T.C
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
ASPĠR YAĞINDAN BĠYO - YAKIT ÜRETĠMĠ VE BĠR DĠZEL MOTORUNDA KULLANILABĠLĠRLĠĞĠNĠN ARAġTIRILMASI
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Selman AYDIN
(07219103)
Anabilim Dalı: Makine Eğitimi Programı: Otomotiv
T.C
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
ASPĠR YAĞINDAN BĠYO - YAKIT ÜRETĠMĠ VE BĠR DĠZEL MOTORUNDA KULLANILABĠLĠRLĠĞĠNĠN ARAġTIRILMASI
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Selman AYDIN
(07219103)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 28 Ocak 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 22 ġubat 2010
ġUBAT-2010
Tez DanıĢmanı : Yrd. Doç. Dr. Cumali ĠLKILIÇ (F.Ü) Diğer Jüri Üyeleri : Yrd. Doç. Dr. Cengiz ÖNER (F.Ü)
II ÖNSÖZ
Dünyadaki fosil kökenli enerji kaynaklarının rezervlerinin sınırlı olması, atmosferi etkileyen çevre problemlerine neden olmaları ve ülkelere eĢit bir Ģekilde dağılamamaları nedeniyle sürdürülebilir bir enerji sistemi ve sürdürülebilir bir gelecek sunmamaktadır. Dünyada yaĢanan petrol krizleri insanlığı, enerji gereksiniminin karĢılanmasında fosil yakıtlara alternatif olabilecek yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiĢtir. Bu kaynaklardan biri bitkisel yağlardan elde edilen yakıtlardır. Bu yakıtlardan biri olan biyodizel, çevre dostu olması ve yerli üretiminin olması nedeni ile alternatif enerji çalıĢmaları arasında en önemlilerinden biridir.
Bu tez çalıĢmasında, aspir yağından üretilen biyodizelin yakıt özellikleri ve tek silindirli bir dizel motorunda test edilerek motor performansı ve emisyon karakteristikleri üzerine etkisi incelenmiĢtir.
Tez çalıĢmam süresince, bilgi ve yardımlarını esirgemeyen, bana her konuda büyük bir özveriyle yardımcı olan, daima yol gösteren değerli hocam Sayın Yrd. Doç.Dr. Cumali ĠLKILIÇ‟a en içten teĢekkürlerimi ve saygılarımı sunarım. Ayrıca çalıĢmalarım sırasında bana yardımcı olan, Batman Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölüm BaĢkanı Sayın Yrd. Doç.Dr. Rasim BEHÇET ve aynı bölümde öğretim üyesi Sayın Yrd. Doç.Dr. ġehmus ALTUN‟a, deneyler sırasında bana yardım eden aynı birimde görevli Sayın ArĢ. Gör. Hüseyin AYDIN‟a, aspir yağından biyodizel yakıtı üretilmesinde yardımcı olan Batman Üniversitesi Meslek Yüksek Okulu Petrokimya bölümünde çalıĢan Sayın Öğr. Gör. Fevzi YAġAR‟a ve yakıt analizinde yardımcı olan Batman TüpraĢ Rafineride çalıĢan personellere teĢekkürlerimi sunarım.
Selman AYDIN ELAZIĞ-2010
III ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa No ÖNSÖZ ... II ĠÇĠNDEKĠLER ... III ÖZET ... V SUMMARY ... VI ġEKĠLLERĠN LĠSTESĠ ... VII TABLOLARIN LĠSTESĠ... IX SEMBOLLER VE KISALTMALAR LĠSTESĠ ... X
1. GĠRĠġ ... 1
1.1. Dizel Yakıtlar... 2
1.1.1. Dizel Yakıtında Uygun Değerde Olması Ġstenen Bazı Performans Özellikleri ... 2
1.1.2. Dizel Yakıtların Sınıflandırılması. ... 4
1.2. Dizel Motorlarında Yanma Olayının Safhaları ... 4
2. LĠTERATÜRÜN ARAġTIRILMASI ... 7
3. BĠYODĠZEL ... 15
3.1. Biyodizelin Avantaj ve Dezavantajları ... 18
3.2. Biyodizelin Fiziksel Özellikleri... 19
3.2.1. Viskozite... 19
3.2.2. Yoğunluk ... 20
3.2.3. Setan Sayısı ... 21
3.2.4. Isıl Değer ... 22
3.2.5. Akma ve Bulutlanma Noktaları ... 22
3.2.6. AkıĢ Özellikleri ... 23
3.2.7. Parlama Noktası ... 23
3.2.8. Ġyot Sayısı... 24
3.3. Bitkisel Yağların Yakıt Özelliklerini ĠyileĢtirme Yöntemleri ... 24
3.4. Aspir Bitkisi ... 29
4. MATERYAL VE METOT ... 31
4.1. Deneylerde kullanılan Motorun Teknik Özellikleri ... 31
IV
Sayfa No
4.3. Yakıt Tüketimi Ölçüm Düzeni ... 34
4.4. Duman Koyuluğu Ölçüm Cihazı ... 35
4.5. Gaz Analiz Cihazı ... 36
4.6. Kızıl Ötesi Termometre ... 37
4.7. Deneyin YapılıĢı ... 38
4.8. Hesaplanan Büyüklükler ... 38
4.8.1. Motorun Döndürme Momenti ... 38
4.8.2. Özgül Yakıt Tüketimi ... 39
4.8.3. Ortalama Efektif Basınç... 39
4.8.4. Efektif Verim ... 39
5. DENEYSEL ÇALIġMALAR ... 41
5.1. Aspir Yağından Biyo Yakıt Üretimi ... 41
5.2. Motor Performansı ... 47
5.2.1. Motor Momenti ... 47
5.2.2. Efektif Motor Gücü ... 49
5.2.3. Özgül Yakıt Tüketimi ... 50
5.2.4. Efektif Verim ... 52
5.2.5. Ortalama Efektif Basınç... 53
5.2.6. Egzoz Gaz Sıcaklığı ... 54
5.3. Egzoz Emisyonları ... 55
5.3.1. Duman Koyuluğu (K Faktörü) ... 55
5.3.2. Partikül Madde (PM) ... 56
5.3.3. Azot Oksit (NOx)... 57
5.3.4. Hidrokarbon (HC) ... 59
5.3.5. Karbonmonoksit (CO) ... 60
6. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 62
7. KAYNAKLAR... 64
V ÖZET
Günümüzde yakıt kaynağı olarak kullanılan petrol rezervleri azalmakta yakın bir gelecekte tükeneceği belirtilmektedir. Bununla beraber son zamanlarda yaĢanan petrol krizleri ve azaltılması hedeflenen egzoz emisyon sınır değerleri nedeni ile alternatif motor yakıtı arayıĢları araĢtırmacıları petrol kökenli olmayan yeni enerji kaynaklarına yöneltmiĢtir.
Bu enerji kaynakları içinden tohum bitkilerinden elde edilen bitkisel yağlar, motor performansı ve emisyonlarının petrol kökenli yakıtlara yakın olması ve yenilenebilir olmalarından dolayı dizel motor yakıtı alternatifi olarak gündeme gelmiĢtir.
Bu çalıĢmada aspir yağından yeniden esterleĢme yöntemi ile aspir yağı metil esteri üretilmiĢ olup üretilen biyo-yakıtın(biyodizel) normal dizel yakıtı ile %5 (B5), %20(B20) ve %50(B50) oranlarında karıĢtırılarak yakıtların fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenmiĢtir.
Elde edilen B5, B20, B50 karıĢımları tek silindirli bir dizel motorunda test edilmiĢ olup, motorun tam gaz değiĢik devir sayılarında motor performansı ve egzoz emisyonları açısından dizel yakıtı ile karĢılaĢtırılmıĢ ve değerlendirilmiĢtir.
Anahtar kelimeler: Dizel Motorları, Aspir Yağı Metil Esteri, Biyo Yakıt, Performans, Emisyon
VI SUMMARY
Biofuel Production From Safflower Oil And Research Its Usability In A Diesel Engine In the present, the petroleum reservoir that is used as fuel source is reported to be used up in the near future. Besides, due to recent petroleum crises and targeted exhaust emission reduction to the regulated limits, alternative engine fuel research derived scientist to find new and non-petroleum energy sources. Since the vegetable oil obtained from their seeds have the similar engine performance and emissions values to the petroleum based fuel, they came up as an alternative to diesel fuel.
In this study, safflower oil methyl ester was obtained from safflower seeds by the transesterification process and the obtained biofuel was mixed with normal diesel fuel by volume of 5%(B5), 20%(B20) and 50%(B50), then the physical and chemical properties were identified.
He obtained B5, B20, B50 fuel blends and standard diesel fuel were tested in a single cylinder diesel engine to experimentally research and compare the engine performance and exhaust emission results of biofuels with standard diesel fuel.
