Düşük ısı kayıplı bir dizel motorunda biyodizel kullanımının performans ve emisyon parametrelerine etkisi

Abstract

ÖZET: Anahtar Kelimeler: Düşük Isı Kayıplı Motor, Seramik Kaplama, Biyodizel, Ayçiçek Metil Esteri, Alternatif Yakıt Benzin motorlarına kıyasla özgül yakıt tüketiminin düşük olması, daha fakir karışımla çalışabilmeleri ve yüksek sıkıştırma oranı sebebiyle bütün yüklerde daha verimli çalışması, orta ve ağır hizmet tipi araçlar için dizel motorlarını cazip kılmaktadır. Fakat benzin motoruna oranla daha fazla azot oksit ve duman emisyonu üretmeleri dizel motorlarının önemli dezavantajlarıdır. Dizel motorunun mucidi Rudolf Diesel 1900'deki Paris Fuarında icat ettiği motorun çalışma prensibini gösterirken yakıt olarak yer fıstığı yağı kullanmış, fakat motor tasarımındaki kısıtlamalar onu petrol kökenli yakıtlara yöneltmiştir. 1970'lerdeki petrol krizine kadar alternatif yakıtlar üzerinde pek durulmamış, bu tarihten sonra bitkisel esaslı yağlardan elde edilen yakıtlar üzerinde çalışılmaya başlamıştır. Ham bitkisel yağlar acil durumlarda ve kısa süreli çalışmalarda dizel motorlarında güvenli bir şekilde kullanılabilmektedir. Ancak uzun süreli kullanımlarda bitkisel yağın viskozitesinin yüksek ve uçuculuğunun düşük olması sebebiyle, yanma odasında aşın karbon birikintisine, enjektör tıkanmasına, segman yapışmasına, soğukta ilk hareket zorluklarına, yakıt hattında tıkanmalara, yağlama yağının kalınlaşmasına ve yakıtın atomizasyonunun kötüleşmesine yol açmaktadır. Bu olumsuzluklar bitkisel yağın monoester oluşturacak şekilde transesterifikasyonu ile azaltılabilir ya da giderilebilir. Bu işlem ile elde edilen yakıta biyodizel denilmektedir. Her ne kadar transesterifikasyon ile elde edilen biyodizelin özellikleri dizel yakıtınınkine benzerse de, viskozitesi hala dizel yakıtmınkinden fazladır. Biyodizelin viskozitesinin daha da düşürülüp dizel motorlarında daha verimli bir şekilde kullanılabilmesini sağlamak için yakıt ısıtılarak motora gönderilebilir. Burada biyodizelin düşük ısı kayıplı motorlarda kullanımı gündeme gelmektedir. Düşük ısı kayıplı motorlarda yalıtım neticesinde artan gaz ve cidar sıcaklıkları yakıtın ısıtmaya gerek kalmadan daha verimli bir şekilde kullanılmasına imkan sağlayacaktır. Bu çalışmada, önce motorin ve ayçiçek yağından üretilmiş biyodizel direkt püskürtmeli, aşın doldurmalı, dört silindirli bir dizel motorunda yakıt olarak kullanılmıştır. Daha sonra motorun silindir kapağı ve supapları plazma sprey yöntemiyle 0,15 mm nikel-krom- alüminyum (NiCrAl) astar tabaka ve 0,35 mm yitriyumla stabilize zirkonya (Y203Zr02) ile kaplanarak deney motoru düşük ısı kayıplı (DİK) duruma getirilmiştir. Son olarak DİK motorda, standart motor ile aynı şartlarda motorin ve biyodizel yakıtları yeniden kullanılmıştır. Bulunan sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Çalışma sonucunda her iki yakıt için seramik kaplama ile deney motorunun özgül yakıt tüketimi ve efektif veriminde iyileşme olurken, egzoz gazı sıcaklıklarında yükselme gerçekleşmiştir. Ayrıca, NOx ve C02 emisyonları artarken, duman emisyonlarında azalma gözlenmiştir.

EFFECT OF BIODIESEL USAGE TO ENGINE PERFORMANCE AND EMISSION PARAMETERS IN A LOW HEAT REJECTION DIESEL ENGINE SUMMARY Keywords: Low Heat Rejection Engine, Thermal Barrier Coating, Biodiesel, Sunflower Methyl Ester, Alternative Fuel Diesel engines are being attractive for medium and heavy duty vehicles because of their lower specific fuel consumption, capable of operating leaner mixtures and higher efficiency at all loads caused by higher compression ratio according to gasoline engines. But producing more NOx and soot emissions according to gasoline engines are important disadvantages of diesel engines. Rudolf Diesel, inventor of diesel engine, used groundnut oil to show the operating principles of this engine at the Paris Exposition of 1900; however engine design restrictions were directed him to petroleum based fuels. There were not enough studies about alternative fuels until the petroleum crisis of 1970s. Since then, the studies about vegetable oil based fuels have begun. Raw vegetable oils can be safely used for emergency conditions and short period of operating time in diesel engines. But for long periods may results excessive carbon deposit in combustion chamber, injector plugging, piston ring sticking, difficulty of cold weather starting, plugging of fuel lines, thickening of lubricating oil and poor fuel atomization as the higher viscosity and poor volatility of vegetable oils. These negative nesses can be reduced or eliminated by transesterification of vegetable oil to form monoester. The fuel obtained by this process is known as biodiesel. Although, the properties of biodiesel obtained with transesterification are similar to those of diesel fuel, the viscosity is still higher than that of diesel fuel. To reduce biodiesel viscosity further and to obtain more efficiently usage in diesel engines, the fuel can be introduced to the engine by heating. Here, the usage of biodiesel in Low Heat Rejection engines has become current issue. The increased gas and wall temperatures caused by insulation can obtain efficiently use of fuel without heating. In this study, firstly diesel fuel and biodiesel produced from sun flower oil were used as fuel in a direct injection, turbocharged, four cylinder diesel engine. Then, by coating of cylinder head and valves with 0.15 mm nickel-chrome-aluminum (NiCrAl) bond coat and 0.35 mm yttria stabilized zirconia (Y2O3Z1O2) the engine was changed to low heat rejection (LHR) condition. Finally diesel fuel and biodiesel were tested in LHR engine, at the same conditions with standard engine. At the end of study, specific fuel consumption and efficiency of test engine were improved and exhaust gas temperature was increased for both fuels with ceramic coating. It was also observed that while NOx and CO2 emissions increased, soot emissions decreased.