağlardan elde edilen biyodizelin kullanımının motor performans ve emisyonlarına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Testlerde motor; B0 (saf dizel yakıtı), B50 (%50 dizel + %50 biyodizel) ve B100 (%100 biyodizel) deney yakıtları ile sabit bir motor hızında (2800 1/ min) ve farklı motor yüklerinde test edilmiştir. Deneysel verilere bakıldığında, biyodizel kullanımı ile motor performansında önemli ölçüde kayıp olmadan hidrokarbon (HC), karbonmonoksit (CO) ve is emisyonlarının azaldığı gözlemlenmiştir. B100 yakıtının kullanımı ile dizel yakıta kıyasla azotoksit (NO x) emisyonunda %13 oranında artış tespit edilirken, HC, CO ve is emisyonlarında sırasıyla %23, %13 ve %20 oranlarında azalma tespit edilmiştir. Bununla birlikte özgül yakıt tüketimi (ÖYT) %11 oranında artış göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Biyodizel, alternatif yakıt, atık yağ, dizel motor. THE EFFECT OF USING WASTE BIODIESEL ON LOW POWERED DIESEL ENGINE ON ENGINE PERFORMANCE AND EMISSIONS ABSTRACT In this study, effect of using biodiesel on a single cylinder, four stroke, direct injection diesel engine as an alternative fuel, which was generated from waste oil on engine emissions and performance was investigated experimentally. In experiments, engine was tested with B0 (pure diesel fuel), B50 (50% diesel + 50% biodiesel) and B100 (100% biodiesel) test fuels at constant engine speed (2800 l / min) and different engine loads. Experimental data shows that hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO) and smoke emissions are reduced without significant loss in engine performance with the use of biodiesel. With the use of biodiesel, HC, CO and smoke emissions were decreased about 23%, 13% and 20%, respectively while NO x emissions increase about 13% compared to diesel fuel. However, specific fuel consumption (SFC) increased by 11%. Key Words: Biodiesel, alternative fuels, waste oil, diesel engine. 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Fosil yakıt rezervlerinin azalması ve dünya emisyon standartlarının katılaşması nedeniyle içten yanmalı motorlarda fosil yakıtlara alternatif oluşturabilecek yeni yakıtların ortaya çıkartılması günümüzde başta gelen problemler arasında yer almaktadır [1]. Dizel motorlarda en çok kullanılan alternatif enerji kaynaklarından biri de bitkisel, hayvansal ve atık yağlardan üretilen biyodizeldir [2]. Biyodizelin hammaddesi bitkisel yağlar olup bunların içten yanmalı motorlarda kullanımı dizel motorun icadına dayanmaktadır. Dizel motoru icat eden Rudolf Diesel 1900 yılında dizel motoru fıstık yağı ile çalıştırarak sergilemiştir [3]. Biyodizel dizel ile kıyaslandığında birçok avantaja sahiptir. Sülfür ve aromatik içermez, %10-12 ağırlığında oksijen içerir [4]. Maliyetinin düşük olması sebebi ile tercih sebebi olan atık yağlardan biyodizel üretimi ayrıca çevreye olumsuz etkileri bulunan atık yağların ortadan kaldırılmasını da sağlamaktadır. Dizel motorlarda başlıca emisyonlar NO x, CO, karbondioksit (CO 2), HC ve is emisyonlarıdır. Biyodizel fosil yakıtlara kıyasla daha düşük emisyon değerlerine sahiptir [5]. Bu 007
