FARKLI ALKOL YAKITLARIN BUJİ ATEŞLEMELİ BİR MOTORUN PERFORMANS, EMİSYON VE YANMA KARAKTERİSTİKLERİNE

ETKİSİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ

Mustafa Kemal BALKİ 1 Cenk SAYIN 2 Mustafa ÇANAKCI 3

1 Sinop Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü, mkemalbalki@hotmail.com, 57030, Orduköyü-Sinop2 Marmara Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği, 34722, İstanbul

3 Kocaeli Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği, 41040, İzmit

ÖZET

Bu çalışmada, yakıt olarak saf benzin ve alkol (etanol ve metanol) kullanan bir motorun, motor performansı, egzoz emisyonları ve yanma karakteristiklerindeki değişimleri deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler tek silindirli, düşük güçlü buji ateşlemeli bir motorda tam gaz kelebeği açıklığında ve farklı motor hızlarında yapılmıştır. Bütün çalışmalarda hava fazlalık katsayı 1.0 olacak şekilde ayarlanmıştır. Etanol ve metanoldan elde edilen sonuçlar benzinli çalışma ile karşılaştırılmıştır. Deneylerde etanol ve metanol kullanımının motor momentini, ısıl ve yanma verimini arttığı görülmüştür. Aynı zamanda özgül yakıt tüketimi de önemli ölçüde artmıştır. Bununla birlikte silindir içi gaz basıncı ve ısı açığa çıkış hızının benzine kıyasla daha erken oluştuğu görülmüştür. Ayrıca CO2 emisyonu artış gösterirken, HC, CO ve NOx emisyonlarında azalma görülmüştür.

Anahtar kelimeler: Etanol, metanol, egzoz emisyonu, yanma karakteristiği, motor performansı

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF EFFECT ON THE PERFORMANCE EMISSIONS AND COMBUSTION CHARACTERISTICS OF AN SI ENGINE OF DIFFERENT ALCOHOL FUELS

ABSTRACT

In this study, the effects on the engine performance, exhaust emissions and combustion characteristics of an engine which was used pure gasoline and alcohol (ethanol and methanol) as fuel were investigated experimentally. In the experiments, a low power single-cylinder SI engine was used. Tests were made full-throttle valve opening and varied engine speeds.  Air excess coefficient was set approximately 1.0 at the all studies. The obtained results from pure ethanol, and methanol were compared with the gasoline fuel. In the result of experiments, it was seen that the engine moment, thermal and combustion efficiency of ethanol and methanol fuels were increased. The specific fuel consumption was also increased dramatically. In addition, the increase in the cylinder gas pressure and heat release rate of ethanol and methanol fuels were occurred earlier than gasoline. Furthermore, it was shown that CO2 emission was increased while HC, CO and NOx emissions were decreased.  

Keywords: Ethanol, methanol, exhaust emissions, combustion characteristics, engine performance

1. GİRİŞ

Motor çıkış gücü 25 HP’den düşük olan motorlara düşük güçlü motor denmektedir. Günümüzde düşük güçlü benzinli motorlar birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bahçe makinaları, jeneratörler, of-road

araçları, sulama sistemleri vb. alanlarda tahrik sistemi olarak düşük güçlü motorlar tercih edilmektedir. Bu tür motorlar dünya çapında her yıl on milyonlarca adet satılırken, ABD’de sadece 20 milyon civarında üretilmekte ve satılmaktadır [1, 2, 3, 4]. İmal edilen düşük güçlü benzinli motorların çoğu tek silindirli, dört

