Dizel bir motorda biodizel yakıt kullanımının yanma prosesi ve motor tribolojisi üzerindeki etkilerinin araştırılması

Abstract

70'li yıllarda yaşanan petrol krizinin de etkisi ile alternatif motor yakıtlarına yönelik çalışmalar hızla devam etmektedir. Bu çalışmalar sonucunda, dizel motorlarda kullanılabilecek bir yakıt türü olan biodizel yakıtlar ortaya çıkmıştır. Yenilenebilir bir alternatif yakıt olması nedeniyle biodizel önemli bir yakıttır. Bu çalışmada tek silindirli dizel bir motorda bitkisel yağdan elde edilmiş biodizel ve motorin yakıtları kullanılmıştır. Motorda yanma prosesi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri ve deneysel yöntemler kullanılarak incelenmiştir. Aynı zamanda, kullanılan yakıtların motor tribolojik özellikleri de incelenmiştir. Deneyler Cumhuriyet Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Çalışmamızın ilk aşamasını motor performans ve emisyon değerlerinin sayısal ve deneysel incelenmesi oluşturmuştur. Deneysel çalışmalar tek silindirli dizel bir motor ve bağlı olduğu dinamometre kullanılarak yapılmıştır. Sayısal çalışma ise AVL-FIRE yazılımının ESE-Diesel kısmında gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmada püskürtme modeli olarak WAVE model, türbülans modeli k-zeta-f model ve yanma modeli olarak EFCM-3Z model kullanılmıştır. Bu çalışmada gerçek çalışma şartlarına yakın bir sayısal çalışma amaçlanmıştır. Deneysel çalışmada, silindir basıncı dizel motorun silindir tepesine bağlanan bir basınç sensörü ile ölçülmüş ve aynı zamanda krank miline bağlanan bir enkoderle de krank açı değeri elde edilmiştir. Ölçülen veriler anlık olarak Febris yanma analiz programına aktarılmıştır. Deneysel çalışmanın amacı motorda yanma olayına ait iç veriler elde etmektir. Çalışmamızın ikinci safhasında, kullanılan motor yakıtlarının motor tribolojisi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla motor iki farklı yakıt kullanılarak yaklaşık 150 saatlik bir çalışmaya tabi tutulmuştur. Böylece yakıt kimyasının, aşınma ve yağlama yağı performansı üzerindeki etkisi incelenebilmiştir. İki farklı yakıt kullanımı sonucu motorda kullanılan yağların, kinematik viskozite, yoğunluk, asit sayısı tayini, nem içeriği, kül içeriği, gibi kimyasal özellikleri analiz edilmiştir. Her iki numunedeki metal konsantrasyonlar, Endüktif Eşleşmiş Plasma -Atomik Emisyon Spektrometresi (ICP-AES) ve Endüktif Eşleşmiş Plasma- Kütle Spektromu (ICP-MS yöntemi) ile belirlenmiştir. Piston segmanı üzerindeki aşınma çizgileri, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizi yapılarak incelenmiştir. Motor triboloji analizleri sonucunda, biodizel yakıt ile çalıştırılan motorun, motorin ile çalıştırılan motora göre yağlama yağında, daha az aşınma elementlerine rastlanmıştır.

With the effect of the oil crisis experienced in the 70s, studies on alternative motor fuels continue rapidly. As a result of these studies, biodiesel fuels, a type of fuel that can be used in diesel engines, have emerged. Biodiesel is an important fuel because it is a renewable alternative fuel. In this study, biodiesel and diesel fuels obtained from vegetable oil were used in a single cylinder diesel engine. The combustion process in the engine has been investigated by using Computational Fluid Dynamics (HAD) methods and experimental methods. At the same time, the engine tribological properties of the fuels used were also investigated. The experiments were carried out in Cumhuriyet University Faculty of Technology Automotive Engineering Laboratory. The first stage of our study was the numerical and experimental study of engine performance and emission values. Experimental studies were performed using a single cylinder diesel engine and dynamometer. Numerical operation was performed in ESE-Diesel part of AVL-FIRE software. WAVE model, turbulence model k-zeta-f model and EFCM-3Z model as combustion model were used in numerical study. In this study, a numerical study close to the actual working conditions was aimed. In the experimental study, the cylinder pressure was measured by a pressure sensor connected to the cylinder top of the diesel engine and at the same time a crankshaft angle value was obtained by an encoder connected to the crankshaft. The measured data was transferred to the Febris combustion analysis program. The aim of the experimental study is to obtain internal data of combustion in the engine. In the second phase of our study, the effect of used motor fuels on engine tribology was investigated. For this purpose, the engine was subjected to an operation of approximately 150 hours using two different fuels. Thus, the effect of fuel chemistry on wear and lubricating oil performance was examined. Chemical properties such as kinematic viscosity, density, acid number determination, moisture content, ash content, etc. of the oils used in the engine as a result of the use of two different fuels were analyzed. Metal concentrations in both samples were determined by Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES) and Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometer (ICP-MS). The wear lines on the piston ring were examined by Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. As a result of engine tribology analysis, less wear elements were found in lubricating oil of biodiesel fuel driven engine compared to diesel powered engine.