Keywords: Diesel Engine, Safflower Oil Methyl Ester, Biofuels, Performance, Emissions
VII
ġEKĠLLER LĠSTESĠ
Sayfa No
ġekil 2.1. Yakıt çeĢitlerine bağlı olarak NOx emisyonunun değiĢimi ... 11
ġekil 3.1. Viskozite ölçüm cihazı ... 20
ġekil 3.2. Yoğunluk ölçüm cihazı (petrotest) ... 21
ġekil 3.3. Akma ve bulutlanma noktası ölçüm cihazı (petrotest) ... 23
ġekil 3.4. Parlama noktası ölçüm cihazı ... 24
Sekil 3.5. Süper kritik yöntem ile biyodizel üretimi ... 27
ġekil 3.6. Bitkisel yağın metanol ile transesterifikasyonu ... 38
ġekil 3.7. Transesterifikasyon iĢlemi genel Ģeması ... 29
ġekil 3.8. Aspir bitkisi ... 30
ġekil 4.1. Deneylerde kullanılan BT–140 model hidrolik dinamometrenin Ģematik görünüĢü ... 31
ġekil 4.2. Deneylerde kullanılan BT–140 model hidrolik dinamometre ... 33
ġekil 4.3. Yakıt tüketimi ölçüm ünitesi ... 35
ġekil 4.4. Duman yoğunluğu ölçüm cihazı ... 35
ġekil 4.5. Gaz analiz cihazı... 36
ġekil 4.6. Kızılötesi termometre ... 37
ġekil 5.1. Yağın ısıtılması ... 42
ġekil 5.2. Manyetik karıĢtırıcıda metoksit karıĢımı oluĢturma ... 43
ġekil 5.3. Yağın biyodizelle dönüĢme iĢlemi ... 43
ġekil 5.4. Aspir biyodizellin dinlendirme iĢlemi ... 44
ġekil 5.5. Aspir biyodizellin yıkama iĢlemi ... 45
ġekil 5.6. Motorin ve aspir yağı biyodizelli karıĢım yakıtların damıtma eğrileri 46
ġekil 5.7. D2 ve D2- aspir biyodizel karıĢımı yakıtların tam gazda motor devrine bağlı moment değiĢimleri ... 48
ġekil 5.8. D2 ve D2- aspir biyodizel karıĢımı yakıtlarında motor gücünün tam gazda motor devrine bağlı değiĢimi ... 49
ġekil 5.9. D2 ve D2- aspir biyodizel karıĢımı yakıtlarında tam gazda motor devrine bağlı ÖYT değiĢimi ... 50
VIII
Sayfa No ġekil 5.10. D2 ve D2- aspir biyodizel karıĢımı yakıtlarında tam gazda motor devrine bağlı efektif verim değiĢimi ... 52 ġekil 5.11. D2 ve D2- aspir biyodizel karıĢımı yakıtlarında tam gazda motor devrine bağlı ortalama efektif basınç değiĢimi ... 53 ġekil 5.12. D2 ve D2- aspir biyodizel karıĢımı yakıtlarında tam gazda motor devrine bağlı egzoz manifold cidarındaki sıcaklık değiĢimleri... 54 ġekil 5.13. Egzoz manifold cidarının sıcaklığının ölçülmesi ... 55
ġekil 5.14. Dizel yakıtı ve biyodizel-dizel karıĢımı yakıtlar için duman koyuluğunun motor devir adedine göre değiĢimi ... 55
ġekil 5.15. Dizel yakıtı ve biyodizel-dizel karıĢımı yakıtlar için PM emisyonunun motor devir adedine göre değiĢimi ... 57 ġekil 5.16. Dizel yakıtı ve biyodizel-dizel karıĢımı yakıtlar için NOx emisyonunun motor devir adedine göre değiĢim ... 57 ġekil 5.17. Dizel yakıtı ve biyodizel-dizel karıĢımı yakıtlar için HC emisyonunun motor devir adedine göre değiĢimi ... 59 ġekil 5.18. Dizel yakıtı ve biyodizel-dizel karıĢımı yakıtlar için CO emisyonunun motor devir adedine göre değiĢimi ... 60
IX
TABLOLAR LĠSTESĠ
Sayfa No
Tablo 1.1. DIN- 51601’e göre dizel yakıtından istenen özellikler ... 2
Tablo 1.2. Dizel yakıt tiplerine ait bazı fiziksel özellikler ... 4
Tablo 3.1. Idaho üniversitesinde yapılan emisyon testi sonuçları ... 16
Tablo 3.2. Bitkisel yağların bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri ... 17
Tablo 3.3. Biyodizellerin yakıt özellikleri ... 17
Tablo 3.4. Uluslararası standartlarda viskozite için verilen sınır değerleri ... 20
Tablo 3.5. Uluslararası standartlarda yoğunluk için verilen sınır değerleri ... 21
Tablo 3.6. Uluslararası standartlarda parlama noktası için verilen sınır değerleri ... 24
Tablo 4.1. Deney motorunun teknik özellikleri... 32
Tablo 4.2. Motor test cihazının teknik özellikleri ... 32
Tablo 4.3. Motor test tezgâhı (bremze) izleme/kontrol cihazı teknik özellikleri 34
Tablo 4.4. Duman ölçer teknik özelikleri (MDO 2-LON) ... 35
Tablo 4.5. Gaz analiz cihazın teknik özellikleri ... 35
Tablo 4.6. Raytek Raynger ST4 kızıl ötesi termometrenin teknik özellikleri .... 37
Tablo 5.1. Aspir yağının ve aspir B100’ün yakıt özellikleri ... 45
X
SEMBOLLER VE KISALTMALAR LĠSTESĠ Hu : Alt ısıl değer (kJ/kg)
Pme : Ortalama efektif basınç KMA : Krank mili açısı
Md : Döndürme Momenti (Nm)
Pe : Efektif motor gücü VH : Toplam strok hacmi (m3)
Ġ : Çevrim/devir (dört zamanlı motorlarda ´) be : Özgül yakıt tüketimi (g/kWh)
AÖN : Alt ölü nokta ÜÖN : Üst ölü nokta
ÖYT : Özgül yakıt tüketimi (g/kW h) B100 : %100 biyodizel
B50 : %50 biyodizel + %50 petrol kökenli dizel yakıtı (hacimsel) B20 : %20 biyodizel + %80 petrol kökenli dizel yakıtı (hacimsel)
B5 : %5 biyodizel + %95 petrol kökenli dizel yakıtı (hacimsel) POH : Potasyum hidroksit
NaOH : Sodyum hidroksit
PAH : Poliaromatik hidrokarbon cSt : Sentistok (mm2/s)
EN : Avrupa Standartları TSE : Türk Standartları Enstitüsü ppm : Milyonda bir parçacık
PM : Partikül Madde (Particulate Matter)
HC : Hidrokarbon
CO : Karbon monoksit
NOx : Azot Oksitler SO2 : Kükürtdioksit
ASTM : Amerikan Test ve Malzeme Topluluğu (American Society For Testing and Materials)
EPA : Amerikan Çevre Koruma Ajansı (U.S.Environmental Protection Agency) K : IĢık absorpsiyon katsayısı
XI SS : Setan sayısı
1.GĠRĠġ
Dünyada petrol rezervlerinin azalması ve sınırlı olması, ülkemizin petrol bakımında dıĢa bağımlı olması, petrol sektörünün enerji ihtiyacını karĢılayamaması, dünyada petrol krizlerinin meydana gelmesi sürekli fiyat artıĢlarını beraberinde getirmektedir. Bunların yanında petrol kökenli yakıtların yanması sonucu açığa çıkan egzoz gazlarının çevre ve sağlık üzerinde olumsuz etkiler bıraktığı bilinmektedir. Bu zararlı gazların azaltılması ve hatta yok edilmesi çalıĢmaları baĢta geliĢmiĢ ülkeler olmak üzere dünyada önemli destekler görmekte ve ciddi çalıĢmalar yapılıp, olumlu sonuçlar hayata geçirilmektedir. Bu çalıĢmalardan biri alternatif motor yakıtlarının araĢtırılması ve geliĢtirilmesi uygulamalarıdır. Dizel motorlar için araĢtırılan alternatif yakıtlardan biri olan biyoyakıtların, kullanım olanakları, yakıt özelliklerinin iyileĢtirilmesi ve dizel motorlarda kullanılmaya daha uygun hale getirilmesi, performans ve emisyon değerleri, motor parçalarına etkileri araĢtırılmaktadır.
Dizel motorunu icat eden Rudolf Diesel 1900‟de Paris‟teki bir sergide bir dizel motorunda yakıt olarak yer fıstığı yağını kullanarak motoru çalıĢtırmıĢ ve bitkisel yağların dizel motorlarında yakıt olarak kullanılabileceğini göstermiĢti. Bu deneyin yapıldığı 1900 yılında petrol ve ürünlerinin bol miktarda bulunması ve ucuz olması nedeniyle alternatif yakıt düĢüncesi çok zayıf kalıyordu. Aradan geçen uzun zaman sonra, petrol krizlerinden dolayı dizel yakıtına alternatif olabilecek biyo yakıtlar konusunda birçok çalıĢma yapılmıĢ ve yakın bir geçmiĢte de bu yakıt üretilerek dizel motorlarda kullanılmaya baĢlandı. Biyo yakıtların doğrudan kullanılmasında bazı problemlerin ortaya çıkması nedeniyle ön ısıtma, farklı bir yakıt ile karıĢtırma ve biyodizele dönüĢtürme gibi bazı uygulamalara tabi tutulmuĢtur. Bugün bitkisel yağlardan transesterifikasyon (ester transferi veya yeniden esterleĢme) reaksiyonu ile elde edilen yakıtlar dizel motorlarında rahatlıkla kullanılabilmektedir ve bu yakıta da biyodizel denilmektedir. Ayrıca bu yakıt biyomotorin veya yeĢil dizel olarak da adlandırılmaktadır. Biyodizel yakıtı bitkisel yağlardan elde edildiği gibi hayvansal ve atık yağlardan da elde edilmektedir [1].
Yapılan çalıĢma sonuçları genellikle biyo-dizel yakıtının petrol-dizeline göre CO,
CO2, HC, PM, emisyonlarında önemli azalmaların olduğu fakat NOX emisyonlarında biraz
artıĢın olduğu, motor performansı bakımından ise motor çekiĢi, gücü, ortalama efektif basıncı ve verimlerinde azalmalar olduğu belirlenmiĢtir. Türk standartlarında TS 3082 EN
2
590 standardına göre dizel motorlu taĢıtlarda kullanılan dizel yakıtına en çok %5 oranında biyodizel katılmasına izin verilmiĢtir.
1.1. Dizel Yakıtlar
Dizel yakıtı petrolün rafineri iĢlemi sırasında fraksiyon kulesinde yaklaĢık 160oC‟de baĢlayıp tamamı 391oC‟de buharlaĢan ve ham petrolden arındırarak elde edilen bir yakıttır. Karbon atomu sayısı 8 ile 16 arasında olup sıvı HC bileĢenlerini ihtiva eder. Az miktarda kükürt, azot, kül ve su ihtiva eden dizel yakıtı Türkiye‟de mazot olarak isimlendirilmektedir. Dizel yakıtının kapalı formülü; C12.226H23.29S0.0575‟dir. Bu formüle göre dizel yakıtının kütlesel bileĢimi; C=0.8538kg, H=0.1355kg, S=0.01071kg‟dır. DIN- 51601‟e göre dizel yakıtından istenen özellikler Tablo 1.1‟de görülmektedir.