1

zamanlı, hava soğutmalı ve karbüratörlü yakıt sistemine sahiptir. Motorun hava soğutmalı ve karbüratörlü olması verimlilik ve çevre kirliliği açısından olumsuz etki etmektedir. Düşük güçlü motorların dayanıklı, hafif, ucuz, güvenli, yakıt tasarruflu ve çevreci olması istenir. Boyutlarının küçük olması ve yapılan maliyetin karşılanması açısından günümüz modern otomobillerinde kullanılan teknolojilerin (yakıt enjeksiyon sistemi, EGR, katalitik konvertör, vb) bu motorlarda uygulanabilirliğini güçleşmektedir [2]. Düşük güçlü motorların kullanıldığı makineler sezonluk, haftada bir veya günde birkaç saat kullanılsalar bile, egzoz emisyonlarının çevre kirliliği üzerinde önemli etkisi vardır. Aynı zamanda bu motorlar hafif zengin karışım ile çalıştıklarından özgül yakıt tüketimleri ve egzoz emisyon değerleri yüksektir [3, 5]. Bundan dolayı düşük güçlü motorlar için egzoz emisyon standartları getirilmiştir. İlk 1990 yılında California’da standart getirilmiş ve bunu ABD çevre koruma ajansı EPA takip etmiştir. Bu standartlar geliştirilen yeni motor teknolojilerine paralel yeniden düzenlenmektedir[1, 4].

Depo, apartman ve fabrika gibi kapalı ortamlarda bulunan forklift, jeneratör ve bant iletim sistemlerinde güç kaynağı olarak ta kullanılabilen bu düşük güçlü motorların emisyon seviyelerinin düşük olması insan sağlığı açısında çok önemlidir [5]. Ayrıca eğlence ve bahçe bakım amaçlı kullanılabilen dış ortam araçlarında, güç kaynağı olarak da kullanılan düşük güçlü motorların verim ve performanslarının iyi olması istenir. Bu kapsamda alternatif yakıtlar önem kazanmaktadır. Buji ateşlemeli motorlarda benzine alternatif olarak etanol, metanol, bütanol gibi alkol yakıtlar ve LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı) gibi gaz yakıtlar kullanılmaktadır. İçten yanmalı motorlarda metanol ve etanolün alternatif yakıt olarak kullanılması 1894 yılına dayanmaktadır. 19.YY’in başlarına çalışmalar hız kesmiş ve 1970 yılındaki petrol krizinden sonra alternatif yakıtlar üzerine yapılan çalışmalar tekrar hız kazanmıştır [6]. Alkol yakıtlar motorlarda saf yada benzinle karışım oluşturularak kullanılmaktadır.

Literatürde buji ateşlemeli motorlarda alkol kullanımının motor performansı, egzoz emisyonları ve yanma karakteristikleri üzerine etkisini konu alan birçok deneysel çalışma yapılmıştır. Yapılan bir çalışmada düşük verimli tek silindirli sıkıştırma oranı değişebilen bir deney motorunda metanol kullanımının performans ve emisyonlara etkisi incelenmiştir. Sıkıştırma oranı 6/1’den 10/1 çıkarılmış ve yüksek sıkıştırma oranında metanol ile yapılan çalışmalar orijinal sıkıştırma oranında (6/1) yapılan benzinli çalışmaya göre kıyaslanmıştır. Elde edilen verilere göre metanol yakıtlı çalışmada motor gücü ve CO, CO2 ve NOx emisyonları azalırken termik verim

