5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye FINDIK YAĞI VE D2 YAKITI KARIŞIMININ PERFORMANS VE EMİSYONUNA SERAMİK KAPLAMANIN ETKİLERİ THE EFFECTS OF CERAMIC COATING IN A DIESEL ENGINE ON PERFORMANCE AND EMISSIONS OF HAZELNUT OIL AND D2 FUEL MIXTURES a, * Hanbey HAZAR a, * ve Uğur ÖZTÜRK b Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elazığ,Türkiye, E-posta: hanbeyhazar@hotmail.com b Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Elazığ,Türkiye, E-posta: ugurozturk@msn.com Özet Bugün, dizel motorlarda birçok alternatif yakıt kullanılmaktadır. Dizel yakıtına önemli bir alternatif de bitkisel yağlardır. Yanma odası elemanlarının seramik bir malzemeyle kaplanması No.2D yakıtı ile karşılaştırıldığında daha düşük kalitede olan bu yakıtların performans ve egzoz emisyon değerlerini iyileştirmek için önemli bir çözüm olarak görülmektedir. LHR olarak adlandırılan bu motorlar daha yüksek sıcaklıklarda çalıştığı için bitkisel kökenli yakıtların hem performans hem de egzoz emisyon değerleri iyileşmektedir. Bu çalışmada, bir dizel motorun piston-silindir kafası, egzoz ve emme supaplarının yüzeyleri plazma sprey yöntemiyle Al 2O 3-TiO 2 ile kaplanmıştır. Böylece bu parçalara termal bariyer özellik kazandırılmıştır. No.2D yakıtı ve fındık yağı karışımı yakıtlar, seramik kaplanmış ve kaplanmamış motorlarda aynı şartlar altında test edilmiştir. Kaplanmamış motora göre kaplanmış motorda, test yakıtının performans ve emisyon değerleri iyileşmiştir. Kaplanmış motor daha yüksek sıcaklıkta çalıştığı için test yakıtlarının NO x değerinde artış tespit edilmiştir. Pistonun yüzey yapısındaki değişimler de incelenmiştir. SEM (Scanning Electron Microscopy), optik mikroskop analizleriyle yüzeyler üzerindeki termal ve mekaniksel şoklar incelenmiştir. Test sonuçlarından kaplanan malzemenin hasar görmediği ve ömrünün uzadığı söylenebilir. Anahtar Kelimeler: Termal bariyer, dizel motor, bitkisel yağ, egzoz emisyonu Abstract Today, many alternative fuel types are being employed in diesel engines. An important alternative for diesel fuel is vegetable oils. Coating combustion chamber elements with a ceramic material seems an effective solution for improving performance of these lower-quality fuels compared with No.2D and also exhaust emission values. Because these engines called as LHR run at higher working temperatures, both performance of vegetable fuels and also emission values will improve. In the present study, surfaces of cylinder head, piston, exhaust and inlet valve of a diesel engine were coated with Al 2O 3-TiO 2 by plasma spray method. Thus, thermal barrier characteristic was brought to these parts. Variances in performance and emission values of crude hazelnut oil and No.2D fuel mixtures were studied in the ceramic coated and uncoated engines under the same running conditions. Performance and emission values of the test fuels were improved in the coated engine compared with the uncoated engine. However, because the coated engine ran at higher temperatures compared with the uncoated engine, an increase was seen in NO x emission in cases of test fuels. Changing the surface modifications of the piston was investigated. With SEM (Scanning Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersive Spectrograph) analysis, the structural changes on the surface due to thermal and mechanical shocks were examined. The test results evidenced that, main materials (substrates) are not damaged and the lifetime of these parts increases. Keywords: Thermal barrier, Diesel engine, Vegetable oils, Exhaust Emissions 1. Giriş İçten yanmalı motorlarda hem petrole dayalı yakıt tüketimini hem de egzoz gazlarındaki zararlı maddeleri azaltmak için motorlu taşıtlarda kullanılabilecek yeni yakıt türlerinin geliştirilmesi çalışmaları yapılmaktadır. Bilimsel çalışmalar büyük ölçüde konvansiyonel olmayan yakıtların ekonomik olarak elde edilmesi ve yakıt kalitelerinin iyileştirilmesiyle ilgili teknolojik arayışları içermektedir [1]. Bitkisel yağların kaynağını oluşturan bitkilerin yetişmeleri yani yenilenebilir olmaları, enerjilerinin dizel yakıtına yakın olması ve kirletici egzoz gazlarının nispeten düşük olması [2-5] nedeniyle bitkisel yağların dizel motorlarda yakıt olarak kullanılmaları gündeme gelmiştir. Dizel motorlarında bitkisel yağların herhangi bir işlem yapılmadan direkt kullanımı, hem performans hem de parçalar üzerinde olumsuz etki yapmaktadır [6,7]. Yanma odasında daha iyi yanma verimi elde edilmesi, sistemde kullanılacak yakıtın atomizasyonunun iyi olmasına bağlıdır. Bu amaçla; bitkisel yağların direkt kullanımında en büyük problem birikintilerin oluşması ve segmanların yapışmasıdır [8]. Motorlardaki yakıtın verimli bir şekilde yakılması ve egzoz gazları içindeki kirletici emisyonların azaltılması ile ilgili motor malzemesi ve tasarımı konularında araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Bu alanda yapılan çalışmalardan bir tanesi de yanma odası elemanlarının seramik bir malzeme ile kaplanmasıdır. Adyabatik veya düşük ısı kayıplı motorlar olarak adlandırılan bu motorlarda yanma odası elemanlarının bir kısmının veya tamamının ısı iletkenliği düşük bir malzeme ile kaplanması sonucu yanma sıcaklığı artmaktadır. Böylece hem yanma daha verimli olmakta hem de kirletici emisyonlar iyileşmektedir [9]. Günümüzde tam adyabatik olmasa bile düşük ısı kayıplı motor dizaynı, özellikle motor parçalarının normal çalışması için soğutma sistemine giden ısı kayıplarını minimuma indirmekte, soğutma sistemi yükünü ve buna harcanan gücü azaltmakta, sonuçta motor verimini IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
yükseltmektedir [10]. Seramik kaplı motorların yanma odası sıcaklığının kaplanmamış motora göre yüksek olması daha geniş damıtma aralığında ve daha az kaliteli yakıt kullanılmasına imkan vermektedir. Ayrıca soğutma sistemine giden ısı kayıplarının azaltılması sebebiyle, dizel motorlarında sıkıştırma sonu gaz sıcaklığı artacağından soğuk havalarda ilk hareket (çalışma) daha kolay olmakta, kontrolsüz yanmadan kaynaklanan vuruntu ve gürültülü çalışma azalmaktadır [11]. Yanma odası elamanlarının tamamı veya bir kısmı seramik kaplanmış dizel motorlarında kullanılan fosil kökenli yakıtlarda motor performansı ve egzoz emisyonlarının iyileştiği çeşitli çalışmalarda [12,13] bildirilmiştir. Bitkisel yağların viskozite değeri dizel yakıtına göre yüksektir. Bitkisel yağların bu olumsuz etkisini azaltmak için ısıtıldıktan sonra yanma odasına verilmekte, böylece dizel motorlarında daha verimli bir şekilde kullanılabilmektedir. Ancak seramik kaplanmış dizel motorlarında yanma odası elamanlarının izolasyonu yanma sonu sıcaklığını arttırdığından, bu motorlarda bitkisel yağların kullanımı daha verimli olmaktadır. Böylece herhangi bir ön ısıtma olmaksızın bitkisel yağların kullanılabilmektedir. Literatür tarandığında yanma