SIKIŞTIRMA ORANININ BİR DİZEL MOTORUN PERFORMANS VE EMİSYONLARINA ETKİLERİ İsmet SEZER 1 1 Gümüşhane Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, isezer@gumushane.edu.tr, 29100, Bağlarbaşı, Gümüşhane ÖZET Bu çalışmada sıkıştırma oranının bir dizel motorun performansına, yakıt tüketimine ve egzoz emisyonlarına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışma dört zamanlı, tek silindirli, değişken sıkıştırma oranlı ve direkt püskürtmeli bir dizel motoru kullanılarak yapılmıştır. Deneylerde Euro-dizel yakıtı kullanılmış ve deney motoru 1500 d/ dk sabit devir sayısında çalıştırılarak üç farklı sıkıştırma oranında (r =15, 16, 17) ve %0 100 arasında %25 artırımla beş farklı yükleme durumunda ölçümler yapılmıştır. Ölçülen değerlerden yararlanılarak efektif güç, döndürme momenti, efektif verim ve özgül yakıt tüketimi gibi performans parametreleri hesaplanmıştır. Ayrıca, deneylerde egzoz gazı analiz cihazı kullanılarak karbon monoksit (CO), hidrokarbonlar (HC), azot oksitler (NO x ) ve karbondioksit (CO 2 ) emisyonları ölçülmüştür. Çalışma sonuçları sıkıştırma oranının artırılmasının motor performansını ve yakıt tüketimini olumlu yönde etkilediğini göstermiştir. Ayrıca, sıkıştırma oranı artırıldığında azot oksitler dışındaki egzoz emisyonları da azalma meydana gelmiştir. Anahtar kelimeler: Dizel motoru, Motor performansı, Yakıt tüketimi, Egzoz emisyonları EFFECTS OF THE COMPRESSION RATIO ON THE PERFORMANCE AND EMISSIONS OF A DIESEL ENGINE ABSTRACT In this study, the effects of compression ratio on performance, fuel consumption and exhaust emissions of a diesel engine have been investigated experimentally. Experimental study was performed by a four strokes, single cylinder, variable compression ratio and direct injection diesel engine. In the experiments, Euro-diesel fuel was used and measurement was completed for three different compression ratios (r =15, 16, 17) and under five different load conditions with 25% increment between 0 100% by operating the experimental engine at 1500 rpm stable speed. Performance parameters such as power, torque, brake thermal efficiency and specific fuel consumption were determined by using measured values. Additionally, carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitric oxides (NO x ) and carbon dioxide (CO 2 ) emissions were measured by using the exhaust gas analyzer. The results of the study show that increments in compression ratio affect positively the engine performance and fuel consumption. Additionally, the emissions except for nitric oxides decrease when the compression ratio is increased. Keywords: Diesel engine, Engine performance, Fuel consumption, Exhaust emissions 1. GİRİŞ Çağımızdaki hızlı şehirleşme ve endüstrileşme sınırlı olan enerji kaynaklarının tüketimini hızlandırmakta ve çevre kirliliğinin artmasına neden olmaktadır [1, 2]. Enerji kaynaklarının daha uzun süre kullanımı ve çevrenin korunması için enerji üretimi ve dönüşümünde kullanılan sistemlerin daha verimli ve çevreci olacak şekilde geliştirilmesi zorunludur. Günümüz enerji tüketimi ve çevre kirliliği içinde motorlu taşıtlar önemli bir paya sahip olup trafiğe çıkan taşıt sayısı her geçen gün artmaktadır [3]. Taşıtlarda kullanılan içten yanmalı 592