ve HC emisyonunda arttığı tespit edilmiştir. Sıkıştırma oranının artmasıyla birlikte metanol yakıtlı çalışmada motor gücü, termik verim ve CO2, NOx, HC emisyonları artarken özgül yakıt tüketimi ve CO emisyonunun azaldığı gözlemlenmiştir [7]. Turner vd. yakıt püskürtmeli bir deney motorunda benzin ve benzin-etanol karışımlarını yakıt olarak kullanmışlardır. Bu yakıtların kullanımı sırasında ateşleme zamanının yanma verimine, motor verimine ve egzoz emisyonlarına etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre karışımdaki etanol oranının artmasıyla yanma hızının, termik verimin ve silindir içi basıncın arttığı, NOx ve CO emisyonlarının ise azaldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca ateşleme zamanının rötara alınması ile etanol karışımlı yakıtların verimliliğini artırdığı ortaya çıkmıştır [8]. Liu vd. üç silindirli bir deney motorunda benzin ve metanol-benzin karışımlarını yakıt olarak kullanmışlarıdır. Benzin içerisine hacimsel olarak %10,15,20, 25 ve 30 oranlarında metanol katmışlardır. Elde edilen deney sonuçlara göre benzindeki metanol oranının artması motor torku ve gücünün azalmasına ve termik verimin ise artmasına neden olduğu görülmüştür. Özellikle ilk çalışma emisyonları (HC, CO ve NOx) azalırken, formaldehit ve metanol emisyonlarının ise önemli ölçüde arttığı tespit edilmiştir [9].Eyidoğan vd. kurşunsuz benzin, düşük oranlarda etanol-benzin ve metanol-benzin karışımlarının motor performansı, yanma karakteristiği ve egzoz emisyonlarına etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. Şasi dinamometresinden elde edilen sonuçlara göre karışım yakıtı kullanımının özgül yakıt tüketimini artırdığı, silindir gaz basıncı ve ısı dağılımının ise daha erken yükselmeye başladığı gözlemlenmiştir. Ayrıca alkol karışımlarının kullanılmasıyla emisyonlarında azaldığı tespit edilmiştir [10]. Rong-Horng vd. buji ateşlemeli bir motorda yakıt olarak etanol-benzin kullanımının ilk çalışma emisyonları üzerine etkisini deneysel olarak incelemişlerdir. Elde edilen sonuçlara göre karışım içerindeki etanol oranının %20’den fazla olması motorun ilk çalışma emisyonunu (CO, HC) önemli ölçüde azaltmaktadır [11]. Schifter vd. yakıt püskürtmeli bir deney motorunda benzin ve %0-20 oranlarında benzin-etanol karışımlarını yakıt olarak kullanmışlardır. Deneylerde karışım yakıtlarının motor performansı ve egzoz emisyonları üzerine etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre yanma oranına en büyük etkiyi %10 katkılı karışım yakıtında elde edildiği, karışım oranının artmasıyla yanma hızındaki artışın azaldığı tespit edilmiştir. Ayrıca karışımdaki etanol oranının artmasıyla HC ve CO emisyonlarının azaldığı, NOx emisyonun ise arttığı gözlemlenmiştir [12]. Rodrigo vd. su katkılı etanol ve %22 etanol katkılı etanol-benzin karışımının yakıt olarak kullanıldığı dört silindirli bir motorda, sıkıştırma oranının motor performansı üzerine etkisini deneysel

2

olarak incelemişlerdir. Elde edilen sonuçlara göre her iki yakıt türünde de sıkıştırma oranının artmasıyla motor momenti, egzoz gaz sıcaklığı, termik verim ve çıkış gücünün arttığı, volumetrik verimin ise azaldığı gözlemlenmiştir. Özgül yakıt tüketimi ise sıkıştırma oranının artmasıyla azalmış ve en çok azalma su katkılı etanol yakıtlı çalışmada görülmüştür [13]. Çelik yapmış olduğu çalışmada düşük güçlü benzinli motorların emisyonlarını azaltmak ve performanslarını iyileştirmek için yüksek sıkıştırma oranında yakıt olarak etanol kullanmıştır. Elde edilen deney sonuçlarına göre performans ve emisyonlar açısından en elverişli yakıtın %50 etanol katkılı karışım yakıtının olduğu tespit edilmiştir. Yüksek sıkıştırma oranında benzinli çalışmaya kıyasla bu yakıtından elde edilen motor gücünün yaklaşık olarak %29 arttığı görülmüş ve bununla beraber özgül yakıt tüketimi ve CO, CO2, NOx ve HC emisyonlarının da iyileştiği gözlemlenmiştir [14]. Koç vd. kurşunsuz benzin ve %50-85 oranlarında etanol katkılı benzin-etanol karışım yakıtlarının kullanıldığı tek silindirli buji ateşlemeli bir motorda, iki farklı sıkıştırma oranının (10/1 ve 11/1) motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisini deneysel olarak incelemişlerdir. Elde edilen sonuçlara göre sıkıştırma oranının artması ve karışım yakıtlarının kullanılmasıyla benzinli çalışmaya göre motor torku, gücü ve özgül yakıt tüketiminin arttığı, CO, NOx ve HC emisyonlarının ise azaldığı gözlemlenmiştir [15]. Hsieh vd. buji ateşlemeli bir motorda yakıt olarak farklı oranlarda etanol-benzin karışımı kullanımının motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkilerini incelemişlerdir. Karışım içerisindeki etanol miktarının artmasıyla motor torku ve özgül yakıt tüketiminin arttığı, etanol eklenmesinin sebep olduğu fakirleştirici etki ile de HC ve CO emisyonlarının önemli ölçüde azaldığı gözlemlenmiştir [16]. Özsezen vd. benzin ve düşük oranlı etanol-benzin ve metanol-benzin karışımlarını dört silindirli, buji ateşlemeli bir motora sahip taşıtta yakıt olarak kullanılmasının taşıt performansı ve egzoz emisyonları üzerine etkisini incelemişlerdir. Şasi dinamometresinde yapılan deney sonuçlarına göre alkol-benzin karışımlarının benzinli çalışmaya göre tekerlek gücünde ve özgül yakıt tüketiminde hafif bir artış gözlemlenmiştir [17].