azalmanın en önemli sebebi biyodizelin içeriğindeki oksijendir. Oksijen miktarı arttıkça yanma kalitesi artmaktadır [6]. Bitkisel yağların motorlarda alternatif yakıt olarak değerlendirilmesi önceleri doğrudan kullanım şeklinde olmuştur. Ancak, bitkisel yağların dizel yakıtına yakın setan sayısı ve ısıl değer gibi avantajlarının yanında yüksek viskozite, düşük uçuculuk ve yüksek doymamış hidrokarbon oranı gibi dezavantajları bulunmaktadır [7]. Bu nedenle atık yağlar dizel yakıtı ile belirli oranlarda karıştırılarak seyreltilmekte veya çeşitli yöntemlerle viskozitesi düşürülmektedir [8]. Atık biyodizel, dizel motorlarda herhangi bir değişik yapmadan kullanılabilen bir yakıt türüdür. Son yıllarda kullanımı artmakla birlikte bu konuyla ilgili çok sayıda çalışma mevcuttur [9-18]. 2. MATERYAL VE YÖNTEM (MATERIAL AND METHOD) 2.1. Yakıtlar (Fuels) Deneylerde Tablo 1 de özellikleri verilen dizel yakıt, atık yağlardan elde edilen biyodizel ve bunların karışımları kullanılmıştır. Homojen bir karışım olması amacıyla yakıt karışımları deneyler esnasında hazırlanmıştır. Tablo 1. Kullanılan yakıtların özellikleri Özellik Motorin Biyodizel Yoğunluk (kg/m 3 ) 828 889 Kinematik Viskozite (mm 2 /s) 2,6 5,0 Isıl Değer (kj/kg) 42640 39576 Parlama Noktası ( o C) 60 163 Setan Sayısı 56,5 60,4 2.2. Deney Düzeneği ve Yöntem (Test Bed and Method) Bu deneysel çalışmada, tek silindirli dizel motorda farklı motor yükünde, sabit motor devrinde, dizel yakıt, biyodizel ve biyodizel-dizel yakıt karışımlarının kullanımının egzoz emisyonları ve motor performansına etkileri incelenmiştir. Deneylerde, tek silindirli, 4 zamanlı, hava soğutmalı Katana marka dizel motor kullanılmıştır. Deney düzeneğinin şematik görüntüsü Şekil 1 de, deney motorunun teknik özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. 1. Motor 2. Elektrikli Dinamometre 3. Yük hücresi (Load Cell) 4. Hız sensörü 5. Kuvvet göstergesi 6. Egzoz Borusu 7. İs Ölçüm Cihazı 8. Egzoz Emisyon Gaz Analiz Cihazı 9. Yakıt Ölçme Düzeneği 10. Yakıt Deposu 11. Kontrol Paneli 12. Hız göstergesi 13. Yükleme Anahtarı 14. Marş Anahtarı 15. Termometre Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görüntüsü Tablo 2. Deney motorunun özellikleri Model Katana 178 Tip Çap x Strok 4 zamanlı 78 mm x 62 mm Hacim 296 cm 3 Silindir sayısı 1 Sıkıştırma oranı 18,5/1 Yakıt sistemi Direk püskürtmeli Soğutma sistemi Hava soğutmalı Püskürtme avansı 23 o Püskürtme basıncı 200 bar Deneylerde motorun yüklenmesi Kemsan marka, maksimum hızı 4000 d/d ve 10 kw gücünde bir elektrikli dinamometre ile yapılmıştır. Dinamometre kontrol ünitesi ise motora ilk hareket verilmesi ve motorun istenilen devirde hassas olarak yüklenmesi için kullanılmaktadır. Deney anında motor yükte çalışır haldeyken dinamometreye 0.25 m uzaklıkta bulunan load cell den motor momenti hesaplanmasında kullanılacak olan kuvvet değeri okunmuştur. Yakıt tüketimi ölçümü 1 g hassasiyete sahip hassas terazi ve 1 salise hassasiyetindeki kronometre kullanılarak kütlesel yöntem ile yapılmıştır. Yakıt deposunda 10 gr yakıtın ne kadar sürede tüketildiği hesaplandı ve kg/saat cinsine çevrilmiştir. Egzoz 008
