OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
DİZEL-BİTKİSEL YAĞ-n-BÜTANOL ÜÇLÜ KARIŞIMLARININ DİZEL
MOTOR PERFORMANSINA ETKİLERİNİN İNCELENMESİ
Alpaslan Atmanlı*, Erol İleri*, Bedri Yüksel**
*
**
K.K. Astsb. Meslek Yüksek Okulu, Makine Bölüm Başkanlığı, Balıkesir
Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Müh. Böl., Balıkesir
ÖZET
Dizel motorlu araçlarda biyoyakıt karışımlarının kullanılması çevresel ve ekonomik açıdan çok önemlidir.
Biyokütleden üretilebilen bitkisel yağlar ve biyoalkoller dizel motorlar için alternatif biyoyakıtlardır.
Bu çalışmada, dizel yakıtı-bitkisel yağ mikroemülsiyonunu oluşturmak için ortak çözücü bileşeni olarak n-bütanol
ve bitkisel yağ bileşeni olarak nötr kanola, soya, ayçiçeği, mısır, zeytin, fındık ve pamuk yağı kullanılmıştır. Üçlü
karışımlardaki biyoyakıt kullanım oranını artırmak için bileşenlerin karışım oranı %70 dizel, %20 bitkisel yağ ve %10
n-bütanol olarak belirlenmiştir. Splash blending metodu kullanılarak 7 farklı yakıt karışımı hazırlanmıştır. Deney
yakıtlarının dört silindirli, dört zamanlı, turboşarjlı, direkt püskürtmeli bir dizel motorunda motor karakteristiklerinin
belirlenmesi için tam yük değişik devir testi uygulanmıştır.
Deney yakıtları oda sıcaklığında 60 gün süreyle bekletilmiş ve hiçbir deney yakıtında faz ayrışması oluşmamıştır.
Deney yakıtlarının yakıt özellikleri incelenmiş ve standartlarda belirtilen sınır değerleri içerisinde olduğu belirlenmiştir.
Çalışma sonucunda elde edilen deney sonuçları dizel yakıtının değerleriyle karşılaştırılmış ve bu sonuçlara göre
moment, efektif güç, ısıl verim, ortalama efektif basınç ve egzoz gaz sıcaklık değerlerinde azalma, özgül yakıt tüketim
değerlerinde ise artış meydana geldiği tespit edilmiştir.
Anahtar kelimeler: Biyoyakıt, mikroemülsiyon, n-bütanol, bitkisel yağ, dizel motor.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECT OF DIESEL-VEGETABLE OIL-n-BUTANOL
TERNARY BLENDS ON ENGINE PERFORMANCE IN A DIESEL ENGINE
ABSTRACT
The using of the blends of biofuels in diesel engine vehicles is very important due to economical and environmental
aspect. Vegetable oils and bioalcohols that can be obtained from biomass are biofuels for diesel engines.
In this study, n-butanol as common solubilizer component and crude canola, soybean, sun flower, corn, olive,
hazelnut and cotton seed oil as vegetable oil component were used for making microemulsification of diesel fuelvegetable oil. The blends ratio of 70 vol.% diesel fuel, 20 vol.% vegetable oil and 10 vol.% n-butanol were determined
to increase concentration of biofuels in ternary blends. Seven different ternary blends were prepared via splash
blending method. Engine performance tests of the ternary blends were carried out on a four-cylinder, four-cycle
turbocharged direct-injection diesel engine at full load with various engine speeds.
Test fuels were kept stationary at ambient temperature and the long-term stabilities were observed at 60 days. There
were not any phase separations in ternary blends. Fuel properties of test fuels are examined and determined in
agreement with the fuel standards. According to engine performance test results of ternary blends, brake torque, brake
power, thermal efficiency, brake mean effective pressure and exhaust gas temperatures decreased, while brake specific
fuel consumption increased compared to those of diesel fuel.
Keywords: Biofuels, microemulsification, n-butanol, vegetable oil, diesel engine.
1
çok kullanılan alkol çeşitleri metanol (CH3OH) ve etanol
(C2H5OH)’dür. Etanol metanole göre yenilenebilir ve
geniş kullanım potansiyeline sahiptir. Ancak etanolün
dizel motorlarda dizel yakıtı ile karışım oluşturma
şeklinde kullanılmasında 10 oC’nin altındaki sıcaklıklarda
faz ayrışması gerçekleşmektedir [9,17]. Etanol ve
metanolün dizel motorlarda gösterdiği olumsuz özellikleri
giderebilecek, bu alkollere göre daha avantajlı ve rakip
olabilecek nitelikte olan biyoalkol çeşidi olarak bütanol
(C4H9OH) gösterilmektedir [18,19].
Bütanolün düz zincirli molekül yapısına sahip
izomerlerinden biri olan n-bütanol (1-bütanol), etanole
göre çok düşük korozyon oluşturma riski, yüksek ısıl
değer, yüksek setan sayısı, düşük polarite ve ayrıca ortak
çözücü özelliği sayesinde apolar özellik gösteren dizel
yakıtı ve bitkisel yağlarla çok iyi karışım oluşturma gibi
üstünlükleri bulunmaktadır [15,20]. Dizel yakıtı ile
karışım oluşturmada n-bütanol bu özellikleriyle etanole
göre tercih edilecek bir alkol çeşidi olmaktadır. Dizel
motorlarda kullanılan biyoalkoller ile ilgili yapılan
çalışmalar incelendiğinde, n-bütanolün alternatif yakıt
olarak kullanılması ile ilgili sınırlı sayıda çalışma
olmasına rağmen, son yıllarda dizel motorlar için giderek
önemli hale gelmektedir [15,21].
