|
kızılcık
[isimsiz]
Kayıt Tarihi: 03.11.2010
İleti Sayısı: 9.769
Şehir:
Durum: Forumda Değil
E-Posta Gönder
Özel ileti Gönder
5 kere teşekkür edildi.
|
Konu Tarihi: 03.11.2010- 16:57
Otomobillerin insanlara sağladığı ulaşım rahatlığı, hareket özgürlüğü büyüktür. Ancak egsozundan çıkan gazlarla şehir havasını dolayısı ile tüm atmosferi kirleterek, sera etkisi dediğimiz ve gittikçe artan tehlikeyi de beraberinde getirmektedir. Hava kirliliğinin büyük boyutlara ulaştığı günümüzde, motorlu taşıtlardan gelen kirliliğin ihmal edilemez boyutlarda olduğu bilinmektedir. Özellikle büyük şehirlerde taşıtlardan gelen kirletici emisyonlar ısınmadan gelenlerden çok daha fazladır. Taşıtların egsozlarından, bilhassa benzin ve dizelli motorlu taşıtlarınkinden çıkan karbonmonoksit, hidrokarbon ve azot bileşikleri ve parçacıkların meydana getirdiği çevre sorunları, birçok şehirde ciddi boyutlara ulaşmıştır. Milyonlarca taşıttan kükürtdioksit, kurşun gibi tehlikeli maddelerinde atmosfere yayıldığını düşünürsek çevreye verilen zararın boyutunu da kolaylıkla anlayabiliriz. Bu nedenle motorlu taşıt egsoz gazlarından kaynaklanan hava kirliliği, kalıcı önlemleri gerektiren acil çevre sorunu haline gelmiştir. Ayrıca dünya üzerindeki petrol yataklarının, belirli bölgelerde toplanması ve izlenen politikalar zaman zaman petrol krizlerini ortaya çıkarmıştır. Öte yandan petrolün fosil yakıt olması, kullanım sonucu, dünya petrol rezervlerinin gittikçe azalması, petrole alternatif olabilecek motor yakıtlarının bulunması ve uygulamaya konulmasını zorunlu hale getirmiştir. Burada, bulunacak alternatif yakıtın, mevcut teknolojide önemli bir yapısal değişiklik gerektirmeden, doğrudan kullanılması önem taşımaktadır. [ Bağlantıları görmek için üye olmalısınız ]
Yapılan araştırmalara göre, fosil yakıtların yanması sonucu açığa çıkan karbonmonoksit, hidrokarbon ve azot bileşiklerinin yarısı, benzin ve dizel motorlarından kaynaklanmaktadır. Kükürtdioksit, kurşun, kurum gibi artıklar da yine motorlu taşıtların etrafa yaydığı zararlı maddelerdendir. Özellikle dizel motorları kükürtdioksit ve kurumun en başta gelen üreticisidir. Karbonmonoksit gazı, kapalı yerlerde insanları öldürebilmekte, azot bileşikleri ise tarım ürünlerine zarar vermekte ve binalarda aşınmalara yol açmaktadır. Motorlu taşıtların havayı kirletmelerinin temel sebebi, motorların yeterince verimli çalışamamalarındandır. Pratikte benzin motorlarının verimi % 65 – 75, dizel motorlarınınki % 80 – 90 arasındadır, bu da yakıtın bir kısmının yanmaması demektir. Böylece havadaki egsoz gazları emisyonu artmaktadır bunun sonucu da hava kirliliğini önemli ölçüde teşkil etmektedir.
Ayrıca motorlarda kullanılan alternatif yakıtların ekonomikliğide büyük önem taşımaktadır. Özellikle günümüzde artan ekonomik kriz neticesinde yakıtlardan en yüksek verimi almak ve bunun sonucunda da yakıtların ekonomik olması istenmektedir. Günümüzde dizelle çalışan yakıtlara olan ilgide yakıtın ekonomik olmasından kaynaklanmaktadır. Ülkemizde taksilerde kullanılan LPG’nin tüm ülkeye yayılması da yakıtın ekonomikliğinden ötürüdür. Bu sebeple en ekonomik yakıt için çalışmalar devam etmektedir.
Bu tezde taşıtlarda kullanılabilecek alternatif yakıt tipleri olarak hidrojen, doğalgaz, metanol, etanol, yakıt pilleri ve LPG yakıtları ele alınmıştır.
2 MOTORLARDA KULLANILAN ALTERNATİF YAKITLAR
2.1 Hidrojenin Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı
Hidrojen enerjisi yeni bir kavram değildir. Hidrojenin üretimi, depolanması, taşınması ve kullanılması günümüzde teknik olarak uygulanabilmektedir. Son yirmi yılda hidrojen enerji sistemi ve teknolojilerinin incelenmesinde artan büyük bir araştırma faaliyeti görülmektedir.
Hidrojen, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan , güneş enerjisi ve nükleer enerjiden, su gibi sonsuz bir kaynaktan elde edilebilir. Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında, yanma ürünü olarak su buharı açığa çıkarması nedeni ile çevreye hiçbir zararı yoktur. Sınırsız kaynaklara sahip olan ve havayı kirletmesi açısından içten yanmalı motorlarda kullanılan diğer alternatif yakıtlara göre daha iyi durumda olan hidrojenin, içten yanmalı motorlarda kullanım çalışmalarına 1900’lü yılların başlarında başlanmıştır ve 1970’den sonra bu çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Günümüzde bir çok otomotiv firması bu konuda araştırmaya büyük bütçeler ayırmaktadırlar. Her geçen gün bu konudaki bir çok yenilikler bulunmaktadır.
2.1.1 Hidrojenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Kimyasal denklemi H2
C/H oranı 0
Moleküler kütle 2.02
Özgül kütle
Sıvı : (kg / dm3) 0.07
Gaz : (kg / dm3) 0.84*10-4
Isıl değeri
Alt (Mj/kg) 119.93
Üst (Mj/kg) 141.86
(Mj/litre) 8.41
Stokiyometrik karışım için
hava/yakıt (kütlesel) 34.32
hava/yakıt (hacimsel) 2.38
(kj/litre) 3.20
molürünler / molreaktantlar 0.85
Buharlaşma ısısı (Mj/kg) 0.447
Tutuşma sınırları
%hacim 4.1-74
l 0.15-4.35
Laminar alev hızı (m/s) 2.91
Adyabatik alev sıcaklığı (0C) 2110
Difüzyon katsayısı (m2/s) 0.61
Kaynama noktası (0C) -252.35
Donma noktası (0C) -259
Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) 574-591
Oktan sayısı
ROS 130
Kokusuz, renksiz, tatsız ve saydam bir yapıya sahip olan hidrojen doğadaki en hafif kimyasal elementtir. Gaz halindeki hidrojen aynı hacimdeki havadan yaklaşık 15 kez daha hafiftir. Motorlarda kullanılmakta olan diğer alternatif yakıtlarla karşılaştırıldığında sıvı hidrojenin, sıvı hidrokarbonlara oranla yaklaşık 10 kere daha hafif gaz halindeki hidrojenin ise metan gazından 10 kere daha hafif olduğu görülmektedir. [35]
Hidrojenin motorlarda yakıt olarak kullanılması durumunda petrol kökenli motor yakıtlara oranla birçok önemli avantaja sahip bulunmaktadır. Yüksek alev hızı ve tutuşma yeteneği, düşük ateşleme enerjisi gerektirmesi, geniş tutuşma ve yanma sınırları, yüksek ısıl değer ve termik verim, kirletici egsoz gazı emisyonlarının azlığı ve sahip olduğu yüksek oktan sayısı nedeni ile vuruntuya karşı dirençli olması hidrojeni çekici kılmaktadır. Ayrıca benzin ve dizeli birlikte çeşitli karışım oranlarında çift yakıtlı motor olarak çalışabilme olanağına sahip olması, geçiş döneminde mevcut motorlarda önemli değişiklikler yapılmadan hidrojen kullanımını olanaklı kılacaktır. [36]
Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında yarar sağlayacak en önemli özelliklerden birisi, hidrojenin çok fakir karışımlardan, çok zengin karışımlara kadar uzanan geniş hava-yakıt karışım oranı aralığı içerisinde tutuşabilir olmasıdır. Hava fazlalık katsayısının 0.15 - 4.35 değerleri arasında tutuşma sağlanabilmektedir. Hidrojen hava karışımlarını ateşlemek için gerekli minimum enerji miktarı da diğer yakıtlara oranla daha düşüktür. Bu durum Otto prensibi ile çalışan motorlarda tutuşma garantisi yönünden bir avantaj gibi gözüksede erken tutuşma ve geri tutuşma gibi sorunlarada da neden olmaktadır. Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığının oldukça yüksek olması (1 atm basınçta 574 - 591 0C) ve oktan sayısının yüksek olması Otto motorlarında kullanımında avantaj teşkil etmektedir. 1980 yılında yapılan bir çalışmayla hidrojen yakıtı dizel motorunda uygulanmaya çalışıldı. Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığının yüksek olması nedeni ile dizel motorlarında kullanılmasında birtakım güçlüklerle karşılaşıldı.Yüksek yükleme durumlarında eğer hava yakıt oranı stokiyometrik karışım oranına yaklaşıldığında erken tutuşma ve geri tutuşma meydana gelmekteydi. Erken tutuşma taşıt rölanti durumuda iken de olmaktaydı. Bu durum hidrojenin dizel motorlarından çok, Otto ilkesi ile çalışan motorlar için daha uygun bir yakıt olacağını göstermektedir. Ancak dizel motorlarında hidrojenin tek başına vaya dizelle birlikte kullanımının gerçekleştirildiği örnekler de bulunmaktadır.