Tablo 1.1. DIN- 51601‟e göre dizel yakıtından istenen özellikler [2].
Değerler Deney Normu
Hacimsel su miktarı %0,1 DIN 51777
15oC‟de özgül ağırlık 0.820-0,860
g/ml DIN 51757
Kaynama olayı hacimsel olarak 360oC‟ye kadar
en az %90 DIN 51752
20oC‟de viskozite 1.8-10 mm2/s DIN 51550
Parlama noktası 55oC DIN 51755
Filtrasyon Yazın 0
o C KıĢın -12o
C DIN 51770
Kükürt‟ün maksimum kütlesel yüzdesi % 1,0 DIN 51768
KoklaĢma artığının kütlesel maksimum yüzdesi %0,1 DIN 51551 Kütlesinde değiĢiklik olarak çinkoya karĢı
davranıĢı 4 mg DIN 51779
TutuĢma kabiliyeti (en küçük setan sayısı olarak) 40 SS DIN 51773 Kül miktarı, kütlesel yüzde olarak maksimum % 0,02 DIN 51575
1.1.1. Dizel Yakıtında Uygun Değerde Olması Ġstenen Bazı Performans Özellikleri
Vuruntu Mukavemeti: Dizel motorunda hava içine püskürtülen yakıtın tutuĢma gecikmesi küçük olmalıdır. Aksi halde yanma odasında biriken yakıtın tutuĢmasında darbe etkisi Ģiddetli olur. Dizel yakıtının bu olaya karĢı mukavemeti setan sayısının (SS)
3
büyüklüğü ile ifade edilir. Ancak SS>70 olan yakıtın is oluĢumu artığı için ve ısıl değerlerinin küçük olması bakımından maksimum SS sınırı 70 olarak seçilmektedir [2].
Uygun BuharlaĢma: Ġlk hareket için düĢük sıcaklıkta buharlaĢabilen yakıtlar iyi kabul edilir. Ancak buharlaĢma özelliği arttıkça kendi kendine tutuĢma özelliği kötüleĢir ve is oluĢumu ihtimali artar. Bu nedenle ikisi arasında uygun bir değer sağlayan bileĢenler ihtiva eden dizel yakıtı seçilir [2].
Viskozite: Çok düĢük olması yakıt pompası yönünden, çok yüksek olması da depodan pompalama ve enjektörden püskürtmede problem oluĢturmaktadır. Hatta iri damlaların oluĢması durumunda tam yanma olmayacağı için egzoz gazları çok isli olur. Genellikle ilk hareket soğukta baĢladığı için egzoz gazlarında bu özellikleri gözlemek mümkündür [2].
Yakıt ve Yanma Ürünleri Korozif Özelliği: Dizel yakıtlarından kükürt içeriği hem korozyon hem de partikül oluĢumu bakımından son derece mahsurludur. Su, tuzlu su ve tortular korozyona sebep oldukları için yakıt içerisinde istenmeyen bileĢenlerdir [2].
Çinkoya KarĢı Aktivitesi: Dizel yakıtları çinko veya çinko içeren çelik depolarda saklanırken çinko ile birleĢerek korozif bazı bileĢenler oluĢtururlar. Yakıt için bu aktivitenin az olması istenir [2].
Alevlenme Tehlikesi: Bilhassa hafif dizel yakıtları kapalı hacimlerde, deniz seviyesi sıcaklık ve basınçlarında daha kolay tutuĢma özelliğine sahip oldukları için yakıt tanklarının üstünde patlayıcı bir atmosfer oluĢtururlar [2].
Akma Noktası: Akma ya da katılaĢma noktası, motorun düĢük sıcaklıklarda çalıĢtırılması sırasında önem kazanmaktadır. Yakıtın katılaĢması durumunda gerekli yakıt akıĢı sağlanamayacağından motorun çalıĢması zor olacaktır. Yakıtın akma noktası sıcaklığı motor çalıĢması sırasında ortam sıcaklığının 5-10oC altında olmalıdır [2].
4
Isıl Değeri: Yanma sonucu oluĢan ürünlerin, yanma öncesi referans bir sıcaklığa göre toplam entalpilerinin yakıt kütlesine bölünmesi ile elde edilen değere ısıl değeri denir [2].
1.1.2. Dizel Yakıtların Sınıflandırılması
Dizel yakıtı bazı kimyasal ve fiziksel özellikleri bakımından sınıflara ayrılmaktadır. Bunlar No.1-D, No.2-D ve No.4-D olarak adlandırılmaktadır. Bu yakıt tiplerine ait bazı fiziksel özellikler Tablo 1.2‟de verilmiĢtir.
No.1-D: Petrolün damıtılmasında elde edilir. DeğiĢik hızlarda ve yüklerde çalıĢan motorlarda kullanılan uçucu-damıtık bir yakıt yağıdır.
No.2-D: Damıtık ve kranking ürünlerini ihtiva eden, No.1-D‟ye göre buharlaĢma özelliği az olan ağır hizmet ve endüstri motorları yakıtıdır.
No.4-D: Damıtma ve kranking ürünlerinden ve bazı artıklardan oluĢan düĢük veya orta hız motorların yakıtıdır. Tablo 1.2‟de dizel yakıt tiplerine ait bazı fiziksel özellikleri görülmektedir.
Tablo 1.2. Dizel yakıt tiplerine ait bazı fiziksel özellikler [2].
1.2. Dizel Motorlarında Yanma Olayının Safhaları
1.2.1. TutuĢma Gecikmesi
Dizel motorlarda sıkıĢtırılan hava üzerine çok küçük damlacıklar halinde püskürtülen yakıt sıkıĢtırma sonucunda ısınmıĢ havadan ısı alarak buharlaĢır ve çok kısa
Özellik 1-D 2-D 4-D
Setan Sayısı (minimum) 40 40 40
Parlama Noktası (o
F) 100 125 130
Viskozite Saybolt (S), (100oF‟de) 30-34 33-45 45-125
%Kül, (Kütlesel) 0,01 0,02 0,1
5
bir süre sonra alevlenir. Yakıtın püskürtülmesi ile alevin oluĢması arasında geçen zamana tutuĢma gecikmesi süresi denir. TutuĢma gecikmesi süresinin artması motorun sesli ve vuruntulu çalıĢmasına etki edeceğinden bu sürenin belirli bir zamanı geçmemesi gerekmektedir [2]. TutuĢma gecikmesini etkileyen faktörleri iĢletme, yapısal ve yakıt faktörleri olmak üzere üçe ayırmak mümkündür [3]. ĠĢletme faktörleri içerisinde en önemli olanları motor devir sayısı, emme havası sıcaklığı ve basıncı, motorun yük durumu ve oksijen konsantrasyonudur. Motor devir sayısının artıĢı ile tutuĢma gecikmesi zaman olarak azalır. Emme havası sıcaklığı ve basıncı arttıkça tutuĢma gecikmesi azalmaktadır. Motorun yükü arttıkça tutuĢma gecikmesi hem zaman hem de krank mili açısı olarak azalmaktadır. Yanma odasındaki oksijenin konsantrasyonu azaldıkça tutuĢma gecikmesi artmaktadır. Yapısal faktörler içerisinde sıkıĢtırma oranı, motorun soğutma Ģartları ve püskürtme kalitesi en önemli olanlarıdır. SıkıĢtırma oranının artması, sıcaklık ve basıncın artmasına sebep olduğu için tutuĢma gecikmesini azaltmaktadır. Motorun boyutlarına bağlı olarak motorda yakıtın püskürtüldüğü bölgelerin sıcaklıkları değiĢtiği için yüksek sıcaklık tutuĢma gecikmesini azaltmaktadır. Bununla birlikte ön yanma odalı dizel motorlarda ön yanma odası daha yüksek sıcaklıkta tutularak tutuĢma gecikmesi azaltılmaktadır. Yakıt püskürtüldüğünde farklı boyutlarda damlacıklar oluĢmaktadır. Her ne kadar püskürtülen yakıt demetinin etrafında kolayca tutuĢabilecek küçük damlacıklar bulunsa da ortalama damlacık çapı büyüdükçe tutuĢma gecikmesi artmaktadır. Dizel motorlar için kullanılan yakıtların setan sayısı tutuĢma gecikmesini etkileyen önemli bir faktördür. Setan sayısı arttıkça tutuĢma gecikmesi azalmaktadır. Yakıtın setan sayısının belirli bir aralıkta olması istenir. Eğer setan sayısı yüksek olursa yakıt enjektörden çıkar çıkmaz enjektör ucuna çok yakın bir yerde tutuĢur, bu da enjektörün uç kısmında koklaĢmaya ve tıkanmaya sebep olur. Setan sayısının düĢük olmasında ise tutuĢma gecikeceğinden dolayı içeride yakıt birikmesi ve daha sonra ani tutuĢma oluĢmasına sebep olur. Bu da dizel vuruntusu olarak adlandırılır. Ayrıca yakıtın viskozitesi de püskürtme kalitesini ve damlacık boyutlarını etkilemektedir. Yüksek viskozite ortalama damlacık çapını büyüttüğünden tutuĢma gecikmesi artmaktadır.
1.2.2. Kontrolsüz (Ani) yanma
Yanma odası içerisine püskürtülen yakıtın buharlaĢarak tutuĢması ile yanma baĢlar ve silindir içerisindeki basınç maksimum oluncaya kadar ani kontrolsüz yanma fazı
6
gerçekleĢir. TutuĢma gecikmesinin uzaması sonucu silindir içerisinde fazla yakıtın birikmesi ile beraber basınç artıĢının oluĢması dizel vuruntusuna sebep olmaktadır. Motorun vuruntulu çalıĢmasını önlemek için tutuĢma süresinin kısaltılması ve bu süre içinde biriken yakıtın azaltılması gerekmektedir. Genel olarak bu yanma süresi yaklaĢık 6okrank mili açısı civarında gerçekleĢmekte ve her bir krank mili açısında basınç artıĢı 200-300 kPa arasında olmaktadır [3].