Yapılan bu çalışmada yakıt olarak benzin, etanol ve metanol kullanan düşük güçlü bir motorun motor performansı, egzoz emisyonları ve yanma karakteristikleri deneysel olarak incelenmiştir.

2. DENEYSEL ÇALIŞMA

2.1 Deney yakıtları

Deneylerde yakıt olarak kurşunsuz benzin, etanol (Merck) ve metanol (Merck) gibi %99 saflıkta alkol yakıtlar kullanılmıştır. Benzin içerisinde birçok doymuş hidrokarbon bulunduran bir yakıt türüdür. Olefin, aromatik ve parafinleri gibi ağır hidrokarbonlardan oluşmuştur. Ayrıca az miktarda ham petrolden gelen kükürt ve azot gibi istenmeyen elementler ve bazı özelliklerini iyileştirmek için ilave edilen katkı maddeleri benzinde bulunan diğer bileşenlerdir [18]. Buji ateşlemeli motorlarda kullanılan alkoller hem doğal hemde üretim yoluyla birçok üründen elde edilebildikleri için cazip bir alternatif yakıttır. Birçok ülkede yakıt olarak araçlarda kullanılmaktadır. Etanol, karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan sıvı alkoldür. Şeker, nişasta ve selüloz içeren birçok tarımsal ürün ve gıda atıklarının damıtılmasıyla üretilmektedir. Etanol; renksiz, saydam, hafif kokulu, higroskopik bir sıvıdır. Metanol ise kömürden, doğal gazdan ve evsel, endüstriyel ve zirai artıklardan üretilen bir yakıt türüdür. Metanol; renksiz, kokusu çok hafif hissedilebilen, saydam ve son derece zehirli bir alkol çeşididir [6,18,19].

Alkol yakıtlar benzin ile kıyaslandığında; birçok kaynaktan üretilebilmesi, oktan sayılarının yüksek olması, kimyasal bileşimlerinden dolayı egzoz emisyonlarının az olması, buharlaşma ısısının yüksek olması ve yanma hızlarının iyi olması avantajları iken, alt ısıl değerinin düşük olması, aldehit emisyonunun fazla olması, ve oksidasyon özelliğini ise dezavantajlarından bazılarıdır [18]. Yakıtların Tablo 1’de gösterilen bazı özellikleri, üretici firmadan ve literatürden elde edilmiştir.

Tablo 1. Deney yakıtlarının fiziksel ve kimyasal özellikleri [7,14,20]

Yakıt özellikleri Benzin Etanol Metanol

Kimyasal Formülü C8H18 C2H5OH CH3OHMoleküler kütle (g/mol) 95-120 46.07 32.04Yoğunluk (g/cm3 20° C) 0.72-0.76 0.790 0.792Alt ısıl değeri (kj/kg) 44300 26900 20100Stok. Hava/yakıt oranı 14.6 9 6.46Oksijen ağırlığı (%) - 34.73 49.94Araştırma oktan sayısı 95 108.6 108.7Motor oktan sayısı 85 89.7 88.6Tutuşma sıcaklığı (°C) 228-470 363 455Kaynama noktası (°C) 27-225 78.3 64.5Buhar basıncı (kPa) 50.65-400 59 128Tutuşma sınırları (% hacim)

