Dizel motorlar için LPG sistemleri
DİZEL MOTORLARINDA DİZEL YAKITI + LPG KULLANIMININ PERFORMANS VE EMİSYONA ETKİSİ
Araş. Gör. Murat CİNİVİZ - S.Ü.T.E.F. Makine Eğitimi Bl., Konya
Doç. Dr. M. Sahir SALMAN -G.Ü.T.E.F. Otomotiv Anabilim Dalı, Ankara
Prof. Dr. Kazım ÇARMAN-S.Ü.Z.F.Tarım Makineleri Bl., Konya
Özet: Bu çalışmada, Dizel yakıtı ve ağırlıklı olarak %30 LPG ve %70 Dizel yakıtının, performans ve emisyon parametrelerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motoru LPG+Dizel yakıtı ile çalışabilecek şekilde modifiye edilmiştir. Sonuçta çift yakıtlı çalışmada motor torku ve gücü %5,8 oranında artmaktadır. Emisyonda ise NOx’te %5,9, k faktöründe ise 1/9 oranında tek yakıtlı çalışmaya göre iyileşme olmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Sıvılaştırılmış petrol gazı, dizel motorları, dizel emisyonları, çift yakıtlı motorlar.
1. GİRİŞDünyada meydana gelen petrol krizlerinden dolayı enerji ihtiyacının artması ve ayrıca taşıtlardan kaynaklanan hava kirliliği nedeniyle, özellikle büyük şehirlerde meydana gelen hava kirliliğinin tehlikeli boyutlara ulaşması bilim adamlarını doğada bol miktarda bulunan ve çevreci olan alternatif yakıtlar üzerinde araştırma yapmaya itmiştir. Pek çok ülkede meydana gelen hava kirliliğinin taşıt kaynaklı olması nedeniyle, çevreci olan alternatif yakıtla çalışan araçların kullanılması teşvik edilmektedir.Günümüzde, şehirlerin artan hava kirliliği tüm gelişmiş ülkelerin önemli sorunlarından birisi durumuna gelmiştir. Bu kirlenmede, şehir içi ulaşımında kullanılan taşıtların çıkardıkları zararlı egzoz emisyonlarının önemli bir payı bulunmakta ve bu yüzden bir çok ülkede temiz ulaşımın sağlanması için yaygın destek programlan uygulanmakta ve daha temiz yanan alternatif yakıt arayışlar sürdürülmektedir. LPG, karışımın oluşturulması, dağıtımı ve yanma kontrolü kolay olan ideal bir yakıt olarak bilinmektedir. LPG motorda, karmaşık ve pahalı ekipmanlar gerektirmesizin oldukça temiz yanan bir yakıttır (8).
Dizel motorlarından kaynaklanan zararlı egzoz emisyonlarından, NOX ve Partikül Madde emisyonlarının (PM) önemli ölçüde artmıştır. Bu nedenle araştırmacılar, ağır hizmet tipi araçlarda değişik alternatif yakıtlar üzerindeki çalışmalarını sürdürmektedirler. Bu alternatif yakıtlar ise, şu anda piyasada bulunanlar arasında, LPG (Liquefied Petroleum Gaz-Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) ve CNG'nin(Compressed Natural Gas-Sıkıştmlmış Doğal Gaz) kullanımı çok geniştir. Bu gazların moleküler ağırlığının düşük olmasından dolayı, buhar basıncı yüksek olmaktadır. Ayrıca gazın önceden karışması, kolayca sağlanabilmektedir. Sonuç olarak bir dizel motoru ile karşılaştırıldığında, is ve CO2'de önemli bir azalma meydana gelmektedir (6).
Bütün dünyada ve Türkiye'de LPG'nin, çevreyi olumlu yönde etkilemesi ve ekonomik sebeplerden dolayı otomotiv sektöründe kullanımının hızla artırmıştır. Bir çok hükümet yukarıda belirtilen nedenleri dikkate alarak uyguladıkları enerji politikalarıyla LPG'yi destekleyen ve ayrıca mali teşviklerle, bu alternatif yakıtı kullanıma sokmuşlardır. Tablo 1.1'de Türkiye ve bazı ülkelere ait LPG'li taşıt sayısı görülmektedir. Ayrıca Konya ili merkezinde Trafik Bölge Müdürlüğü 2000 yılı verilerine göre toplam LPG'li araç sayısı 12003'tür
Bu çalışmada, tam gaz değişik devirde tek yakıtlı (dizel) ve çift yakıtlı (LPG+dizel) kullanımının motor performansı ve emisyon üzerindeki etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motoru LPG+Dizel yakıtı ile çalışabilecek şekilde modifiye edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, çift yakıtlı çalışmada motor torkunun ve gücünün tek yakıtlı çalışmaya göre daha yüksek çıkmıştır. Egzoz emisyonlarında ise, özellikle NOX ve duman emisyonlarında bir iyileştirme meydana gelmiştir.