1.2.3. Difüzyon Kontrollü Yanma
Kontrolsüz yanma sonucu ulaĢılan basınç, yanmanın devam etmesine rağmen pistonun aĢağıya inmesinden dolayı daha fazla artıĢ gösterememektedir. Bununla birlikte sıcaklıktaki artıĢ devam etmektedir. Maksimum basınca ulaĢılan zaman ile maksimum sıcaklığa ulaĢılan zaman arasında geçen faz difüzyon kontrollü yanma olarak nitelendirilmektedir. Bu fazda silindir içine püskürtülen yakıtın miktarı ayarlanarak sıcaklık ve basınç yükselmesi kontrol altında tutulmaktadır. Bu faz içerisinde buharlaĢma hızı ve yakıt buharının hava ile karıĢma hızı, yanma hızını belirlemektedir. Burada püskürtülen yakıtın ortalama damlacık çapı, silindir içindeki hava hareketleri ve hava fazlalık katsayısı önemlidir. Dizel motorlarında yakıtın buharlaĢması ve tutuĢması tek bir noktada olmayıp birden fazla noktada gerçekleĢmektedir. KarıĢımın oluĢum hızı yakıtın yanma hızını da kontrol etmektedir. KarıĢımın oluĢum hızı ve yanma hızı yüksek tutularak yanma sıcaklığının yüksek olduğu ÜÖN‟ya yakın olduğu konumlarda tamamlanması gerekir. Aksi takdirde yanma, yanma sıcaklığının düĢtüğü ve genleĢmenin oluĢtuğu fazda devam eder. Bu durum is oluĢumuna ve motor veriminin düĢmesine sebep olmaktadır [3].
1.2.4. Art Yanma
Yanma sürecinde maksimum sıcaklığa ulaĢıldıktan sonra art yanma fazı baĢlar. Yakıtın silindire püskürtülmesi bitmiĢ ve piston AÖN‟ya doğru inmektedir. Art yanmada, yanma hızı, difüzyon hızı ve karıĢım oluĢum hızıyla belirlenmektedir. Ayrıca zengin karıĢımlarda eksik yanmıĢ yanma ürünleri de art yanma sırasında yanarlar. GeniĢleme sırasında gerçekleĢen art yanma ÜÖN‟dan sonra 70-80o
KMA kadar devam eder. Yanma egzoz zamanına geçilmeden önce tamamlanması gerekmektedir [3].
2. LĠTERATÜR ARAġTIRMASI
Karaosmanoğlu (2002), yaptığı araĢtırmalarında, bitkisel yağların transesterifikasyon reaksiyonu sonucunda elde edilen yakıtları biyo motorin olarak adlandırmıĢ ve biyo motorinin çeĢitli ülkelerdeki uygulamaları konusunda bilgi vermiĢtir. Türkiye'de her tür yağlı tohum ziraatının mümkün olduğunu, mevcut teknolojiler ile biyo motorin üretiminin yapılabileceğini ve uygulamaya geçilebileceğini belirtmiĢtir [4].
Erdoğan (1991), yapmıĢ olduğu çalıĢmasında, bitkisel yağların dizel motorlarında kullanım olanaklarını araĢtırmıĢtır. AraĢtırmalarının sonucunda, bitkisel yağların tam atomizasyon sağlayamaması ve bunun sonucu olarak da yanmanın tam olarak gerçekleĢememesi sebebiyle, dizel motorlarında doğrudan yakıt olarak kullanımlarının mümkün olmadığını belirtmiĢtir. Fakat bazı durumlarda bitkisel yağların dizel yakıtının içerisine %25 oranında karıĢtırılarak kullanılabileceğini, bunun yanında çeĢitli kimyasal yöntemler kullanılarak bitkisel yağların yakıt özelliklerinin iyileĢtirilebileceğini belirtmiĢtir [5].
IĢığıgür (1992), çalıĢmasında bitkisel yağın viskozitesini düĢürme yöntemleri olarak, seyreltme ve transesterifikasyon yöntemlerini deneme amaçlı yetiĢtirdiği aspir bitkisi yağına uygulamıĢ, motor deneylerini gerçekleĢtirmiĢ ve dizel yakıta alternatif bir yakıt olup olmadığını araĢtırmıĢtır. Denemeler sonucunda motor karakteristik eğrilerinin dizel yakıtına yakın değerde çıkmasına karĢın, emisyon değerlerinde düĢme görüldüğünü belirtmiĢtir [6].
Acaroğlu, M, DemirbaĢ,A. (2005), aspir yağından biyodizel üretim masraf bilançosunu ortaya koymuĢ ve biyodizel üretiminin litre baĢına 0.55 € civarında olduğunu tespit etmiĢlerdir [7].
Ziejewski ve diğ. (1996), %25 oranında yüksek oleik asidi içerikli ayçiçek yağı ile %75 D2 dizel yakıtı ve %25 oranında yüksek oleik asidi içerikli aspir yağı ile %75 D2 dizel yakıtını karıĢtırarak, EMA‟nın (The Engine Manufacturers Association) 200 saatlik dayanıklılık test prosedürüne göre karıĢımların motor parçaları üzerine etkisini incelemiĢlerdir. AraĢtırmacılar, yaptıkları çalıĢmanın sonucunda, emme supabının
8
kafasında karbonlaĢma oranını ayçiçek yağlı karıĢım için 2,20, aspir yağlı karıĢım için 2,20, D2 için 2,00 olduğunu belirlemiĢtir. Piston tepesindeki karbonlaĢma oranını da ayçiçek yağlı karıĢım için 1,50, aspir yağlı karıĢım için 1,44, D2 dizel yakıtı için 1,46, olduğunu tespit etmiĢlerdir. Ziejewski ve diğ.(2006), üç test yakıtının motor parçalarında yaptığı karbonlaĢma miktarları arasında önemli bir fark olmadığını ifade etmiĢlerdir [8].
IĢığıgür ve diğ. (1994), aspir yağından ester üretimi ile ilgili yaptıkları çalıĢmada potasyum hidroksitin soydum hidroksite nazaran daha iyi sonuçlar verdiğini ifade etmiĢlerdir [9].
Kusdiana ve Saka (2000), araĢtırmalarında kolza yağından biyodizel üretimi için süper kritik yöntemi kullanmıĢlardır. Süper kritik yöntemde katalizör kullanmadan daha yüksek sıcaklıkta 240 saniyelik bir zamanda esterleĢtirme olabileceğini belirtmiĢlerdir. Ayrıca transesterifikasyon ve süper kritik yöntemlerinden elde edilen metil ester oranları ile bir karĢılaĢtırma yapmıĢlar ve süper kritik yöntemde elde edilen metil ester oranının %1,5 oranında daha fazla olduğunu gözlemlemiĢlerdir [10].
Lauperta ve diğ. (2007), yaptıkları literatür çalıĢmasına göre SCI Journals‟da 1992-2005 yılları arasında yayınlanmıĢ çalıĢmaların yaklaĢık %96‟sında tam yükte biyodizelin motorun efektif gücünde azalmaya sebep olduğunu belirtmiĢlerdir. Bu azalma yakıt cinsine, motor tipine, çalıĢma sıcaklığına ve yükleme Ģartlarına göre değiĢmektedir. Bu güç kaybının asıl sebebi de düĢük ısıl değer ve yüksek viskoziteden kaynaklanan kötü atomizasyon sonucu oluĢan kötü yanma gösterilmektedir [11].
Yakıtın ısıl kapasite farkından ve erken püskürtmeden dolayı özgül yakıt tüketimi biyodizel miktarına bağlı olarak artmaktadır. Yine Lauperta ve dig. (2007), yaptıkları istatistik çalıĢmalarına göre, çalıĢmaların %98‟inde özgül yakıt tüketiminde artıĢ gözlemlenmiĢtir[12]. Rakopoulos ve diğ. (2004), yaptıkları literatür çalıĢmasında ise, yakıt tüketiminin biyodizelin içerdiği oksijen miktarıyla doğru orantılı olarak arttığını ortaya koymuĢlardır. Bunun sebebi ise, artan oksijen miktarının yakıtın ısıl kapasitesini düĢürdüğü Ģeklinde gösterilmiĢtir [13].
9
Labeckas ve Slavinskas (2006), yaptıkları çalıĢmada kanolanın %5, %10, %20 ve %35 oranlarındaki dizel karıĢımlarının termik verimlerini incelemiĢlerdir. En iyi termik verimin %5 ve %10‟luk karıĢımlara ait olduğunu ifade etmiĢlerdir [14].
Ġleri (2005), yaptığı çalıĢmada kanola yağı metil esterinin dizel motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılabilirliğini araĢtırmıĢtır. Kanola yağı metil esteri, 4 silindirli direkt püskürtmeli ve turbo Ģarjlı bir dizel motorunda 1750-4400 dev/dk arasında tam yük testine tabi tutularak motor performans ve emisyon değerleri ölçülmüĢtür. ÇalıĢmanın sonucuna göre; kanola yağı metil esteri ile elde edilen motor performans değerleri motorin değerlerine yakın elde edilmiĢtir. Kanola yağı metil esterinin tork ve güç değerlerine bakıldığında ortalama olarak sırasıyla %0,63 ve %1,21oranlarında azaldığı belirlenmiĢtir. Kanola yağı metil esteri özgül yakıt tüketiminde, ısıl değerinin düĢük ve yoğunluğunun yüksek olmasından dolayı artıĢ gösterdiği görülmüĢtür. Özgül yakıt tüketiminde ortalama artıĢ miktarı %11,1‟dir. Ayrıca CO emisyonlarında ve ıĢık absorbsiyon katsayısında sırasıyla %18,83 ve %8,75 oranında azalma olduğu tespit edilmiĢtir [15].
