6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Benzin - Dizel Yakıtı Karışımlarının Farklı Püskürtme Avansları için Direkt Püskürtmeli Bir Dizel Motorunun Performansına Etkileri A. Murcak, C. Haşimoğlu, İ. Çevik Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Esentepe Kampüsü 54187 Serdivan Sakarya Effect of Gasoline-Diesel Fuel Mixtures to Performance of a Direct Injection Diesel Engine for Different Injection Timings Abstract In this study the effect of gasoline-diesel fuel mixtures to performance of a direct injection diesel engine for different injection timing has been investigated experimentally. Gasoline added to diesel fuel by volume of 5, 10 and 20 %. To change the fuel injection timing an adjustable cam mounted to the test engine, the fuel injection pump regulator did not employ during the tests. At the result of the experimental studies it is determined that the maximum engine power for diesel fuel+10% gasoline mixture obtained at 3000 rpm and 35 0 CA of injection timing BTDC. The maximum engine torque for diesel fuel obtained at 1200 rpm and 35 0 CA of injection timing BTDC. The minimum brake specific fuel consumption obtained for diesel fuel+10% gasoline mixture at 1000 rpm and 35 0 CA of injection timing BTDC. Keywords Gasoline, injection timing, diesel engine, engine performance I. GİRİŞ İçten yanmalı motorlar, modern endüstriyel toplumlarda çok önemli bir yere sahiptir. Taşımacılıkta, araçların kullanımı ile insanlık bugünkü yaşam standardına ulaşmıştır. İçten yanmalı motorlar, sıkıştırma ile ateşlemeli ve buji ile ateşleme motor olmak üzere iki tipten oluşmaktadır. İçten yanmalı motorların tamamında yakıt olarak hidrokarbonlar kullanılmaktadır. Bu hidrokarbonlar genellikle sıvı ve gaz formundadır ve petrolden elde edilmektedir. Son yıllarda, taşıtlarda kullanılan hidrokarbon esaslı yakıtların sebep olduğu çevre kirliliğinin artması ve fosil yakıtların biteceği kuşkusu araştırmacıları bu sorunları azaltıcı yönde farklı çalışmalar yapmaya itmiştir. Bu çalışmalar, daha çok mevcut sistemi çok değiştirmeden, farklı alternatif yakıtların denenmesi ve işletme parametrelerinin değişimi şeklinde olmaktadır. Bu yönde yapılan çalışmalardan birisi de; konvansiyonel motorlarda çift yakıt kullanılması ve bu sayede yakıt tüketimi ve egzoz emisyonlarında azalma sağlanmasıdır. [1,2,3] Bir dizel motoru, NO x ve dumanın çok düşük olduğu, verimin ise çok yüksek olduğu belirli bir hızda dizel yakıtı ile karşılaştırıldığında benzin ile çok yüksek yüklerde çalıştırılabilir. Benzinle çalışan sıkıştırma ile ateşlemeli motorlar, diğer araçlarla karşılaştırıldığında çok düşük bedel ve güçlükle düşük emisyon ve yüksek verimli motorların 108 gelişmesi için bir potansiyel olarak önerilir. Benzinin viskozitesinin düşük olması, karışım yakıtın püskürtme, atomizasyon ve hava ile karışmasını da kolaylaştırmaktadır. Bu ise motor performansını olumlu yönde etkilemektedir. Tutuşabilirliği yüksek yakıtların, setan sayıları yüksektir. Yakıtın erken püskürtüldüğü sistemlerde, tutuşabilirliği yüksek yakıtlar kullanılırsa, yakıt gereğinden çabuk tutuşur. Tutuşmanın Ü.