İçten yanmalı motorlarda mekanik enerji, yakıtın kimyasal enerjisinin yanma sonucu ısı enerjisi ve sonuçta mekanik enerjiye dönüşümü ile elde edilir. Motorlarda kullanılan yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri yanma olayını ve açığa çıkan ısıl enerjiyi doğrudan etkiler. Bu nedenle motorlarda, yanma olayını verimli şekilde sağlayacak yakıtlar kullanılmalıdır. İçten yanmalı motorlarda yakıt olarak genellikle sıvı hidrokarbonlar ve yaygın olarak da alkoller ve biodiesel kullanılmaktadır. Yaygın kullanılan Diesel yakıtı 180–370o C arası kaynama noktasına sahip değişik yapıdaki hidrokarbonların karışımından oluşmaktadır [16].
3.2.1 Özgül Kütle
Özgül kütle, yakıtın birim hacminin kütlesidir. Diesel motorlarda uygun hava/yakıt oranının ve iyi bir yanma sağlanabilmesi için pompa-enjektör grubu tarafından sevk edilen yakıtın özgül kütlesi çok önemlidir. Özgül kütledeki değişim ısıl değeri etkilemektedir. Artan yoğunluk ile aynı şartta daha yoğun bir yakıtın silindir içersine girmesi ile yanma karakteri bozulmakta ve is emisyonları artmaktadır [69]. Diesel yakıtı ve biodieselin yoğunluk değerleri (3.1) ve (3.2) eşitlikleri ile verilmektedir.
Diesel yakıtı ρd=820–840 kg/m3 [70] (3.1)
Biodiesel ρb=860–900 kg/m3 [71] (3.2)
3.2.2 Alevlenme Noktası ve Yanma Noktası
Alevlenme noktası, yakıt buharının açık alev ile temas ettiğinde bir an için alev yaydığı sıcaklıktır. Alevlenmenin ilk olarak ortaya çıktığı sıcaklık belirlenir. Bu sıcaklık alevlenme sıcaklığıdır. Eğer alevlenme en az 5 s kadar devam ediyorsa bu sıcaklığa yanma sıcaklığı denir [16]. Diesel yakıtı ve biodieselin alevlenme ve yanma noktası (3.3) ve (3.4) eşitlikleri ile verilmektedir.
Diesel yakıtı en az 55o C [70] (3.3)
31 3.2.3 Viskozite
Viskozite, sıvıların akmaya karşı dirençlerinin ve iç sürtünmelerinin bir ölçüsüdür. Viskozite, içten yanmalı motorlarda ideal yakıt-hava karışımının elde edilmesini ve buna bağlı olarak silindirler içinde iyi bir atomizasyon sağlanmasını ve dolayısıyla verimli yanma elde edilmesini sağlar. Viskozite küçüldükçe enjektörlerden silindirlere gönderilen yakıt daha küçük zerrelere ayrılır ve hava ile homojen bir karışım oluşturarak daha düzgün bir yanmanın sağlanması gerçekleşmektedir [16,72]. Diesel yakıtı ve biodieselin viskozite değerleri (3.5) ve (3.6) eşitlikleri ile verilmektedir.
Diesel yakıtı (40o C) νd =2,00–4,50 mm2/s [70] (3.5)
Biodiesel (40o C) νb = 43,50–5,00 mm2/s [71] (3.6)
3.2.4 Akma ve Bulutlanma Noktası
Akma noktası, numunenin, belirlenmiş standart şartlar altında soğutuluyor iken akıcılığını devam ettirdiği en düşük sıcaklığı ifade, bulutlanma noktası ise deney numunesinin belirlenmiş standart şartlar altında soğutulduğunda parafin kristallerinden oluşan bir sisin gözlendiği ilk sıcaklığı ifade eder. Diesel yakıtının akma noktasının yüksek olması ve yakıtın soğuk havalarda depodan püskürtme sistemine ve enjektöre iletilememesi motorun çalışmasını engeller. Özellikle soğuk bölgelerde çalışan Diesel motorlarında yakıtın akma noktasını düşürmek için içerisine belirli oranlarda gaz yağı ve değişik kimyasal maddeler eklenmektedir[16].
Biodiesel üretiminde özellikle ucuz maliyeti sebebi ile kullanılan hayvansal yağlar ve kızartma yağları, fazla miktarda doymuş yağ asitleri içerdiği için, çok yüksek sıcaklıklarda kristalize olurlar. Bu nedenle, biodiesel kalitesine yönelik yapılan analizlerde; akma ve bulutlanma noktaları tayinleri ve Soğuk Filtre Tıkanma Noktası değerleri Uluslararası Standartlarda yer almaktadır [73]. Diesel yakıtının soğuk fitre tıkanma noktası (3.7) ve biodieselin akma noktası (3.18) eşitliği ile verilmektedir.