motorların performansının iyileştirilerek yakıt tüketiminin azaltılması ve çevreci teknolojilerin uygulanması enerji kaynaklarının ve çevrenin korunmasına önemli katkı sağlayacaktır. Bu amaçla, sunulan çalışmada sıkıştırma oranının bir dizel motorunun performansına, yakıt tüketimine ve egzoz emisyonlarına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneysel çalışma Gümüşhane Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölüm Laboratuarında bulunan ve Apex Innovations firması tarafından üretilen içten yanmalı motor deney düzeneği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Şekil 1 de şematik olarak gösterilen deney düzeneğinde, dört zamanlı, tek silindirli, değişken sıkıştırma oranlı ve silindir kafası değiştirilerek benzin ve dizel motoru olarak çalıştırılabilen Kirloskar firması yapımı bir deney motoru bulunmaktadır. Deney motorunun başlıca özellikleri Tablo 1 de verilmiştir [4]. Deneylerde Euro-dizel yakıtı kullanılmış ve deney motoru 1500 d/dk sabit devir sayısında çalıştırılarak üç farklı sıkıştırma oranında (r =15, 16, 17) ve % 25 artırımla %0 100 arasında beş farklı yükleme durumunda ölçümler yapılmıştır. Ayrıca, deneylerde Capalec Cap marka egzoz gazı analiz cihazı kullanılarak karbon monoksit (CO), hidrokarbonlar (HC), azot oksitler (NO x ) ve karbondioksit (CO 2 ) emisyonları ölçülmüştür. Egzoz ölçüm cihazının resmi Şekil 2 de ve özellikleri Tablo 2 de verilmiştir [5]. Şekil 2. Egzoz ölçüm cihazı Tablo 2. Egzoz ölçüm cihazı özellikleri Şekil 1. Motor Deney Düzeneği Tablo 1. Deney motoru özellikleri Motor tipi Dizel Strok sayısı 4 Silinidir sayısı 1 Soğutma sistemi Su Sıkıştırma oranı Değişken (12-18) Enjeksiyon sistemi Direkt püskürtmeli Püskürtme avansı ( ) 0-25 (23) Devir sayısı (d/dk) 1500 Silindir çapı (mm) 87,5 Stroke uzunluğu (mm) 110 Biyel boyu (mm) 234 Parametre HC Ölçüm Aralığı 0 20000 ppm 3. BULGULAR VE İRDELEMELER Hassasiyet 1ppm CO 0 15 % 0,001 % CO 2 0 20 % 0,1 % 0 5000 NO x 1 ppm ppm O 2 %0 21,7 0.01 % Duman koyuluğu (K) 0.00 9.99 0.01 Şekil 3 de hava fazlalık katsayısının motor yüküne ve görüldüğü gibi motor yükü arttıkça hava fazlalık katsayısı azalmaktadır. Bu durum motor sabit devirde çalıştığı için emilen hava miktarı yaklaşık aynı kalmasına rağmen motor yükü arttıkça daha fazla güce ihtiyaç olduğundan silindire püskürtülen yakıt miktarının artmasından 593
kaynaklanmaktadır. Diğer taraftan tüm motor yükü durumlarında sıkıştırma oranı artıkça hava fazlalık katsayısı az miktarda artmıştır. Bunun nedeni sıkıştırma oranının artırılması sırasında ölü hacim sabit kalmasına rağmen strok hacminin bir miktar artmasıdır. Motor yüküne göre değişmekle birlikte sıkıştırma oranına bağlı olarak hava fazlalık katsayısındaki artışlar %5 22 arasında değişmektedir. sayısı sabit olduğundan yük arttıkça ihtiyaç duyulan ilave gücü silindire püskürtülen yakıt miktarındaki artış sayesinde tork artışıyla karşılaması sonucunda ortaya çıkmaktadır. Diğer taraftan sıkıştırma oranı değerleri birbirine yakın olduğundan sıkıştırma oranının artırılması torku önemli ölçüde değiştirmemiştir. Şekil 5. Torkdaki değişim Şekil 3. Hava fazlalık katsayısındaki değişim Şekil 4 de egzoz gazı sıcaklığının motor yüküne ve görüldüğü gibi motor yükü arttıkça egzoz gazı sıcaklığı artmaktadır. Bunun nedeni motor yükü arttıkça silindire sokulan yakıt ve dolayısıyla enerji miktarının artmasıdır. Diğer taraftan tüm motor yükü durumlarında genelde r=16 sıkıştırma oranı değeri için egzoz gazı sıcaklığı en düşük değerleri almış daha düşük ve yüksek sıkıştırma oranında ise egzoz gazı sıcaklığında bir miktar artış meydana gelmiştir. Bu durum sıkıştırma oranı arttıkça motorun daha verimli çalıştığını ve silindire yakıtla sokulan enerjinin daha fazla oranda faydalı işe dönüştüğünü göstermektedir. Motor yüküne göre