1.4-7.6 3.5-15 5.5-36.5

2.2 Deney sistemi ve metodu

3

Deneylerde sıkıştırma oranı 8,5:1 olan, 196 cc silindir hacmine sahip, buji ateşlemeli, hava soğutmalı, DATSU LT200 marka, tek silindirli deney motoru kullanılmıştır. Alkol yakıtlar ile yapılan çalışmalarda motora daha fazla yakıt verilebilmesi ve hava/yakıt oranının ayarlanabilmesi için karbüratör ana yakıt memesinin çapı genişletilmiş ve konik bir vida yardımıyla ayarlanabilir hale getirilmiştir. Silindir içi basıncın ölçülebilmesi için silindir kafasına aparat takılmış ve motor çıkış miline konum sensörü için kasnak yerleştirilmiştir.

Deney düzeneği tek silindirli karbüratörlü bir motor, Kemsan marka elektrikli dinamometre, hava tüketimi ölçme düzeneği, dijital hassas terazi, silindir içi basınç ölçüm ünitesi ve egzoz gaz analizöründen oluşmaktadır, Şekil 1. Motor yükü dinamometre gövdesine 0.25m ileride bağlı olan loadcell ile ölçülmüştür. Yakıt tüketiminin ölçümünde Dikomsan marka JS-B model elektronik dijital teraziden yararlanılmıştır. Terazinin ölçme kapasitesi 30 kg olup 1 g (bir gram) hassasiyetinde ölçüm yapabilmektedir. Birim zamandaki yakıt tüketimini belirleyebilmek için dijital bir kronometre kullanılmıştır. Motora giren hava miktarını ölçmek amacıyla emme manifoldu hattına 18 mm orifis çapına sahip orifis plakası yerleştirilmiştir. Eğik manometre yardımıyla hava tüketimi hesaplanmıştır. Egzoz gaz sıcaklığını ölçmek için TES1320 marka K tipi termokupul seçilmiştir. Silindir içi basıncın ölçümünde Optrand marka basınç sensörü ve düzenleyicileri, konum sensörü ve bilgisayar kullanılmıştır. Bilgisayara aktarılan veriler TFX yazılımı ile analiz edilmiştir. Basınç sensörü 0-200 bar ölçüm aralığında ve 1.12 mV-psi hassasiyetindedir. Egzoz emisyonlarının ölçümünde MRU DELTA 1600L marka gaz analizörü kullanılmıştır. Cihazın teknik özellikleri aşağıda verilmiştir, Tablo 2.

Tablo 2. Egzoz gaz analizörünün özellikleri

Ölçüm aralığı HassasiyetCO (% hacim) 0-15 0.01CO2 (% hacim) 0-20 0.01HC (ppm) 0-20000 1NOx (ppm) 0-4000 1O2 (% hacim) 0-25 0.1

Şekil 1. Deney sisteminin şematik görünümü

Deneyler tam gaz kelebeği açıklığında, motorun orijinal ateşleme avansında ve 8,5/1 sıkıştırma oranında yapılmıştır. Bütün yakıtlarda hava fazlalık katsayısı (HFK) yaklaşık 1 (bir) olacak şekilde ayarlanmıştır. Deneylere başlamadan önce motor benzin ile çalıştırılmış ve kararlı hale gelinceye kadar beklenmiştir. Motor tam gaz kelebeği açıklığında çalışırken dinamometre ile yüklenerek belirlenen (1600, 2000, 2400, 2800, 3200 ve 3600 d/d) motor hızlarına getirilmiştir. Her bir motor hızında egzoz emisyon değerlerinin sabit hale gelmesi beklenmiş ve 10g yakıtı kaç saniyede tükettiği ölçülmüştür. Bu esnada silindir içi basınç değerleri, hava tüketimi, egzoz sıcaklıkları ve motor yük değerleri kaydedilmiştir.