Koçak (2005), fiziksel ve kimyasal özelikleri belirlenen fındık yağı metil esterinin dizel motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılabilirliğini test etmiĢtir. Fındık yağı metil esteri, 4 silindirli direkt püskürtmeli ve turbo Ģarjlı bir dizel motorunda 1750-4500 d/d arasında tam yük testine tabi tutulmuĢtur. Test sonuçlarına göre; fındık yağı metil esteri ile elde edilen motor performans değerleri motorin değerlerine yakındır. Tork ve güç değerlerinde ortalama azalma oranı sırasıyla %1,16 ve %1,61„dir. Fındık yağı metil esterinin özgül yakıt tüketimi, ısıl değerinin düĢük olmasından ve yoğunluğun yüksek olmasından dolayı artıĢ göstermiĢtir. Özgül yakıt tüketiminde ortalama artıĢ miktarı ise %11,8 olarak ölçülmüĢtür [16].
Lauperta ve diğ. (2007) yaptıkları literatür çalıĢmasına göre NOx emisyonları ile ilgili sonuçlara göre çalıĢmalar dörde ayrılmaktadır [17].
1. Bu çalıĢmaların %85‟lik bir kısımında NOx emisyonlarında artıĢ gözlemlemiĢtir. KarıĢımdaki biyodizel miktarıyla doğru orantılı olarak artmasa da NOx emisyon miktarı genellikle biyodizel oranı arttıkça artma eğilimi göstermektedir. Schumacher ve diğ. (1994) yarım ve tam yüklerde, 1200 ve 2100 d/d hızlarda %10, %20, %30 ve %40
10
biyodizel/dizel karıĢımlarını 200 kW‟lık 6 silindirli bir motorda test etmiĢlerdir. Maksimum NOx değerini %40‟lık karıĢımda oluĢmuĢ ve bu değer saf dizel yakıtından %15 daha fazladır [18]. Marshall ve diğ. (1995) yapmıĢ olduğu bir baĢka çalıĢmada ise %20 biyodizel karıĢımlı bir yakıt ile %3,7‟lik artıĢ gerçekleĢmiĢken %30 karıĢımlıda ise sadece %1,2‟lik bir artıĢ gerçekleĢmiĢtir [19].
2. Bazı araĢtırmacılar ise NOx emisyonlarını sadece belirli çalıĢma koĢullarında yüksek bulmuĢlardır. Serdari ve diğ. (1999) 3 farklı motor tipinden bazılarında artıĢ bazılarında da azalıĢ gözlemleyerek, NOx miktarının motor tipine bağlı olarak değiĢtiğini ortaya koymuĢlardır[20]. Hamasaki ve diğ. (2001), tek silindirli bir motorda 2000 d/d ve farklı yüklerde yaptıkları çalıĢmada kullanılmıĢ yağdan elde edilmiĢ biyodizel ve karıĢımlarını test ederek NOx miktarının hafif yüklerde azaldığını, ağır yüklerde ise arttığını gözlemlemiĢlerdir. Bu da düĢük yüklerde yanmanın setan sayısına daha duyarlı olmasıyla iliĢkilendirilmiĢtir [21].
3. Bir grup araĢtırmacı da herhangi bir değiĢiklik gözlemlememiĢtir.
Durbin ve diğ. (2000), saf biyodizel ve %20 biyodizel katkılı bir yakıt ile yaptıkları çalıĢmada hemen hemen dizel yakıtı ile aynı sonuçları elde etmiĢlerdir [22].
4. Az bir araĢtırma grubu da NOx miktarlarında azalma tespit etmiĢtir.
Bu çalıĢmalara göre yüksek setan sayısına bağlı olarak NOx miktarının azaldığı tespit edilmiĢtir. Bunun sebebi olarak erken baĢlayan yanma neticesinde daha düĢük basınç ve sıcaklık gradyenleri gösterilmektedir [23]. DoymuĢ esterlerde yüksek setan sayısı sebebiyle daha düĢük NOx sonuçları alınmaktadır. Setan sayısı “common rail” yakıt enjeksiyon sistemlerinde önemsiz hale gelmektedir [24]. Biyodizel veya biyodizel-dizel karıĢımlarında NOx miktarının artmasını araĢtırmacılar çeĢitli sebeplere dayandırmaktadır. Bunlardan bazıları Ģunlardır:
AraĢtırmacıların çoğu, NOx artıĢını fiziksel özelliklerinden dolayı oluĢan erken püskürtme sonucunda baĢlayan erken yanmaya bağlamaktadır. Bu düĢünce Schmidt ve Van Gerpen‟in (1996), öne sürdükleri fikirle tamamen zıtlık oluĢturmaktadır.
11
Bir grup ise biyodizeldeki düĢük PM miktarı ile azalan ıĢımanın etkisiyle alev sıcaklığının arttığını ve bunun sonucunda ise NOx miktarının yükseldiğini savunmaktadır [25].
Bazı araĢtırmacılara göre Biyodizelin yapısında bulunan oksijen ve oksijence zengin dolgu havası NOx emisyon miktarını arttırmaktadır [26].
Ġyot sayısının artmasıyla (doymamıĢ yağ oranı ve yapısındaki çift bağlarla doğru orantılı bir sayı) NOx miktarı da artmaktadır [27].
Erganeman ve diğ. (1997 ), normal dizel, zeytinyağı, soya, mısır ve ayçiçeği yağı ile elde edilen biyodizel ile sıkıĢtırma oranı 19 olan bir motorla yapmıĢ oldukları çalıĢmalar sonucunda azot oksit emisyonlarını karĢılaĢtırmıĢlardır. En düĢük NOx emisyonunu dizel yakıtında elde edildiğini biyodizelde NOx emisyonunun arttığını belirtmiĢlerdir [29]. 0 50 100 150 200 250 A zot O ks it ( N O x)
ND AYB MYB SYB ZYB
Yakıt Çeşitleri
ġekil 2.1. Yakıt ÇeĢitlerine Bağlı Olarak NOx emisyonunun değiĢimi; ND: Normal Dizel, AYB: Ayçiçeği
Yağı Biyodizeli, MYB: Mısır Yağı Biyodizeli, SYB: Soya Yağı Biyodizeli, ZYB: Zeytin Yağı Biyodizeli [29].
12
Bazı araĢtırmacılar biyodizelin partikül madde (PM) emisyonlarını arttırdığını bildirirken çoğu araĢtırmalar dizel yerine biyodizel kullanıldığında PM emisyonlarının biyodizel içeriği miktarına göre düĢtüğünü bildirmiĢlerdir.
Krahl ve diğ. (1996), yaptıkları literatür çalıĢmasında kanola yağı metil esteri ile çalıĢan bir motorun PM emisyonlarının daha düĢük olduğunu bildirmiĢlerdir. Ancak; ağır dizel motorları için biyodizel kullanımında PM emisyonundaki düĢüĢ hafif dizel motorlarına göre %20 - %40 daha azdır. Bazı çalıĢmalarda da hem PM emisyonlarının hem de duman miktarının biyodizel kullanımında düĢtüğünü göstermiĢtir[30]. BaĢka bir literatür çalıĢmasında ise PM emisyonunun saf biyodizel için %70, %20 biyodizel karıĢımı için ise %45 azaldığı ortaya konmuĢtur [31]. Çanakçı ve Wan Gerpen (2001), soya yağı ve atık yağı biyodizeli ile yaptıkları çalıĢmada PM emisyonlarında %65 oranında düĢüĢ elde etmiĢlerdir [32]. Schumacher ve diğ. (1994), soya yağı biyodizeli ile aynı sonucu elde etmiĢlerdir [18].
Yapılan bazı araĢtırmalarda da PM emisyonlarının standart dizel yakıtı ile karĢılaĢtırıldığında biyodizel kullanımında değiĢmediği veya biyodizel kullanımında bu emisyonların arttığı bildirilmiĢtir. Bu durum, genellikle büyük miktarda isten oluĢan PM emisyonlarındaki çözülemeyen bileĢenlerin azalmasının, biyodizel kullanımında çözülebilen organik bileĢenler ile telafi edilmesi sonucunda oluĢmaktadır. Aynı zamanda uçuculuğu az olan yanmamıĢ hidrokarbonlardan (HC) dolayı PM ortaya çıkmaktadır [33].
Yamane ve diğ.(2004), çözülebilen organik bileĢenlerin artıĢının biyodizelin yanma sırasında daha yavaĢ buharlaĢmasından kaynaklandığını bildirmiĢlerdir. PM emisyonundaki azalmanın düĢük oranlarındaki biyodizel karıĢımlarında daha çok olduğu kabul edilebilir [34].
Lapuerta ve diğ.(2007), yaptıkları literatür araĢtırmasına göre araĢtırmacıların %95‟i biyodizel kullanımı ile Hidrokarbon (HC) emisyonları değerlerinin azaldığını göstermiĢlerdir [35]. Last ve diğ. (1995) yaptıkları çalıĢmada düĢük karıĢım oranlarının HC azalmalarında yüksek karıĢım oranlarına göre daha etkili olduğunu belirlemiĢlerdir. %10, %20 ve %100 biyodizel içeren karıĢımlar için elde edilen HC azalma oranları sırasıyla %28, %32 ve %75‟tir [36].
13
Çanakçı ve Van Gerpen (2001), araĢtırmalarını direkt enjeksiyonlu turbo Ģarjlı motorlarda yapmıĢlar ve tüm biyodizel çeĢitleri için HC emisyonlarında %50‟lik bir azalma olduğunu bulmuĢlardır [32]. Monyem ve diğ. (2001), yapmıĢ oldukları çalıĢmada ise okside olmuĢ biyodizelin okside olmamıĢ biyodizele göre daha düĢük HC emisyon değerleri oluĢtuğunu tespit etmiĢlerdir [37]. Storey ve diğ. (2005), yaptıkları çalıĢmalarında erken püskürtme zamanının daha düĢük HC emisyonlarına yol açtığını ortaya koymuĢlardır [38].
Bazı araĢtırmacılar biyodizel yakıtın setan sayısının normal dizele göre daha yüksek olduğunu ve bu sebeple de kısalan yanma gecikmesinin HC miktarının azalmasına yol açtığını belirtmiĢlerdir [37, 41, 42].
