6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 211, Elazığ, Turkey Bir Dizel Motorda Yakıt Olarak Kullanılan Balık Yağı Metil Esteri Karışımlarının Motor Performans Ve Emisyonlarına Etkisi R. Behçet 1, A.V. Çakmak 2 1 Batman Üniversitesi, Batman/Türkiye, rbehcet23@gmail.com 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon/Türkiye, vahapcakmak61@gmail.com The Effects on Engine Performance And Emissions of Fish Oil Methyl Ester Blends Used As Fuel in A Diesel Engine Abstract In this study, fish oil methyl ester (FOME) was produced via the method of transesterifikasyon from anchovy fish oil. Then BYME, were mixed with diesel fuel 25% and 75% by volume, used as fuel in an air-cooled diesel engine single cylinder, four stroke, direct injection and of fuel were investigated effects on engine performance and emissions. Tests, were based on measurements at full load and the 1-25 rpm range, 5 rpm intervals. According to the results of the experiment, by use of biodiesel and its blends with diesel fuel, while engine power, engine torque, SO2 and CO emissions decrease specific fuel consumption and NOx emissions are increased. Keywords Fish oil, FOME, Engine performance, exhaust emissions I. GİRİŞ hem atık yağların değerlendirilmesi hem de çevre temizliği açısından önem arz etmektedir [2]. Balık yağının dizel motorunda doğrudan kullanılması çeşitli sorunlara yol açmaktadır. Balık yağının yüksek viskozite ve yoğunluğa sahip olması pompalama ve atomizasyon problemlerine neden olmaktadır. Atomizasyonun kötüleşmesi durumunda hava ile balık yağının verimsiz karışması eksik yanmaya sebep olmaktadır. Yüksek viskozite ayrıca enjektörün tıkanmasına, segmanlarda karbon birikintisine ve yağlama yağının bozulması problemlerini doğurmaktadır[3]. Sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda yakıt olarak balık yağının kullanılması için en iyi yol balık yağını biyodizele dönüştürmektir. Biyodizel üretiminde değişik metodlar kullanılmasına rağmen en çok kullanılan metod transesterifiksyon yöntemidir. Transesrerifikasyon reaksiyonu, yağın bir katalizör varlığında kısa zincirli bir alkol ile reaksiyona girerek yağ asidi esteri oluşturmasıdır. Enerji kaynağı olarak genellikle petrol kökenli benzin ve motorinin kullanıldığı içten yanmalı motorlar, icadından sonra hızlı bir şekilde gelişme göstermiş, endüstride ve günlük hayatımızda önemli bir yere sahip olmuştur. İçten yanmalı motorlar deniz, kara ve hava taşımacılığının büyük bir bölümünde kullanılır hale gelmiştir. Sahip olduğu bu potansiyele karşın özellikle son yıllarda gerek enerji kaynakları doğrultusunda yaşanan sorun ve sıkıntılar, gerekse bu kaynakların kullanımı neticesinde meydana gelen çevresel tehditler, kaynak kullanımı doğrultusunda yeni arayışlara yönelimi doğurmuş, alternatif kaynak arayışlarını gündeme getirmiştir.