emisyonlarının ölçümü için Tablo 3 de özellikleri verilen ve NO x, CO 2, CO, HC, λ (hava fazlalık katsayısı) ve O 2 değişkenlerini ölçebilen MRU DELTA 1600L model egzoz emisyon ölçme cihazı kullanılırken egzoz gaz sıcaklığı ölçümü için K tipi termokupl kullanılmıştır. Tablo 3. Egzoz gaz analiz cihazı teknik özellikleri. Değişkenler Ölçüm Aralıkları Duyarlılık Oksijen (%) 0-25 ± 0,1 Karbon monoksit (%) 0-15 ± 0,01 Yakıt karışım oranının ve motor momentinin değişiminin efektif verim üzerindeki Şekil 3 de verilmiştir. Şekilden de anlaşılacağı üzere 9,2 Nm moment değerine kadar efektif verim artmış ve bu değerden sonra azalma eğilimi gözlemlenmiştir. Biyodizel yapısında bulunan oksijenden dolayı yanma odası içerisinde daha homojen bir hava-yakıt karışımı oluşmasına yardımcı olarak verimin artmasını sağlamıştır. Ancak yüksek moment değerlerinde hava-yakıt oranının azalması nedeniyle azalma eğilimi göstermiştir. B100 yakıtı ile 9,2 moment değerinde dizel yakıta kıyasla yaklaşık %8.2 lik bir artış sağlanmıştır. Karbon dioksit (%) 0-20 ± 0,01 Hidrokarbon (ppm) 0-20000 ± 12 Azot oksit (ppm) 0-4000 ± 5 Duman Koyuluğu (%) 0-99 ± 2 Motor ayarları kontrol edildikten ve motor çalışma sıcaklığına geldikten sonra deneylere başlanmış olup motor sabit motor devrinde (2800 d/d) ve farklı motor yüklerinde (3,06, 6,13, 9,2, 12,26 Nm), biyodizel, dizel ve B50 yakıtı ile çalıştırılarak egzoz emisyonları, egzoz gaz sıcaklığı, yakıt tüketimi ve kuvvet ölçümü yapılmıştır ve motor kararlı hale geldikten sonra veriler kaydedilmiştir. 3. DENEYSEL SONUÇLAR (EXPERIMENTAL RESULTS) Deneylerde kullanılan B0, B50 ve B100 yakıtlarının ve moment değişiminin özgül yakıt tüketimine (ÖYT) Şekil 2 de verilmiştir. Moment değeri yükseldikçe orta yüklerde yanma iyileştiği için özgül yakıt tüketimi de azalmıştır ancak tam yük durumunda hava/yakıt oranı azaldığından dolayı ÖYT tekrar artış göstermiştir. Şekilden de anlaşılacağı üzere tüm moment değerlerinde en düşük ÖYT değerleri B0 yakıtıyla sağlanmıştır. Momentin 3,06 Nm olduğu durumda B100 yakıtının ÖYT si B50 den %6, B0 dan %14 fazla çıkmıştır. Biyodizelin alt ısıl değerinin dizele kıyasla düşük olmasından dolayı yakıt karışımı içerisindeki biyodizel oranı arttıkça ÖYT değerleri yükselmiştir. Şekil 2. Motor yükünün ve karışım oranının efektif verime Şekil 4 incelendiğinde yakıt karışımı içerisindeki biyodizel oranı arttıkça da NO x emisyonunun arttığı gözlenmektedir. Bunun sebebi biyodizelin içerisindeki oksijendir. Oksijen miktarının fazlalığı yanma sonu sıcaklığının yükselmesine, dolayısıyla yüksek sıcaklık yle oluşan NO x emisyonunun artmasına sebep olmaktadır. Motor yükünün artması da yanma sonu sıcaklığını arttırdığından dolayı tüm yakıtlarda NO x miktarının arttığı görülmektedir. Motor yükü 3,06 Nm iken B100 yakıtının kullanımı ile B0 ve B50 yakıtına kıyasla NO x emisyonundaki artış sırasıyla yaklaşık %23 ve %10 dur. Motor yükü 12,26 olduğunda ise bu artış sırasıyla %18 ve %7 olarak elde edilmiştir. Şekil 3. Motor yükünün ve karışım oranının NO x emisyonuna Şekil 1. Motor yükünün ve karışım oranının ÖYT ye Şekil 5 te farklı yakıtların ve motor yükü değişiminin HC emisyonuna görülmektedir. HC emisyonunun oluşum nedeni yetersiz sıcaklık ve oksijenden dolayı eksik yanma oluşmasıdır. Şekil 5 incelendiğinde motor yükünün 009