Lujaji ve diğ., bir dizel motorunda croton yağı, nbütanol ve dizel yakıtı üçlü karışımlarının yakıt
özelliklerini, motor performansını ve emisyonlarını
incelemişlerdir. Deney sonuçlarına göre, özgül enerji
tüketiminde motor yükü arttıkça artış, ısıl verimde ise
düşüş kaydedilmiştir. Üçlü karışımlarda yüksek silindir
basıncına ve sıcaklığına ulaşıldığı ve buna bağlı olarak da
ısı salımında artış görülmüştür. 2 nolu dizel yakıtına göre
karşılaştırıldığında, karbon monoksit (CO) ve duman
emisyonunda düşüş, hidrokarbon (HC) emisyonunda artış
belirlenirken azot oksit (NOx) emisyonunda ise herhangi
bir değişim olmadığı belirtilmiştir. Yakıt karışımlarında
faz ayrışmasının gerçekleşmediği ve bitkisel yağın yakıt
özelliklerinde iyileşmelerin olduğu kaydedilmiştir [22].
Atmanlı ve diğ., dizel yakıtı, pamuk yağı ve n-bütanol
üçlü karışımlarının faz kararlılıklarını, motor performansı
ve emisyonlarını incelemişlerdir. Tasarlanan üçlü
karışımın düşük sıcaklıklarda kararlı bir faz sergilemesi
için üç bileşenin oda sıcaklığı, 5 oC, 0 oC, -5 oC ve -10 oC
olmak üzere beş farklı sıcaklıktaki çözünürlük ilişkileri
titrasyon yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu
sıcaklıklar için titrasyon sonucu elde edilen karışım
yüzdeleri yardımıyla üçgen faz diyagramları çizilerek
çözünür alanlar belirlenmiştir. En düşük sıcaklık değeri
olan -10 oC sıcaklığa ait diyagramdaki faz ayrışmasının
gerçekleşmediği alan içerisinden %70 dizel yakıtı, %20
pamuk yağı ve %10 n-bütanol konsantrasyonu (DCtOnB)
seçilerek bir dizel motorda test edilmiştir. Deney
sonuçlarına göre, moment, efektif güç, efektif verim,
ortalama efektif basınç ve egzoz gaz sıcaklığında düşüş,
özgül yakıt tüketiminde ise artış kaydedilmiştir. CO ve
karbon dioksit (CO2) emisyonlarında özellikle düşük
motor hızlarında düşüş gerçekleşirken, NOx ve HC
emisyonlarında ise artış gerçekleşmiştir. DCtOnB
yakıtının düşük sıcaklıkta sergilediği yakıt özellikleri ve
1. GİRİŞ
Dünya genelinde artan petrol fiyatları ve fosil kökenli
yakıtların yaydığı emisyonlar ile oluşan sera gazı
etkisinin artması, yeni ve alternatif enerjilere yönelmeyi
zorunlu hale getirmektedir. Dünya genelinde sanayileşme
ve taşıt sayısının artması da fosil kökenli yakıtlara olan
talebi hızla artırmıştır. Bugün dünyada fosil yakıtlar
birincil enerji tüketiminin %80’nini teşkil etmektedir. Bu
oranda da en fazla payı %58’lik oranla ulaşım sektörü
almaktadır [1].
Ulaştırma sektöründe en fazla kullanılan dizel
motorlarına alternatif yakıt olabilecek yenilenebilir enerji
kaynakları içerisinde en büyük teknik potansiyele
“biyokütle” sahiptir. Ana bileşenleri karbonhidrat
bileşikleri olan bitkisel ve hayvansal kökenli tüm
biyolojik maddeler biyokütle enerji kaynağıdır. Bu
kaynaklardan üretilen yakıtlar ise “biyoyakıt” olarak
tanımlanmaktadır ve bitkisel yağlar ile biyoalkollerin
gelecekte
uygun
biyoyakıt
kaynakları
olacağı
öngörülmektedir [1-3].
Bitkisel yağlar ve biyoalkollerin kaynağını oluşturan
biyokütlenin sürekli temin edilebilmesi, yenilenebilir
olmaları, kimyasal yapılarındaki oksijen sayesinde
kirletici egzoz gazlarının düşük olması bitkisel yağların
ve biyoalkollerin dizel motorlarda alternatif yakıt olarak
kullanılmasında avantaj sağlamaktadır [4].
Bitkisel yağların dizel motorlarında kullanılması ile
ilgili yapılan bütün çalışmalarda bitkisel yağların yüksek
viskoziteye sahip olması temel sorun olarak
gösterilmektedir [5-9]. Bitkisel yağların viskozitesinin
azaltılmasında, ısıl ve kimyasal olmak üzere iki yöntem
uygulanmaktadır. Isıl yöntemde, yakıt olarak kullanılacak
olan bitkisel yağların ön ısıtma ile sıcaklıklarının
artırılması
yoluyla
viskozitelerinin
azaltılması
amaçlanmaktadır. Kimyasal yöntemler, seyreltme
(karışım), piroliz, transesterifikasyon ve mikroemülsiyon
yöntemleri olmak üzere dörde ayrılmaktadır [8,9].