3. DENEY SONUÇLARI

3.1 Motor performansı

Alkol yakıtların oksijen içermeleri ve yüksek buharlaşma ısısına sahip olmaları kullanıldıklarında termik verim ve volumetrik verimin artmasına neden olmaktadır. Benzin, etanol ve metanol ile yapılan çalışmaların, farklı motor hızlarındaki motor momenti ve özgül yakıt tüketimi değişimleri Şekil 2’de verilmiştir. Grafik incelendiğinde her üç yakıt türünde de maksimum momentin 2400 d/d elde edildiği görülmüştür. Etanol ve metanol kullanılması ile maksimum motor momenti benzine göre sırasıyla %3.7 ve %4.7 arttığı tespit edilmiştir. En yüksek moment değeri ise metanol yakıtlı

4

çalışmada, 11.76 Nm olarak ölçülmüştür. Her üç yakıt türünde de motor momenti artan motor hızı ile birlikte maksimum noktaya ulaştıktan sonra tekrar düşüşe geçmektedir. Benzindeki düşme alkol yakıtlara göre daha fazla olmuştur.

Şekil 2.Motor momenti ve özgül yakıt tüketimlerinin karşılaştırılması

Benzine kıyasla alkol yakıtların ısıl değerlerinin düşük olması ve stokiyometrik yakıt/hava oranlarının yüksek olması aynı çıkış gücü için daha fazla yakıt kullanılmasına sebep olmaktadır. Bu durum özgül yakıt tüketimlerinin artmasına neden olmaktadır. Grafik incelendiğinde en az özgül yakıt tüketimi 303.62 g/kWh değerinde benzinli çalışmada elde edilmiştir. Etanol ve metanol kullanımıyla bu değer sırasıyla %51 ve %113 oranlarında artmıştır. Benzin, etanol ve metanol ile yapılan çalışmaların, farklı motor hızlarındaki ısıl verim değişimleri Şekil 3’de verilmiştir.

Şekil 3.Isıl verimlerin karşılaştırılması

Grafik incelendiğinde alkol yakıt kullanımının motor ısıl verimini artırdığı görülmüştür. En fazla artış etanol yakıtlı çalışmada görülmüş ve motorun ısıl verimi

%27’den %29’a çıkmıştır. Motor hızının artmasıyla benzinin ısıl verimindeki düşüş alkol yakıtlara göre daha fazla olmuştur.

3.2 Yanma Karakteristikleri

Bu çalışmada Kriger ve Borman tarafından tanımlanan tek boyutlu model referans alınarak ısı açığa çıkış hızları hesap edilmiştir [21]. Yapılan modelde basınç dalgalanmaları, sıcaklık gradyanları, segmanlardaki kaçaklar, yakıt buharı yüzdesi ve karışım oranları ihmal edilmektedir. Buna göre ısı yayılım denklemi aşağıda verilmiştir;

Qθ=k

k−1P dV

dθ+ 1

k−1V dP

dθ (1)

Burada Qθ krank açısına bağlı olan ısı yayma oranını(J/°), P silindir içi gaz basıncını (Pa), V toplam silindir hacmini (m3) ve k ise özgül ısı oranını ifade etmektedir. Silindir içi basınç verilerinin çevrimden çevrime farklılıklarını azaltmak için 50 çevrimin ortalaması alınmıştır. Üç farklı motor hızı için silindir içi gaz basıncı ve ısı yayma oranının krank açısı ile değişimi Şekil 4’de verilmiştir.

Ateşleme avansının sabit olması ve yanma hızının motor hızına yetişememesinden dolayı, artan motor hızıyla birlikte silindir içi gaz basınçlarının bütün yakıtlarda düştüğü görülmektedir. Alkol yakıtların yanma hızlarının benzinden yüksek olması silindir gaz basıncının ve ısı yayma oranının daha önce yükselmesine neden olmuştur. Bütün motor hızları ve yakıtlar incelendiğinde maksimum basınç 2400 d/d’de metanol yakıtı ile 35.33 bar olarak ölçülmüş ve bu değer ÜÖN’yı 13° geçe oluştuğu tespit edilmiştir. Metanolün kimyasal bileşimindeki oksijen oranının diğer yakıtlardan yüksek olmasının bu artışı sağladığı düşünülmektedir. Genel olarak maksimum basınçların ÜÖN’yı 10° ile 21° geçe oluştuğu görülmektedir. Grafikler incelendiğinde metanol yakıtının ısı açığa çıkış hızının diğer yakıtlara göre daha erken oluştuğu görülmüştür.