değişmekle birlikte sıkıştırma oranına bağlı olarak egzoz gazı sıcaklığındaki azalmalar %11, artışlar ise %6 mertebelerine ulaşmaktadır. Şekil 4. Egzoz gazı sıcaklığındaki değişim Şekil 5 de torkun motor yüküne ve sıkıştırma oranına göre değişimi verilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi motor yükü arttıkça tork artmaktadır. Bu durum motorun devir Şekil 6 da motor sabit devir sayısında çalıştığı için efektif güçte de torka benzer değişimler ortaya çıkmıştır. Sıkıştırma oranına bağlı olarak güçteki artış %0,3 civarındadır. Şekil 6. Efektif güçteki değişim Şekil 7 de efektif verimin motor yüküne ve sıkıştırma oranına göre değişimi verilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi motor yükü arttıkça efektif verim artmaktadır. Bu durum yük arttıkça silindire püskürtülen yakıt enerjisinin daha fazla oranda faydalı işe dönüştürülmesinden kaynaklanmaktadır. Düşük yük değerlerinde üretilen gücün önemli kısmı motorun iç sürtünmelerini yenmek için harcandığından elde edilen faydalı iş azalmakta ve efektif verim azalmakta iken motor yükü artıkça üretilen faydalı güç artığından efektif verim de artmaktadır [6]. Yüke benzer şekilde sıkıştırma oranının artırılması da efektif verimi artırmış ancak tam yüklü durumda r=17 sıkıştırma oranı değerinde efektif verimde bir miktar düşüş meydana gelmiştir. Bunun hem motor yükü hem de sıkıştırma oranın artış sonucunda motorun zorlanması nedeniyle yanmanın bozulmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. 594
değişmekle birlikte sıkıştırma oranının artışı ile CO emisyonunda %50 ye varan azalma sağlanmıştır. Şekil 7. Efektif verimdeki değişim Şekil 8 de özgül yakıt tüketimi efektif verimin tersine motor yükü ve sıkıştırma oranı artıkça azalmaktadır. Esas itibariyle efektif verim ve özgül yakıt tüketimi birbiriyle zıt yönlü değişen parametreler olduğu için bu değişim doğaldır [7]. Başka bir ifadeyle motorun ürettiği faydalı güç artığında efektif verim artmakta ve buna bağlı olarak özgül yakıt tüketimi de azalmaktadır. Bunun sonucunda motor yükü ve sıkıştırma oranı artırıldığında özgül yakıt tüketiminde düşüş meydana gelmiştir. Motor yüküne göre değişmekle birlikte sıkıştırma oranına bağlı olarak efektif verimdeki artışlar %4 17 arasında ve özgül yakıt tüketimindeki azalmalar %2 15 arasında değişmektedir. Şekil 7. CO emisyonlarındaki değişim Şekil 10 da HC emisyonu CO emisyonundan farklı olarak artan motor yükü ve sıkıştırma oranı ile genelde artış eğilimi göstermiştir. HC emisyonu da eksik yanma ürünü olmakla birlikte genelde parçalanma reaksiyonları sonucunda ortaya çıkmaktadır [8]. Parçalanma reaksiyonlarının oluşmasına neden olan en önemli faktör ise yüksek yanma sıcaklığıdır. Şekil 4 de görüldüğü gibi motor yükü ve sıkıştırma oranını ile artan egzoz gazı sıcaklıkları aynı zamanda yanma sıcaklıklarının da göstergesidir. Buna göre motor yükü ve sıkıştırma oranının artmasıyla artan yanma sıcaklıklarının HC emisyonunun artmasına neden olduğu düşünülmektedir. Motor yüküne göre değişmekle birlikte sıkıştırma oranının artışı HC emisyonunda %27 ye varan artışa neden olmuştur. Şekil 8. Özgül yakıt tüketimindeki değişim Şekil 9 da CO emisyonunun motor yüküne ve görüldüğü gibi düşük ve yüksek motor yükü değerlerinde CO emisyonu artarken orta yüklerde azalmıştır. CO emisyonu eksik yanma ürünü olduğundan bu durum yanma verimine bağlı olarak açıklanabilir [8]. Düşük ve yüksek yük değerlerinde silindire püskürtülen yakıt verimli biçimde yanamadığından CO emisyonun artmasına neden olmakta orta