Hidrojenin fiziksel ve kimyasal özellikleri

İÇİNDEKİLER 1 GİRİŞ.........................................................................................................................................................1 2 MOTORLARDA KULLANILAN ALTERNATİF YAKITLAR ............................................................2 2.1 Hidrojenin Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı ............................................................................2 2.1.1 Hidrojenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri...............................................................................2 2.1.2 Karışım Oluşturulması ve Motor Performansına Etkisi...............................................................4 2.1.3 Yanma Performansı.....................................................................................................................6 2.1.4 Egsoz Emisyonu...........................................................................................................................9 2.1.5 Hidrojen Yakıtının Taşıtlarda Depolama Şekilleri ...................................................................11 2.1.6 Hidrojen Depolama Yöntemlerinin Karşılaştırılması ...............................................................14 2.1.7 Hidrojenin Ekonomik Açıdan Benzinle Karşılaştırılması ........................................................14 2.1.8 Günümüzün Hidrojen Yakıtlı Taşıtları .....................................................................................15 2.2 Metanolün Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı ..........................................................................16 2.2.1 Metanolün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri ............................................................................17 2.2.2 Karışım Oluşturulması ..............................................................................................................20 2.2.3 Yanma Performansı ..................................................................................................................20 2.2.4 Egsoz Emisyonu ........................................................................................................................20 2.2.5 Günümüzün Metanol Yakıtlı Taşıtları ......................................................................................21 2.3 Etanolün Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı .............................................................................22 2.3.1 Etanolün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri ..............................................................................22 2.3.2 Yanma Performansı ..................................................................................................................24 2.3.3 Egsoz Emisyonu ........................................................................................................................24 2.3.4 Etanol Yakıtlı Motorla Benzinli Motorun Karşılaştırılması......................................................25 2.3.5 Etanol Yakıtlı Motorla Dizel Motorun Karşılaştırılması...........................................................29 2.3.6 Günümüzün Etanol Yakıtlı Taşıtları .........................................................................................30 2.4 LPG’nin Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı...............................................................................31 2.4.1 LPG’nin (Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri...................................31 2.4.2 LPG’nin Motor Yakıtı Olarak Avantaj ve Özellikleri...............................................................32 2.4.3 Motorlu Taşıtlarda Kullanılan LPG Teknolojisi .......................................................................32 2.4.4 Motor Performansı ....................................................................................................................35 2.4.5 Egsoz Emisyonları ....................................................................................................................36 2.4.6 Bir Benzinli Motorla LPG’li Motorun Grafiksel Karşılaştırılması ...........................................36 2.4.7 Günümüzün LPG Yakıtlı Taşıtları ............................................................................................38 2.5 Doğalgazın Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı .........................................................................39 2.5.1 Doğalgazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri ...........................................................................41 2.5.2 Doğal Gazın Dizel Motorlarında Kullanılması .........................................................................43 2.5.3 Doğalgazın Otto Motorlarında Kullanımı .................................................................................45 2.5.4 Egsoz Emisyonu ........................................................................................................................48 2.5.5 Doğalgaz Yakıtının Taşıtlarda Depolama Şekilleri ..................................................................49 2.5.6 Günümüz Doğalgaz Yakıtlı Taşıtları ........................................................................................50 2.6 Yağların Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı...............................................................................50 2.6.1 Rafine Edilmiş Ayçiçek Yağının Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri .........................................51 2.6.2 Motor Performansı.....................................................................................................................51 2.6.3 Kullanılan Karışımlar ................................................................................................................52 2.6.4 Bir Dizel Motorla Ayçiçek Yakıtlı Motorun Grafiksel Karşılaştırılması .................................53 3 Gelecekte Kullanılabilecek Yakıt Tipleri ...............................................................................................55 3.1 Temiz Hava Yasası ..........................................................................................................................56 3.2 Yakıt Pilleri ......................................................................................................................................57 3.2.1 Yakıt Pilli Araç Geliştirme Çalışmaları ....................................................................................59 4 tAŞITLARDA kULLANILABİLECEK aLTERNATİF yAKIT tİPLERİNİN karşIlaştırılması ..........63

i

4.1 Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Bakımından Karşılaştırılması ......................................................63 4.2 Performansları Yönünden Karşılaştırılması .....................................................................................65 4.3 Egsoz Emisyonu Yönünden Karşılaştırılması .................................................................................65 4.4 Hava Kirliliği ve Güvenlik Etkileri Bakımından Karşılaştırılması...................................................66 4.5 Ekonomiklik Yönünden Karşılaştırılması ........................................................................................67 5 SONUÇ ve ÖNERİLER..........................................................................................................................68