artmasıyla birlikte HC emisyonları da artmıştır. Bunun sebebi artan yük ile birlikte hava/yakıt oranının artmasıdır. Diğer taraftan yakıt karışımındaki biyodizel oranı arttıkça HC miktarı azalmıştır. Çünkü biyodizel karbon miktarı düşük, oksijen miktarı yüksek bir yakıttır. 3,06 Nm moment değerinde B100 yakıtı ile B0 ve B50 yakıtlarına kıyasla sırasıyla yaklaşık %38 ve %17 azalma sağlanmıştır. Tam yükte ise B100 yakıtının kullanımı ile oluşan HC emisyonu B0 ve B50 yakıtlarından sırasıyla %23 ve %11 daha azdır. birlikte tüm moment değerlerinde is emisyonunda azalma meydana gelmiştir. 12,26 Nm moment değerinde B100 yakıtındaki is emisyonu B0 ve B50 yakıtından sırasıyla yaklaşık %17 ve %6 daha düşüktür. Bunun sebebi biyodizel içerisinde oksijen miktarının dizel yakıta kıyasla daha yüksek olmasıdır. Şekil 6. Motor yükünün ve karışım oranının is emisyonuna Şekil 4. Motor yükünün ve karışım oranının HC emisyonuna. Motor yükünün ve yakıt karışımı içerisindeki biyodizel miktarının değişiminin CO emisyonuna Şekil 6 da verilmiştir. Motor yükü arttıkça hava/yakıt oranı azalmakta ve oksijen yetersizliği yani eksik yanma durumu ortaya çıktığı için CO miktarı da artmaktadır. 3,06 Nm motor yükünde B100 yakıtının kullanımı ile oluşan CO emisyonu B0 ve B50 yakıtına göre sırasıyla %29 ve %17 azalmıştır. Motor yükü arttırılarak 12,26 Nm değerine ulaştığında B100 yakıtındaki CO emisyonu B0 ve B50 yakıtından sırasıyla %15 ve %6 daha az çıkmıştır. Bu azalmanın nedeni biyodizelin yapısında bulunan oksijen ve biyodizelin hidrojen/karbon oranının dizel yakıta oranla yüksek olmasıdır. B0, B50 ve B100 yakıtlarının egzoz gazı sıcaklıklarının motor momentine bağlı olarak değişimi Şekil 8 de verilmiştir. Motor momentinin artması ile birlikte tüm yakıtlarda egzoz gaz sıcaklıkları da artmıştır. Biyodizel kullanımı ile birlikte EGS düşüş göstermiştir. Karışım içerisindeki biyodizel miktarı arttıkça düşüş fazlalaşmıştır. Bunun sebebi; dizel yakıta kıyasla daha uçucu olan biyodizel yakıtının buharlaşırken çevresinden ısıyı çekerek soğutma oluşturmasıdır. 12,26 Nm moment değerinde B100 yakıtının kullanımı ile B0 yakıtına kıyasla %5,8 azalma sağlanmıştır. Şekil 7. Motor yükünün ve karışım oranının egzoz gaz sıcaklığına Şekil 5. Motor yükünün ve karışım oranının CO emisyonuna İs emisyonlarının değişimi Şekil 7 de verilmiştir. Yanma odasına alınan havanın yetersiz olmasından dolayı yetecek kadar oksijen bulamayan karbon tanecikleri is emisyonunu artırmaktadır. Şekil 7 ye bakıldığında moment artışı ile birlikte motora gelen yakıt miktarı da arttığından is emisyonu artmaktadır. Biyodizel-dizel karışımlarının kullanımı ile 4. TARTIŞMA VE SONUÇLAR (DISCUSSION AND RESULTS) B0, B50 ve B100 yakıtları ile yapılan deneyler motor performansı açısından değerlendirildiğinde; B100 yakıtı kullanımında B0 yakıtına oranla ÖYT yaklaşık %15, B50 yakıtına kıyasla %5 daha yüksektir. CO, HC ve is emisyonlarında biyodizel yakıtının kullanımı ile dizel yakıtına göre daha düşük değerler ölçülmüştür. B100 yakıtı ile is, CO ve HC emisyonları B0 yakıtına oranla sırasıyla yaklaşık %17, %15 ve %23, B50 yakıtına oranla %6, %6 ve 010
%11 azalırken, NO x emisyonları B100 yakıtı ile daha yüksek çıkmıştır. B100 ile birlikte NO x emisyonundaki artış B0 a göre %18, B50 ye göre %7dir. Biyodizel yakıtının dizel motor üzerinde hiçbir değişiklik yapılmadan saf halde ve dizel yakıtı ile karıştırılarak kullanılabileceğini deney sonuçları göstermiştir. Biyodizel yakıtının HC, CO ve is emisyonları bakımından dizel yakıta göre daha düşük emisyon değerleri verdiği ancak NO x emisyonu bakımından değerlerin daha yüksek olduğu görülmüştür. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] http://www.atikyonetimi.kadikoy.bel.tr/files/atikyag_s unum_2013.pdf. [2] Çelik M., Solmaz H., Yücesu H.S., Examination of the effects of n-heptan addition to cotton methyl ester on the engine performance and combustion characteristics, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 30 (3), 361-369, 2015. [3] İlkılıç C., Çılgın E., Aydın H., Terebinth oil for biodiesel production and its diesel engine application, J. Energy Inst., 88, 292-303, 2015. [4] Alptekin, E. Çanakcı, M., Determination of the Density and the Viscosities of Biodiesel Diesel Fuel Blends, Renewable Energy, Cilt 33, 2623-2630, 2008. [5] No, S.Y., Inedible vegetable oils and their derivatives for alternative diesel fuels in CI engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt 15, 131-149, 2011. [6] A. Demirbaş, Importance of biodiesel as transportation fuel, Energy policy, cilt 35, no. 9, pp. 4661-4670, 2007. [7] Shahabuddin M., Liaquat A.M., Masjuki H.H., Kalam M.A., Mofijur M., Ignition delay, combustion and emission characteristics of diesel engine fueled with biodiesel, Renewable Sustainable Energy Rev., 21, 623-632, 2013. [11] S. H. Hosseini, A. T. Alisaraei, B. Ghobadian, A. A. Mayvan, Performance and emission characteristics of a CI engine fuelled with carbon nanotubes and dieselbiodiesel blends, Renewable Energy, 111, 201-213, 2017. [12] O. A. Elsanusi, M. M. Roy, M. S. Sidhu, Experimental Investigation on a Diesel Engine Fueled by Diesel- Biodiesel Blends and their Emulsions at Various Engine Operating Conditions, Applied Energy, 203, 582 593, 2017. [13] O. Can, E. Oztürk, H. S. Yücesu, Combustion and exhaust emissions of canola biodiesel blends in a single cylinder DI diesel engine, Renewable Energy, 109, 73-82, 2017. [14] A. Sharma, S. Murugan, Effect of blending waste tyre derived fuel on oxidation stability of biodiesel and performance and emission studies of a diesel engine, Applied Thermal Engineering, 118, 365 374, 2017. [15] F. Aydın, H. Ogüt, Effects of using ethanol-biodieseldiesel fuel in single cylinder diesel engine to engine performance and emissions, Renewable Energy, 103, 688-694, 2017. [16] Y. H. Tan, M. O. Abdullah, C. N. Hipolito, N. S. A. Zauzi, G. W. Abdullah, Engine performance and emissions characteristics of a diesel engine fueled with diesel-biodiesel-bioethanol emulsions, Energy Conversion and Management, 132, 54-64, 2017. [17] Solaimuthu C, Ganesan V, Senthilkumar D, Ramasamy KK., Emission reductions studies of a biodiesel engine using EGR and SCR for agriculture operations in developing countries, Applied Energy,138: 91-98, 2015. [18] R. Behçet ve A. V. Çakmak, Bir dizel motorda yakıt olarak kullanılan balık yağı metil esteri karışımlarının motor performans ve emisyonlarına, 6th International Advanced Technologies Symposium, Elazığ, 2011. [8] Zhang, J., Chen, S., Yang, R. Yan, Y., Biodiesel production from vegetable oil using heterogenous acid and alkali catalyst, Fuel, Cilt 89, 2939-2944, 2010. [9] H. K. Patel ve S. Kumar, Experimental analysis on performance of diesel engine using mixture of diesel and bio-diesel as a working fuel with aluminum oxide nanoparticle additive, Thermal Science and Engineering Progress, 4, 252 258, 2017. [10] V. Ayhan ve S. Tunca, Experimental investigation on using emulsified fuels with different biofuel additives in a DI diesel engine for performance and emissions, Applied Thermal Engineering, 129, 841 854, 2018. 011