Yaygın olarak kullanılan transesterifikasyon yöntemi ile
biyodizelin üretiminde ve kullanımında çeşitli
olumsuzluklar ortaya çıkmaktadır. Bunlar; biyodizelin
üretim maliyetinin yüksek olması, üretimde açığa çıkan
gliserini değerli bir ürün haline getirmek için ilave
enerjinin harcanması, 0 oC’nin altındaki düşük
sıcaklıklarda soğuk akış özelliklerinin olumsuz
etkilenmesi ve NOx emisyonunun dizel yakıtına göre artış
göstermesi şeklinde sıralanmaktadır [9-12].
Mikroemülsiyon, normalde karışmayan iki sıvının
karışmasını sağlamak için ortak çözücü katkı maddesi
olarak bütanol, oktanol ve hekzanol gibi çözücüler
kullanılarak karışımların dizel motoru için gerekli
viskozite değerinin sağlanması için uygulanan bir
metottur. Ayrıca, bu çözücüler bitkisel yağlarla
karıştırılarak
dizel
motorlarında
kullanılacak
biyoyakıtların çözünürlük oranları mikroemülsiyon
yöntemi kullanılarak belirlenebilmekte ve düşük
sıcaklıklarda kararlı bir özellik sergileyen, dizel yakıtına
alternatif yakıtlar elde edilebilmektedir [10,13-16].
Alkol-dizel yakıtı karışımlarının alternatif bir yakıt
olarak değerlendirilmesi ile ilgili yapılan çalışmalarda en
2
egzoz emisyonları azaltması bakımından uygun bir yakıt
olduğu vurgulanmıştır [10].
Literatürde sınırlı sayıda yapılan çalışmalar dikkate
alınarak, üçlü karışımda dizel yakıtı ile birlikte bitkisel
yağ bileşeni olarak nötr kanola, soya, ayçiçeği, mısır,
zeytin, fındık, pamuk yağı ve biyoalkol bileşeni olarak da
n-bütanol kullanılarak yapılan bu çalışmada; biyoyakıt
kullanım oranını artırmak ve Avrupa Birliği 2003/30/EC
no’lu 8 Mayıs 2003 tarihli biyoyakıt kullanım direktifinin
2020 yılı biyoyakıt kullanımı için hedeflediği %20
oranına alternatif bir yakıt karışımı tasarlamak için
bileşenlerin karışım oranı %70 dizel, %20 bitkisel yağ ve
%10 n-bütanol olarak belirlenmiştir. Deney yakıtları, dört
silindirli, dört zamanlı, turboşarjlı, direkt püskürtmeli bir
dizel motorunda motor karakteristiklerinin belirlenmesi
için test edilmiştir. Elde edilen motor performans
parametreleri
referans
yakıtının
değerleri
ile
karşılaştırılmıştır.
Tablo 1. Deney motorunun teknik özellikleri
Silindir çapı
90.47 mm
Strok
97.00 mm
Hacim
2495 cc
Sıkıştırma oranı
19.5:1
Maksimum moment
235 Nm (2200 1/min)
Maksimum güç
82 kW (3800 1/min)
Motor rölanti devri
720 1/min
Maksimum motor devri
4400 1/min
Püskürtme zamanı
15° Ü.Ö.N önce
Püskürtme basıncı
200 bar
Soğutma sistemi
Su ile soğutmalı
2.2. Deney Yakıtları
Üçlü karışımın birinci bileşeni olarak dizel yakıtı,
ikinci bileşeni olarak yenilenebilir kaynaklardan
üretebilen, yakıt özellikleri bakımından etanol ve metanol
gibi alkollere göre dizel yakıtına daha yakın yakıt özelliği
sergileyen, ortak çözücü özelliğine sahip olan n-bütanol
(nB) ve üçüncü bileşeni olarakta Türkiye’nin iklim
şartlarında yetiştirilebilen nötr kanola (K), soya (S),
ayçiçeği (A), mısır (M), zeytin (Z), fındık (F) ve pamuk
(P) yağı kullanılmıştır. Dizel (D) yakıtı Petrol Ofisi
firmasından, %99 saflıktaki n-bütanol Tekkim
firmasından,
bitkisel
yağlar
ise
Kula
Yağ
Fabrikası/Balıkesir’ den temin edilmiştir.
Çalışmada kullanılan bitkisel yağların, yağ asit
kompozisyonlarının ölçümünde Agilent Technologies
6850 Network GC System marka test cihazı
kullanılmıştır. Test cihazında taşıyıcı gaz olarak helyum
ve 50-150 °C çalışma aralığında, 60 m uzunluğunda, 0,25
mm çapında ve 0,2 µm film kalınlığında HP-88 marka
kolon bulunmaktadır. Bitkisel yağların ölçülen yağ
asitlerinin (%) değerleri Tablo 2’de verilmiştir.
2. MATERYAL VE METOD
2.1. Test Düzeneği
Motor performans değerlerinin tespitinde, maksimum
gücü 119 kW ve maksimum devri 7500 1/min olan BT190 model sulu tip motor test cihazı kullanılmıştır. Motor
test düzeneğinin şematik görünümü Şekil 1’de
görülmektedir.