yük değerlerinde ise silindire püskürtülen yakıt daha verimli yandığı için yanma verimi artmakta ve CO emisyonu azalmaktadır. Diğer taraftan tüm yük değerlerinde artan sıkıştırma oranı yanma veriminin artmasını ve dolayısıyla CO emisyonunun azalmasını sağlamıştır. Motor yüküne göre Şekil 10. HC emisyonlarındaki değişim Şekil 11 de NO x emisyonunun motor yüküne ve görüldüğü gibi NO x emisyonu artan motor yükü ile artmaktadır. HC emisyonuna benzer şekilde NO x emisyonu da parçalanma reaksiyonları sonucunda ortaya çıkmakta olup yanma sıcaklığı NO x emisyonu oluşumunda en etkili faktörlerden biridir [8]. Yukarıda açıklandığı gibi motor yükünün artmasıyla artan yanma sıcaklıkları NO x emisyonun artmasına neden olmaktadır. Benzer şekilde sıkıştırma oranının artırılması da yanma 595
sıcaklıklarını artırdığından tüm yük durumlarında NO x emisyonu artan sıkıştırma oranı ile artış göstermiştir. Motor yüküne göre değişmekle birlikte sıkıştırma oranının artışı NO x emisyonunda %90 a varan artışa neden olmuştur. 4. SONUÇLAR Sunulan çalışmada sıkıştırma oranının bir dizel motorun performansına ve egzoz emisyonlarına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmadan elde edilen bulgulara göre aşağıdaki sonuçlar özetlenebilir. Motor yükünün artırılması hava fazlalık katsayısının azalmasına neden olurken sıkıştırma oranın artırılması hava fazlalık katsayısının bir miktar artmasını sağlamıştır. Motor yükü ve sıkıştırma oranın artırılmasının genel olarak egzoz gazı sıcaklığını artırdığı söylenebilir. Tork, efektif güç ve efektif verim genelde artan motor yükü ve sıkıştırma oranı ile artarken özgül yakıt tüketimi azalmaktadır. Şekil 11.NO x emisyonlarındaki değişim Şekil 12 de CO 2 emisyonu artan motor yükü ile artmıştır. Ancak CO 2 emisyonu genelde sıkıştırma oranın r=16 değerine kadar artış göstermesine rağmen en yüksek sıkıştırma oranı değerinde motor yükünün de artmasıyla CO 2 emisyonunda bir miktar düşüş meydana gelmiştir. Esasında CO 2 emisyonu yanma işleminin tamamlanma ölçüsünün bir göstergesi olup CO 2 emisyonunun artması yanma veriminin arttığı anlamına gelir. Bu nedenle Şekil 7 de verilen efektif verim değişimi ile CO 2 değişimi paralellik göstermektedir. Diğer taraftan CO 2 emisyonu verimli bir yanmanın göstergesi olmakla birlikte küresel ısınmaya neden olan gazlar içinde ön sıralarda yer alır ve CO 2 emisyonu salınımı kanun ve yönetmeliklerle sınırlandırılmaktadır. HC, NO x ve CO 2 emisyonları genelde motor yükü ve sıkıştırma oranı ile artarken CO emisyonu orta yüklerde ve artan sıkıştırma oranı ile azalma göstermektedir. KAYNAKLAR [1]. Elkoca E., Hava Kirliliği ve Bitkiler Üzerindeki Etkileri, Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 34(4) (2003) 367 374. [2]. Karakoç T.H., Karakoç N., Erbay B., Aras H., Enerji Analizi, Anadolu Üniversitesi Yayınları, 1. Baskı, Eskişehir, 2012. [3]. Koruvatan T., Sezer İ., Koç E., Benzin Motorlarında Vuruntu Olayının İncelenmesi, CBÜ Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi 2(14) (2010) 27 40. [4]. http://www.apexinnovations.co.in/pdf/psp240.pdf, Eylül 2013. [5]. http://www.mates.com.tr/cap3200.htm, Eylül 2013. [6]. Deniz O., İçten Yanmalı Motorlar, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2008. [7]. Parlak A., Bir Diesel Motorunda Sıkıştırma Oranı Artışının Performansa Etkisi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 9(2) (2003) 171 177. [8]. Yolun E., Emisyon Kontrol Yöntemleri, Selçuk Üniversitesi, Konya, 2012. Şekil 12.CO 2 emisyonlarındaki değişim 596
597