[1] Fosil kökenli yakıtların rezervlerinin azalması ve çevreye olumsuz etkileri alternatif enerji kaynaklarına olan ilgiyi arttırmıştır. Dolayısıyla biyodizel konusundaki çalışmalar önem kazanmıştır. Biyodizel, dizel yakıtına alternatif olarak, bitkisel ve havansal ve atık yağlar gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilir. Atık yağlardan biodizel üretimi 161 Balık biyodizeli dizel motorlarda küçük değişiklikler yaparak veya hiç değişiklik yapmadan kullanılabilir. II. MATERYAL VE METOT 1 Balık Yağı Metil Esterinin Üretimi Metil ester üretimi için ısıtıcılı manyetik karıştırıcı, 1ml lik cam beher, 1ml lik uzun boyunlu cam balon,,1gr hassasiyetli terazi ve termometre kullanılmıştır. Balık yağı metil esterinin üretim aşamaları Şekil 1 de görülmektedir. Biyodizel üretimi için balık yağı, %99,5 saflıkta metil alkol ve katalizör olarak NaOH (sodyum hidroksit) kullanılmıştır. 5ml balık yağı için 1ml metil alkol içerisinde 2.35gr sodyum hidroksit çözündükten sonra 6 C deki balık yağı üzerine ilave edilmiş. Reaksiyon sıcaklığı 6 C de tutularak karışım iki saat karıştırılmıştır. Reaksiyon sonunda karışım
R. Behçet, A.V. Çakmak ayırma hunisine alınarak gliserin tabakasının çökelmesi beklenmiştir. Max. Güç 15 HP Şekil 1: Balık Yağı Metil Esteri Üretim Aşamaları Elde edilen metil ester üç saat saf suyla yıkanmış ardından metil ester içerisinde kalması muhtemel olan su ve alkol ısıtılarak buharlaştırılmıştır. Üretilen balık yağı metil esterinin bazı yakıt özellikleri dizel yakıtıyla karşılaştırmalı şekilde Tablo 1 de görülmektedir. Tablo1: Dizel yakıt ve BYME nin bazı yakıt özellikleri Özellik/Yakıt Dizel Yakıtı BYME Yoğunluk (kg/m³), (15 843,5 895 C de) Viskozite(mm²/sn), 3,666 4,451 (4 C de) Isıl Değeri Kj/kg 427 4546 Akma noktası ( C ) -15-14 Setan Sayısı 52 52,4 Ş Şekil 2: Deney düzeneğinin şematik görünümü 1) Motor Test Yatağı Şasisi 2) Egzoz Emisyon Cihazı 3) Gaz Analiz Cihazın Sondası 4) Tek Silindirli Dizel Motoru 5) Yük Ayarı 6) Dinamometre 7) Takometre 8) Kontrol Ünitesi 9) Yakıt Ölçüm Ünitesi 1) Yakıt Tankı Deneylerde motorun yüklenmesi için max. gücü 5kW olan BT-14 model hidrolik dinamometre kullanılmıştır. Motora uygulanan yük, kontrol cihazı üzerinden kademeli olarak (%1 luk dilimler halinde) değiştirilebilmektedir. Motorun tükettiği yakıt miktarı, hacimsel olarak büret ve kronometre yardımıyla ölçülmüş ve ölçülen değer her bir yakıtın yoğunluğuyla çarpılarak yakıt tüketimi kg/h olarak hesaplanmıştır. Egzoz gaz sıcaklığı ölçümünde lazer termometre kullanılmıştır. Emisyonları ölçmek için GREENLINE 8 marka gaz analiz cihazı kullanılmıştır.deneylere başlamadan önce motor yağı değiştirilmiştir. Motor ilk olarak dizel yakıtıyla çalıştırılarak rejim sıcaklığına ulaşıldıktan sonra dizel yakıtı ve karışım yakıtları için ölçümler alınmıştır. 2 Motor Deneyleri III. MOTOR PERFORMANSI Motor performans ve emisyon testleri tek silindirli, dört zamanlı, direkt püskürtmeli ve hava soğutmalı dizel motorda yapılmıştır. Deney motorunun teknik özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2: Deney motorunun teknik özellikleri Özellik Püskürtme sistemi Silindir çapı Strok RANBOW-LA186 DİZEL Direkt püskürtmeli 86 mm 7 mm Sıkıştırma oranı 18/1 162 Dizel yakıtı ve karışım yakıtların motor performans eğrileri şekil 1, 2 ve 3 verilmiştir. Şekil 1 incelendiğinde en yüksek motor momenti % 1 dizel yakıtı kullanıldığında elde edilmiş ve karışım yakıtlarının moment değerlerinin dizel yakıtına göre düşük çıktığı şekil 1 de görülmektedir. Bu durum karışım