Tablo 2. Bitkisel yağların, yağ asit kompozisyonları (%)
Yağ
asitleri
Miristik
(C14:0)
Palmitik
(C16:0)
Stearik
(C18:0)
Araşidik
(C20:0)
Behenik
(C22:0)
Lignoserik
(C24:0)
Palmitoleik
(C16:1)
Oleik
(C18:1)
Linoleik
(C18:2)
Linolenik
(C18:3)
Asit sayısı
(% m/m)
Şekil 1. Motor test düzeneği
Motor test düzeneğinde deney motoru olarak Land
Rover marka dört silindirli, dört zamanlı, direkt
püskürtmeli ve turboşarjlı bir dizel motoru kullanılmıştır.
Deneyde kullanılan motorun, teknik özellikleri Tablo
1’de verilmiştir.
Kanola
Soya
Ayçiçek
Mısır
Zeytin
Fındık
Pamuk
0.11
0.10
0.08
0.09
0.30
0.04
0.79
6.45
10.26
5.33
11.17
11.66
5.50
23.13
2.54
3.52
3.45
2.20
2.44
2.00
2.28
0.42
0.23
0.16
0.40
0.49
0.04
0.29
0.33
0.26
0.65
0.16
0.30
0.04
0.51
0.30
0.27
0.14
0.16
0.31
-
0.13
0.27
0.11
0.12
0.15
0.50
0.08
0.20
53.36
26.55
37.13
31.80
55.06
77.15
19.08
29.81
51.04
52.01
52.36
26.57
14.86
52.50
5.63
7.06
0.13
0.91
0.73
0.04
0.22
0.10
0.39
0.14
2.75
2.61
0.08
0.16
Biyoyakıt karışımı hazırlamak için üç metod
kullanılmaktadır. Bunlar splash-blending, yakıt tankı
içinde karıştırma ve yakıt hattı üzerinde karıştırma
3
Eşitliğe göre Huk karışımın Mj/kg cinsinden alt ısıl
değerini ve Hui ise yakıt bileşenlerinin bilinen alt ısıl
değerlerini ifade etmektedir.
metodu olarak sıralanmaktadır [23,24]. Karışım
hazırlamada kullanılan bu metodlar arasında daha etkili,
verimli ve yaygın bir şekilde kullanılan metod olarak
splash blending metodu gösterilmektedir [10,23-25].
Üçlü karışımlardaki biyoyakıt kullanım oranını
artırmak ve Avrupa Birliği 2003/30/EC no’lu 8 Mayıs
2003 tarihli biyoyakıt kullanım direktifinin 2020 yılı
biyoyakıt kullanımı için hedeflediği %20 oranına
alternatif bir yakıt karışımı tasarlamak için bileşenlerin
karışım oranı %70 dizel (D), %20 bitkisel yağ ve
%10 n-bütanol (nB) olarak belirlenmiştir.
Dizel yakıtı ve bitkisel yağ bileşenleri arasında
mikroemülsiyonu sağlayan ortak çözücü n-bütanol
kullanılarak splash blending metoduyla üçlü karışımlar
hazırlanmıştır. Hazırlanan karışımlar sırasıyla DnBK,
DnBS, DnBA, DnBM, DnBZ, DnBF ve DnBP olarak
adlandırılmıştır. Üçlü karışım bileşenleri ve deney
yakıtları Şekil 2’de görülmektedir.
Karışımların setan sayılarının hesaplanmasında (3)
eşitliğinden yararlanılmıştır.
3
SS k = ∑ (xi SS i )
(3)
i=1
Eşitliğe göre SSk karışımın setan sayısını ve SSi ise
yakıt bileşenlerinin bilinen setan sayılarını ifade
etmektedir.
Karışımların
kinematik
viskozitelerinin
hesaplanmasında (4) eşitliğinden yararlanılmıştır.
3
lnη k = ∑ xi lnη i
(4)
i=1
Eşitliğe göre ƞk karışımın (mm2/s) cinsinden
kinematik viskozitesini ve ƞi ise yakıt bileşenlerinin
bilinen kinematik viskozitelerini ifade etmektedir. Deney
yakıtlarına ait yakıt özellikleri Tablo 3’te verilmiştir.
Tablo3. Deney yakıtlarının yakıt özellikleri
Şekil 2. Üçlü karışım bileşenleri ve deney yakıtları
Ölçülen
Yakıt bileşenleri seçilen konsantrasyonda birbiri
içinde rahatlıkla çözündüğü için karışıma dışarıdan
herhangi bir enerji (karıştırma işlemi) verilmemiştir ve
karışımlardan alınan numuneler oda sıcaklığında 60 gün
süreyle bekletilmiş ve hiçbir deney yakıtında faz
ayrışması oluşmamıştır.
Hesaplanan
2.3. Yakıt Özelliklerinin Tahminlenmesi
Üçlü yakıt karışımlarındaki yakıt bileşenlerinin
bilinen yakıt özellikleri kullanılarak, Kay Mixing kuralına
göre sırasıyla yoğunluk, alt ısıl değer ve setan sayıları,
Arrhenius Mixing kuralına
göre de kinematik
viskoziteleri hesaplanmıştır [26-30].
Karışımların yoğunluklarının hesaplanmasında (1)
eşitliğinden yararlanılmıştır.