Hidrojenin yanması sonucu elde edilen alev hızı oldukça yüksektir. Bu değer stokiyometrik karışımlar için benzin hava karışımlarındaki alev hızının yaklaşık dört katı düzeyindedir. Hidrojen ayrıca öteki mevcut motor yakıtlarından daha yüksek ısıl değeri sahiptir. Ancak volümetrik olarak ele alındığında, hidrojenin ısıl değerinin öteki yakıtlardan çok daha düşük olduğu görülecektir. Bu durum, bazı çözümler sağlanmadığında motorun maksimum gücü açısından, eşdeğer özellikteki benzin motoruna göre bazı kısıtlamalar getirecektir.
Hidrojenin difüzyon katsayısı da öteki yakıtlardan daha fazladır. Ayrıca gaz halindeki hidrojen kağıt, kumaş, kauçuk gibi malzemeslerden, platin, demir, çelik gibi bazı metallerden difüzyon yolu ile geçebilmektedir. Hidrojenin bu özelliği ise depolanmasına ilişkin bazı sorunlar yaratmaktadır.
2.1.2 Karışım Oluşturulması ve Motor Performansına Etkisi
Hidrojen yakıtlı motorlarda yanma karakteristiklerini, emisyon miktarını ve dolayısı ile motor performansını etkileyen en önemli etken karışımın hazırlanış yöntemidir. Hidrojen ile hava karışımı, sırasıyla dahili ve harici olarak adlandırabileceğimiz yöntemlerle motorun yanma odası içerisinde veya motorun giriş manifoldunda hazırlanmaktadır. Her iki yöntemde de hidrojenin difüzyon hızının yüksek olması nedeni ile, yüksek motor devir sayılarında bile homojen bir karışım sağlamak olasıdır. Harici karışım hazırlama yönteminde, basit bir gaz karıştırıcı içerisinde, düşük basınçlarda, hidrojenin hava ile karıştırılması veya hidrojenin büyük basınçlarda motorun emme manifolduna sürekli veya aralıklı olarak gönderilmesi söz konusudur. Aralıklı olarak yakıt gönderilme durumunda, dizel ilkesi ile çalışan motorlardaki gibi yüke göre karışım ayarı yapılacaktır. Bu durumda karbüratördeki gaz kelebeği ortadan kalkacağı için motorda kısılma kayıpları da kaldırılacak ve volümetrik verim, dolayısı ile motorun maksimum gücü artacaktır. Benzin motorlarından farklı olarak, karışım oranının böyle değiştirilmesine olanak sağlayan etken, hidrojen hava karışımlarının yeni tutuşma sınırlarına sahip bulunmasıdır. Harici karışım hazırlama yöntemlerinin sağladığı bazı avantajlar yanında getirdiği önemli sorunlarda bulunmaktadır. Geri tutuşma ve erken tutuşma sorunları bu yöntemde ortaya çıkmaktadır. Geri tutuşma yanma odasına gönderilen karışımın emme tamamlanmadan çeşitli etkenlerle tutuşması sonucu motorun giriş manifoldunda alevin geriye doğru ilerlemesidir. Emme sistemindeki elemanların tahrip olmasına yol açabilecek ve emniyet açısından sakıncalı bu olayın önlenmesi gerekmektedir. Önlenmesi gereken diğer bir etken de erken tutuşmadır. Erken tutuşma yanma odası içerisine ulaşmış karşımın bujide ateşleme olmadan önce tutuşmasıdır. Hidrojenin tutuşma enerjisinin düşük olması neden ile:
a) Yanma odasındaki sıcak noktalar
b) Subap bindirmesi sırasındaki sıcak egsoz gazları
c) Çok fakir karışımlarda yanma hızlarının düşük olması nedeniyle yanma süresinin artması sonucu yanan gazlarla yeni karışımın teması
d) Motor yağından gelen sıcak partiküller yanmayı istenilenden önce başlatabilmektedir.
Bu amaçla :
Karışımın bir miktar fakirleştirilmesi
Egsoz gazları resirkülasyonu uygulaması (EGR)
Yanma odasına su püskürtülmesi
Subap bindirmesinin azaltılması
Giriş havasının sıvı hidrojen kullanımı sonucu soğutulması
gibi çeşitli yöntemler uygulanabilir. Ancak karışımın EGR uygulanması veya gönderilen hidrojenin azaltılması sonucu fakirleştilirmesi çevrimden çevrime olan farklılıkları arttıracak ve motorun düzgün çalışmasını engelleyecektir. Ayrıca EGR sonucu ortalama efektif basınç da düşecektir.
1920’lerden itibaren günümüze kadar, geri tutuşma ve erken tutuşma, hidrojen yakıtlı motorlarda çözülmesi gereken bir sorun olmuş ve bu nedenle çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bu soruna çözüm sağlanması açısından dahili karışım hazırlama yöntemi uygulamaları oldukça etkili olmuştur. Sıvı hidrojenin 10 MP gibi yüksek bir basınçta direkt olarak her silindirin yanma odasına ayrı ayrı gönderilmesi yukarda belirtilen sorunlardan bir kısmına çözüm getirecektir. Sıkıştırma zamanı sonuna doğru, subaplar kapandıktan sonra yakıtın püskürtülmeye başlanması nedeni ile karışımın geç hazırlanması ve emme manifoldunda yakıt hava karışımının bulunmaması erken tutuşma ve geri tutuşma sorunlarına çözüm getirecektir. Böylece burada diesel ilkesine benzer bir şekilde, yük durumuna göre karışım oranının değiştirilmesi ve gaz kelebeğinin kullanılmaması sonucu kısılma kayıplarının kaldırılması, sonuç olarak da volümetrik verimin arttırılması mümkün olacaktır. Benzin motorlarında, stokiyometrik karışımlarda tam buharlaşmış yakıtın yanma odası içerisinde kapladığı hacim oran %1.7 düzeyindedir. Buna karşılık gaz halindeki hidrojenin, stokiyometrik koşullarda kapladığı hacim oranı %30 civarında olacağından, eşdeğer motordan alınacak maksimum güç miktarında, benzine oranla %15 dolayında bir düşüş görülecektir. Sıvı halindeki hidrojenin aynı koşullar altında, ancak emme subaplarının kapanmasından sonra yanma odasına direkt olarak püskürtülmesi sonucunda benzine oranla yaklaşık %2 dolayında, ön karışımlı gaz hidrojen yakıtlı motorlara oranla da %40 düzeyinde güç artışı sağlanabilecektir. Yanma odasında iyi bir karışım sağlanabilmesi için basıncın yüksek değerlerde sabit tutularak, gönderilen yakıt miktarının ayarı için püskürtme süresinin değiştirilmesi gerekli olacaktır. Ancak bu tür sıvı hidrojen püskürtme pompalarının yağlama sorunları gibi hala araştırmaya açık noktaları bulunmaktadır.
Çok fakir karışım değerlerinde (l= 4-5) yanma hızı önemli ölçüde düşeceğinden yanma instabilitesi ve NOX emisyonları açısından sorunlar oluşacaktır. Bu bakımdan yakıtın yanma odasına püskürtüldüğü motorlarda bile bu durumun düzeltilebilmesi için manifolduna bir gaz kelebeği eklenmektedir.
2.1.3 Yanma Performansı
Hidrojenin motorlarda kullanımının sağlayacağı yararlardan birisi de yanma hızının öteki yakıtlara oranla yüksek olmasıdır. Laminar alev hızı, hava fazlalık katsayısının, yanmamış karışımın sıcaklığının ve basıncın bir fonksiyonudur. Karışımı fakirleştirmek yanma hızını düşürücü etki yapmaktadır. Şekil 2.1.3.1’de alev hızının hava fazlalık katsayısına göre değişimi görülmektedir. Ancak hava fazlalık katsayısı , l’nın 2.5’den daha küçük değerlerinde yanma hızı, hidrokarbon bileşimli yakıtların stokiyometrik karışım oranlarındaki yanma hızlarından daha yüksek olmaktadır. Ayrıca Şekil 2.1.3.2’den görüldüğü gibi yanma gazı karışım sıcaklığının azalması sonucu da azalmaktadır, ancak motorun normal çalışma sıcaklıklarındaki hızlar oldukça yüksek değerdedir. Motorun yanma odasındaki alev hızları ayrıca hava hareketleri ve türbülans etkisi ile laminar alev hızından daha yüksek değerlere ulaşmaktadır.Yakıtın yanma odasına püskürtülmesi sonucu oluşturulan karışımlardaki ortalama alev hızları da karışımın harici olarak oluşturulması yöntemine oranla daha yüksek olmaktadır.