Lapuerta ve diğ. (2007), yaptıkları araĢtırmaya göre araĢtırmacıların %90‟ı CO değerlerinin biyodizel kullanımı ile azaldığını göstermiĢlerdir [35]. EPA‟nın (Amerikan Çevre Koruma Ajansı) (2002), yapmıĢ olduğu bir çalıĢmaya göre biyodizel yakıtının kullanımında CO emisyonlarında dizele göre %50‟lik bir azalma olduğunu göstermiĢlerdir [27]. Choi ve diğ. (1997), tek silindirli bir dizel motorda soya yağından elde edilmiĢ biyodizelle yaptıkları çalıĢmada, düĢük yüklerde CO emisyonunda herhangi bir azalma tespit edilememiĢ ancak yüksek yüklerde azalmalar meydana gelmiĢtir [39].
Graboski ve McCormick (1998), %20, %35 ve %65 biyodizel içeren yakıtlarla yaptıkları testlerde biyodizel miktarıyla CO emisyonunun azalma oranı arasında doğrusal bir iliĢki bulmuĢlarken [40]; Last ve diğ. (1995) yaptıkları çalıĢmada bu doğrusal iliĢkiyi tespit edememiĢ olup; %10, %20, %30, %50 ve %100 biyodizel-dizel karıĢımı için CO emisyonlarında tespit ettikleri azalmalar sırasıyla %10, %8, %18, %6 ve %14‟tür [36].
Groboski ve McCormick (1998), biri yüksek setan sayılı %20 ve diğeri yükseltilmiĢ olmak üzere %20 biyodizel içeren yakıtlar ile yaptıkları testler sonucunda setan sayısı yükseltilmiĢ %20‟lik yakıtın daha düĢük CO emisyon miktarları verdiğini göstermiĢlerdir. Ullman ve diğ. (1994), yaptıkları çalıĢmada biyodizelin bünyesindeki oksijen miktarıyla setan sayısının arttığını ve buna bağlı olarak da CO miktarının azaldığını ortaya koymuĢlardır [43].
14
Biyodizelin CO2 emisyonuna etkileri genelde değiĢken ve genellenebilir olmasa da, %50 ile %80 arasında bir azalmaya sebep olmaktadır[44]. Canakçı ve diğerleri (2001), turboĢarjlı dört silindirli bir motorda hayvansal ve soya yağlarından elde edilmiĢ ve %20 oranında dizel yakıtı ile yapılan karıĢımları test etmiĢlerdir. AraĢtırmacılar CO2 emisyonlarında, soya yağından elde edilmiĢ biyodizel ile dizel karıĢımlarında %1.8, hayvansal yağdan elde edilmiĢ biyodizel ile dizel karıĢımlarında ise %1.2 gibi cüzi artıĢlar gözlemlemiĢlerdir [32].
Birçok araĢtırma da biyodizel kullanımının aromatik poliaromatik emisyonları bir miktar düĢürdüğünü ancak; yük, motor devri gibi çalıĢma koĢullarının da bilinmesi gerektiği bildirilmiĢtir [45, 46, 47].
Kanola yağı biyodizeli kullanıldığında motor tipi ve çalıĢma koĢullarına bağlı kalmaksızın PAH (Poliaromatik Hidrokarbon) emisyonlarının azaldığı sonucuna varılmıĢtır. Bununla beraber bu sonuçlar aromatik HC emisyonları için söylenemez. Çünkü benzen ve benzen türevlerinin bazı durumlarda biyodizel kullanımıyla arttığı bilinmektedir. Yapılan bir çalıĢmada biyodizel kullanımında PAH emisyonlarının %12 ile %29 azaldığı tespit edilmiĢtir [48]. Bu azalmanın aromatik HC emisyonlarının bileĢiklerinin partiküllere dönüĢerek gerçekleĢtiği, Ģeklinde açıklanmıĢtır [49, 50].
Dizel motorları egzoz emisyonu testlerinde ölçülen oksijenli bileĢiklerden en çok bilinenleri aldehit ve ketonlardır. Dizel motorlarında yanma iĢleminin ortalarında meydana gelen bu bileĢikler ozon oluĢumunda önemli rol oynamaktadır [51, 47]. Ancak biyodizelin bu tür emisyonları arttırıp arttırmadığı tam olarak bilinmemektedir. Çünkü bazı çalıĢmalarda bu tür emisyonlar azalmakta veya değiĢmemektedir [52].
3. BĠYODĠZEL
Biyodizel kavram olarak, kanola (kolza), aspir, soya, pamuk, ayçiçeği, keten tohumu, yerfıstığı, fındık, palmiye ve bıttım yağı gibi bitkisel yağlardan, bunun yanı sıra bitkisel veya hayvansal atık yağlardan (evsel ve sanayi kaynaklı atık yağlar) ve hayvansal yağlardan (balık yağı, tavuk yağı gibi) transesterifikasyon ve diğer bazı yöntemler ile üretilen yağ esterleridir. Biyodizel ismi ilk olarak 1992 yılında Amerika Ulusal Soydiesel GeliĢtirme kuruluĢu tarafından telaffuz edilmiĢtir. Dizel motorlarda yakıt olarak kullanıldığı ve ayrıca daha çok bitkisel yağlardan elde edildiği için “Biyodizel” adını almaktadır.
Biyodizel saf olarak kullanabildiği gibi petrolden elde edilen motorinle de karıĢtırılarak kullanılabilir. Bitkisel yağların yakıt olarak kullanabileceğini yukarıdan da bahsedildiği gibi ilk olarak 1900‟lü yılların baĢında Rudolph Diesel yer fıstığı yağı ile dizel motorunu çalıĢtırarak göstermiĢtir. Fakat petrol hazır bir sektör olduğu için yaygınlaĢması ancak bazı özel olaylar sonucu ve kısıtlı olmuĢtur. Ġkinci Dünya SavaĢı, 1970‟lerdeki petrol darboğazı ve yeni dönemde çevre bilincinin artması yeni enerji kaynaklarına olan ilgiyi artırmıĢtır [53].
Dünya devletleri arasında yapılan birçok bilimsel çalıĢma biyodizel yakıtının dizel motorlarında uzun süre kullanılabileceğini göstermektedir. Missovri ve Ġdaho gibi birçok bölgeden araĢtırmacılar biyodizel-dizel yakıtının farklı karıĢımlarını traktörlerde, kamyonlarda ve Ģehir otobüslerinde kullanmıĢlardır [54].
Biyodizel saf ve biyodizel-dizel karıĢımları Ģeklinde yakıt olarak kullanılmaktadır [28]. Literatürde bu karıĢımlar genellikle aĢağıdaki Ģekilde isimlendirilmektedir.
B 5 → % 5 Biyodizel + % 95 Motorin B20 → % 20 Biyodizel + % 80 Motorin B50 → % 50 Biyodizel + % 50 Motorin B100 → % 100 Biyodizel
Dünya devletleri arasında halen Biyodizel yakıtı için EN 14214 ve EN 14213 Avrupa birliği standartları ile ASTM D6751 Amerikan Standardı yürürlüktedir. Ülkemizde de EN Standartları temel alınarak Türk Standartları Enstitüsü tarafından taĢıtlarda kullanılan biyodizel için TS EN 14214 standardı çıkarılmıĢtır. Ayrıca TS 3082 EN 590
16
Türk Standardı dizel motorlu taĢıtlarda kullanılan yakıtlara en çok %5 oranında biyodizel katılmasına müsaade etmektedir [28].
Biyodizel daha düĢük sıcaklıklarda dizel yakıtına göre daha fazla kalınlaĢtığı için akma noktasını düĢürücü katıklar kullanılmaktadır. Ayrıca akıcılığın soğuk iklimlerde devam edebilmesi için yakıt tankına bir ısıtıcı da konulabilir. Biyodizel ile karıĢtırılmıĢ dizel yakıtı %100 biyodizelden daha düĢük bir akma noktasına sahiptir. Ancak bahsedilen önlemler alınmazsa gresleĢme problemi ortaya çıkabilir. Tablo 3.1‟de Idaho üniversitesinde yapılan emisyon testi sonuçları görülmektedir. Bu testler kolza yağından elde edilen B100 ve B20 yakıtları ile yapılmıĢtır [54].
Tablo 3.1. Idaho üniversitesinde yapılan emisyon testi sonuçları [54].
Emisyon 100% Ester yakıt (B100) (%) 20/80 Kar. (B20) (%) Hidrokarbon −52.4 −19.0 Karbon monoksit −47.6 −26.1 Azot oksit −10.0 −3.7 Karbondioksit 0.9 0.7 Partikül madde 9.9 −2.8
Mevcut dizel yakıtına benzer özellik gösteren biyodizel, dizel motorlarında bazı değiĢiklikler ve ayarlamalar yapılarak kullanılabilmektedir. Biyodizel, direkt olarak dizel yakıtı yerine kullanılabileceği gibi, mevcut dizel yakıtıyla belli oranlarda karıĢım oluĢturarak da kullanılabilir. Biyodizel yakıtı, petrol kökenli yakıtlara göre daha az emisyon üretir, kükürt içermez. Dizel motorlarında hava-yakıt karıĢımı yanma odası içinde gerçekleĢtirilmekte, dolayısıyla karıĢım oluĢturma yanma verimini ve motor performans parametrelerini etkileyen bir iĢlem olmaktadır. Biyodizelin içerdiği oksijen miktarı, motorinle karĢılaĢtırıldığında %11 oranında daha fazla olduğu için biyodizel kullanımında karıĢım oluĢumu daha iyi olmakta, bunun sonucunda egzoz emisyonlarında azalma görülmektedir [55].
17
Bazı bitkisel yağların fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 3.2‟de ve bazı bitkisel yağlardan elde edilen biyodizel yakıtları ile dizel yakıtının (D2) fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 3.3 verilmektedir.
Tablo 3.2. Bitkisel yağların bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri [56].