Eşitliğe göre ρk karışımın g/ml cinsinden
yoğunluğunu, i sırasıyla üç yakıt bileşenini, xi yakıt
bileşenlerinin hacimsel karışım oranlarını ve ρi ise bilinen
yoğunluklarını ifade etmektedir.
Karışımların alt ısıl değerlerinin hesaplanmasında (2)
eşitliğinden yararlanılmıştır.
Huk = ∑ (xi ρi Hui )
i=1
3
∑ (x ρ )
i
i
Setan
sayısı
Kinematik
viskozite
(mm2/s) 40 °C
Dizel
0.820
43.38
55.5
2.21
n-Bütanol
0.810
33.10
17
2.23
DnBK
0.838
41.27
49.55
3.85
DnBS
0.838
41.37
49.35
3.77
DnBA
0.837
41.33
48.75
3.80
DnBM
0.838
41.35
48.95
3.81
DnBZ
0.836
41.57
49.95
3.69
DnBF
0.836
41.39
50.35
3.54
DnBP
0.839
41.28
48.91
3.79
Bütün deneyler TS 1231 İçten Yanmalı MotorlarMuayene ve Deney Esaslarına göre yapılmıştır. TS
1231’de belirtildiği gibi motor, maksimum gücünün
%10’u olan 8.2 kW güç ve rölanti devrinin 2 katı olan
1440 1/min’de çalışma sıcaklığına getirilene kadar
çalıştırılmıştır. Çalışma sıcaklığına gelen motor üzerinden
yük kaldırılarak tekrar rölanti devri olan 720 1/min’ye
getirilerek 5 dakika çalıştırılmıştır. Motor performans
değerlerinin ölçülmesi için tam yük değişik devir testi
yapılmıştır. Motor tam gaz konumuna getirilerek,
motorun maksimum devri olan 4400 1/min’de motor
performans değerleri ölçülmüştür. Motor tam gaz
konumunda iken gaz koluna dokunmadan test cihazı ile
yüklenmeye başlanmış, deney motorunun maksimum güç
(1)
i=1
3
Alt ısıl
değer
(Mj/kg)
2.4. Motor Test Yöntemi
3
ρ k = ∑ (xi ρi )
Yoğunluk
(g/ml)
Yakıt
(2)
i=1
4
ve maksimum tork devirlerini de kapsayan 4400, 4200,
3800, 3400, 3000, 2600, 2200 ve 1800 1/min’de motor
performans değerleri tekrar ölçülmüştür.
Deneyler süresince motor soğutma suyu çıkış
sıcaklığı 80-85 °C aralığında tutulmuştur. Deneyler
esnasında motor devir sayısı, seçilen devir sayısından %
±5 veya 10 1/min’den hangisi büyükse ondan daha fazla
sapmayacak şekilde kararlı hale geldikten sonra motor
gücü, momenti ve yakıt tüketimi değerleri tespit
edilmiştir. Bütün test yakıtlarıyla yapılan deneyler üç kez
tekrarlanmış ve ölçülen değerlerin aritmetik ortalaması
hesaplanmıştır.
Üçlü karışım yakıtlarıyla elde edilen moment ve güç
değerlerinin dizel yakıtına göre azalmasının nedeni üçlü
karışımların yüksek viskozite, düşük ısıl değer ve setan
sayısına sahip olması olarak açıklanabilir.
3. SONUÇLAR
Bu çalışmada, dizel-bitkisel yağ-n-bütanol üçlü yakıt
karışımının dizel motor performansına etkileri
incelenmiştir. Motor devrine bağlı olarak tam yük değişik
devir testlerinden elde edilen moment, saatlik yakıt
tüketimi, egzoz gaz sıcaklığı ve motor test cihazı
tarafından düzeltme faktörü göz önüne alınarak
hesaplanan düzeltilmiş güç, ayrıca formül yardımıyla
hesaplanan özgül yakıt tüketimi, efektif verim ve
ortalama efektif basınç değerlerine ait grafikler ve bu
grafiklere ait yorumlar aşağıda ayrıntılı bir şekilde
verilmiştir.
Şekil 4. Motor devrine bağlı efektif güç değişimleri
Yüksek
viskozite,
yakıtın
enjektörden
püskürtülmesini güçleştirmekte ve atomizasyonunu
kötüleştirmektedir [31]. Ayrıca üçlü karışımları oluşturan
bileşenlerden n-bütanol ve bitkisel yağların kimyasal
yapılarındaki oksijen moleküllerinin varlığı karışımların
ısıl değerlerini azaltıcı etki göstermektedir. Isıl değerin de
düşük olması yanma sonucu açığa çıkan enerjinin
azalmasına ve piston üzerine etkiyen basınç ile faydalı işe
dönüşüm oranının da azalmasına neden olmaktadır.
Dizel yakıtı ve üçlü karışımların motor devrine bağlı
özgül yakıt tüketim değerleri Şekil 5’te gösterilmektedir.
Üçlü karışım yakıtlarıyla elde edilen özgül yakıt tüketim
değerleri dizel yakıtının özgül yakıt tüketim değerlerine
göre artış gösterdiği tespit edilmiştir. DnBK, DnBS,
DnBA, DnBM, DnBZ, DnBF ve DnBP yakıtlarıyla elde
edilen özgül yakıt tüketim değerleri, dizel yakıtıyla elde
edilen değerlere göre ortalama olarak sırasıyla %22.68,
%21.45, %22.22, %24.67, %21.93, %21.47 ve %28.9
oranda artmıştır.