Şekil 2.1.3.1 Alev Hızının l’ya Göre Değişimi
Şekil 2.1.3.2 Alev Hızının Sıcaklığı Göre Değişimi
Hidrojen hava ile bütün karışım oranları için karışma özelliğine sahiptir. Elde edilen karışımın da hava fazlalık katsayısına ve sıcaklığa bağlı olan yeni tutuşma sınırları vardır. Karışımın sıcaklığının artması ile bu sınırlar da artış gösterecektir, ancak düşük sıcaklıklarda bile motoru karışım oranının değiştirerek çalıştırmak mümkündür. Sonuç olarak termik verim artmakta ve benzin motoruna göre daha ekonomik koşullarda çalışılmaktadır. Hidrojen yakıtlı motorlarda soğuk cidardaki alev sönme bölgesi benzin motorlarına göre daha azdır. Bu bakımdan, çap/strok oranı büyük motorlar yapılarak, daha büyük çaplı veya fazla sayıda emme ve egsoz subapları kullanmak ve böylece volümetrik verimi arttırılarak, pompalama kayıplarını azaltmak mümkün olacaktır. [35,13]
Hidrojen hava karışımlarının tutuşturulması için gerekli ateşleme enerjisi miktarı da petrol kökenli yakıtlara oranla oldukça düşük değerlere sahiptir. Şekil 2.1.3.3’de minimum tutuşma enerjisinin hava fazlalık katsayısına göre değişimi görülmektedir. Örneğin stokiyometrik karışım oranları için benzin hava karışımına oranla 1/10’u dolayında enerji gerekmektedir. Bu özellik erken tutuşma ve geri tutuşma sorunlarını yaratmakla birlikte, çok fakir karışımlar için bile güvenli ateşleme sağlanmaktadır.
Şekil 2.1.3.3 Minimum Tutuşma Enerjisinin l’ya Göre Değişimi
Motorlarda termik verim motorun sıkıştırma oranının ve karışımın özgül ısılarının fonksiyonu olarak değişmektedir. Yanma hızının hidrojen hava karışımlarında fazla olması nedeni ile vuruntuya karşı direnç artacağından sıkıştırma oranının da daha yüksek değerlere çıkarılması ve dolayısı ile termik verimin arttırılması sağlanabilmektedir. Sıkıştırma oranının arttırılması sonucunda erken tutuşma sorunu ortaya çıkacaktır. Ancak bu durum yanma odasına yakıtın püskürtülmesi sonucunda çözümlenebilir. Şekil 2.1.3.4’de termik verimin hava fazlalık katsayısına göre değişimi görülmektedir. Termik verim kullanılan yakıtın cinsi ile doğrudan etkilenmemekle birlikte, hava fazlalık katsayısının fonksiyonu olarak değiştiğinden, daha geniş tutuşma sınırlarına sahip hidrojen hava karışımlarında daha yüksek değerlere çıkabilmektedir. Örneğin benzin motorlarında karışımın fakirleştirilmesi sonucu termik verim artmaktadır. Ancak hava fazlalık katsayısının 1.6’ya ulaşmasından sonra yakıtın tutuşma sınırlarına ulaşıldığından, termik verimde düşme görülmektedir. Hidrojen yakıtlı motorlarda ise bu sınır hava fazlalık kasayısının 3.3’lük değerlerine kadar ulaşabildiğinden, termik verim daha yüksek düzeylere çıkabilmektedir. Ayrıca hidrojen hava karışımlarının sahip olduğu yüksek yanma hızları nedeniyle yanma süresi kısalacak ve dolayısı ile ısı kayıpları azalacağından termik verimde artış görülecektir. [35]
Şekil 2.1.3.4 Termik Verimin Hava Fazlalık Katsayısına Göre Değişimi [35]
2.1.4 Egsoz Emisyonu
Hidrojenin hava ile yanması sonucunda, yakıtta karbon bulunmaması nedeni ile yanma ürünleri arasında CO, CO2 ve HC’lar mevcut olmayacak, sadece motorun yağlama yağının yanması nedeni ile çok az miktarda oluşan HC’lar egsoz gazları arasında bulunacaktır. Diğer yandan bu motorlarda , yüksek yanma sıcaklıkları nedeni ile havanın kimyasal reaksiyonu sonucu azot oksitler, NOx, bol miktarda üretilmektedir. Üretilen azotoksitlerin büyük kısmını oluşturan NO’ler egsoz sistemi içerisinde veya atmosfere çıktıktan sonra NO2’ye dönüşmektedir. [28,35]
NOx genelde hava fazlalık katsayısının ve karışımın yerel sıcaklığının bir fonksiyonu olarak üretilmektedir. Bu nedenle zengin (l1.7) karışımlarda NOx emisyonu önemli ölçüde azalacaktır. Şekil 2.1.4.1’de azot oksit emisyonlarının hava fazlalık katsayısına göre değişimi görülmektedir. Hidrojen yakıtlı motorların fakir karışımlarda çalışma özelliği bu konuda önemli yararlar sağlamaktadır.
Hidrojen yakıtlı motorlarda egsoz gazları içerisinde hava kirliliğini etkileyecek tek ürün olarak bulunan NOx’lerin miktarı, yanma odası sıcaklıklarının azaltılması, oksijen konsantrasyonunun azaltılması veya yanma süresinin kısaltılması sonucu düşürülebilmektedir. Bu amaçla :
Egsoz gazları resirkilasyonu
Emme manifolduna su püskürtülmesi
Ateşleme zamanınn geciktirilmesi
Hidrojenin direkt olarak yanma odasına püskürtülmesi
gibi yöntemler kullanılmaktadır. İnert egsoz gazlarının resirkilasyonu sonucu, özellikle fakir karışımlarda oksijen konsantrasyonu düşürüldüğü için etkin bir şekilde NOx azalmaktadır. Ancak bu durumda motorun gücü de bir miktar düşecektir. Motorun emme manifolduna su püskürtülmesi sonucunda karışım sıcaklığı düşmekte, yanma hızı azalmakta ve sonuç olarak NOx emisyonu da azalmaktadır. Ateşleme zamanının geciktirilmesi motorun termik verimini bir miktar azaltmasına rağmen, maksimum sıcaklıkları düşürmekte ve dolayısı ile de NOx emisyonunu azaltmaktadır. Hidrojenin direkt olarak yanma odasına püskürtülmesi de NOx emisyonunu azaltıcı yönde etki etmektedir. Bu durumda püskürtme zamanının etkileri de önem kazanmaktadır.
Hidrojen yakıtının yanma odası içerisine püskürtülmesi yönteminde, NOx emisyonlarının azaltılmasında etkili diğer bir etkende hidrojenin püskürtülme sıcaklığıdır. Ayrıca yanma odası şekli ve motorun sıkıştırma oranı da hava hareketlerinin oluşturulması ve ulaşılan sıcaklıklar açısından NOx emisyonu üzerinde etkili olmaktadır. [35]
Şekil 2.1.4.1 Azot Oksit Emisyonlarının Hava Fazlalık Katsayısına Göre Değişimi
Şekil 2.1.4.2’da hidrojen yakıtının yanma odasına soğuk püskürtülmesi, normal sıcaklıkta püskürtülmesi ve önceden karışım hazırlanarak yanma odasına gönderilmesi durumlarında oluşan NOx emisyon miktarı, benzin motorları emisyon miktarlarına göre karşılaştırılmıştır. Şekilden görüldüğü gibi egsoz gazlarındaki NOx emisyonu hidrojenin yanma odasına soğuk olarak püskürtülmesi durumunda en iyi olmaktadır.
Şekil 2.1.4.2. Çeşitli Motor Tiplerinde NOx Emisyonlarının Karşılaştırılması
2.1.5 Hidrojen Yakıtının Taşıtlarda Depolama Şekilleri
Hidrojen yakıtının, taşıtlarda alternatif bir yakıt olarak kullanılmasında karşılaşılan en önemli sorunlardan birisi, hidrojenin depolanmasıdır. Hidrojenin taşıtlarda kullanımı, metil hibrit, sıvı hidrojen ve basınçlı gaz şeklindedir. Gaz hidrojenin birim kütle başına düşen ısıl enerjisinin yüksek olmasına karşın; birim hacim başına düşen ısıl enerjisi oldukça düşüktür. Hidrojenin taşıt motorunda gaz olarak kullanılması durumunda bu özelliği dolayısıyla taşıt içerisinde büyük hacimleri ihtiyaç olmakta, bu durum taşıtın faydalı kullanım alanını küçültmektedir. Her ne kadar yüksek basınçlı gaz olarak depolama şekli ile birim hacimde depolanabilecek hidrojen miktarı arttırılabilmekteyse de bu basınçlı deponun kendi ağırlığının da sınırlı olması gereği nedeni ile, bir depo hidrojenle taşıtın alabileceği yol oldukça kısa olmaktadır. Hidrojenin bir taşıtta sıvı olarak depolanması durumunda, sıvılaştırma maliyeti artmakta ve hidrojenin depoda çok düşük sıcaklıklarda tutulması gerektiğinden taşıt şartlarında dış havadan olan ısı kazancı nedeni ile buharlaşma kayıpları söz konusu olmaktadır. Hidrojenin metal hibritler şeklinde depolanmasında da taşıtlarda büyük boyutlarda yer gerekmektedir. [36]
2.1.5.1 Hidrojenin Taşıtlarda Metal Hibrit Şeklinde Depolanması
Bu yöntemle depolamada prensip olarak gaz hidrojenin küçük moleküllere sahip oluşu ve yüksek difüzyon özelliğinden faydalanılır. Bu özelliğe sahip olan gaz hidrojen katı metallerin kafes şeklindeki aç yapılarına nüfuz ederek kristal yapının çeşitli yerlerine bağlanır. Metal hibrit uygulamaları hidrojen gazının birtakım metal alaşımları üzerine gönderilmesi ve bu alaşımlarla egzotermik bir reaksiyona girerek tüketilmesi şeklindedir. Bu reaksiyon sonucunda hidrojenin hacmi hemen hemen sıfır olur. Eğer egzotermik reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı enerjisi ile, aynı miktarda ısı enerjisi ortama verilirse, reaksiyon tersine çevrilerek hidrojen geri kazanılabilir. Reaksiyonu ters yönde oluşturacak ısı, soğutma suyu veya egsoz gazlarından sağlanabilir, metal hibrit uygulamalarında metallerin seçiminde şu özelllikler istenir :
Düşük ayrışma ısısı
Hızlı ayrışma
Düşük ayrışma basıncı
Hidrojen depolama miktarının fazlalığı
sistem ağırlığının büyük olması metal hibrit depolama şeklinin arabalar için kullanılmasını sınırlamaktadır.