Tablo 3.3. Bitkisel yağlardan elde edilen biyodizel yakıtlarının yakıt özellikleri [56]. Bitkisel
Yağ Isıl Değer Kj/kg Kinematik Viskozite mm2/sn (40 oC) Yoğunluk (15oC) Parlama Noktası o C Akma Noktası o C Bulutlanma noktası % C Yer fıstığı 39964 22.72 0.8880 198 -6 0 70.002 Pamuk 39173 27.02 0.8830 218 -17 -1 72.7005 Aspir 39772 28.33 0.9050 226 -14 -2 67.2242 Kanola 40123 31.23 0.9030 234 -30 -14 72.3939 Susam 39445 25.78 0.8990 245 -10 1 68.9628 Keten 39552 26.61 0.9180 226 -30 -6 67.2569 Soya 40115 28.08 0.9050 242 -18 -4 71.2397 Ayçiçeği 39827 31.52 0.9060 262 -18 -7 53.9418 B iyodi ze l Is ıl De ğe r Kj/kg Yoğunluk (15 o C) P ar lama Nokta sı ( o C) Kine matik vis koz it e (40 o C) Akma Nokta sı ( o C) Bulut lanma Nokta sı ( o C) %C E ster Ve rim i % S etan S ayıs ı Yer fıstığı 40099 0.8485 166 4.42 -8 0 62 79 53.59 Pamuk 40201 0.8558 127 3.63 -20 -9 60 91 52.05 Aspir 40258 0.8703 187 3.90 -24 -5 59 89 53.14 Kanola 39876 0.8652 208 3.95 -30 -13 63 96 56.07 Susam 40397 0.8672 170 4.20 -14 -6 62 69 50.48 Keten 39952 0.8842 136 4.35 -30 -11 70 84 45.41 Soya 40535 0.9633 174 4.17 -20 -9 66 87 46.98 Ayçiçeği 39649 0.8740 171 4.60 -19 -6 62 81 46.80 D2 42900 0.82-0.86 >55 2.5-3.5 -33 -16 - - 49-55
18 3.1. Biyodizelin Avantaj ve Dezavantajları
Dizel motorlarında herhangi bir değiĢiklik yapılmadan kullanılabilen biyodizel yakıtının bazı avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu avantaj ve dezavantajlar aĢağıdaki gibidir.
Avantajları
Yenilenebilir karakterli oldukları için yerel imkânlarla üretilebilir.
Biyolojik olarak ayrıĢabilir ve zehirli değildir. Yapılan testlere göre, kolzadan elde edilmiĢ biyodizelin 21 günde %99,6‟sının ayrıĢtığı görülmüĢtür.
Emisyonlarında CO, partikül madde, yanmamıĢ hidrokarbon miktarı daha azdır ve aromatik bileĢikler ile kükürt hemen hemen hiç yoktur.
Normal dizel yakıtı ile karĢılaĢtırıldığında CO2 emisyonunun atmosferde birikimine ve bunun sonucunda da sera etkisine neden olmaz. Çünkü biyodizelin yanması sonucu oluĢan CO2, biyodizelin elde edildiği bitkiler tarafından kullanılır.
Parlama noktası dizel yakıtına göre daha yüksektir. Bu özellik biyodizeli taĢıma ve kullanımda güvenli kılmaktadır.
Biyodizelin dizel motorlarında kullanımında motor üzerinde herhangi bir değiĢikliğe ihtiyaç duyulmaz ve motorun yağlanmasını da iyileĢtirir.
En önemlisi; CO, PM, HC emisyon değerleri dizel yakıtına göre daha iyidir.
Dezavantajları
Dizel yakıtına göre viskozitesi biraz daha yüksektir. Uçuculuğu dizel yakıtına göre daha düĢüktür.
Yüksek bozunabilirliğe (ayrıĢabilirlik) sahip oldukları için depolanmalarında sorun yaratmaktadır.
Yüksek akma ve bulutlanma noktaları sebebiyle soğuk hava Ģartlarından dizel yakıtına göre daha çabuk etkilenir. Bu durum, soğuk iklim bölgelerinde biyodizelin kullanımını sınırlandırıcı bir faktördür.
19 yüksektir [27].
Dizel yakıtına göre daha düĢük ısıl değerine sahip olduğu için yakıt tüketiminde artıĢa sebep olmaktadır.
DüĢük setan sayısı sebebiyle oluĢan yüksek tutuĢma gecikmelerine sahiptir [28].
Karbon kalıntıları ve kurum oluĢumuna yol açmaktadır. Yani piston baĢı, segman, segman yuvası, silindir baĢı, supaplar, supap kılavuzları ve enjektör memesi gibi elemanlarda karbon birikmesine neden olmasıdır.
Motor yağlarını kirletme özelliğine sahiptirler.
NOx emisyonlarında artıĢa neden olmaktadır. Ancak bu sorun yanma sıcaklığını azaltarak (yanmanın 1–3 KMA geciktirilmesi) veya katalitik konvertör kullanılarak aĢılabilir [57].
3.2. Biyodizel Yakıtının Fiziksel Özellikleri
3.2.1. Viskozite
Sıvıların akmaya karĢı göstermiĢ oldukları direnç viskozite olarak adlandırılır. Sıvıların kalın ya da ince oluĢunu sayısal olarak ifade eden bir göstergedir. Sıcaklık arttıkça bir sıvının viskozitesi azalır, yani sıvılar ısıtıldıkça daha kolay akmaktadır. Viskozite değerinin anlam ifade edebilmesi için daima hangi sıcaklıkta olduğunun belirtilmesi gerekir. En çok kullanılan viskozite birimleri: Centistoke cSt. (canti stok), mm2/s., Engler derecesi, Centipoise cp (santipuaz), Redwood seconds, Saybolt Seconds.
Dizel motorlarında kullanılan yakıtın viskozitesinin yüksek olması istenmeyen bir durumdur. Yüksek viskoziteye sahip bir yakıt enjektörden daha iri tanecikler halinde püskürtülür. Dolaysıyla iyi atomize olmamıĢ bir yakıt yanmanın kötüleĢmesine ve dolaysıyla motor performansının azalmasına sebep olmaktadır. Bununla beraber yüksek viskoziteli bir yakıtta pompa plancırına yeteri kadar yakıt dolmadığından motorun volumetrik verimi düĢmekte ve sonuç olarak motor gücü ve momentinde bir azalma meydana gelmektedir. Kinematik viskozite; bir akıĢkanın yer çekimi etkisi altında, akmaya karĢı gösterdiği dirençtir. Belirli bir hidrostatik kolon basıncı altında yerçekimiyle akıĢ, sıvının kolon basınç yoğunluğu ile orantılıdır. Herhangi bir viskozite için, belirli bir
20
hacimdeki sıvının akıĢ süresi, sıvının kinematik viskozitesi (v) ile doğru orantılıdır[58]. ġekil 3.1‟de Viskozite ölçüm cihazı görülmektedir.
ġekil 3.1. Viskozite ölçüm cihazı [58].
Uluslararası standartlardaki kinematik vizkozite sınır değerleri aĢağıdaki gibi belirlenmiĢtir [58].
Tablo 3.4. Uluslararası standartlarda viskozite için verilen sınır değerleri [58].
3.2.2. Yoğunluk
Yoğunluk, biyodizel yakıtı için önemli parametrelerden biridir. Biyodizel yakıtları için yoğunluğun yüksek olması, oluĢum iĢlemi sırasında gliserinin yeterince
uzaklaĢtırılamadığının bir göstergesidir [58].
Bitkisel kökenli yağlardan elde edilen biyodizel yakıtların yoğunlukları dizel yakıtına yakın olmakla birlikte biraz daha fazladır. Biyodizellerin normal dizel yakıtına göre daha yüksek yoğunluğa sahip olması nedeniyle pompadan gönderilen yakıt miktarı azalmakta sonuç olarak motorun volumetrik veriminde bir düĢüĢ görülmektedir. Uluslararası
Standart Adı Standart No Birim Değer Aralığı
ASTM D6751 mm2/s 1.9–6.0
DIN E51606 mm2/s 3.5–5.0
21
Standartlarda yoğunluk için verilen sınır değerler aĢağıdaki Tablo 3.5‟te verilmiĢtir. ġekil 3.2‟de yoğunluk ölçüm cihazı görülmektedir.
Tablo 3.5. Uluslararası standartlarda yoğunluk için verilen sınır değerleri [58].
Standart Adı Standart No Birim Değer Aralığı
ASTM D6751 kg/m3 860–900
DIN E51606 kg/m3 875–900
EN 14214 kg/m3 860–900
ġekil 3.2. Yoğunluk ölçüm cihazı (petrotest) [58].
Yoğunluk ölçme cihazı (Petrotest) ile otomatik sıcaklık kontrollü banyoda, 15oC‟de yapılan, soya yağı metil ester analizlerinde elde edilen yoğunluk değeri 884 kg/m3‟tür [58].
3.2.3. Setan Sayısı
Bir yakıtın kendi kendine tutuĢma kabiliyetini gösteren ölçüdür. Setan sayısı dizel motorlarında yanmanın seyrine etki eden en önemli parametrelerden biridir. Yakıtın vuruntuya karĢı direncini gösterir. Oktan sayısı gibi ölçülebilen bir özelliktir. Setan sayısı
22
yüksek olan yakıtlarda tutuĢma gecikmesi periyodu kısalır ve sonuçta yanma düzenli bir Ģekilde devam eder. Setan sayısı düĢük olan yakıtlarda tutuĢma gecikmesi safhası uzar. Dolaysı ile bu safhada püskürtülen yakıt miktarı da artar. Yanmanın baĢlaması ile birlikte bu safhada püskürtülen yakıtın tamamı bir anda yanmaya baĢlar. Sonuç olarak silindir içerisinde ani bir basınç artıĢı meydana gelir. Bu ani basınç artıĢı motor parçalarına etki ederek motorun gürültülü çalıĢmasına ve yanmanın kötüleĢmesine sebebiyet vermektedir. Bu duruma Dizel Vuruntusu adı verilmektedir. Sonuç ta vuruntulu çalıĢan bir motorda; güç kaybı, ilk harekette zorlanma, karbon birikintisi, motorun geç ısınması, fazla yakıt tüketimi gibi aksaklıklar meydana gelebilmektedir.