Ö.N ya yakın olması arzu edildiğinden, bu istenmeyen bir durumdur. Bu nedenle; erken püskürtme sistemine sahip, dizel yakıtının kullanıldığı sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda (SAM), dizel yakıtının tutuşabilirliğinin azaltılması gereklidir. Bunu gerçekleştirmenin bir yolu da dizel yakıtına oktan sayısı (OS) yüksek setan sayısı (SS) düşük olan benzin ilavesidir. Bu sayede, tutuşma geciktirilerek, Ü.Ö.N ya yaklaştırılması sağlanabilir. Ayrıca Dizel yakıtına belli oranlarda benzin karıştırılması durumunda tutuşma gecikmesi ve ısı açığa çıkış hızında artış olurken, difüzyon yanma ve toplam yanma süreleri ile yanma sıcaklıklarında azalma olmaktadır [4,5,6,7,8]. Motorun işletme parametrelerinin değiştirilip farklı yakıtların, dizel motorlarına adaptasyonu için son zamanlarda birçok çalışma yapılmaktadır [9,10,11,12]. Püskürtme avansı dizel motorlarında yanmaya etki eden önemli bir işletme parametresidir. Püskürtme avansı değiştikçe yakıtın içerisine püskürtüldüğü havanın fiziki şartları da değişmektedir. Eğer yakıt erken püskürtülürse (piston ÜÖN dan uzakta iken) karışımın başlangıcındaki havanın basınç ve sıcaklığı düşük olacağından dolayı tutuşma gecikmesi periyodu uzayacaktır. Şayet püskürtme geç yapılırsa (piston ÜÖN ya yakın iken) karışım öncesi basınç ve sıcaklık daha yüksek olacağından tutuşma gecikmesi de kısalacaktır. Dolayısıyla püskürtme avansı değişiminin motorun performans parametreleri üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bu çalışmanın amacı hem püskürtme avansı değişiminin hem de dizel-benzin yakıtı karışımlarının tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorun performansına olan etkilerinin deneysel olarak incelenmesidir. II. MATERYAL VE METOD Deneylerde tek silindirli, direkt püskürtmeli ve doğal emişli bir dizel motoru kullanılmıştır. Deney motorunun teknik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir.
Benzin - Dizel Yakıtı Karışımlarının Farklı Püskürtme Avansları için Tablo 1: Deney motorunun teknik özellikleri Silindir çapı (mm) Silindir stroku (mm) 85 mm 80 mm Toplam silindir hacmi (l) 454 cm 3 Sıkıştırma oranı 17,5/1 Maksimum devir sayısı (d/d) Maksimum Motor gücü (kw/ps) Maksimum döndürme momenti (Nm) 3000 d/d 5,5 kw 28,5 Nm Motor testleri tam yük şartlarında gerçekleştirilmiş olup, test motorunu yüklemek için elektrikli bir dinamometre kullanılmıştır. Deney düzeneğinin şematik gösterimi Şekil 1 de görülmektedir. Tablo 2: Deney yakıtlarının bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri. (13,14,15,16,8,17) ÖZELLİKLER Kinematik Vizkozite 40 o C de (cst) DİZEL YAKITI BENZİN 3,25 a >7 Alt Isıl değer (kj/kg) 42550 a 44300 Yoğunluk 15 o C de (kg/l) 0,84 a 0,73-0,78 Alevlenme Noktası ( o C) 55 b -40 Donma Noktası ( o C) -10 c -56 Setan İndeksi (hesaplanmış) 46 b 13-17 a Tüpraş tarafından garanti edilen değerlerin ortalaması b Tüpraş tarafından garanti edilen minimum değer c Tüpraş tarafından garanti edilen maksimum değer III. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA Yapılan tam yük testleri neticesinde püskürtme avansı değişimine bağlı olarak her bir karışım oranı için elde edilen motor gücü, döndürme momenti ve fren özgül yakıt tüketimi eş eğrileri motorin ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Deneyler neticesinde elde edilen performans eğrilerinin analizini kolaylaştırmak amacıyla, eğriler dört bölgeye ayrılarak incelenmiştir (Şekil 3). Bunlar; (1) düşük devirdüşük avans, (2) yüksek devir-düşük