yakıtlarının ısıl değerlerinin dizel yakıtına göre düşük olmasından kaynaklanmaktadır[4]. En düşük moment değerleri B75 yakıtın kullanılmasıyla gerçekleşmesi bu durumu doğrular niteliktedir. Şekil 3 de devir sayısının artmasıyla tüm yakıtların motor gücünde artış meydana gelmiş ve maksimum gücün dizel yakıtı kullanıldığında 25dev/dak da elde edildiği görülmektedir. Dizel yakıtı kullanımında daha yüksek gücün elde edilmesi dizel yakıtının karışım yakıtlarına göre daha yüksek ısıl değere sahip olmasından kaynaklanmaktadır[5-7]. Ancak karışım
Bir Dizel Motorda Yakıt Olarak Kullanılan Balık Yağı Metil Esteri yakıtlarının kullanılmasıyla dizel yakıtına benzer motor gücü değerleri elde edilmiştir. kötüleşmiş ve dizel yakıtın ÖYT biodizel karışımlara göre daha yüksek çıkmıştır. Motor Gücü(KW) 8 7 6 5 4 3 2 1 Özgül Yakıt Tüketimi (gr/kwh) 4 35 3 25 2 15 1 5 Motor devri(dev/dak) Şekil 3: Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak motor momenti değişimleri Biyodizelin ısıl değerinin düşük olmasına rağmen karışım yakıtlarının motor gücü değerleri dizel yakıtının motor gücü değerlerine yakın değerler elde edilmesi, biyodizelin yoğunluğunun dizel yakıtı yoğunluğuna göre yüksek olmasından kaynaklanmaktadır[8]. Yakıt hacimsel olarak motora püskürtülmekte dolayısıyla yüksek yoğunluktaki yakıtın kullanılması durumunda yanmaya daha fazla yakıt katılmakta ve motor gücü artmaktadır[8]. Karışım yakıtlarının yoğunluğunun yüksek olduğu için, bu yakıtların kullanılmasıyla özgül yakıtı tüketiminde artış meydana geldiği şekil3 te görülmektedir. Şekil 5: Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak özgül yakıt tüketimi değişimleri Biodizel içerisinde bulunan oksijen nedeniyle biodizel karışımların yanma işlemi daha iyi gerçekleştiği için karışımların ÖYT, D2 yakıta göre nispeten daha düşük olmuştur. Karışımdaki biyodizel oranı azaldıkça özgül yakıt tüketiminde azalmanın meydana geldiği görülmektedir. En düşük özgül yakıt tüketimi ise dizel yakıtı kullanıldığında gerçekleşmiştir. Yüksek devirlerde karışımlara ait ÖYT lerinin artmasına sebep ise biodizel yakıtların yoğunluklarının yüksek ve ısıl değerlerinin düşük olasından kaynaklanmaktadır. Düşük ısıl değere sahip olan karışım yakıtlarının dizel yakıtı ile eşit güç üretebilmeleri için daha fazla yakıt tüketimi ile karşılanabilir.[9]. Motor torku (Nm) 38 37 36 35 34 33 32 Şekil 6 de test yakıtlarına ait ekzoz gaz sıcaklıklarının motor devrine bağlı değişimi verilmiştir. Motor devrinin artması ile test yakıtlarının ekzoz gaz sıcaklıkları da artmıştır. En düşük ekzoz gaz sıcaklığı dizel yakıtta meydana gelirken en yüksek sıcaklık değeri de B75 yakıtında gerçekleşmiştir. Karışım yakıtalrındaki ekzoz gaz sıcaklığının yüksek olması bioyakıtların içerisindeki oksijen fazlalığından kaynaklanabilir. 31 Şekil 4: Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak motor gücü değişimleri Şekil 5 te dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devir sayısına bağlı olarak özgül yakıt tüketimleri(öyt) verilmiştir. Şekil 5 incelendiğinde en yüksek özgül yakıt tüketimi B75 karışım yakıtı kullanıldığında gerçekleşmiş ancak düşük devirlerde motor hızının düşük olmasından dolayı hava hareketlerinin az olması ve homojen bir havayakıt karışımı sağlanamamasından dolayı yanma işlemi Ekzos gaz sıcaklığı ( C ) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 163