Metal hibritler genel olarak düşük sıcaklık metal hibriti ve yüksek sıcaklık metal hibriti olmak üzere iki çeşittir. En yaygın kullanılanı FeTiHx düşük sıcaklık metal hibritidir. Sıcaklık düşük oladğundan basınçta düşük olmaktadır. Yapılan enerji yoğunluğu hesaplamalırına göre, FeTiHx’in kimyasal formülünde x =1.95 olduğunda, FeTiHx maksimum miktarda hidrojen içermektedir. Hidrojenin maksimum yoğunluğu %1.88 olmaktadır. 30 litre petrole eşdeğer ısıl değere sahip metal hibrit ağırlığı 435 kg olmaktadır. Bu ağırlığa birde hidrojenin egzotermik reaksyona girerek tüketilmesi sonucu tüketilen hidrojenin tekrar geri kazanımı için gerekli ısıyı sağlayacak, soğuk ve sıcak su borularının oluşturduğu ısı eşanjörü sistemi de eklenirse, bu ağırlık yaklaşık 790 kg olmaktadır. Termik petrole göre %20 daha yüksek olmasına rağmen, kullanılan taşıyıcı tank sistemi ile beraber düşünüldüğünde, petrolden ağırlıkça 20 kat fazladır.
Mg2NiHy, yüksek sıcaklık metal hibriti olarak bilinmektedir. Mg2NiHy’nin kimyasal formülünde y =4 olduğundan, sahip olduğu hidrojen yoğunluğu FetiHx’in iki misli olmaktadır. Fakat reaksiyonların yüksek sıcaklıkta olmasından dolayı tek başına kullanımı yerine düşük sıcaklık metal hibritleri ile beraber kullanılması düşünülmektedir.
2.1.5.2 Hidrojenin Taşıtlarda Sıvı Hidrojen Şeklinde Depolanması
Hidrojenin sıvı halde depolanmasının birtakım yararları ve zararları vardır:
Ağırlık olarak nispeten hafif bir depolama şeklidir.
Hidrojen yakıtı, yüksek basınç sıvı hidrojen pompası yardımı ile silindire, direkt olarak püskürtülebilir. Eğer gaz silindire ölü hacmin tam merkezinden püskürtülürse sıkıştırma oranı dizel motorlarındakine yakın bir değere çıkartılabilir.
Taşıtta eğer klima ünitesi varsa sıvı hidrojen soğutma amaçlı kullanılabilir.
Anormal yanma önlenir ve NOx emisyonlarında azalma sağlanır.
Sıvılaştırma için gerekli enerji büyüktür. Sıvılaştırma için hidrojen gazı kullanılmaktadır. Hidrojenin gaz halden sıvı hale geçerken bir kısmı buharlaşır bu sebeple faz değişiminin hızlı bir şekilde gerçekleşmesi gerekmektedir.
Sıvı olarak hidrojenin tanklarda depolanması ve kullanılması sırasında buharlaşma kayıpları meydana gelir. Hidrojenin tanklarda depolanması, düşük sıcaklıklarda gerçekleştiğinden kullanılacak yakıt tankının, ısı yalıtımının çok iyi yapılması gerekmektedir. Depo yalıtımının tam anlamı ile yapılması nedeni ile oluşan ısı transferi, depo basıncının artmasına eden olur. Basıncın artmasını önlemek için buharlaşan hidrojenin atmosfere atılması gerekir.
Hidrojenin minimum tutuşma enerjisin düşük olması ve yüksek alev hızına sahip olması nedeni ile, kullanılan deponun herhangi bir kaza durumunda hasar görmesi emniyet açısından riskli olmasına rağmen, aynı zamanda hidrojenin yanma kabiliyetinin yüksek olması nedeni ile, en ufak bir gaz kaçağında çok kısa bir süre içinde ortama yayılarak yanıcı olmayan bir karışım oluşturması, bu riskli durumu oldukça azaltmaktadır. Hidrojenin dışarı sızması durumunda herhangi bir kıvılcımla tutuşması halinde, zayıf bir karışım oluşturmasından dolayı zayıf bir alev meydana gelir. Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığı yüksektir ve alev süresinin kısa olmasından dolayı ortaya çıkan radyasyon ısısı düşüktür ve bunun sonucunda alev sıcaklığı düşük olur. Bu sebeplerden dolayı hidrojenin güvenli bir yakıt olup olmadığı sonucuna varılmadan önce, bu konuda yapılan araştırmaların kesin sonuçlarının beklenmesi gerekmektedir. Fakat şimdiye kadar yapılan araştırmalarda herhangi bir ciddi olaya rastlanmamıştır. [22]
2.1.5.3 Hidrojenin Taşıtlarda Basınçlı Gaz Şeklinde Depolanması
Bu yöntem en ekonomik çözüm şekli olmakla birlikte hidrojenin enerji yoğunluğunun oldukça düşük oluşu ve taşıt boyutlarına bağlı olarak basınçlı kapların belirli boyutlarda yapılma zorunluluğu nedeni ile depolanan hidrojen miktarı ağırlık olarak yetersiz kalmaktadır. Üstelik kullanılan basınçlı kapların emniyetli olmaları gereği nedeni ile kap içindeki hidrojenin az olmasına karşın kabın boş ağırlığı da fazla olmaktadır. Bu durum küçük boyutlardaki taşıtlar için önemli sorunlar yaratmakta ve taşıtın bir depo yakıtla kat edebileceği mesafe kısalmaktadır.
2.1.6 Hidrojen Depolama Yöntemlerinin Karşılaştırılması
Hidrojenin binek otomobillerinde kullanılması yönünden depolama şekli ile ilgili karşılaştırmada bir dolum sırasında en fazla hidrojen miktarı ve bu miktarla taşıtın katedebileceği azami mesafeler önemlidir. Tabloda çeşitli depolama sistemlerinin kapasiteleri ve özellikleri ile bu depolama sistemleri ile yapılan deneylerde taşıtın gidebildiği en büyük uzaklıklar gösterilmeştir.
Aşağıda hidrojenin binek otomobillerinde kullanımı için en uygun yöntemin aşırı soğutulmuş sıvı olarak depolama olduğu anlaşılmaktadır. Çeşitli araştırmacılar tarafından değişik taşıtlar üzerinde yapılan deneylerde normal boyutlarda bir binek otomobili için :
Aşırı soğutulmaş sıvı olarak depolama yöntemi ile yapılan deneylerde:
-1 kg sıvı hidrojenle ortalama 43-46 km
Sıkıştırılmış gaz olarak depolama yöntemi ile yapılan deneylerde:
-1 kg gaz hidrojenle ortalama 35 km
Hibritli gaz olarak depolama yöntemi ile yapılan deneylerde :
-1 kg hidrojenle ortalama 43 km
mesafeye ulaşılabildiği görülmektedir.