Diesel yakıtı soğuk filtre tıkanma noktası -15 ile +5 arasında [70]. (3.7)
32 3.2.5 Setan Sayısı
Setan sayısı, silindirler içerisine püskürtülen Diesel yakıtının kendi kendine tutuşma kabiliyetini gösteren bir ölçüdür. Diesel motorda yakıt/hava karışımının sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklıklarında kendi kendine tutuşabilmesi için Diesel yakıtlarının tutuşma meyillerinin yüksek olması istenir. Tutuşma meylinin düşük, yani TG süresinin büyük olması durumunda TG süresince yanma odasında biriken ve ani yanan yakıt miktarı da artacağından yanma sıcaklıkları artarak NOx emisyonları artar ve mekanik zorlamalara
neden olan yüksek basınçlar Diesel vuruntusunu ortaya çıkar [16,72]. Diesel yakıtı ve biodieselin setan sayıları en az 51’dir [70,71].
3.2.6 Isıl Değer
Yakıtın ısıl değeri genellikle birim kütlesinin enerjisi (kJ/kg) olarak ifade edilmektedir. Bununla birlikte yanma sonucu oluşan ürünlerin, yanma öncesi referans bir sıcaklığa göre toplam entalpilerinin yakıt kütlesine bölünmesiyle elde edilen değere de ısıl değeri denir. Motorlardaki yanma sonu sıcaklıklarında su her zaman buhar olarak bulunduğundan, ısıl değer alt ısıl değer olarak verilmelidir [16]. Diesel yakıtı ve biodieselin alt ısıl değerleri (3.9) ve (3.10) eşitlikleri ile verilmektedir.
Diesel yakıtı Hud=2000–44000 kJ/kg (3.9)
Biodiesel Hub = Dieselden %5 civarında daha düşük (3.10)
3.2.7 Yakıtın Yüzey Gerilimi
Yüzey gerilimi, enjektörden püskürtülen yakıt demetinin parçalanmasında etkili olan bir özelliktir. Yakıtın yüzey gerilimi yoğunlukla artar, sıcaklıkla azalır. Yakıtın yüzey gerilimi azaldıkça, parçalanma iyileşmekte ve damlacık küçülmektedir [16]. Diesel yakıtı ve biodieselin yüzey gerilim değerleri (3.11) ve (3.12) eşitlikleri ile verilmektedir.
Diesel yakıtı ςd=0,023–0,032 N/m (3.11)
33 3.2.8 Yakıtın Yapısal Bileşimi
Sıvı hidrokarbonlar CnHm şeklinde hidrojen ve karbondan oluşmuş, bünyelerinde az
miktarda O2, N2, S, H2O ve bazı mineralleri bulunduran ham petrol türevleridir.
Hidrokarbonların fiziksel ve kimyasal özellikleri, hidrojen ve karbon atomlarının sayıları ve bağlantı şekilleri ile belirlenmektedir. Diesel yakıtı, parafinik, naftenik, olefinik ve aromatik hidrokarbonlardan oluşmaktadır [16]. Biodiesel ise içeriğinde %10 mertebelerinde oksijen içeren ve yağların alkol ile transesterifikasyonu sonucu oluşan yağ asidi metil esterleridir (CnHmOx).
Çizelge 3.2 Diesel yakıtı ve biodiesel özelliklerinin karşılaştırılması [62] Yakıt Özellikleri Birim Sınır Değerler
En az-En fazla
Biodiesel Diesel Yakıtı
Kapalı Formül C19H35,2O2 C12,226H23,29
S0,0575
Molekül Ağırlığı g/mol 296 120–320
Alt Isıl Değer MJ/kg 37,1 42,7
Özgül Ağırlığı 15°C kg/L 0,875–0,90 0,87–0,88 0,82–0,86 Kinematik Viskozite (40°C) mm2/s 2–4,5 4,3 2,5–3,5
Tutuşma Noktası °C 55- >100 >55
Kükürt İçeriği % Kütlesel ..-0,05 <0.01 <0.05
Tutuşma Katsayısı Setan Sayısı 49- >55 49–55
Kül % Kütlesel ..-0,01 <0.01 <0.01
Su Miktarı mg/kg ..-200 <300 <200
3.3 Bitkisel Yağlar ve Biodiesel Kullanımı ile İlgili Literatürde Yapılmış Deneysel