3.1. Motor Performans Karakteristikleri
Dizel yakıtı ve üçlü karışımların motor devrine bağlı
moment ve güç değişimleri, sırasıyla Şekil 3 ve 4’te
gösterilmektedir. Üçlü karışım yakıtlarıyla elde edilen
moment değerleri dizel yakıtının moment değerlerine
göre azaldığı tespit edilmiştir. DnBK, DnBS, DnBA,
DnBM, DnBZ, DnBF ve DnBP yakıtlarıyla elde edilen
moment değerleri, dizel yakıtıyla elde edilen değerlere
göre ortalama olarak sırasıyla %0.76, %0.81, %1.32,
%2.37, %0.88, %1.62 ve %2.18 oranda azalmıştır. Bu
değerlere bağlı olarak hesaplanan güç değerleri ise
sırasıyla %0.94, %0.69, %1.45, %2.44, %1.0, %1.73 ve
%2.12 oranda azalmıştır.
Şekil 5. Motor devrine bağlı özgül yakıt tüketimi
değişimleri
Şekil 3. Motor devrine bağlı moment değişimleri
5
Üçlü karışımların setan sayıları dizel yakıtına göre
daha düşüktür (Tablo 3). Düşük setan sayısı, tutuşma
gecikmesi süresinin uzamasına neden olduğundan dolayı
yanma odasında ilk alev çekirdeğinin oluşmasına kadar
geçen sürede üçlü karışımların püskürtme miktarının
artmasına neden olmaktadır. Yanmanın geç başlaması
yanma süresini uzatıcı etki göstereceği için bu süre
içerisindeki motor parçalarına ısı transfer miktarı da
artacaktır [32]. Bundan dolayı, silindir içerisindeki efektif
güce dönüşebilecek faydalı enerjinin azalması, üçlü
karışım yakıtlarının özgül yakıt tüketim değerinin
artmasına neden olduğu değerlendirilmektedir.
Dizel yakıtı ve üçlü karışımların motor devrine bağlı
efektif verim değerleri Şekil 6’da gösterilmektedir. Üçlü
karışım yakıtlarıyla elde edilen efektif verim değerleri
dizel yakıtının efektif verim değerlerine göre azaldığı
tespit edilmiştir. DnBK, DnBS, DnBA, DnBM, DnBZ,
DnBF ve DnBP yakıtlarıyla elde edilen efektif verim
değerleri, dizel yakıtıyla elde edilen değerlere göre
ortalama olarak sırasıyla %13.99, %13.4, %13.85,
%15.42, %14.05, %13.45 ve %18.25 oranda azalmıştır.
Şekil 7. Motor devrine bağlı ortalama efektif basınç
değişimleri
Üçlü karışımların dizel yakıtına göre ısıl değerinin az
ve viskozite değerinin yüksek olması yanma sonunda
açığa çıkan enerjinin ve krank milini çevirmek için piston
üzerine çevrim boyunca etki eden basınçların ortalaması
olarak tanımlanan ortalama efektif basıncın azalmasına
neden olmaktadır. Bunun sonucunda, üçlü karışımlar ile
elde edilen ortalama efektif basınç değeri dizel yakıtı
karşılaştırıldığında düşük olduğu tespit edilmiştir.
Dizel yakıtı ve üçlü karışımların motor devrine bağlı
egzoz gaz sıcaklıkları Şekil 8’de gösterilmektedir. Üçlü
karışım yakıtlarıyla elde edilen egzoz gaz sıcaklıkları
dizel yakıtının egzoz gaz sıcaklıklarına göre azaldığı
tespit edilmiştir. DnBK, DnBS, DnBA, DnBM, DnBZ,
DnBF ve DnBP yakıtlarıyla elde edilen egzoz gaz
sıcaklıkları, dizel yakıtıyla elde edilen değerlere göre
ortalama olarak sırasıyla %6.75, %7.03, %7.08, %8.28,
%8.72, %6.7 ve %6.57 oranda azalmıştır.
Şekil 6. Motor devrine bağlı efektif verim değişimleri
Yakıtın faydalı işe dönüşüm oranının bir göstergesi
olan efektif verimi etkileyen en önemli motor performans
parametresi özgül yakıt tüketimidir. Üçlü karışımların
Tablo 3’te belirtilen yakıt özellikleri incelendiğinde dizel
yakıtına göre ısıl değerinin ve setan sayısının düşüklüğü,
viskozite değerinin yüksek olması yanma sonunda açığa
çıkan enerjinin azalmasına ve faydalı işe dönüşüm
oranının düşmesine neden olmaktadır. Bu durum üçlü
karışım yakıtları ile elde edilen efektif verim değerinin
dizel yakıtına göre düşmesine neden olduğu
değerlendirilmektedir.
Dizel yakıtı ve üçlü karışımların motor devrine bağlı
ortalama efektif basınç değerleri Şekil 7’de
gösterilmektedir. Üçlü karışım yakıtlarıyla elde edilen
ortalama efektif basınç değerleri dizel yakıtının ortalama
efektif basınç değerlerine göre azaldığı tespit edilmiştir.