3.2.4. Isıl Değer
Bir yakıtın ısıl değeri ne kadar yüksek ise yakıttan yanma sonucu elde edilebilecek enerji miktarı da o kadar artar [59].
Genel olarak bitkisel yağlardan elde edilen biyodizellerin ısıl değeri petrol türevi dizel yakıtından daha düĢüktür. Bu nedenle biyodizel kullanımında aynı gücü elde edebilmek için tüketilen yakıt miktarı daha fazla olmaktadır. Dolaysıyla özgül yakıt tüketimi artmaktadır. Biyodizel yakıtlarının ısıl değerinin motorine nazaran daha düĢük olması ayrıca motorun termik veriminin düĢüĢ göstermesine sebebiyet vermektedir. Aynı motor Ģartları altında biyodizelin güç ve torku daha düĢüktür [60].
3.2.5. Akma ve Bulutlanma Noktaları
Akma noktası yakıtın akmaya devam edebildiği en düĢük sıcaklık noktasıdır. Bulutlanma noktası ise yakıtın jelleĢmeye baĢladığı noktayı ifade eder. Akma ve bulutlanma noktaları yakıtın soğuk iklimlerde kullanılabilirliği hakkında bize fikir verir. Bazı biyodizel yakıtlarda akma ve bulutlanma noktaları motorine göre daha yüksektir. Bu durum bu yakıtların kullanımını özellikle kıĢ aylarında olumsuz etkileyebilmektedir. Akma ve bulutlanma noktası tayin cihazı ile yapılan, soya metil esteri analizlerinde, -8 ˚C‟de akıcılığını kaybetmeye baĢladığı tespit edilmiĢtir [58]. ġekil 3.3‟te akma ve bulutlanma noktası ölçüm cihazı görülmektedir.
23
ġekil 3.3. Akma ve Bulutlanma noktası ölçüm cihazı (Petrotest) [58].
Deney numunesi, belirlenmiĢ standart Ģartlar altında soğutulduğunda parafin kristallerinden oluĢan bir sisin gözlendiği ilk sıcaklıktır. Analiz metodunda numune belirli bir hızda soğutulur ve belirli aralıklarla gözlenir. Deney tüpünde ilk sisin ilk gözlendiği sıcaklık bulutlanma noktası olarak kaydedilir [58].
3.2.6. AkıĢ Özellikleri
Biyodizel motorinden daha yüksek akma noktasına sahiptir. Bu durum yakıtların soğukta, kullanımında problem çıkarmakta ve dolayısıyla motorun düzensiz çalıĢmasına sebebiyet vermektedir.
Soğuk akıĢ özelliği iyi olmayan yakıt kullanımı, motorun yakıt beslenme elemanlarına hasar verir. Ayrıca motorda ilk hareket problemleri oluĢur [61].
3.2.7. Parlama Noktası
Parlama noktasının yanma üzerine herhangi önemli bir etkisi yoktur. Ancak yakıtın depolama ve taĢınma emniyetini gösteren bir özelliktir. Parlama noktası petrol kökenli motorine nazaran çok daha yüksek olan biyodizellerin taĢınma ve depolanmaları sırasında emniyetlidirler. Parlama noktası bir sıvının bir alev cephesiyle karĢılaĢtığında alev almaya baĢladığı noktadır. Parlama noktasının minimum uluslararası standartlardaki değerleri Tablo 2.3‟de görülmektedir [58].
24
Tablo 3.6. Uluslararası standartlarda parlama noktası için verilen sınır değerleri [58].
ġekil 3.4‟ te parlama noktası tayin cihazı görülmektedir.
ġekil 3.4. Parlama noktası ölçüm cihazı [58].
3.2.8. Ġyot Sayısı
Ġyot sayısı bitkisel yağların özelliği ve çift bağ sayısına göre değiĢmektedir. Yüksek iyot sayılı yakıtlar enjektör deliklerinde tıkanmalara veya yanma odasında hasarın meydana gelmesine sebep olmaktadır [61].
3.3. Bitkisel Yağların Yakıt Özelliklerini ĠyileĢtirme Yöntemleri
Bitkisel yağların enerji içerikleri fosil kökenli dizel yakıtları ile hemen hemen aynı düzeydedir. Ancak dizel yakıtına göre viskozite değerleri 10–20 kat daha fazladır. Bu yüksek viskozite enjektörlerde tıkanma, soğuk havalarda motorun ilk çalıĢtırılmasında
Standart Adı Standart No Birim(en az)
ASTM D6751 130oC
DIN E51606 100o
C
25
problem ve motor ömrünün kısalması gibi pek çok olumsuzluklara neden olabilmektedir. Bitkisel yağların motorlarda yakıt olarak kullanılabilmesinde; motorun bitkisel yağa uygun hale getirilmesi ya da, yakıtın motora uygun hale getirilmesi seçenekleri söz konusudur. Direkt püskürtmeli dizel motorlarda, yarı rafine edilmiĢ yağlar, motorinle karıĢtırılarak yakıt olarak kullanılabilmektedir. Bitkisel yağların dizel motorlarda doğrudan kullanılabilmesi, ancak bu amaç için tasarlanmıĢ, türbülans prensibiyle çalıĢan, özel yanma odalı motorlarla mümkün olabilmektedir. Nitekim; Deutz firması tarafından geliĢtirilmiĢ olan ön yanma odalı ve türbülans prensibiyle çalıĢan motorlarda saf bitkisel yağlar, sorunsuz olarak kullanılabilmektedir. Söz konusu motorlar, normal dizel motorlardan %6 daha fazla yakıt tüketmekle beraber güçlü ve güvenilirdir. Yakıt tüketimi direkt püskürtmeli motorlara göre %5–20 kadar daha yüksektir. Bu alandaki diğer bir seçenekte John Dere firmasına ait, bitkisel yağların da kapsamda olduğu çeĢitli yakıtlarla çalıĢabilen Wankel motorudur.
Bitkisel yağlar saf olarak, direkt püskürtmeli motorlarda kullanılamamaktadır. Çünkü kısa bir çalıĢma süresini müteakip, yağ bozulmakta ve uzun sürede motorun ilgili kısımlarında kalıntılar oluĢmaktadır.
Direkt püskürtmeli motorlarda, bitkisel yağların doğrudan yakıt olarak kullanılmasında ana sorun; enjektörler, yanma odası, piston ve supaplarda meydana gelen kalıntılardır. Bu kalıntılar, zamanla motorda güç kaybına ve arızalara sebep olmaktadır.
Günümüzdeki uygulamalarda direkt püskürtmeli motorların yaygın olduğu düĢünülürse, bitkisel yağlara gerekli kimyasal iĢlemler uygulanmadan bu tip motorlarda yakıt olarak kullanılmasının uygun olmayacağı anlaĢılabilir. Kolza yağında üretilen biyodizelin, yakıt olarak kullanıldığı traktör motorlarında yağlama yağının seyrelmesi sorunuyla karĢılaĢılmaktadır. Kolzada elde edilen biyodizelin motor yağına geçmesi sonucunda yağlama yetersiz hale gelmekte, piston üst yüzeyi, segman ve supaplarda sakızlaĢma meydana gelmektedir. Bu durum, kullanım süresine, motor tipine, yanma odasının yapısı, püskürtme Ģekli ve püskürtme zamanına bağlı olarak değiĢmektedir [62].
26
Biyodizelin neden olabileceği seyrelme sorunu, motor yağı değiĢtirme aralığının kısaltılması ile azaltılabilir. Bu nedenle; bitkisel yağların dizel yakıtına alternatif olarak değerlendirilebilmesi için, öncellikle viskozite probleminin çözülmesi gerekmektedir. Bu problemin çözümü için beĢ yöntem önerilmektedir.
a. Seyreltme
b. Mikroemülsiyon oluĢturma c. Piroliz
d. Süper kritik yöntem e. Transesterifikasyon
Seyreltme yöntemde, uygun bitkisel yağlar belirli oranlarda dizel yakıta katılarak yağın viskozitesi düĢürülmektedir. Ziejewki ve arkadaĢlarının yaptığı bir çalıĢmada hacim olarak 25/75 oranında ayçiçeği yağı dizel yakıtından oluĢturulan karıĢımın 40oC‟deki viskozitesi 4,88 mm2/s olarak bulunmuĢtur. ASTM (Amerikan Test ve Malzeme Topluluğu) standartlarında dizel yakıt için belirlenen üst sınır 4,0 mm2/s olduğundan söz konusu karıĢımın direkt enjeksiyonlu dizel motorlarında kullanılamayacağı sonucuna varılmıĢtır. Seyreltme yöntemi uygulamalarında, en çok tercih edilen bitkisel yağlara örnek olarak, ay çiçek yağı, soya yağı, aspir yağı, kolza yağı yer fıstığı yağı ve kullanılmıĢ kızartma atık yağları kullanılmaktadır [62].
Mikroemülsiyon oluĢturma yöntemi; metanol ya da etanol gibi kısa zincirli alkollerle bitkisel yağın mikroemülsiyon durumuna getirilmesi ile viskozite değerinin düĢürülmesi iĢlemidir. Bu yöntemde, alkollerin setan sayılarının düĢük olması nedeniyle mikroemülsiyonunda setan sayısının düĢük olması, düĢük sıcaklıklarda karıĢımın ayrıĢma eğilimi göstermesi sakıncaları olarak görülmektedir [5].
Czerwinski‟nin 1994 yılında gerçekleĢtirdiği bir araĢtırmada, % 53 ayçiçeği yağı, % 13,3 etanol, % 33,4 bütanol kullanarak elde ettiği emülsiyonda, 40 0C‟deki viskozitesi 6,3 cSt (centistokes) ve setan sayısını 25 olarak bildirmiĢtir. DüĢük viskozite ve daha iyi sprey özelliklerinin, karıĢımdaki % bütanol miktarının arttırılmasıyla olanaklı olduğunu belirlemiĢlerdir [63].