odası elemanlarının bir kısmı kaplanmış dizel motorlarında bitkisel yağların kullanımı ile ilgili çok az çalışmaya rastlanmıştır. Bizim yapacağımız bu çalışmada, yanma odası elemanlarından silindir yüzeyi hariç bütün parçalar seramik kaplanacağı için büyük oranda yanma odası yalıtılmış olan motorda bitkisel yağ ve dizel yakıtı (D2) çalışılmış olacaktır. Böylece bu alana bir katkı sağlanacağı düşünülmektedir. Bu çalışmanın amacı; piston, silindir kafası, egzoz ve emme supabı seramik kaplanmış bir dizel motorunda, önemli bir değişiklik yapılmadan alternatif yakıt olarak fındık yağı + ASTM NO. 2D karışımı kullanımının performans ve egzoz emisyonları üzerindeki etkilerini incelemektir. Fındık yağı + NO. 2D karışımı ve referans yakıt No. 2D (D2) nin etkileri tek silindirli, direkt püskürtmeli, tabii emişli bir dizel motorunda tam yük-farklı hız şartlarında incelenmiştir. 1.2. Deneylerde kullanılan plazma sprey yöntemi ve Al 2O 3-TiO 2 kompozit kaplamalar Plazma sprey yöntemi modern endüstri tarafından talep edilen yüksek performanslı yüzeylerin üretilmesi ve değişik endüstri alanlarında kullanılan önemli teknolojilerden biridir. Bu metotla üretilen plazmanın yüksek sıcaklığı bütün sprey malzemelerinin (seramik, metal, plastik ve diğer bileşimleri) kısa bir zaman içerisinde kaplanmasını sağlamaktadır. Bu metod, sprey tozu, soğutma ve ergime süreçlerini tek bir işlem altında toplar. Al 2O 3-TiO 2 kompozit kaplamaları, Al 2O 3 matris fazı ve TiO 2 destekleyici fazdan meydana gelir. Matrisin görevi gerilimleri homojen olarak kompozit malzemenin içine dağıtmaktır. İkinci fazın görevi ise malzemenin mekanik özelliklerine yardımcı olmaktır. Bu tip kaplamalar matris tozla destekleyici tozun harmanlanarak, plazma sprey vasıtasıyla püskürtülmesi sonucu oluşturulur. Al 2O 3-TiO 2 kompozit kaplamadaki titanya miktarının artmasının adhesiv gerilimlerin artmasına neden olduğu kabul gören bir gerçektir [14]. Ayrıca dinamometre üzerinde kullanılan yakıt miktarını belirlemek için hacimsel tipte mekanik kontrollü 10 ml ve 20 ml lik iki cam tüpten yapılmış silindirik bir parça bulunmaktadır. Bu düzenekle harcanan yakıt miktarı belirlenmiştir. Yakıt ölçeğinin başlangıç ve bitiş noktalarını belirlemek için piyasada mevcut olan zaman kronometresi kullanılmıştır. Egzoz gazı içerisindeki CO (ppm) ve NO x (ppm) emisyonları madur GA-21 Plus gaz analizi cihazı, duman yoğunluğu (%) ise Protech opax 2000 II cihazı ile ölçülmüştür. Egzoz gazı sıcaklığı elektrikli dinamometre üzerindeki K tipi termokupul ile ölçülmüştür. Deneylerde 4 zamanlı, tek silindirli, direkt püskürtmeli, tabii emişli, hava soğutmalı 6LD 400 Lombardini marka bir dizel motoru kullanılmıştır. Çizelge 1 de deney motorunun teknik özellikleri görülmektedir. Bu çalışmada, % 50 ham fındık yağı + % 50 dizel yakıtı alternatif yakıt olarak kullanılmıştır. No. 2D (D2) yakıtı Elazığ/Türkiye deki ticari gaz istasyonlarından, ham fındık yağı ise ticari satış yapan marketlerden temin edilmiştir. Çizelge 2 de test yakıtlarının fiziksel ve kimyasal özellikleri görülmektedir. D2 dizel yakıtıyla fındık yağı hacimsel olarak %50 oranında karıştırılmıştır Deneylerde ayrıca referans yakıt olan D2 yakıtı da kullanılmıştır. Karışımlar deneylerden hemen önce hazırlanmıştır. Testlerde kullanılan dizel motorun piston, silindir kafası, egzoz ve emme supabı, plazma sprey yöntemiyle 0.05 mm kalınlığındaki NiAl ara malzemesi üzerine seramik bir