avans, (3) yüksek devir-yüksek avans, (4) düşük devir-yüksek avans bölgeleridir. Şekil 3: Deney motorunun çalışma bölgeleri. Şekil 1: Deney düzeneğinin resmi. Dizel yakıtına hacimsel olarak % 5, 10 ve 20 oranlarında benzin ilave edilmiştir. Yakıtlar deney öncesinde harmanlama yöntemi ile hazırlanmıştır. Deney yakıtlarının özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. Dizel yakıtına benzin ilavesi ile artan tutuşma gecikmesi periyodu maksimum silindir içi basıncının açığa çıktığı noktayı ÜÖN dan uzağa taşımaktadır. Bu durumun önüne geçebilmek için motorun püskürtme avansı standart değer olan 25 derece krank mili açısı (KMA) dan itibaren 55 derece KMA ya kadar 10 ar derece KMA aralıkla arttırılmıştır. a. Motor gücü Motorin için maksimum motor gücü 2. ve 3. bölgelerin kesişimi civarında elde edilirken, % 5 benzin ilavesi ile maksimum motor gücü 3. bölgeye kaymıştır. (Şekil 4). Motor gücü 4. bölgeye doğru yaklaşıldıkça azalmaktadır. Benzin ilavesi ile 1. bölge haricindeki tüm bölgelerde motor gücü artmaktadır. Motor gücü 2., 3. ve 4. bölgelerde sırasıyla ortalama; % 0.14, 8.75 ve 4,69 artarken, 1. bölgede ise ortalama % 9,37 azalmıştır. Motorin + % 10 Benzin karışımı için eş motor gücü eğrisi Şekil 5'de verilmiştir. Maksimum motor gücü her iki yakıt için 2. ve 3. bölgelerin üst kesişme noktası civarında elde edilmiştir. % 10 benzin ilavesi ile Motor gücü 2.,3. ve 4. bölgelerde sırasıyla ortalama, % 1.36, 6.77, ve 1.03 artarken, 1. bölgede % 4.26 azalmıştır. 109
A. Murcak, C. Haşimoğlu, İ. Çevik b. Döndürme momenti Her iki yakıt için maksimum döndürme momenti 1. bölgede elde edilmiştir (Şekil 7). Döndürme momenti 3. bölgeye doğru yaklaşıldıkça azalmaktadır. Benzin ilavesi ile 1. bölge haricindeki tüm bölgelerde döndürme momenti artmaktadır. Döndürme momenti 2., 3. ve 4. bölgelerde sırasıyla ortalama; % 0.14, 8.75 ve 4.64 artarken, 1. bölgede ise ortalama % 9.37 azalmıştır. Şekil 4: Motorin + %5 Benzin karışımı için eş motor gücü Şekil 7: Motorin + %5 Benzin karışımı için eş döndürme momenti Motorin + % 10 Benzin karışımı için eş döndürme momenti eğrisi Şekil 8'de verilmiştir. Maksimum döndürme momenti % 10 Benzin ilavesinde 1. bölgede elde edilmiştir. % 10 benzin ilavesi ile 2.,3. ve 4. bölgelerde döndürme momentinde artış olurken, 1. bölgede ortalama % 4.26 lık azalma meydana gelmiştir. Döndürme momenti 2.,3. ve 4. bölgelerde sırasıyla, % 1.36, 6.77 ve 1.034 artmıştır. Şekil 5: Motorin + %10 Benzin karışımı için eş motor gücü Motorin + % 20 Benzin karışımı için eş motor gücü eğrisi Şekil 6'da verilmiştir. Maksimum motor gücü motorin + % 20 benzin karışımı için 3. bölgede elde edilmiştir. % 20 benzin ilavesi ile tüm bölgelerde motor gücünde düşüş meydana gelmiştir. Motor gücü tüm bölgelerde sırasıyla ortalama, % 13.09, 1.83, 10.87 ve 5.02 azalmıştır. Şekil 6: Motorin + %20 Benzin karışımı için eş motor gücü 110 Şekil 8: Motorin + %10 Benzin karışımı için eş döndürme momenti Motorin + % 20 Benzin karışımı için eş motor gücü eğrisi Şekil 9'da verilmiştir. Maksimum döndürme momenti için motorin + % 20 benzin karışımı için 1. bölgede elde edilmiştir. % 20 benzin ilavesi ile tüm bölgelerde döndürme momentinde azalma meydana gelmiştir. Döndürme momenti tüm bölgelerde sırasıyla ortalama, % 13.09, 1.83, 5.02 ve 10.87 azalmıştır.