ii

ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1.3.1 Alev Hızının λ’ya Göre Değişimi............................................................................................6 Şekil 2.1.3.2 Alev Hızının Sıcaklığı Göre Değişimi.....................................................................................7 Şekil 2.1.3.3 Minimum Tutuşma Enerjisinin λ’ya Göre Değişimi...............................................................8 Şekil 2.1.3.4 Termik Verimin Hava Fazlalık Katsayısına Göre Değişimi [35]...........................................9 Şekil 2.1.4.5 Azot Oksit Emisyonlarının Hava Fazlalık Katsayısına Göre Değişimi................................10 Şekil 2.1.4.6. Çeşitli Motor Tiplerinde NOx Emisyonlarının Karşılaştırılması.........................................11 Şekil 2.1.8.7 Hidrojenle çalışan BMW motoru...........................................................................................16 Şekil 2.1.8.8 AMC jeep motorunun hidrojen dağıtım şeması.....................................................................16 Şekil 2.3.4.9 Otto Motorunda Etanol Oranının Effektif Güce Etkisi..........................................................25 Şekil 2.3.4.10 Otto Motorunda Etanolün Efektif Verime Etkisi.................................................................26 Şekil 2.3.4.11 Otto Motorunda Etanolün Özgül Yakıt Tüketimine Etkisi..................................................27 Şekil 2.3.4.12 Otto Motorunda Etanolün CO Oranına Etkisi [17]..............................................................28 Şekil 2.3.5.13 Dizel Motorunda Etanolün Effektif Güce Etkisi [16] .........................................................29 Şekil 2.3.5.14 Dizel Motorunda Etanolün Effektif Verime Etkisi..............................................................29 Şekil 2.3.5.15 Dizel Motorunda Etanolün Özgül Yakıt Tüketimine Etkisi................................................30 Şekil 2.3.6.16 Chrysler Playmouth Model Alkol Yakıtlı Taşıtın Şematik Resmi [11]..............................30 Şekil 2.4.3.17 Birinci Kuşak Sistemler [5]................................................................................................33 Şekil 2.4.3.18 İkinci Kuşak Sistemler [5]..................................................................................................34 Şekil 2.4.3.19 Üçüncü Kuşak Sistemler [5]...............................................................................................35 Şekil 2.4.6.20 Devir – CO İlişkisi (benzin) [6]...........................................................................................36 Şekil 2.4.6.21 Devir –CO ilişkisi (LPG) [6]...............................................................................................36 Şekil 2.4.6.22. Devir – HC İlişkisi(benzin) [6]...........................................................................................37 Şekil 2.4.6.23 Devir – HC İlişkisi(LPG) [6]...............................................................................................37 Şekil 2.4.6.24. Devir – Yakıt İlişkisi (benzin) [6]......................................................................................37 Şekil 2.4.6.25.DevirYakıt İlişkisi(LPG) [6]................................................................................................37 Şekil 2.4.6.26. Devir – Yakıt Sarfiyatı (TL Olarak) İlişkisi [6]..................................................................38 Şekil 2.4.7.27 Ford LPG’li Aracın Şematik Resmi [41]............................................................................39 Şekil 2.5.2.28 1. Gaz Yakıt Enjeksiyonu [8].............................................................................................45 Şekil 2.5.3.29 Hava Fazlalık Katsayısının Fonksiyonu Olarak Isıl Verimin Değişimi [20].....................47 Şekil 2.5.3.30 Hava fazlalık Katsayısının Maksimum Momenti Sağlayacak Ateşleme Avansı Değişimi [20]..............................................................................................................................................................47 Şekil 2.5.3.31 Doğalgaz ve Benzin İçin Güç, Moment, Yakıt Tüketimi, Verim Değişimleri [1]............48 Şekil 2.6.4.32 Devir – Özgül Yakıt Tüketimi İlişkisi [10]........................................................................53 Şekil 2.6.4.33 Devir –Egsoz Gaz Sıcaklığı İlişkisi [10]............................................................................54 Şekil 2.6.4.34 Devir –Isıl Verim İlişkisi [10]............................................................................................54 Şekil 2.6.4.35 Devir – CO İlişkisi [10]......................................................................................................54 Şekil 2.6.4.36 Yakıt Pili Elemanlarını Gösteren Şematik Resim [27].......................................................58 Şekil 3.2.1.37 NECAR III [27]...................................................................................................................62 Şekil 3.2.1.38 NECAR IV [27]..................................................................................................................62