malzeme olan Al 2O 3-TiO 2 ile 0.20 mm kalınlığında kaplama yapılmıştır. Piston, egzoz ve emme supabının sadece yanma odasına bakan yüzeyleri kaplanmıştır. Silindir kafası, piston, egzoz ve emme supaplarının yaklaşık 0.25 mm kalınlığında kaplanması sonucu bu motorun sıkıştırma oranının değişeceği düşünülerek bu parçalarda standart motordaki sıkıştırma oranını elde etmek için yapılan kaplama kalınlığında malzeme (talaş) kaldırılmış ve çift conta eklenerek standart sıkıştırma oranı sağlanmıştır. Böylece kaplama yapılmış ve yapılmamış motor aynı sıkıştırma oranına getirilmiştir. Testler tam yük şartında yapılmıştır. Motor, normal çalışma sıcaklığına ulaşması için D2 yakıtı ile 30 dk. çalıştırılmıştır. Deneylerde önce kaplanmamış motor test edilerek sonuçlar alınmış daha sonra aynı motorun; piston yüzeyi, silindir kafası, egzoz ve emme supabı kaplanarak aynı şartlar altında testler tekrarlanmıştır. Her hızda motor bir süre bekletilmiş ve daha sonra ölçüm sonuçları kaydedilmiştir. Bütün ölçümler her hızda en az 3 kez tekrarlanmıştır. 2. Materyal ve Metod Testler şekil 1 de gösterildiği gibi Cusson P8160 marka bir elektrikli dinamometre düzeneği üzerinde yapılmıştır. Elektrikli dinamometre üzerindeki dijital ekrandan yapılan yüklemeler, motor devri, egzoz gaz sıcaklığı okunmaktadır. Şekil 1. Deney düzeneği. (1) Motor; (2) Elektrik yük ünitesi; (3) Kontrol paneli; (4) Hava filtresi; (5) Hava ölçüm ünitesi; (6) Yakıt tankı; (7) Cam tüp; (8) Duman ölçer; (9) Egzoz emisyon cihazı.
Çizelge 1. Deney Motorunun Teknik Özellikleri Motorun Markası ve Tipi Strok sayısı 4 Silindir sayısı 1 Silindir çapı Strok Motor gücü Yakıtı Çizelge 2. Test yakıtlarına ait fiziksel ve kimyasal özellikler Yakıt Türü Çizelge 3. Kaplama işleminde kullanılan sprey parametreleri 3.Deney Sonuçları ve Değerlendirilmesi 3.1. Duman Yoğunluğu 6LD 400 Lombardini 86 mm 68 mm 6.25/8.5 (kw/ hp) Dizel motorini Püskürtme şekli Direkt enjeksiyonlu Püskürtme basıncı 200 kg/cm 2 Soğutma şekli Hava soğutmalı Sıkıştırma Oranı 18:1 Devir 3600 min -1 Fındık yağı (FY) No.2D (2D) Yoğunlu k 20 o C (kg/dm 3 ) 0.915 0.83 Viskozite (mm 2 /s) 3.3 (37.8 o C) 4. 3 (27 o C) Setan sayısı Alevlenm e noktası ( o C) Isıl değer (kj/kg) 51 115 40170 47 58 42300 Plazma tabancası Metco 3MB Akım (Amper) 500 Voltaj (Volt) 62 Sprey mesafesi (mm) 70 Gaz basıncı (psi) (Ar/H 2) 80/15 Uygulanan kaplama kalınlığı 200µm (Al 2O 3-TiO 2)+ (µm) 50µm (NiAl)=250µm Ara malzeme (50 µm) NiAl Kaplama malzemesi Al 2O 3-TiO 2 Dizel motorlarında oluşan duman yoğunluğu, eksik yanma ürünüdür. Duman yoğunluğunun yapısı, alevdeki yerine göre kimyasal ve fiziksel olarak değişmektedir [15,16]. Şekil 2 de her iki motor için duman yoğunluğunun motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 2 ye bakıldığında her iki motor için de düşük devirlerde bütün test yakıtlarında duman yoğunluğunun düşük olduğu görülmektedir. Düşük devirlerde yanma odasındaki hava hareketliliğinin ve yanma odası sıcaklığının düşük olmasından dolayı bu durumun oluştuğu düşünülmektedir. Şekil 2 ye göre hem SM hem de KM motorlarda kullanılan bütün test yakıtları için artan motor devriyle birlikte duman yoğunluğunun arttığı görülmektedir. Yüksek devirlerde; yetersiz süre, düşük yanma verimi ve artan motor devriyle birlikte zengin karışım oluşumunun duman yoğunluğunu arttırdığı düşünülmektedir. Yüksek devirlerde yakıt miktarının püskürtülmesi her çevrimde arttığı için gerekli