Benzin - Dizel Yakıtı Karışımlarının Farklı Püskürtme Avansları için Şekil 9: Motorin + %20 Benzin karışımı için eş döndürme momenti c. Fren özgül yakıt tüketimi Her iki yakıt için minimum fren özgül yakıt tüketimi 1. bölgede elde edilmiştir (Şekil 10). Benzin ilavesi ile tüm bölgelerdeki fren özgül yakıt tüketimi değerlerinde düşme meydana gelmiştir. Fren özgül yakıt tüketimi tüm bölgelerde sırasıyla ortalama; % 5.48, 17.05, 16.67 ve 19.55 azalmıştır. Şekil 11: Motorin + %10 Benzin karışımı için eş fren özgül yakıt tüketimi Minimum fren özgül yakıt tüketimi motorin için 1. bölgede elde edilirken, motorin + % 20 benzin karışımı için 4. bölgede elde edilmiştir. % 20 benzin ilavesi ile tüm bölgelerde fren özgül yakıt tüketimi değerlerinde azalma meydana gelmiştir. Fren özgül yakıt tüketimi tüm bölgelerde sırasıyla ortalama, % 6.58, 14.80, 15.14 ve 19.84 azalmıştır. Şekil 10: Motorin + %5 Benzin karışımı için eş fren özgül yakıt tüketimi Motorin + % 10 Benzin karışımı için eş fren özgül yakıt tüketimi eğrisi Şekil 11'de verilmiştir. Minimum fren özgül yakıt tüketimi 1. bölgenin bir kısmı ile 4. bölgede elde edilmiştir. % 10 benzin ilavesi tüm bölgelerde fren özgül yakıt tüketimi sırasıyla ortalama, % 3.66, 11.32, 18.39 ve 19.67 azalmıştır. Motorin + % 20 Benzin karışımı için eş fren özgül yakıt tüketimi eğrisi Şekil 12'de verilmiştir. 111 Şekil 12: Motorin + %20 Benzin karışımı için eş fren özgül yakıt tüketimi IV. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada; % 5, 10 ve 20 oranlarında dizel yakıtı ile harmanlanmış benzin karışımının ve püskürtme avansı değişiminin tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorunun performansına etkileri incelenmiştir. Deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen sonuçlar aşağıda ifade edilmiştir: % 5 ve %10 benzin dizel karışımları için, eş motor gücü, avans artışı ile beraber artış göstermiştir. En yüksek eş motor gücü %10 benzin dizel karışımları ve 30 derece püskürtme avansında elde edilmiştir. Eş motor gücündeki bu artışların yüksek püskürtme avansında elde edilmesinin sebebi; benzinin setan sayısının düşük olması, bunun karışımın tutuşma gecikmesi başlangıcının Ü.Ö.N ya yakın bir noktaya taşımasına bağlayabiliriz. %
A. Murcak, C. Haşimoğlu, İ. Çevik 20 benzin dizel yakıtı karışımları için eş motor gücünde artışlar yüksek devir düşük avans bölgesine kaymıştır. Maksimum motor gücü motorin ve motorin + % 5 benzin - motorin + % 20 benzin karışımları için 3000 d/d'da 45 derecelik püskürtme avansında sırasıyla 9, 27 kw, 9, 40 kw ve 8,71 kw olarak belirlenmiştir. Motorin + % 10 benzin karışımları için maksimum motor gücü 3000 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 9, 88 kw olarak belirlenmiştir. % 5 ve %10 benzin dizel karışımları için eş döndürme momentinde artışlar 3. ve 4. bölgede gerçekleşmiştir. % 20 benzin dizel yakıtı karışımları için bu artış yüksek devir düşük avans bölgesinde gerçekleşmiştir. Motorin için maksimum eş döndürme momenti 1200 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 41,54 Nm olarak belirlenmiştir. Motorin + % 5 benzin ve motorin + % 20 benzin karışımları için maksimum eş döndürme momenti 1400 d/d'da 25 derecelik püskürtme avansında 38,70 Nm ve 37,66 Nm olarak belirlenmiştir. Motorin + % 10 benzin karışımları için maksimum eş döndürme momenti 1600 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 40,39 Nm olarak belirlenmiştir. Eş fren özgül yakıt tüketimi değerleri bütün bölgelerde iyileşme göstermiştir. Özellikle% 5, %10 ve %20 benzin dizel karışımları için eş fren özgül yakıt tüketimi, düşük devir yüksek avans bölgesinde en iyi değerlerine ulaşmıştır. % 20 benzin dizel yakıtı karışımları için bu artış yüksek devir düşük avans bölgesinde gerçekleşmiştir. Motorin için minimum fren özgül yakıt tüketimi 1400 