Tablo 1.1: Ülkelere göre araçlarda LPG kullanımı (1).
Kullanan Taşıt Sayısı
Ülke Ülke
İtalya
1 200 000
Güney Kore
160 000
Hollanda
800 000
Kanada
140 000
ABD
500 000
Tayland
80 000
Japonya
350 000
Yeni Zelanda
50 000
Rusya
250 000
TÜRKİYE40 000
Meksika
240 000
Endenozya
20 000
Avusturya
200 000
Cezair
20 000
LPG VE ÇEVRE
Kara yolu taşımacılığının artması çevre ve enerji tüketimini olumsuz yönde etkilemektedir. Artan CO, NOX, hidrokarbonlar, kurşun, CO2, partikül madde (dizel emisyonlarından oluşan) çevreyi kirletmektedir. Motorlu taşıtlardan kaynaklanan hava kirlenmesine direkt etki eden CO ve NOX egzoz gazlarının hacimsel oranı % l 'dir (3). Yanma kaçınılmaz olarak bir kirleticidir. Emisyonlar yakıtın fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlı olarak ortaya çıkmakla beraber yakıtla yanıcı maddelerin karışımının bileşimine bağlıdır. Bununla birlikte yanma işlemine ve çevre karakteristiklerine de bağlıdır. Dizel, benzin, kurşunsuz benzin ve LPG'yi karşılaştırdığımız zaman hepsinin C, NOX ve yanmamış hidrokarbonlar ürettiğini görürüz. Bunlardan sadece benzin ise kurşun üretmektedir. Bununla birlikte her elementin zehirleyici değerini bilmek ve gerçek zarar verme miktarını tanımlamakta önemlidir. Tablo 2.1’de görüldüğü gibi yanma sonucu oluşan zehirli parametrelerin LPG tarafından üretilmeyen ürünler olduğu görülmektedir. Ayrıca, LPG'deki yanmamış hidrokarbonların diğer yakıtlardakine nazaran daha az zehirli olduğu görülmektedir. Bunun sebebi ise LPG'nin aromatikleri ve katkı maddeleri içermemesidir (4).
Tablo 2.1: Bileşenlerin gerçek zarar verme değerleri (4).
Zehirleyici Parametre
CO
1
HC
60
NOX
100
Aldehit
130
S02
130
problemi olan büyük şehirlerin çevre kirlenmesine sebep olan ağır hizmet tipi araçlarda LPG'nin kullanılması için destek sağlanması ile şehirlerdeki hava kirliliğinin önüne geçilebilir. Hollanda Bilimsel Araştırma Uygulama Organizasyonu tarafından yapılan araştırmada, LPG'nin diğer geleneksel motor yakıtlarından daha az zararı olduğunu göstermiştir. Ayrıca Amerika Taşıma Araştırma Merkezi de LPG'li araçların atmosferde % 10-25 daha az CO oluşturduğunu göstermiştir. (2). Tablo 2.2’de benzin ve dizel yakıtının LPG'ye göre emisyon değerlerindeki fazlalık verilmiştir. Örneğin emisyon değerlerinden CO, LPG'ye göre benzinde %75 dizelde ise %60 daha fazladır.
Tablo 2.2: Dizel ve Benzin yakıtının LPG'ye göre emisyon değerlerindeki fazlalık (2).
DEĞERLERİ
CO
HC
NOx
O3
CO2
PARTİKÜL
DİZEL
%60
-
%90
%70
-
90
BENZİN
%75
%85
%40
%87
%10
-
1. ÇİFT YAKITLI MOTORLAR
Çift yakıtlı dizel motorları gaz-dizel yakıtı ya da sadece dizel yakıtı ile çalışan motor olarak tanımlanmaktadır. Çift yakıtlı motor da gaz, hava ile karıştırılarak silindir içerisine alındıktan sonra karışım sıkıştırılır ve sıkıştırma zamanın sonuna doğru da dizel yakıtı enjektörden püskürtülerek iş zamanı gerçekleştirilir.
Çift yakıtlı yanmanın karakteristikleri tek yakıtlı yanmadan farklı olmaktadır. Dizel yakıt buharı silindir içerisine püskürtüldüğü için yüksek sıcaklıkta sıkıştırılan hava ile karıştıktan sonra kendi kendine tutuşan ve buharlaşan damlacıklar içinde çabucak çözülür. Çift yakıtlı çalışmada ise yanma tersine alevin yayılması ile kontrol edilme eğilimindedir. Pilot dizel yakıtıyla sağlanan enerji bir buji kıvılcımıyla sağlanan enerjiden daha büyüktür. Bu durum motorun yeterli derecede fakir hava-yakıt oranında çalıştırılması için bir çift yakıtlı motora uygulanabilmektedir (5).