hava sağlanamamaktadır, bu da duman miktarının yüksek devirlerde artmasına neden olmuştur. SM motora göre KM motorda bütün çalışma devir aralıklarında FY yakıtı için ortalama %12 lik bir azalma tespit edilmiştir. D2 için SM ve KM motorlardaki duman yoğunluğu kıyaslandığında ortalama %11 lik bir azalma tespit edilmiştir. KM motorda kullanılan bütün test yakıtlarındaki bu azalma, yanma odası elemanları üzerinde oluşturulan termal bariyer etkisiyle yanma sıcaklığının yükselmesi, böylece daha fazla karbon parçacığının reaksiyona girmesiyle açıklanabilir. İçten yanmalı motorlarda viskozite küçüldükçe püskürtme ile oluşan yakıt demeti içindeki yakıt damlacık çapları küçülür ve yanma iyileşir. Bu açıdan viskozite yanmayı etkileyen faktörler arasındadır. Sıcaklık, viskoziteye önemli derecede etki ettiğinden, viskozite her zaman sıcaklıkla birlikte azalmaktadır. FY yakıtının yüksek viskoziteye sahip olmasının negatif etkisinin KM motorda azaltıldığı düşünülmektedir. 3. 2. CO Emisyonu Yanma odasında CO emisyonunun oluşumu yakıtın tam yanmamasından kaynaklanmaktadır. Yakıtın tam yanması durumunda yakıt içerisinde bulunan karbon atomlarının tamamı CO 2 ye dönüşür. İçten yanmalı motorlarda karbon monoksit (CO) emisyonu genellikle yakıt/hava oranıyla kontrol edilebilmektedir [17]. Dizel motorlarında yanma olayını etkileyen ve yanmayı devam ettiren; yanma bölgesindeki sıcaklık, basınç, karışım oranı ve oksijen miktarını belirleyen yerel koşullardır [18]. Şekil 3 de CO emisyonunun motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 2. Farklı motor hızlarında test yakıtların duman yoğunluğunun Şekil 3. Farklı motor hızlarında test yakıtların CO
Şekil 3 de hem SM hem de KM motorunda bütün test yakıtları için düşük devirlerde CO emisyonun yüksek olduğu, orta devirlerde düştüğü, orta devirden sonra ise artmaya başladığı görülmektedir. SM motoruna göre KM motorunun CO emisyonunda D2 yakıtı için %19, FY yakıtı için %20 lik bir azalma meydana gelmiştir. Her iki motor için referans yakıt D2 e göre en düşük CO emisyonu KM motorunda FY de (2300 d/dk.)) elde edilmiştir. KM motorunda CO emisyonundaki azalma; seramik kaplama neticesinde soğutmaya ve dış ortama giden ısı kaybının azaltılmasıyla yanma sonu sıcaklığının artması ve böylece daha fazla HC nin yanmaya iştirak etmesiyle [19] izah edilebilir. 3. 4. Motor Gücü (Pe) Şekil 5 de motor gücünün devirle değişimi görülmektedir. 3.3. NO X Emisyonu NO x emisyonu yanma odası içerisinde bulunan azotun oksitlenmesi ile oluşur. Temel kaynağı atmosferik azotun oksidasyonudur. Nitrik oksit (NO) ve nitrojen dioksit (NO 2), NO x emisyonu olarak birlikte gruplandırılırken, NO, motor silindiri içerisinde üretilen nitrojenin baskın (etken) oksididir. NO nun esas kaynağı atmosferik nitrojenin oksidasyonudur. Ancak yakıt içerisinde önemli miktarda nitrojen varsa bu da ilave bir NO kaynağı olmaktadır. NO x emisyonu genellikle 1800 o K nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşur. Özellikle O 2 in bulunduğu bölgelerdeki sıcaklığın yüksekliği ve bu sıcaklıkta kalma süresi oldukça etkilidir [17]. Şekil 4 de NO x emisyonun motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 5. Farklı motor hızlarında test yakıtların motor gücü Şekil 5 de hem SM hem de KM motorları için genel olarak artan motor devriyle birlikte bütün test yakıtları için motor gücünün arttığı görülmektedir. Bu da devir sayısının artması ile birim zamandaki çevrim sayısının artmasının doğal bir sonucudur. Devir sayısının artışı, hava türbülansı ve daha homojen bir karışım oluşumu üzerinde önemli bir etkisi vardır. SM motoruna göre KM motorunda bütün test yakıtları için ortalama motor gücü artışı; D2 de %2.3, FY de %2.6 olarak tespit edilmiştir. KM motorundaki genel olarak motor gücü artışı, seramik kaplamanın oluşturduğu termal bariyer etkisi sonucu yanma veriminin iyileşmesiyle açıklanabilir. 