2.1.7 Hidrojenin Ekonomik Açıdan Benzinle Karşılaştırılması
Bununla ilgili olarak 1980 ABD doları esas alınarak 1985 yılı için dağıtım istasyonu birim enerji başına satış fiyatları:
Gaz hidrojen : 6.97 $ / 106 Btu hidrojen
Sıvı hidrojen : 10.15 $ / 106 Btu hidrojen olmak üzere hidrojenin kilogram başına alt ısıl değeri : 120000 KJ = 113.744 Btu alınarak kilogram başına satış fiyatları
Gaz hidrojen : 0.79 $ / kg hidrojen
Sıvı hidrojen : 1.15 $ / kg hidrojen olarak hesaplanabilir. Tablo 1 den binek otomobili şartlarında her üç depolama şekli için 1 kg hidrojenle ortalama 40 km yol gidilebildiği düşünülürse 100 km başına taşıtın yakıt masrafı:
Gaz hidrojen için : 0.79*100/40 = 1.98 $
Sıvı hidrojen için : 1.15*100/40 = 2.88 $
1980 ABD doları esas alınarak yine 1985 yılı için ABD deki benzin fiyatı :
Normal benzin: 0.3 $ alınmak üzere ve hem benzin nem sıvı hidrojenle çalışan aynı taşıtın 1 litre benzinle 12 km. Yol alabildiği dikkate alınrsa taşıtın 100 km başına yakıt masrafı :
benzin için : 0.3*100/12 = 2.50 $ olacaktır.Bu hesap sonuçlarından görüleceği üzere gaz hidrojenin basınçlı gaz veya metal hidritler şeklinde depolanmasında taşıtın yakıt masrafı benzinle çalışan aynı taşıta göre daha düşük, sıvı hidrojen şeklinde çalışma halinde benzinle çalışan aynı taşıta göre daha fazla olmaktadır. [13]
2.1.8 Günümüzün Hidrojen Yakıtlı Taşıtları
Daimler Chrysler: Daimler Chrysler firmasının Stuttgart’taki, araştırma ve geliştirme departmanı mühendislerince, hidrojenin taşıtlarda kullanım çalışmaları sürdürülümektedir. Bu çalışmalara 1972 yılında başlandı. Daimler Chrysler firması yetkililerine göre, hidrojen yakıt olarak şehir içi taşımacılıkta rahatlıkla kullanılabilir. Bu çalışmalar doğrultusunda geliştirilen hidrojen yakıtlı otobüste, hidrojeni depolamak için metil hibrit yönteminden faydalanılmıştır. Daimler Chrysler firması metal hibrit kullanan taşıtlar konusunda en dikkat çekici çalışmayı yapan firmalardan birisidir. Benz firması, FeTi ve Mg2Ni metal hibritlerini beraber kullanarak, yakıt kaplarının ve kullanılan boruların ağırlığında bir azalma gerçekleştirdi. Taşıt için gerekli hidrojen gazı, düşük yükleme durumlarında, FeTi düşük sıcaklık hibritinden, yüksek yükleme durumlarında hem FeTi düşük sıcaklık hibriti hemde Mg2Ni yüksek sıcaklık hibritinden sağlanmaktadır.
BMW : BMW hidrojen yakıtlı 6 silindirli 735 IL model bir prototip üretti. 211 beygir güçündeki benzinli modelle karşılaştırıldığında, 140 beygir güçündeki hidrojen yakıtı kullanan motor, taşıta 170 km/h ‘lik bir hız kazandırıyor. Taşıt istenildiği zaman benzinle de çalışıyor. BMW ‘nin taşıtında hidrojen, sıvı olarak depolanmaktadır. Hidrojen sıvı halde en yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaktadır; fakat tüm yakıt sisteminin 2530C ‘de tutulması gerekmektedir. Vakum süper yalıtımlı 100 litrelik depoda sıvı halde bulunan hidrojen, ısı değiştiricileri yardımı ile gaz haline getirilir. Sınırlı seyahat mesafesi, doldurma esnasındaki güçlükler ve tehlike riski, deposundaki yakıtın buharlaşma kayıpları gibi dezavantajları olaması, BMW’nin daha çok araştırma yapmasını gerektirmektedir
Şekil 2.1.8.1 Hidrojenle çalışan BMW motoru
Şekil 2.1.8.2 AMC jeep motorunun hidrojen dağıtım şeması
2.2 Metanolün Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı
Metanol içerisinde metil alkol bulunan, odun, kömür gibi fosil yakıtların ısı altında damıltılmaları yolu ile, doğalgaza birtakım distilasyon işlemleri uygulanarak veya CO ve H2’nin katalitik ortamda sentezleri sonucunda elde edilir. Fakat doğal kaynakların yenilenebilir olamamasından dolayı metanolün alternatif bir yakıt olarak kullanılması geçici bir süre için söz konusu olacaktır. Ayrıca günümüzdeki metanol üretimindeki enerji dengesi negatiftir. Yani metanolün üretimi için, yanması sonunda vereceği enerjiden fazla enerjiye gereksinim vardır. [18,22,12]
2.2.1 Metanolün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Kimyasal denklemi CH3OH
C / H oranı 0.25
Moleküler kütle 32.04
Özgül kütle
Sıvı : (kg / dm3) 0.79
Isıl değeri
(Mj/kg) 20.1
(Mj/litre) 15.9
Stokiyometrik karışım için
hava/yakıt (kütlesel) 6.44
hava/yakıt (hacimsel) 7.14
(kj/litre) 3.53
molürünler / molreaktantlar 1.06
Buharlaşma ısısı (Mj/kg) 1.10
Tutuşma sınırları
% hacim 6-37
l 0.24 - 2.22
Laminar alev hızı (m/s) 0.52
Adyabatik alev sıcaklığı (0C) 1878
Kaynama noktası (0C) 65.1
Donma noktası (0C) -97.6
Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) 470 Oktan sayısı
ROS 110
MOS 87
Metanolün kaynama sıcaklığı 65.10C, donma sıcaklığı –97.60C ‘dir ve su ile her oranda karışabilir. Metanol taşıtlarda çok küçük değişikliklerle kolaylıkla kullanılır. Yapılan ilk metanollü prototiplerde benzin motorları metanol yakabilecek şekilde değiştirilmekteydi. Daha sonraları metanol yakıtı kullanabilecek yeni motorlar tasarlandı. Prototipler üzerinde yapılan araştımalara göre, metanol yakıtlı taşıtların, gelişmiş teknolojiye sahip benzinli taşıtlara göre %5-10 oranında daha fazla verime ve olağanüstü ivmeye sahip olduğu görüldü. [32]
Metanol yüksek oktan sayısına sahip olamasına karşın çok düşük setan sayısına sahiptir. Bu sebeple dizel motorlarında kullanımında birtakım problemler vardır. Metanol yakıtı düşük setan sayısı, yüksek ateşleme sıcaklığı ve kendi kendine tutuşma direnci nedeni ile dizel motorlarında sıkıştırma strokunun sonuna doğru, silindir içerisindeki sıkıştırlımış hava içerisine püskürtülmesi ile başlayacak yanmada, birtakım problemler yaratır. Yakıtın tutuşmasını geciktirir ve dizel motorunda vuruntuya sebep olur. Fakat kendi kendine tutuşma direnci, Otto motorlarında sıkıştırma oranının arttırılmasına olanak sağladığından metanol Otto motorlarında rahatlıkla kullanılabilmektedir. Bu sebepten dolayı metanol dizel motorlarında ancak buji kullanılması durumunda veya dizel yakıtla karıştırılması durumunda kullanılabilir. Düşük setan sayısına sahip olan yakıtların dizel motorlarındaki yanmasını düzeltmek için birtakım çalışmalar yapılmaktadır. Tablo 2.2.1.1’de uygulanabilecek metodlar ve bu metodların avantaj ve dezavantajları gösterilmektedir.[28,3,1]
Metanolün belirli bir hacimdeki enerji yoğunluğu benzine göre daha düşük olduğundan benzin ile katedilen bir mesafeyi katetmek için daha fazla metanol kullanımına ihtiyaç vardır. 1.7 litre metanol 1 litre benzinin verdiği enerjiye eşit miktarda enerji vermektedir. Bu da yakıt tanklarının daha geniş ve ağır olması demektir. Böylece hem taşıtlardaki depoların büyütülmesi gerekecek ve yerkaybına neden olunacak, hemde taşıtta benzine göre daha fazla bir yükün taşınmasına neden olunacaktır. Ayrıca standart yakıt pompalarının kullanılması durumunda dizel yakıtın verdiği enerjiye eşdeğer enerjiyi metanol yakıtından elde etmek için, daha fazla miktarda metanol yakıtın püskürtülmesi gerekmektedir. Bu sebeple pompa ve enjektörden geçen yakıt miktarı önemlidir.[12]
Metanolün ısıl değeri petrole göre daha düşüktür, buharlaşma ısısı yüksektir. Buharlaşma ısısının yüksek oluşu motorlarda soğukta ilk hareketi zorlaştırmaktadır. Metanolün buharlaşmasına yardım etmek amacı ile su ile ısıtılan emme manifoldu,
10 0C‘tan düşük sıcaklıklarda ilk harekete yardımcı yakıt sistemleri kullanılmaktadır. [18]
Tablo 2.2.1.1 Metanolün Dizel Motorlarında Kullanımı İçin Geliştirilen Metodlar
METOD AVANTAJLAR DEZAVANTAJLARI
Kimyasal Katkı Maddeleri Motorda değişikliğe gerek yok Katkı maddelerinin pahalı
olması ve gerekli miktarının
çokluğu
Emilsyon Motorda çok az değişiklik gerektirir Yakıtın % 50’sinin dizel
olması nedeni ile iki ayrı
yakıt tankı gerektiriyor
Metanol ve Dizel Enjektörünün Ayrı Kullanımı Pilot enjeksyon için az miktarda dizel gereksinimi Karmaşık kontrol sistemi
ve iki ayrı enjeksyon sistemi gereksinimi
Metanolün Dizel Yakıtla Beraber Kullanımı İki ayrı enjektör kullanımından daha ucuz Yakıtın % 50’sinin dizel
olması nedeni ile iki ayrı
yakıt gerektiriyor.