1.1. Çift Yakıtlı Motorlarda Yanma Kontrolü
Pek çok sıkıştırma ile ateşlemeli motorlar çift yakıt prensibine göre çalışmaktadır. Bu motorlar için esas yakıt normalde gazların atmosferik sıcaklıkta ve basınçta normal hava ile indüklenir. Piston Ü.Ö.N. civarında (sıkıştırma zamanında) normal dizel motorunda olduğu gibi yakıt hava karışımı üzerine dizel yakıtı püskürtülür. Püskürtülen her pilot yakıt miktarı, motorun gücüne ve tam yüküne bakılmaksızın, genellikle dizel çalışmasında püskürtülen toplam yakıtın %10'dan daha azdır. Tek yakıtlı çalışmada havanın kısılmaması ve motor gücü, yakılan hava ile esas yakıt miktarının silindir içerisine indüklenmesi ile kontrol edilmektedir. Normal çift yakıtlı motor tam dizel motoru olarak ya da çift yakıtlı olarak çalışabilir (5). Çift yakıtlı bir motorda gaz olan esas yakıt genellikle hava ile birlikte içeri alınmaktadır. Pilot yakıt olarak adlandırılan dizel yakıtının küçük bir miktarı esas yakıt hava ile karışıp sıkıştırıldıktan sonra normal şekilde püskürtülür. Sıkıştırma oranı dizel motorlarında kullanılana benzerdir. Pilot dizel yakıtı, ilk olarak kendiliğinden tutuşması ve içeri alınan esas yakıtın yandıktan sonra şiddetli bir ateşleme kaynağı yapmaktadır. Esas gaz yakıt, pilot yakıtın tutuşma gecikmesini etkilemektedir. Emilen havanın sıcaklığı, içeri alınan karışımın hava-yakıt oranı, pilot yakıt miktarı ve kullanılan gaz yakıt düşük yüklerde çift yakıtlı motorların' performansı ve kontrollü yanması için önemlidir. (7).
2. DENEY DÜZENEĞİ VE DENEYİN YAPILIŞI
Bu çalışmada, tam gaz değişik devirde tek yakıtlı (dizel) ve çift yakıtlı (LPG+dizel) kullanımının motor performansı ve emisyon üzerindeki etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Deneyler, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Otomotiv Ana Bilim Dalı Laboratuarlarında gerçekleştirilmiştir. Deneyde Kullanılan Motorun Teknik Özellikleri Tablo 4. l'de ve deney setinin şematik görünümü Şekil 4.1’de verilmiştir.
Tablo 4.1: Deneyde kullanılan motorunun teknik özellikleri
Modeli
Süper Star, 77 1 0
Çalışma Prensibi
4 Zamanlı, Direkt Püskürtmeli
Silindir Adedi
1
Silindir Çapı (mm)
98
Strok (mm)
100
Silindir Hacmi (cm3)
700
Sıkıştırma Oranı
17/1
Güç
9HP(1800d/d'de)
Soğutma Şekli
Su ile Yağ
Kapasitesi (1)
2
Püskürtme Başlangıcı
27° (Ü.Ö.N.Ö.)
Emme Supabı Açılması
13° (Ü.Ö.N.Ö.)
Egzoz Supabı Kapanması
17° (Ü.Ö.N.S.)
İlk Hareket Şekli
Mekanik Kolçak ile
Şekil 4.1: Deney setinin şematik görünümü
5.1.METOT
Deneylerde çevre sıcaklığı ortalama 22°C ve atmosferik basınç ise 752 mmHg'dır. Denemelere başlamadan önce motor ayarları yapılmış ve motor yağı değiştirilmiştir. Deney süresince motor sıcaklığı kontrol altında tutulmuştur. Ölçümlere motor çalışma sıcaklığına ulaşıldığı zaman başlanmış, bir deneme tamamlandığında motor bir sonraki deney öncesine kadar ara dinlenmeye bırakılmıştır. Motorun öz değerlerinin tespiti için ilk denemeler dizel yakıtı ile yapılmış ve daha sonra çift yakıtlı denemelere geçilmiştir. Tam yükte değişen motor devir sayılarının motor performansı ve emisyon değerler üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla varyans analizi ve LSD testi yapılmıştır.
5.1.1.MOTOR GÜCÜ
Denemeler sırasında motor gücü, motor hızı ve fren kuvveti tespit edilip dinamometre güç eşitliği yazılarak belirlenmiş ve ayrıca dinamometrenin kuvvet kolu uzunluğu 0,55 m olarak alınmıştır.
burada,
F = Fren basma kuvveti (kgf),
W = Motor devri (d/d)
Ne = Ölçülen net güç (HP).
Bu eşitlikten elde edilen gücün HP biriminde çıkmaktadır. Bu yüzden hesaplamalar yapılırken l HP = 0,746 kW olarak alınmıştır.
5.1.2. ÖZGÜL YAKIT TÜKETİMİ
Dizel yakıtı ve LPG tüketiminin belirlenmesinde elektronik terazi ve kronometre kullanılmıştır. Özgül yakıt tüketimi, deney sırasında tüketilen yakıt miktarının ölçülen güce oranıdır.