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 233,94 g/kwh olarak belirlenmiştir. Motorin + % 5 benzin karışımları için minimum fren özgül yakıt tüketimi 1200 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 220,80 g/kwh olarak belirlenmiştir. Motorin + % 10 benzin karışımları için minimum fren özgül yakıt tüketimi 1000 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 217,10 g/kwh olarak belirlenmiştir. Motorin + % 20 benzin karışımları için minimum fren özgül yakıt tüketimi 1600 d/d'da 35 derecelik püskürtme avansında 222,81 g/kwh olarak belirlenmiştir. %20 nin üzerindeki benzin ilavesi durumunda motor hiçbir avans değerinde çalıştırılamamıştır. TEŞEKKÜR Bu çalışma Sakarya Üniversitesi Bilimsel Araştırma Proje Birimi (BAPK) tarafından 2010-05-04-005 kodlu proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Sakarya Üniversitesi Rektörlüğü ne teşekkür ederiz. KAYNAKLAR [1] Balcı, M., Borat, O., Sürmen, A., İçten Yanmalı Motorlar Cilt 1, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları, Ankara, 1995. [2] Sayın, C., Çanakçı, M., Kılıçaslan, İ., Özsezen, N., Çift Yakıt ( Benzin + LPG ) Kullanımının Motor Performansı ve Emisyonlar Üzerine Etkisinin Deneysel Analizi., Müh. Mim. Dergisi, Gazi Üni., Cilt 20, No. 4, (2005), 483-490. [3] Yao, M., Zheng, Z., Liu, H., Progress and Recent Trends in Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engines, Progress in Energy and Combustion Science, 35 (2009) 398-437. [4] Kalghatgi, G., T., Hildingsson, L., Harrison, A., J., Johansson, B., Autoignition quality of gasoline fuels in partially premixed combustion in diesel engines, Proceedings of the combustion institute, 33(2011) 3015-3021. [5] Di, Y., Cheung, C.S. and Huang, Z. "Comparison of the effect of biodiesel-diesel and ethanol-diesel on the gaseous emission of a direct-injection diesel engine", Atmospheric Environment 43 (2009) 2721 2730. [6] Sayin, C., "Engine performance and exhaust gas emissions of methanol and ethanol diesel blends", Fuel 89 (2010) 3410 3415. [7] He, B.Q., Shuai, S.J.,Wang, J.X., He, H., "The effect of ethanol blended diesel fuels on emissions from a diesel engine", Atmospheric Environment 37, (2003) 4965 4971. [8] Özden, C., M., Homojen Karışımlı İçten Yanmalı Motorlar Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, (2005). [9] Sayin, C., Ilhan, M., Canakci, M, Gumus, M., "Effect of injection timing on the exhaust emissions of a diesel engine using diesel methanol blends", Renewable Energy 34 (2009) 1261 1269. [10] Yuksel F, Yuksel B., "The use of ethanol gasoline blends as a fuel in a SI engine", Renewable Energy (2004) 29:1181 91. [11] Sayin C, Kilicaslan I, Canakci M, Ozsezen N., "An experimental study of the effect of octane number higher than engine requirement on the engine performance and emissions", Applied Thermal Engineering 2005;25:1315 24. [12] Asfar KR, Hamed H., "Combustion of fuel blends", Energy Conversion and Management 1998;39:1081 93. [13] Hışır, V., Bütanol Benzin Karışımlarının Buji İle Ateşlemeli Motorların Performans Ve Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Ocak (2010), Karabük. [14] İmrağ, H., Benzinli Motorlarda Biyoetanol Kullanımının Motor Karakteristik Değerlerine Ve Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Temmuz (2006), Balıkesir. [15] Dinler, N., Benzinli Motorlarda Yakıt Olarak LPG Kullanılması ve Katalitik Konvertör Uygulamasının Motor Performansına ve Egzoz Emisyonlarına Olan Etkisinin İncelenmesi., Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ocak (2001), Ankara. [16] http://amtulld002.bp.com/alignmsds/oavfin.nsf/0/c042c C29FAAC7A3880257129005E459D/$file/001832.pdf [17] Aksoy, F., Baydır, S., A., Bayrakçeken, H., White Spirit Katkısının Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (4) 11-18. 112