Yüzey Ateşlemesi Tek bir yakıt gerektirmesi Sıcak yüzey eldesi için
gerekli enerji büyük olması
Buji Ateşlemesi Tek bir yakıt gerektirmesi Ateşleme sisteminin fiyatı
Metanolün kullanımında karşılaşılan diğer bir problem aşırı derecede korozyona neden olmasıdır. Bu sebeple kullanılabilmesi için özel yakıt püskürtme pompalarına, yakıt depolarına, yakıt sistemlerine ve yakıt istasyonlarında özel depolama tanklarına ihtiyaç vardır. Silindir duvarlarındaki yağın etkisini tamamen ortadan kaldırıcı eğilimi olduğundan özel yağlama yağları kullanılması gerekir. Korozyonu önlemek için yakıt ve emme sistemi, koruyucu maddelerle kaplanmaktadır. Metanolün korozif özellikleri benzinden farklı olduğu için, benzinden farklı olarak alüminyüm ve çinko karbüratör kullanılır. Yakıt tankı çinko alaşımı ile kaplanmaktadır. Ayrıca paslanmaz çelik kullanılan depolarda iyi sonuç vermektedir. Metanolün benzine göre daha fazla nem tutma özelliği vardır. Diğer yakıtların bir yerden bir yere nekledilmesi gibi taşınırsa bu durum nedeni ile kolaylıkla nemlenebilir. Nem de korozyonu hızlandırır. Bu sebeple gelecekteki metanol taşıyıcı ekipmanlar su geçirmez olacaklardır. Ayrıca metanolün nem tutuculuk özelliğinin yüksek olması ve kolaylıkla nemlenmesi, metanol benzin karışımı olan yakıtlarda faz ayrışmasına neden olabilir. İçerisinde su bulunmayan alkol ve benzini karıştırmak mümkün olmasına rağmen az miktarda su ihtiva eden karışımlarda bu mümkün olmamakta ve faz ayrışması oluşmaktadır. [32,3]
Metanolün diğer olumsuz yönleri zehirli ve gözü tahriş eder bir nitelikte olmasıdır. Ama çevre koruma örgütü EPA zararlı seviyeye ulaşacak birikmenin ancak çok nedir şartlarda olabileceğini bunun da kolayca dağıtılacağını bildirmektedir.
Yapılan çalışmalar sonucu metil alkolün benzinli motorlarda daha verimli kullanılabilmesi için bazı değişikliklere ihtiyaç olduğu tespit edilmiştir. Bu değişiklikler aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Metil alkolün alt ısıl değeri benzine nazaran çok daha düşüktür. Aynı gücü elde edebilmek için motora daha çok yakıt sevkedilmelidir. Metil alkol için gerekli hava-yakıt oranı 8.5 : 1 olduğundan istenilen performans değerlerini elde etmek için yakıt meme çapı büyütülmelidir.
Metil alkolün buharlaşması için benzine nazaran daha fazla ısı enerjisine ihtiyaç duyulmakta ve buharı da daha düşük sıcaklıklarda yoğuşmaktadır. Bunun sonucu, motorun ilk harekete geçmesi için sıcak havaya ihtayaç duyulmakta ve buharın yoğuşması için de ısının yüksek tutulması gerekmektedir.
Metil alkolün saflık derecesinin yüksek olması tercih edilmektedir. Saflık derecesi arttıkça enerji kapasitesi artar. Saflığın derecesinin yeterli olmadığı durumunda karbüratörde korozyona sebep olunur.
Sıkıştırma oranı 8.5 olan bir motor, metil alkol kullanılması durumunda sıkıştırma oranı 11’e yükseltilmelidir.
Metil alkol kullanılması durumunda silindire alınan yakıt miktarının fazla olmasından dolayı volümetrik verimi arttırmak için emme subapı çaplarının büyütülmesi gereklidir.
Yukarıda belirtilen şartlar sağlandığı taktirde, metil alkol Otto motorlarda motor yakıtı olarak verimli ve temiz bir şekilde kullanılabilecektir. [3]
2.2.2 Karışım Oluşturulması
Metanol yakıtının içten yanmalı motorlarda kullanılması durumunda hava yakıt karışmının hazırlanması için mevcut taşıtlarda kullanılan karbüratör ve yakıt püskürtme sistemleri kullanılabilir. Gerek karbüratör gerekse püskürtme sisteminin kullanılması durumunda metanolün fiziksel ve kimyasal özellikleri dikkate alınarak karbüratör ve püskürtme sistemlerinde gerekli değişiklikler yapılır. Ayrıca metanol karbüratöre ve emme sübapına gerek duyulmadan silindire doğrudan püskürtülebilir. Metanol, oktan sayısı yüksek olduğundan, sıkıştırma fazının ilk dönemlerinde, yani sıkıştırma basıncının düşük olduğu zamanda bile püskürtülebilmektedir. Bu da basit ve ucuz bir yakıt sistemi ve aynı zamanda değişik yüklerde motorun verimli olarak çalıştırılabilmesi için, püskürtme zamanının ayarlanabilmesi demektir.
2.2.3 Yanma Performansı
Metanolün yanma sıcaklığının düşük olması, silindirden kaçan ısının azalmasına dolayısıyla verimin artmasına sebep olur. Düşük sıcaklıkta oluşan yanma reaksiyonu, soğutma sistemlerinde basitleştirmeye gidilmesini sağlar. Seramik gibi termal bariyerlerin silindirlerde kullanılması gerçekleşirse, radyatör ve vantiltör kullanılmayabilir. [28,32]
Kendi kendine ateşleme dirençlerinden dolayı metanol Otto çevrimli motorlarda rahatlıkla kullanılabilir. Bu özelliği bu yakıtın dizel motorlarında kullanılmasını güçleştirmektedir. Metanol yakıtı dizel motorlarında yüksek enerji bujileri ile beraber kullanılmalıdır. [28,32]
Bir çok otomobil üreticileri çalışmalarını %85 metanol %15 benzin karışımı olan M85 yakıtı yakabilecek motorlar üzerinde sürdürmektedirler. Metanole benzin karıştırılması ile soğuk havalarda yalnız metanol yakıtı kullanımı durumunda meydana gelebilecek çalışmama durumu ortadan kaldırılmış olur. Benzin, buharlaşması az olan saf metanolun uçuculuğunu arttırarak, motorun soğuk havalarda çalışmasını kolaylaştırır. İyi bir yanma için zengin yakıt hava karışımı temin eder. [28,32]
2.2.4 Egsoz Emisyonu
Metanol gazının yanması sonucu oluşan, bazı egsoz gazları emisyonları benzinle aynı olmaktadır. Metanolün yanması conucu CO, CO2 ve NOx gazları oluşmaktadır. Ayrıca metanolün benzine göre daha düşük alev sıcaklığının olması, yanmanın iyileşmesini, yanma ürünleri içindeki azot oksitlerin NOx ve CO’nin azalmasını sağlamaktadır. Sera etkisini önemli ölçüde etkileyen CO2 emisyonlarında %7-15 azalma olmaktadır. Doğal gazdan üretilen metanol yandığında, benzine göre %10 daha az CO2 emisyonu verir. Kömürden üretildiğinde ise bu değer benzinin yaklaşık iki misli olur. Geniş kömür yataklarının varlığına rağmen kömürden metanol elde etmek fikri anlamsız gözükmektedir. Zira proses sırasında ortaya çıkan CO2 emisyonu egsoz gazlarından oluşan emisyonlardan çok daha fazla olacaktır. Metanol benzinin aksine yanmamış hidrokarbonlar üretmez. Metanolün motorda yanması tam olarak gerçekleşmekte , parçacık oluşmamaktadır. NOx motor silindiri içinde yüksek sıcaklık ve basınç altında, havadaki azot ve oksijenin birleşmesi ile oluşur. Metanolün yanması ile oluşan ısı azdır; dolayısıyla çok fazla miktarda NOx meydan gelmesi için gerekli koşul olaşmaz. Diğer taraftan metanol yandığında benzine göre iki kat daha fazla formaldehit üretilir. Bu madde daha önceleri biyolojik maddeleri korumak, saklamak için kullanılıyordu; ancak kanserojen madde olduğu anlaşıldı. Bazı araştırmacılar, formaldehit emisyonu olayının metanolün kullanılmasının yaygınlaşmasına engel olacağını söylerken, bazılar da bunların kontrol altına alınarak azaltılabileceğini iddia ediyorlar. Araştırmacılar formaldehit emisyonunun motorun çalışmaya başlaması ile ilk iki dakika içerisinde oluştuğunu ve katalitik konvertörle azaltılabileceğini belirtmekteler. Fakat katalitik konvertörlerin ısıtılması gereklidir. Isıtma işlemi aküden alınacak elektrik enerjisi ile mümkün olabililir. [28,18]
2.2.5 Günümüzün Metanol Yakıtlı Taşıtları
Ford : Ford Motor Co. şirketi metanol yakıtlı taşıtlar konusunda ilk ciddi çalışmasını 1980 yılında tamamladı. Ford şirketi 1980 yılında Kanada’da kullanılmak üzere %85 metanol %15 kurşunsuz benzin karışımı olan M85 yakıtını kullanabilen Crown Victoria adlı bir otomobil geliştirdi. Ford Crown Victora adlı otomobilden 255 adet üretilde ve bu taşıtlar halen Kanada’da kullanılmaktadır. 1993 yılında Ford şirketi Kalifoniya eyaletinde 2800 adet metanol yakıtlı Taurus FFV modelini piyasaya sürdü.