5

Şekil 4.Silindir içi basınçların ve ısı açığa çıkış hızlarının karşılaştırılması

Egzoz emisyon sonuçlarının kullanılarak hesaplanan yanma veriminde aşağıdaki eşitlik kullanılmıştır;

ηc=H u yakıt−H NO ∙ NO−H NO2 ∙ NO2−HCO ∙ CO−H u yakıt ∙ HC

H u yakıt×100

Burada; ηcyanma verimini (%), H u yakıt yakıtın alt ısıl değerini (kj/kg), H NO NO’in oluşum entalpisini (kj/kg),H NO2 NO2’in oluşum entalpisini (kj/kg), HCO CO’in oluşum entalpisini (kj/kg) ve NO , NO2 ,CO ve HC ise elde edilen egzoz emisyon değerlerini (%) ifade

etmektedir. Benzin, etanol ve metanol ile yapılan çalışmaların, farklı motor hızlarındaki yanma verimi değişimleri Şekil 5’de verilmiştir.

Şekil 5. Yanma verimlerinin karşılaştırılması

Grafik incelendiğinde benzinli çalışmaya göre alkol kullanımının yanma verimini artırdığı görülmüştür. En fazla artış metanol yakıtlı çalışmada elde edilmiştir. Bütün yakıtlarda motor hızının artmasıyla birlikte yanma veriminin de arttığı tespit edilmiştir. Alkol yakıtların oksijen içermesi bu artışta etken olmaktadır.

3.3 Egzoz emisyonları

Benzin, etanol ve metanol ile yapılan çalışmaların, farklı motor hızlarındaki karbonmonoksit (CO) ve hidrokarbon (HC) emisyonlarının değişimleri Şekil 6’da verilmiştir. Grafik incelendiğinde alkol yakıt kullanımının benzinli çalışmaya göre HC ve CO emisyonlarını düşürdüğü görülmüştür. Elde edilen verilerden minimum emisyon değerleri baz alınarak yapılan incelemede benzinli çalışmaya göre etanol ve metanol kullanımının HC emisyonunu sırasıyla %13.6 ve %27.12 oranlarında düşürdüğü tespit edilmiştir. CO emisyonu ise benzinli çalışmaya göre %29.07 ve %31.34 oranlarında azalmıştır. Ayrıca artan motor hızı ile birlikte CO emisyonunun düştüğü, HC emisyonunun ise minimum noktaya ulaştıktan sonra tekrar arttığı görülmektedir. Bu azalma yakıt bileşenleri içerisindeki karbon oranı ve yanma hızlarıyla alakalıdır.

6

(2)

Şekil 6. HC ve CO emisyonlarının karşılaştırılması

Benzin, etanol ve metanol ile yapılan çalışmaların, farklı motor hızlarındaki karbonmondioksit (CO2) ve azotoksit (NOx) emisyonlarının değişimleri Şekil 7’de verilmiştir.

Şekil 7.NOx ve CO2 emisyonlarının karşılaştırılması

Grafik incelendiğinde benzinli çalışmaya göre alkol yakıt kullanımının CO2 emisyonunu artırdığı ve NOx

emisyonlarını ise önemli ölçüde azalttığı tespit edilmiştir. Benzin, etanol ve metanol yakıtlı çalışmalarda CO2

emisyonunun artan motor hızı ile birlikte arttığı görülmüştür. Alkol yakıtların yüksek buharlaşma ısısı yanma sonu sıcaklıklarının düşmesine ve dolayısıyla yüksek sıcaklığa bağlı olarak artan NOx emisyonlarının azalmasına sebep olmaktadır.

4. SONUÇLAR

Yapılan çalışmada buji ateşlemeli motorlarda yakıt olarak benzin ve alkol (etanol ve metanol) kullanımının, farklı motor hızlarındaki motor performansı, yanma

karakteristikleri ve egzoz emisyonları incelenmiş ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir;

Bütün yakıtlarda motor maksimum momente 2400 d/d’da ulaşmış ve en fazla moment (11.76 Nm) metanol yakıtlı çalışmada elde edilmiştir.

Alkol yakıt kullanımının özgül yakıt tüketimini önemli ölçüde artırdığı görülmüştür.