R. Behçet, A.V. Çakmak Şekil 6 Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak ekzoz gazı sıcaklık değişimleri sebebi biyodizelin içerisindeki oksijenden dolayı yanmanın iyileşmesi, karışım oranlarındaki biodizelin oranının artması ve daha yüksek özgül yakıt tüketimine sahip olmasından kaynaklanabilir[2, 8]. IV. EGZOZ EMİSYONLARI İçten yanmalı motorlarda CO emisyonu, kullanılmayan kayıp kimyasal enerjiyi açıkladığı için önemli bir parametredir. Bu parametre eksik yanma sonucu oluşmaktadır. Gaz sıcaklığının düşük olması, CO 2 e dönüşümü için yeterli oksijenin ve zamanın olmaması CO emisyonlarını arttırır. CO (%) 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Şekil 7: Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak CO emisyonu değişimleri Şeklil 7 de dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devir sayısına göre CO emisyonları değişimi verilmiştir. Şekil incelendiğinde deney yakıtlarının düşük devirlerde yüksek olan CO emisyonu motor devrinin artmasıyla azalma meydana gelmiş ve en düşük değeri 15 dev/dak da elde edilmiştir. Bu devirden sonra CO emisyonu artmaya başlamış ve 25 dev/dak en yüksek değerine ulaşmıştır. Düşük devirlerde CO emisyonunun yüksek olması, hacimsel verimin yüksek olmasına rağmen yanma odası sıcaklığının düşük olmasından kaynaklanabilir. 15 dev/dak en düşük CO emisyonunun oluşmasında silindir içi sıcaklığının artması ve hava hareketlerinin yüksek olması yanma işlemini olumlu etkilemekte dolayısıyla CO emisyonu azalmaktadır. Yüksek devirlerde hacimsel verimin düşmesi ve yanma süresinin kısalması CO emisyonunu artırmıştır. Karışım yakıtlarının daha düşük CO emisyonuna sahip olması biyodizel yakıtlarının bünyelerinde bulunan oksijenden kaynaklanmaktadır[1-12]. NOx emisyonları genellikle silindir içi sıcaklığı 16K ni aşması durumunda, yeterli oksijenin ve zamanın olması halinde, oksijen azotla reaksiyona girerek NOx leri oluşturur. Şekil 8 da dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devir sayısına bağlı olarak NOx emisyonları görülmektedir. Şekil incelendiğinde en yüksek NOx emisyonları B75 karışım yakıtı kullanıldığında gerçekleşmiştir. Karışım yakıtlarının D2 yakıta oranla daha yüksek NOx emisyonları oluşmasının NOx ( % ) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Motor devri(dev/dak) Şekil 8: Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak NOx emisyonu değişimleri Şekil 9 da dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devir sayısına bağlı olarak SO 2 emisyonu değişimi verilmiştir. SO 2 oluşumu yakıt içerisindeki kükürt oranına bağlı olarak değişmektedir. Dizel yakıtında 6-7 ppm civarında kükürt bulunmaktadır. Dizel yakıtının ihtiva ettiği kükürt miktarı arttıkça yakıtın yağlayıcılık özelliği de artmaktadır. Şekil 9 incelendiğinde en yüksek SO 2 emisyonu dizel yakıtı kullanıldığında oluşmuştur. Yakıt içerisindeki biyodizel miktarı arttıkça SO 2 emisyonu azalma meydana gelmiş ve en düşük SO 2 emisyonu B75 yakıtı kullanıldığında gerçekleşmiştir. Bu durumun oluşmasında; biyodizelin dizel yakıtına göre çok daha az miktarda kükürt içermesinin etkisi bulunmaktadır. SO2 ( ppm ) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Motor devri ( dev/dak ) Şekil 9: Dizel yakıtı ve karışım yakıtlarının motor devrine bağlı olarak SO 2 emisyonu değişimleri 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, balık yağı metil esterinin dizel yakıt ile karışımlarının bir dizel motorda kullanımının motor 164