DnBK, DnBS, DnBA, DnBM, DnBZ, DnBF ve DnBP
yakıtlarıyla elde edilen ortalama efektif basınç değerleri,
dizel yakıtıyla elde edilen değerlere göre ortalama olarak
sırasıyla %0.97, %0.73, %1.48, %2.48, %1.04, %1.77 ve
%2.15 oranda azalmıştır.
Şekil 8. Motor devrine bağlı egzoz gazı sıcaklığı
değişimleri
Üçlü karışımı oluşturan bileşenlerden en yüksek gizli
buharlaşma ısısına sahip olan n-bütanolün alev sıcaklığını
düşürerek
yanma
sonu
sıcaklığını
azalttığı
değerlendirilmektedir. Üçlü karışımlar içerisindeki
bitkisel yağların ise karışımların viskozite değerlerini
artırmakta, viskozitenin artması ise yanma verimini
6
olumsuz yönde etkileyerek yanma sonu sıcaklığını
düşürmektedir. Üçlü karışımların yakıt özelliklerine bağlı
olarak yanma üzerindeki etkilerinin tamamı birlikte
değerlendirildiğinde,
egzoz
gaz
sıcaklıklarının
azalmasında düşük ısıl değer, yüksek gizli buharlaşma
ısısı ve viskozitenin düşük setan sayısından daha etkin rol
oynadığı değerlendirilmektedir.
7.
8.
9.
Yukarıda yapılan değerlendirmeler sonucunda;
• Ham bitkisel yağların, dizel motorlarda herhangi bir
yapısal değişiklik yapmaksızın alternatif bir yakıt olarak
verimli bir şekilde kullanılabilmesi için dizel-bitkisel yağ
karışımının ortak çözücü özelliğine sahip n-bütanol ile
mikroemülsiyonun ucuz ve etkili bir yöntem olduğu
değerlendirilmektedir.
10.
11.
• Deney yakıtlarının yağ asit kompozisyonları ve yakıt
özellikleri dikkate alındığında, bitkisel yağların setan
sayısını artırıcı etki gösteren çift bağ sayısının (oleik asit
(C18:1)) az olduğu fındık ve zeytin yağları ön plana
çıkmaktadır.
12.
• Petrol rezervlerinin azalması ve petrol fiyatlarındaki
belirsizlikler nedeniyle doğrudan gıda amaçlı olarak
kullanılmayan bitkisel yağların dizel motorlarında
kullanılması önem kazanmaktadır. Bu nedenle,
Türkiye’nin bitkisel yağ üretim değerleri incelendiğinde
doğrudan gıda amaçlı kullanılamayan pamuk yağının
mikroemülsiyon yönteminde bitkisel yağ bileşeni olarak
kullanılmasının uygun olacağı değerlendirilmektedir.
13.
14.
15.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Nigam, P. S., Singh, A., 2011, “Production of
liquid Biofuels from Renewable ResourcesReview”, Progress in Energy and Combustion
Science, Vol. 37, pp. 52-68.
Drapcho, C. M., Nhuan, N., P., Walker, T., 2008,
“Biofuels Engineering Process Technology”, New
York: Mc Graw Hill, pp. 69-94.
Esteban, B., Baquero, G., Puig, R., Riba, J. R., Rius,
A., 2011, “Is It Environmentally Advantageous to
Use Vegetable Oil Directly as Biofuel instead of
Converting It to Biodiesel?”, Biomass and
Bioenergy, Vol. 35, pp. 1317-1328.
Atmanlı, A., 2013, “Dizel Motorunda Dizel
Yakıtı-Alkol-Bitkisel
Yağ
Karışımları
Kullanımının
Motor
Karakteristiklerine
Etkilerinin İncelenmesi”, Doktora Tezi, Balıkesir
Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir.
Sidibe, S.S., Blin, J., Vaitilingom, G., Azoumah Y.,
2010, “Use of Crude Filtered Vegetable Oil as a
Fuel in Diesel Engines State of The Art:
Literature review”, Renewable and Sustainable
Energy Reviews, Vol. 14, pp. 2748-2759.
Demirbaş, A., 2008, “Biodiesel, A Realistic Fuel
Alternative for Diesel Engines”, London:
Springer-Verlag, pp. 65-92.
16.
17.
18.
19.
20.
7
Knothe, G., 2005, “Biodiesel Handbook”, Urbana:
AOCS Pres, pp. 76-77.
Ramadhas, A.S., Jayaraj, S., C. Muraleedharan,
2004, “Use of Vegetable Oils as I.C. Engine
Fuels-A Review”, Renewable Energy, Vol. 29, pp.
727-742.
Agarwal, A. K., 2007, “Biofuels (alcohols and
biodiesel) Applications as Fuels for Internal
Combustion Engines”, Progress in Energy and
Combustion Science, Vol. 33, pp. 233-271.
Atmanlı, A., Yüksel, B., İleri, E., 2013,
“Experimental Investigation of the Effect of
Diesel-Cotton Oil-n-Butanol Ternary Blends on
Phase Stability, Engine Performance and
Exhaust Emission Parameters in a Diesel
Engine”, Fuel, Vol. 109, pp. 503-511.
No, S. Y., 2011, “Inedible Vegetable Oils and
Their Derivatives for Alternative Diesel Fuels in
CI Engines: A Review”, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, pp. 131-149.