Alkol yakıtların yanma verimi benzinli çalışmaya göre yüksek çıktığı tespit edilmiştir.

Silindir içi gaz basınçlarının ve ısı açığa çıkış hızlarının benzine göre daha erken oluştuğu tespit edilmiştir. Ayrıca yüksek motor hızlarında alkol yakıtların daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir.

Düşük güçlü motorlarda yakıt olarak benzin yerine alkol yakıt kullanımının başta NOx

emisyonu olmak üzere HC ve CO emisyonlarını azalttığı, CO2 emisyonunu ise artırdığı görülmüştür.

KAYNAKLAR

[1] Caulfield S., Computational study of the air/fuel mixture in a small spark ignition engine, PhD thesis, The University of Wisconsin-Milwaukee, May 2007.

[2] Arias D. A., Numerical and experimental study of air and fuel flow in small engine carburetors, PhD thesis, University of Wisconsin –Madison, 2005.

[3] Koederitz K. R., Investigation of hydrocarbon sources and reduction in small four-stroke spark ignition engine, PhD thesis, Missouri University of Science and Technology, 2003.

[4] Manufacturers of Emission Controls Association, Emission control of small spark-ignited off-road engines and equipment, January 2009, (www.meca.org)

[5] Çelik M. B., Balki M. K., The effect of LPG usage on performance and emissions at various compression ratio in a small engine, J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. 22:1 (2007) 81-86.

[6] Minteer S., Alcoholic Fuels, CRC press, Boca Raton, New York, 2006.

[7] Çelik M. B., Özdalyan B., Alkan F., The use of pure methanol as fuel at high compression ratio in a single cylinder gasoline engine, Fuel 90(2011) 1591-1598.

[8] Turner D., Xu H., Cracknell R. F., Natarajan V., Chen X., Combustion performance of bio-ethanol at various blend ratios in a gasoline direct injection engine, Fuel 90(2011) 1999-2006.

7

[9] Shenghua L., Clemente E. R. C., Tiegang H., Yanjv W., Study of spark ignition engine fueled with methanol/gasoline fuel blends, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 1904-1910.

[10] Eyidoğan M., Çanakçı M., Özsezen A. N. , Alptekin E., Türkcan A., Kılıçaslan İ., Investigation of the effect, of ethanol-gasoline and methanol-gasoline blends on the combustion parameters and exhaust emissions of a spark ignition engine, J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. 26:3 (2011) 499-507.

[11] Chen R. H., Chiang L. B., Chen C. N., Lin T. H., Cold-start emissions of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuel, Applied Thermal Engineering 31 (2011) 1463-1467.

[12] Schifter I., Diaz L., Rodriguez R., Gomez J. P., Gonzales U., Combustion and emissions behavior for ethanol-gasoline blends in a single cylinder engine, Fuel 90(2011) 3586-3592.

[13] Costa R. C., Sodre J. R., Compression ratio effect on an ethanol/gasoline fuelled engine performance, Applied Thermal Engineering 31 (2011) 278-283.

[14] Çelik M. B., Experimental determination of suitable ethanol-gasoline blend rate in high compression ratio for gasoline engine, Applied Thermal Engineering 28 (2008) 396-404.

[15] Koç M., Sekmen Y., Topgül T., Yücesu H. S., The effect of ethanol-unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in spark-ignition engine, Renewable Energy 34(2009) 2101-2106.

[16] Hsieh W. D., Chen R. H., Wu T. L., Lin T. H., Engine performance and pollution emission of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuel, Atmospheric Environment 36 (2002) 403-410.

[17] Özsezen A. N., Çanakçı M., Performance and combustion characteristics of alcohol-gasoline blends at wide-open throttle, Energy 36(2011) 2447-2752.

[18] Pulkrabek W. W., Engineering fundamentals of the internal combustion engine, Prentice Hall, New Jersey, 1997.

[19] Pandey A., Handbook of plant-based biofuels, CRC Press, Boca Raton, New York, 2008.

[20] www.merck-chemicals.com erişim tarihi 14/02/2012.

[21] Krieger R. B., Borman G. L., The computation of applied heat release for internal combustion engines, ASME paper 66(1966) WA/DGP-4.

8

1