Bir Dizel Motorda Yakıt Olarak Kullanılan Balık Yağı Metil Esteri performans ve emisyonlarına etkisi incelenmiştir. Karışım yakıtlarındaki biyodizel miktarı artıkça dizel yakıtına göre motor momenti, motor gücü, SO2 ve CO emisyonunda azalma meydana gelirken özgül yakıt tüketimi, ekzoz gazı sıcaklığı ve NOx emisyonunda artış meydana gelmiştir. BYME karışımlarının dizel yakıta benzer özellikler göstermesi ve ekzoz emisyonlarını azaltıcı yönde etkilerinden dolayı dizel yakıta alternatif bir yakıt olarak kullanılabilmesi uygun olacaktır. [12] Lin, C.H. and Lin, H.A., Diesel Engine Performance and Emissions Characteristics of Biodiesel Produced by the Peroxidation Process, Fuel, 85,.298-35, 26. KAYNAKLAR [1] Gürleyük, S.S. ve Akpınar,S, Yeni Enerji Kaynakları. Biyodizel, II.Yenilenebilir Enerji kaynakları Sempozyumu Bildiriler Kitabı, ISBN.975-395-643-6,46-411, 23. [2] Behçet,R., Performance and Emission Study of Waste Anchovy Fish Biodiesel in a Diesel Engine, Fuel Processing Technology 92(6), 1187-1194, 211. [3] Behçet, R., A comparative study on anchovy fish oil, anchovy fish oil methyl ester and diesel fuels in a diesel engine, Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research 27(2) 313-322, 211 [4] Keskin, A., Gürü, M., Altıparmak, D., Tall Yağı Biyodizelinin Dizel Yakıtı İle %9 Oranındaki Karışımının Alternatif Dizel Yakıtı Olarak İncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 22(1), 57-63, 27. [5] Keskin, A. ve Aydın, K., Fındık Yağı Biyodizeli Üretimi ve Dizel Motorlarda Alternatif Yakıt Olarak Kullanımının Araştırılması, Ç.Ü.Müh. Mim. Fak. Dergisi, 2 (1)75-83, 25. [6] Özsezen, A.N., Atık Palmiye Yağından Üretilen Biyodizelin Motor Performans ve Emisyon Karakterleri Üzerine Etkisinin incelenmesi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 166 sayfa, 27. [7] Tillem, İ., Dizel Motorları için Alternatif Yakıt Olarak Biyodizel Üretimi Ve Kullanımı, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 71 sayfa, 25. [8] Altun, Ş. Havyasal Yağlardan Biyo-yakıt Üretimi ve Bir Dizel Motorunda Kullanılabilirliğinin Deneysel Araştırılması, Doktora Tezi, Fırat Ünv. Fen Bil. Enst.,Elazığ. S.74-75, 29 [9] Ulusoy, Ayçiçeği, Pamuk ve Soya Yağlarının Diesel Motorlarında Yakıt Olarak Kullanım Olanaklarının Belirlenmesi Üzerine Karşılaştırmalı Bir Araştırma, Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, 119s., 1999. [1] Nişancı, S., Biyodizel Yakıt Karışımlarının Performans ve Emisyon Üzerine Etkilerinin Deneysel Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü 63 sayfa, 27. [11] Agarwal, A.K., Biofuels (Alcohols and Biodiesel) Applications as Fuels for Internal Combustion Engines, Progress in Energy and Combustion Science, 33(3), 233-271, 27. 165