Volvo : Kaliforniya da Volvo otomabil şirketi taraından üretilen metanol yakıtlı 940 sedan model otomobiller 1989 yılından itibaren deneme sürüşlerinde kullanılmaktadır. Bu deneysel sedanlarda 2.3 litre 4 silindirli metanol motorları kullanılmaktadır , yakıt borularında korozyona karşı dayanıklı paslanmaz çelik kullanılmıştır. Metanolün enerji yoğunluğunun benzine göre daha az olması neden ile , Volvo şirketi yakıt akış miktarını arttırmak için daha geniş yakıt enjektörleri ve 11:1 gibi yüksek sıkıştırma oranı kullanmaktadır. Taşıtta emisyonları azaltmak için katalitik konvertör kullanılmaktadır.
2.3 Etanolün Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı
Etanol, içerisinde etil alkol bulunan, şeker, şekeri çevrilebilen selüloz veya nişasta gibi maddelerin fermantasyonu sonucu elde edilen alkol türüdür. Etanol patates, tahıllar, şeker kamışı ve şeker pancarı gibi tarım ürünlerinden elde edilir.
Etanolün motorlarda kullanımı düşüncesi tarım ürünlerinin bolca yetiştirildiği ülkeler için geçerlidir. Bu sebeple etanol yakıtının alternatif bir yakıt olarak motorlarda kullanılması dünya çapında sınırlı kalmıştır. Ayrıca günümüzdeki etanol üretimindeki enerji dengesi negatiftir. Yani etanolün üretimi için, yanması sonunda vereceği enerjiden fazla enerjiye gereksinim vardır.[16]
2.3.1 Etanolün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Kimyasal denklemi C2H3OH
C/H oranı 0.333
Moleküler kütle 46.07
Özgül kütle
Sıvı : (kg / dm3) 0.79
Isıl değeri
(Mj/kg) 26.9
(Mj/litre) 21.3
Stokiyometrik karışım için
hava/yakıt (kütlesel) 8.96
hava/yakıt (hacimsel) 14.3
(kj/litre) 3.61
molürünler / molreaktantlar 1.06
Buharlaşma ısısı (Mj/kg) 0.856
Tutuşma sınırları
%hacim 3.5-19
0.29-1.92
Adyabatik alev sıcaklığı (0C) 1924
Kaynama noktası (0C) 78.7
Donma noktası (0C) -117.7
Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) 392 Oktan sayısı
ROS 106
MOS 89
Etanol temiz, renksiz ve zehirli olmayan bir sıvıdır. Etanolün ısıl değeri benzinden daha düşüktür. Etanol su ile her oranda karışabilme özelliğine sahiptir.
Etanolün, yüsek oktan sayısına sahip olmasına karşın çok düşük setan sayısına sahip olması ve kendi kendine tutuşma direnci nedeni ile dizel motorlarında kullanımında birtakım problemler yaratır. Fakat kendi kendine tutuşma direnci, Otto motorlarında sıkıştırma oranının arttırılmasına olanak sağladığından etanolün Otto motorlarında kullanımı daha avantajlıdır. Bu sebepten dolayı etanol, dizel motorlarında ancak buji kullanılması durumunda vaya dizel yakıtla karıştırılması durumunda kullanılabilir.
Düşük setan sayısına sahip olan yakıtların dizel motorlarındaki yanmasını düzeltmek için birtakım çalışmalar yapılmaktadır. Tablo 2.3.1.1’de uygulanabilecek metodlar ve bu metodların avantaj ve dezavantajları gösterilmektedir. [18,17,32]
Tablo 2.3.1.1 Etanolün Dizel Motorlarında Kullanımı İçin Geliştirilen Metodlar
metod avantajlar dezavantajlar
Kimyasal Katkı Maddesi Motorda Değişikliğe Gerek Yok Katkı Maddelerinin Pahallı
Olması ve Gerekli Miktarının
Çokluğu
Emilsyon Motorda Çok Az Değişiklik Gerektirir Yakıtın % 50’sinin Dizel
Olması Nedeni İle İki
Ayrı Yakıt Tankı Gerektiriyor
Etanolün ve Dizel Enjektörlerinin Ayrı Kullanımı Pilot Enjeksyon İçin Az Miktarda Dizel Yakıtı Gereksinimi Karmaşık Kontrol Sistemi
ve İki Ayrı Enjeksiyon
Sistemi Gereksinimi
Yüzey Ateşlemesi Tek Bir Yakıt Gerektirmesi Sıcak Yüzey Eldesi İçin
Gerekli Enerjinin Büyük
Olması
Buji Ateşlemesi Tek Bir Yakıt Gerektirmesi Ateşleme Sisteminin Fiyatı
Etanolün ısıl değeri petrole göre daha düşüktür, buharlaşma ısısı yüksek, buhar basıncı düşüktür. Buharlaşma ısısının yüksek oluşu motorlarda soğukta ilk hareketi zorlaştırmaktadır. Etanolün en önemli dezavantajlarından biri içinde bulunan suyun yakıt donanımı ve emme sistemi üzerindeki korozif etkisidir. Etanolün korozif özellikleri nedeni ile korozyonu önlemek için yakıt ve emme sistemi, koruyucu maddelerle kaplanmaktedir. Ayrıca etanolün nem tutuculuk özelliğinin yüksek olamsı ve kolaylıkla nemlenmesi etanol benzin karışımı olan yakıtlarda faz ayrışmasına neden olabilir. [18]
İçerisinde su bulunmayan alkol ve benzini karıştırmak mümkün olmasına rağmen az miktarda su ihtiva eden karışımlarda bu mümkün olmamakta ve faz ayrışması oluşmaktadır.
Çeşitli deneyler sonucunda varılan sonuçlar şu şekilde sırlanabilir:
Benzine etil alkol katılması yanmayı iyileştirmekte vuruntuya dayanıklılığı artırmaktadır. En iyi karışımın % 10 hacimsal oranlı etil alkol – benzin karışımı olduğu belirlenmiştir. Bu karışımda düşük sıkıştırma oranlarında (e=7.5 için) %7 ; yüksek sıkıştırma oranlarında (e=9.5 için) %15 verim artışı sağlanmaktadır. Ayrıca alkol kullanımı hava kirliliğini önemli düzeyde azaltmaktadır.
Alkollerin buhar basıncı düşük olduğundan alkol karışımları kullanıldığında özellikle soğuk havalarda ilk harekette emme sisiteminde buharlaşmayı iyileştirici önlemler almak gerekir. Ayrıca alkolün (ve içinde bulunabilecek suyun) emme ve yakıt sistemi ve diğer motor elemanları üzerindeki korozif ve aşındırıcı etkileri incelenmeli , bu etkilere karışı gerekli önlemler alınmalıdır.
Güncel tekniklerde etil alkol üretimi pahalıdır ve genellikle gıda kaynaklarına dayanmaktadır. Ucuz alkol üretimi için yeni yöntemler geliştirilmelidir. [17]
Etanolün motorlarda kullanımı düşüncesi daha çok geniş tarım alanlarına sahip ülkelerde yaygındır. ABD’de tarımla uğraşılan eyaletlerde, %80 etanol %20 benzin karışımı olan E80 yakıtı, yıllardan beri otomobillerde yakıt olarak kullanılmaktadır. Petrol rezervlerinin hemen hemen olmadığı fakat özellikle şeker kamışının bol bulunduğu Brezilya’da otomobiller 15 yıldan fazla bir süredir etanolle çalışmaktadır. [28]
2.3.2 Yanma Performansı
Etanolün buharlaşma ısısının yüksek oluşu soğukta çalışmayı güçleştirmektedir. Kendi kendine ateşleme direncinden dolayı etanol Otto çevrimli motorlarda rahatlıkla kullanılabilir. Bu özelliği bu yakıtın dizel motorlarında kullanılmasını güçleştirmektedir. Etanol yakıtı metanol gibi dizel motorlarında yüksek enerji bujileri ile beraber kullanılmalıdır. Yanma enjeksiyon zamanlamasına bağlıdır. Enjeksiyon zamanlamasının iyi olmaması karışımın erken yanmasına neden olabilir.
2.3.3 Egsoz Emisyonu
Etanolün benzine göre daha düşük alev sıcaklığının olması, yanma işleminin iyileşmesini, yanma ürünleri içindeki azot oksiltlerin NOx ve CO’nin azalmasının sağlamaktadır.