3.5. Özgül Yakıt Tüketimi (SFC) Özgül yakıt tüketimi üzerinde; yanma verimi, yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri önemli bir etkiye sahiptir. Şekil 6 da SFC nin motor devriyle değişimi görülmektedir. Şekil 4. Farklı motor hızlarında test yakıtların NO x Şekil 4 e bakıldığında SM ve KM motoru için düşük motor devrinden orta devire kadar NO x emisyonun arttığı, orta devirden sonra azaldığı görülmektedir. NO x emisyonun düşük devirlerde düşük çıkması, yanma odası sıcaklığının düşük olmasının bir sonucu olduğu düşünülmektedir [21]. Bütün test yakıtlarında yüksek devirlerde her iki motor için NO x emisyonunun yüksek çıkması, artan sıcaklığa rağmen NO x oluşumu için yeterli zamanın kalmamasıyla izah edilebilir. SM motora göre KM motorunda NO x emisyonunda D2 yakıtında %8, FY de %9 luk bir artış tespit edilmiştir. KM motorunda kullanılan bütün test yakıtlarında SM motoruna göre NO x emisyonunda artış görülmüştür. KM motorundaki NO x emisyonu artışı, seramik kaplamanın oluşturduğu termal bariyer etkisiyle yanma odası elamanlarının sıcaklığının artması ve böylece yanma sıcaklığının artışı ile açıklanabilir. Şekil 6. Farklı motor hızlarında test yakıtların be Şekil 6 da hem SM hem de KM motorunda bütün test yakıtları için SFC nin düşük devirlerde arttığı, orta devirlerde düştüğü ve yüksek devirlerde ise tekrar arttığı görülmektedir. SM motoruna göre KM motorunda SFC deki azalma D2 yakıtında %3.6, FY yakıtında %3.4 olarak tespit edilmiştir. FY yakıtının D2 yakıtına göre kalorifik değerinin düşük, viskozitesinin yüksek olması, her iki motor içinde FY yakıtının daha yüksek SFC ye sahip
olmasına neden olmuştur. Şekil 6 ya bakıldığında yapılan kaplama neticesinde KM motorunda kullanılan test yakıtların SFC sinde azalma meydana gelmiştir. Elde edilen bu sonuç çeşitli çalışmalarla [11,13] paralellik göstermektedir. ömrünün artması sağlanmaktadır. Şekil 8 de uygulanan seramik kaplamanın optik mikroskopla çekilen fotoğrafı görülmektedir. Şekil 9 da ise pistonların çalışma sonrası SEM (Scanning Electron Microscopy) fotoğrafları görülmektedir. 3. 6. Egzoz Gaz Sıcaklığı Şekil 7 de egzoz gaz sıcaklığının motor devriyle değişimi görülmektedir Şekil 7. Farklı motor hızlarında test yakıtların egzoz gazı sıcaklıklarının Şekil 7 de her iki motorda kullanılan test yakıtları için artan motor devriyle birlikte egzoz gazı sıcaklıklarının yükseldiği görülmektedir. Bu da artan motor devriyle birlikte birim zamanda motorda yakılan yakıt miktarının artması ve buna bağlı olarak üretilen ısı enerjisinin yükselmesiyle açıklanabilir. Çünkü devir artışı ile birlikte egzoz gazı debisi ve sıcaklığının artışı, egzoz gaz sıcaklığını da arttırır. SM motoruna göre KM motorunda egzoz gaz sıcaklık artışı D2 yakıtında %11, FY yakıtında %12 olarak tespit edilmiştir. SM motoruna göre KM motorunda kullanılan bütün test yakıtların egzoz gaz sıcaklığının artması, yapılan kaplama neticesinde soğutmaya ve dış ortama giden ısının azaltılması ve bu ısının egzoz gazına geçmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Yapılan çeşitli çalışmalarda [21-22] benzer sonuçlar elde edilmiştir. 