İleri, E., 2012, “Biyodizele Antioksidan
Eklenmesinin NO x Emisyonuna Etkilerinin
Deneysel Olarak İncelenmesi”, Doktora Tezi, Ege
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir.
Demirbaş, A., 2009, “Green Energy and
Technology Biofuels”, London: Springer Verlag,
pp.1-4.
Srivastava, A., Prasad, R., 2000, “TriglyceridesBased Diesel Fuels”, Renewable and Sustainable
Energy Reviews, Vol. 4, pp. 111-133.
Kumar, S., Cho, J. H., Park, J., Moon, I., 2013,
“Advances in Diesel-Alcohol Blends and Their
Effects on the Performance and Emissions of
Diesel Engines”, Renewable and Sustainable
Energy Reviews, Vol. 22, pp. 46-72.
Agarwal, A. K., Rajamanoharan, K., 2009,
“Experimental Investigations of Performance
and Emissions of Karanja Oil and its Blends in A
Single Cylinder Agricultural Diesel Engine”,
Applied Energy, Vol. 86, pp. 106-112.
Laza, T., Bereczky, A., 2011, “Basic fuel
Properties of Rapeseed Oil-Higher Alcohols
Blends”, Fuel, Vol. 90, pp. 803-810.
Avcı, A., Dönmez, S., 2011, “Biyoyakıt Olarak
Bütanol ve Fermantasyonla Üretimi”, Elektronik
Mikrobiyoloji Dergisi, No.2, ss. 1-12.
Qureshi, N., Ezeji, T. C., 2008, “Butanol, ‘a
Superior Biofuel’ Production From Agricultural
Residues (Renewable Biomass): Recent Progress
in Technology”, Biofuels, Bioproducts and
Biorefinery, Vol. 2, pp. 319-330.
Sukjit, E., Herreros, J. M., Dearn, K. D., Tsolakis,
A., Theinnoi, K., 2012, “Effect of Hydrogen on
Butanol e-Biodiesel Blends in Compression
Ignition Engines”, International Journal
of
Hydrogen Energy, Vol. 38, pp. 1624-1635.
21. Jin,C., Yao, M., Liu, H., Leed, C. F., Ji, J., 2011,
“Progress in the Production and Application of
n-Butanol as a Biofuel”, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, pp. 40804106.
22. Lujaji, F., Kristóf, L., Bereczky, A., Mbarawa, M.,
2011, “Experimental Investigation of Fuel
Properties, Engine Performance, Combustion
and Emissions of Bblends Containing Croton Oil,
Butanol, and Diesel on a CI Engine”, Fuel, Vol.
90, pp. 505-510.
23. Joshi, R. M., Pegg, M. J., 2007, “Flow Properties
of Biodiesel Fuel Blends at Low Temperatures”,
Fuel, Vol. 86, pp. 143-151.
24. BC Transit, 2008, “Biodiesel Blending Guide”,
pp. 3-13.
25. Chotwichien, A., Luengnaruemitchai, A., Jai-In, S.,
2009, “Utilization of Palm Oil Alkyl Esters as an
Additive in Etanol–Diesel and Butanol-Diesel
Blends”, Fuel, Vol. 88, pp. 1618-1624.
26. Siwale, L., Kristóf, L., Adam, T., Bereczky, A.,
Mbarawa, M., Penninger, A., Kolesnikov, A., 2013
“Combustion and Emission Characteristics of nButanol/Diesel Fuel Blend in a Turbo-Charged
Compression Ignition Engine”, Fuel, Vol. 107, pp.
409-18.
27. Ramírez, V. L., Rodríguez, J., Jaramillo AR., 2012,
“Predicting
Cetane
Number,
Kinematic
Viscosity, Density and Higher Heating Value of
Biodiesel from its Fatty Acid Methyl Ester
Composition”, Fuel, Vol. 91, 102-11.
28. Kashinath, S. A., Manan, Z. A., Hashim, H., Alwi
W., 2012, “Design of Green Diesel From Biofuels
Using Computer Aided Technique”, Computers
and Chemical Engineering, Vol. 41, pp. 88-92.
29. Ramos, M., Fernández, C., Casas, A, Rodríguez, L.,
Pérez, A., 2009, “Influence of Fatty Acid
Composition of Raw Materials on Biodiesel
Properties”, Bioresource Technology Vol. 100, pp.
261-268.
30. Schoo, R., ,Hoxie, A., 2012, “Basic Properties of
Refined, Bleached and Deodorized Soybean OilButanol Blends”, Fuel, Vol. 102, 701-708.
31. İleri, E., Koçar, G., 2009, “Experimental
Investigation of the Effect of Fuel Injection
Advance on Engine Performance and Exhaust
Emission Parameters Using Canola Oil Methyl
Ester in a Turbocharged Direct-Injection Diesel
Engine”, Energy Fuel, Vol. 23, pp. 5191-5198.
32. İleri, E., Karaoğlan, D., Atmanli, A., 2013,
“Response
Surface
Methodology
Based
Prediction of Engine Performance and Exhaust
Emissions of a Diesel Engine Fuelled with Canola
Oil Methylester”, Renewable and Sustainable
Energy, Vol. 5, 033132, pp. 1-19.
8
Download

Dizel-bitkisel Yağ-n-bütanol Üçlü Karışımlarının Di·zel