2.3.4 Etanol Yakıtlı Motorla Benzinli Motorun Karşılaştırılması
Şekil 2.3.4.1 Otto Motorunda Etanol Oranının Effektif Güce Etkisi
Şekil 2.3.4.2 Otto Motorunda Etanolün Efektif Verime Etkisi
Şekil 2.3.4.3 Otto Motorunda Etanolün Özgül Yakıt Tüketimine Etkisi
Şekil 2.3.4.4 Otto Motorunda Etanolün CO Oranına Etkisi [17]
2.3.5 Etanol Yakıtlı Motorla Dizel Motorun Karşılaştırılması
Şekil 2.3.5.1 Dizel Motorunda Etanolün Effektif Güce Etkisi [16]
Şekil 2.3.5.2 Dizel Motorunda Etanolün Effektif Verime Etkisi
Şekil 2.3.5.3 Dizel Motorunda Etanolün Özgül Yakıt Tüketimine Etkisi
2.3.6 Günümüzün Etanol Yakıtlı Taşıtları
Volkswagen : Brezilya’da etanolün taşıtlarda kullanılmaya başlanmasından sonra VW firması tarafından geliştirlen %85 etanol ve %15 benzin karışımından oluşan E85 yakıtı kullanabilen arabalar kullanılmaktadır.
General Motors : Amerikanın Wisconsin ve Illinois şehirlerinde kullanılmak üzere, etanol yakıtı kullanabilen 50 adet prototip geliştirdi. Bu taşıtlarda %85 etanol %15 benzin karışımından oluşan E85 yakıtı kullanılmaktadır.
Şekil 2.3.6.1 Chrysler Playmouth Model Alkol Yakıtlı Taşıtın Şematik Resmi [11]
2.4 LPG’nin Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı
LPG : Sıvılaştırılmış petrol gazları (LPG), petrolün damıtılması ve parçalanması esnasında elde edilen ve sonradan basınç altında sıvılaştırılan başlıca propan, bütan ve izomerleri gibi hidrokarbonlar veya bunların karışımıdır.
Ticari Propan : Tizari propan, başlıca propan ve propilenden meydana gelen, fiziki metotlarla sıvılaştırılabilen gaz karışımıdır.
Ticari Bütan : Ticarı bütan , başlıca bütan ve bütilenden meydana gelen, fiziki metodlarda sıvılaştırılabilen gaz karışımıdır.
Ticari Propan-Bütan Karışımı : Ticari propan-bütan ve bütilenden meydana gelen, fiziki metotlarda sıvılaştırılabilen gaz karışımıdır
Özel Hizmet Propanı : Esas itibariyle propandan meydana gelen bir hidrokarbondur. Kütlece % 92 saflıktadır. [26]
2.4.1 LPG’nin (Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Tablo 2.4.1.1 LPG Özellikleri [26]
Özellikler ticari propan ticari bütan ticari propan bütan karışımı özel hizmet propanı
İlk Kaynama Noktası (0C)
-46
-9
-
-46
Sıvı Fazın Özgül Isısı
(kJ/kg0C)
1366
1276
-
1366
Bir Litre LPG’nin (sıvı fazdaki)buhar hacmi
(m3)
0.271
0.235
-
0.271
Hava-gaz Karışımında Patlama Sınırları (havada)hacimce buhar yüzdesi
a) Alt
b) Üst
2.15
9.60
1.55
9.60
-
9.60
2.15
9.60
Kaynama Noktasındaki Buharlaşma Isısı
a) Kj/kg
b) Kj/l
430
219
388
226
-
-
430
219
Alev Sıcaklığı
(0C)
1980
2008
-
1980
Tutuşma Sıcaklığı (0C)
493-549
482-538
-
493-549
Kükürt Miktarı (mg/kg)
185
140
140
123
Oktan Sayısı 111 103 - 111
Alt Isıl Değeri (Mj/kg)
46.1
45.46
-
46.1
Son zamanlarda ülkemizde motorlu taşıtlarda özellikle ticari taksilerde tüp gazlı uygulama başlatılmıştır. Bu çalışmanın amacı, ülkemizdeki yerli otomobillerde uygulama sahasına giren yakıt amaçlı tüpgazın, motorun bazı karakteristiklerine etkilerini belirlemektir. Bunun için, LPG’nin benzinli motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılabilirliği üzerinde durulmuştur. LPG petrolden ya da doğal gazdan damıtılarak elde edilir. Ham petrolün ancak %4’ü LPG’ye dönüştürülebilir. LPG, gaz karşımında bulunan ana hidrokarbon bileşenine göre; ticari bütan (C4H10), ticari propan (C3H8), özel hizmet propanı ticari propan-bütan karışımı olmak üzere dört sınıfta ayrılır. Japonya da LPG altı kaliteye ayrılmış olup, 1 ila 6 kalite arasından 4., 5. ve 6. kalite LPG otomobil yakıtı olarak kullanılır. LPG yaklaşık 50 yıldır motorlu taşıtlarda alternatif yakıt olarak kullanılmakta olup, yaklaşık olarak 8.2 bar basınç altında sıkıştırldığında yoğunlaşarak sıvı hale geçebilir. Gaz durumundaki hacmi, sıvı durumundaki hacminin yaklaşık 250 katından daha fazladır. Sıvı halde az yer işgal etmesi nedeniyle depolamaya çok uygundur. Sıvı olarak depolanıp gaz olarak kullanılabilmesi önemli bir avantaj sağlamaktadır. Üzerine uygulanan basıncın kalkması ile birlikte kaynamaya başlar. LPG depoları, 1.4-16 kg/cm2 basınç altında tutacak şekilde sağlam ve sızdırmaz yapılmalıdır.
2.4.2 LPG’nin Motor Yakıtı Olarak Avantaj ve Özellikleri
LPG’nin oktan sayısı yüksektir. Gaz fazında hava ile daha üniform karışması sonucu iyi bir yanma gerçekleşir. Benzin ve dizel yakıtına göre egsoz çıktısı daha temizdir. Karbon birikintisi yoktur. Motor yağı seyreltisi olmadığından motor yağı daha uzun ömürlüdür. Benzine göre dezavantajı ise, yüksek basınç deposuna gereksinim göstermesi, bununla beraber taşıt ağırlığının artması, bunun yanısıra gaz formunda düşük molekül ağırlıklı yakıtın içeri verilmesi bunu da volümetrik verimi düşürmesi bunun sonucunda da motor gücünün düşmesi gibi etkenler sayılabilir. [6]
2.4.3 Motorlu Taşıtlarda Kullanılan LPG Teknolojisi
2.4.3.1 Birinci Kuşak Sistemler
Uygulamaları çok basit olup, karbüratörlü motorlar üzerinde kullanılırlar. Ülkemizde şimdilik motorlu taşıtlarda birinci kuşak sistemler kullanılmaya başlanmıştır. Bu sistemin montajı çok basit olup, motor üzerinde herhangi bir değişiklik gerektirmediği gibi karbüratörlü motorlar için çok uygundur. LPG, içten yanmalı motorlarda kullanılırken özel bir karbüratör ve boru donanımına gereksinim vardır. LPG karbüratörünün problemleri LPG ile ilgili diğer cihazlarda mevcut problemlere benzer. İçeri alınan hava karışımı uygun özellikte olmalıdır. Bu karşımda gaz miktarı fazla olursa gereğinden fazla sarfiyat olur, gaz miktarı az olursa bu defa da yeterli güç elde edilemez tank içinde LPG sıvı ve gazdan meydana gelmektedir. Tankın basıncı ortamın sıcaklığına bağlı olarak 2 ila 14 bar arasında değişebilmektedir. Sıvı gaz LPG solenoid valfini geçerek iki kademeli basınç düşürücüsüne gelir. Bu noktada gaz fazına geçen LPG basıncı yaklaşık olarak 0.5-0.6 bar civarına düşmekte ve bu basınçla karbüratöre girmektedir. Bu dönüşümden sonra motor ya LPG ya da benzin ile çalışmaktadır. Şekil 2.4.3.1’de Birinci Kuşak Sistemlerin şekli görülmektedir.
Şekil 2.4.3.1 Birinci Kuşak Sistemler [5]
2.4.3.2 İkinci Kuşak Sistemler
Son yıllarda özellikle Avrupa ve Amerika’da motorlu taşıtlardan havaya atılan kirli bileşenleri sınırlandırma çalışmaları yapılmış ve bazı normlar geliştirilmiştir. Birinci kuşak sistemler bu ihtiyaca cevap verememiştir. 1980’li yılların sonlarına doğru ikinci kuşak sistemler kullanılmaya başlanmıştır. Bunların birinci kuşak sistemlerden ayrılan en önemli özllikleri arabada mevcut olan lambda sensöründen aldığı bilgiye göre kullanıcı kontrolüne gerek kalmadan gaz miktarını sürekli olarak kontrol etmesidir. Birinci kuşak sistemlerde olduğu gibi araç hem benzin hem de LPG ile çalışabilmektedir. Bunların yanısına dışarı atılan emisyonları azaltmak için üç yollu katalitik konvertörler ve elektronik kontrol üniteleri de benzinli motor endüstrisine girmiştir. Şekil 2.4.3.1’de bu sistemlerin çalışma şeklini görebiliriz.
Şekil 2.4.3.1 İkinci Kuşak Sistemler [5]
2.4.3.3 Üçüncü Kuşak Sistemler
Bu sistem birinci ve ikinci kuşak sistemlere göre daha karmaşıktır. Bu sistemde motor ilk başta benzin ile çalıştırılır daha sonra otomatik olarak LPG ile çalışma devam eder. Bu sistmede LPG gaz veya sıvı halde subapın üstüne enjekte edil
|