3. 7. Malzemelerin Yüzey Yapılarındaki Değişimler İçten yanmalı motorlarda yanma odası parçaları aşırı sıcaklık, termal şok gibi olumsuz etkiler altında çalışır. Sıkıştırma zamanı sonunda yanma odasında, yanma başladığı zaman alev cephesi her zaman üniform bir şekilde yayılmaz. Yanma odasında alev cephesinin düzensiz yayılması, kısmi alev çarpışmaları ve vuruntu gibi olumsuz etkiler meydana getirmektedir. Böylece yanma odası parçaları termal gerilmelere ve termal şoklara maruz kalmaktadır. Bu yanma olumsuzlukları, yanma odasını oluşturan parçaların düzensiz gerilmesine ve normalden daha fazla yük altında çalışmasına sebep olmaktadır. Seramikler, mükemmel korozyon direnci ve yüksek erime noktalarına sahip olmalarından dolayı yüksek sıcaklık altında çalışan malzemeler için alternatif olarak görülmektedir. Yanma odası parçalarının yüzey modifikasyonun değiştirilmesi, bu olumsuz etkileri kaplamanın karşılamasına neden olacaktır. Böylece ana malzemeler (substrate) zarar görmemekte ve bu parçaların Şekil 8. Uygulanan seramik kaplamanın kesitten alınmış optik fotoğrafı (x100µm) (a) (b) Şekil 9. Çalışma sonrası kaplanmamış (a) ve kaplanmış (b) pistonların SEM fotoğrafı (x500µm) Fotoğraflardan da görüldüğü gibi kaplama yapılmış pistona göre modifikasyon yapılmamış piston üzerinde daha fazla deformasyonların oluştuğu görülmektedir. Yanma odasında yanma zamanında meydana gelen termal şok, aşırı sıcaklık, düzensiz termal gerilme gibi olumsuzlukları uygulanan seramik kaplama karşılayıp üzerine almıştır. Böylece bu parçaların bu olumsuz etkilerden minimum düzeyde etkilendiği düşünülmektedir. 4. Sonuçlar Bir dizel motorun yanma odası elamanları olan piston yüzeyi, silindir kafası, egzoz-emme supapları seramik bir malzeme ile kaplanmış ve bu motorda yakıt olarak fındık yağı + dizel yakıtı karışımı kullanılmıştır. Yanma odası elamanları seramik kaplanan dizel motorda ısı transfer olayının azaldığı, böylece yanmayı iyileştirerek motorun performans ve emisyon değerlerini olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Yapılan deney sonuçlarına göre:
1. FY yakıtının yüksek viskozite ve düşük kalorifik değere sahip olmasından dolayı her iki motorda D2 yakıtına göre daha düşük motor gücü elde edilmiştir. Ancak KM motorunda kullanılan bütün test yakıtlarının motor gücü değerinde artış olmuştur. Bu artış FY yakıtı için % 2.6, D2 yakıtı için %2.3 olmuştur. 2. SM motoruna göre KM motorunda test yakıtları için SFC değerinde azalma tespit edilmiştir. SFC değerindeki azalma D2 yakıtı için %3.6 olurken FY yakıtında %3.4 olarak tespit edilmiştir. Termal bariyer kaplamanın yanmayı iyileştirerek SFC yi olumlu yönde etkilediği söylenebilir. 3. SM motoruna göre KM motorunda CO emisyonunda, D2 yakıtı için %19, FY yakıtında % 20 lik azalma meydana gelmiştir. 4. Duman yoğunluğu SM motoruna göre KM motorunda FY yakıtı için %12 azalma meydana gelirken D2 yakıtı için %11 azalma meydana gelmiştir. Duman yoğunluğunun yanmamış yakıtın bir sonucu oluştuğu düşünülürse, KM motordaki termal bariyerin etkisinin duman yoğunluğunu azaltması beklenen bir sonuçtur. 5. Oluşturulan termal bariyer sonucu SM motoruna göre KM motorda NO x emisyonunda D2 yakıtı için %8 lik bir artış meydana gelirken, FY yakıtında %9 luk bir artış meydana gelmiştir. KM motorunda bütün test yakıtlarındaki NO x emisyonu artışı, yüksek gaz sıcaklığından dolayı meydana geldiği düşünülmektedir. Kaynaklar [1] Borat, O., Balcı, M., ve Sürmen, A., İçten Yanmalı Motorlar, Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Yayınları,Ankara. [2] Lapuerta, M., Fernandez, J.R. and Audelo, J.R., Diesel particulate emissions from used cooking oil biodiesel, Bioresource Technology. doi.org/10.1016/j.biortech.2007.01.033. 2007. [3] Sahoo, P.K., Das, L.M., Babu, M.K.G. and Naik, S.N., Biodiesel development from high acid value polanga seed oil and performance evaluation in a CI engine, Fuel. vol. 86, 448-454, 2007. [4] Bouaid, A., Martinez, M. and Aracil J., A comparative study of the production of ethyl esters from vegetable oils as a biodiesel fuel optimization by factorial design, Chem Eng J. doi.org/10.1016/j.cej.2007.03.077. 2007. [5] Lin, Y.F., Wu, Y.G. and Chang, C.T., Combustion characteristics of waste-oil produced biodiesel/diesel fuel blends, Fuel. vol. 86, 1772-1780, 2007. [6] Nwafor, O.M.L. and Rice, G., Performance of rapeseed oil blends in diesel engines, Applied Energy. vol. 54, 345-354, 1996. [7] Canakci, M., Combustion characteristics of a turbocharged DI compression ignition engine fueled with petroleum diesel fuels and biodiesel, Bioresource Technology. vol. 98, 1167-1175, 2007. [8] Altın, R., An experimental investigation on use of vegetable oils as diesel engine fuels, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 1998. [9] Qiu, X. and Hamdi, A., Development of bench test methods for the evaluation of ion-implanted materials: piston/bore application, Surface and Coating Technology. vol. 88, 190-196, 1996. [10] Wacker, E. and Sander, W., Piston design for high combustion pressure and reduced heat rejection to coolant, SAE Technical Paper, No. 820505, 1982. [11] Hejwowski, T. and Weronski, A., The effect of thermal barrier coatings on diesel engine performance, Vacuum. Vol. 65, 427-432, 2002. [12] Sudhakar, V., Performance analysis of adiabatic engine, SAE Technical Paper, No. 840850, 1984. [13] Miyairi, Y., Matsuhisa, T. and Ozawq, T., Selective heat insulation of combustion chamber wall for a DI diesel engine with manolithic ceramics, SAE Technical Paper, No. 890141, 1989. [14] Salman, S., Köse, R., Urtekin, L. and Fındık F., An investigation of different ceramic coating thermal properties, Materials and Design. Vol. 27, 585 590, 2006. [15] Boran, E., Dizel motorlarında bazı işletme parametrelerinin is oluşumu ve motor performansına etkileri üzerine bir araştırma, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2001. [16] Tree, D.R., and Svensson, K., Soot progresses in compression ignition engines, Progress in Energy and Combustion Science, vol. 33, 272-309, 2007. [17] Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988. [18] Morel, T., Keribar, Blumberg, P.N. and Fort, E.F., Examination of key issues in low heat rejection engines, SAE Technical Paper, No.860316, 1986. [19] Zhang, H. and Wang, J., Combustion characteristics of a diesel engine operated with diesel and burning oil of biomass, Renewable Energy. vol. 31, 1025-1032, 2006. [20] Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Macmillan, London, 1985. [21] French, C.C.J., Ceramics in reciprocating internal combustion engines, SAE Technical Paper, No. 841135, 1984. [22] Thring, R.H., Low heat rejection engines, SAE Technical Paper, No. 860314, 1986.