iii

ÇİZELGE LİSTESİ Tablo 2.2.1.1 Metanolün Dizel Motorlarında Kullanımı İçin Geliştirilen Metodlar.................................18 Tablo 2.3.1.2 Etanolün Dizel Motorlarında Kullanımı İçin Geliştirilen Metodlar.....................................23 Tablo 2.4.1.3 LPG Özellikleri [26].............................................................................................................31 Tablo 2.4.7.4 Dünyada Doğalgazla Çalışan Araçlar [40]...........................................................................40 Tablo 2.6.4.5 Yakıt Pillerini Kimyasal Özellikleri [34]............................................................................59 Tablo 3.2.1.6 Alternatif Yakıtların Fiziksel ve Kimyasal Olarak Karşılaştırılması...................................63 Tablo 3.2.1.7 Alternatif Yakıtları Kullanan Araçların Performansları.......................................................65 Tablo 3.2.1.8 Hava Kirliliği ve Güvenlik Etkileri Bakımından Karşılaştırılması......................................66

iv

1

GİRİŞ

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.

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.

1

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 C/H oranı Moleküler kütle Özgül kütle Sıvı : Gaz : Isıl değeri Alt Üst

H2 0 2.02 (kg / dm3) (kg / dm3)

0.07 0.84*10-4

(Mj/kg) (Mj/kg) (Mj/litre)

119.93 141.86 8.41

Stokiyometrik karışım için hava/yakıt (kütlesel) hava/yakıt (hacimsel) (kj/litre) molürünler / molreaktantlar Buharlaşma ısısı (Mj/kg) Tutuşma sınırları %hacim λ Laminar alev hızı (m/s) Adyabatik alev sıcaklığı (0C) Difüzyon katsayısı (m2/s) Kaynama noktası (0C)

34.32 2.38 3.20 0.85 0.447 4.1-74 0.15-4.35 2.91 2110 0.61 -252.35

2

Donma noktası Kendi kendine tutuşma sıcaklığı Oktan sayısı ROS

(0C) (0C)

-259 574-591 130

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

3

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.

4

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 (λ= 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.

5

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 , λ’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 λ’ya Göre Değişimi

6

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.

7

Şekil 2.1.3.3 Minimum Tutuşma Enerjisinin λ’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]

8

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, NO x, 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 (λ<0.9) ve fakir (λ>1.7) karışımlarda NOx emisyonu önemli ölçüde azalacaktır. Şekil 2.1.4 .5’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,

9

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 NO x 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 NO x 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, NO x 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 2.1.4.5 Azot Oksit Emisyonlarının Hava Fazlalık Katsayısına Göre Değişimi

10

Şekil 2.1.4 .6’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 NO x emisyonu hidrojenin yanma odasına soğuk olarak püskürtülmesi durumunda en iyi olmaktadır.

Şekil 2.1.4.6. 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

11

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 FeTiH x 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.

12

Mg2NiHy, yüksek sıcaklık metal hibriti olarak bilinmektedir. Mg 2NiHy’nin kimyasal formülünde y =4 olduğundan, sahip olduğu hidrojen yoğunluğu FetiH x’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: a) Ağırlık olarak nispeten hafif bir depolama şeklidir. b) 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. c) Taşıtta eğer klima ünitesi varsa sıvı hidrojen soğutma amaçlı kullanılabilir. d) Anormal yanma önlenir ve NOx emisyonlarında azalma sağlanır. e) 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. f) 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

13

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 $ / 10 6 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 :

14

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

15

Şekil 2.1.8.7 Hidrojenle çalışan BMW motoru

Şekil 2.1.8.8 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

16

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 C / H oranı Moleküler kütle Özgül kütle Sıvı : Isıl değeri Stokiyometrik karışım için hava/yakıt hava/yakıt

CH3OH 0.25 32.04 (kg / dm3)

0.79

(Mj/kg) (Mj/litre)

20.1 15.9

(kütlesel) (hacimsel) (kj/litre)

6.44 7.14 3.53 1.06 1.10

molürünler / molreaktantlar Buharlaşma ısısı (Mj/kg) Tutuşma sınırları % hacim λ Laminar alev hızı (m/s) Adyabatik alev sıcaklığı (0C) Kaynama noktası (0C) Donma noktası (0C) Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) Oktan sayısı ROS MOS

6-37 0.24 - 2.22 0.52 1878 65.1 -97.6 470 110 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

17

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 Kimyasal Katkı Maddeleri

AVANTAJLAR Motorda değişikliğe gerek yok

Emilsyon

Motorda çok az değişiklik gerektirir

Metanol ve Dizel Enjektörünün Ayrı Kullanımı Metanolün Dizel Yakıtla Beraber Kullanımı

Pilot enjeksyon için az miktarda dizel gereksinimi İki ayrı enjektör kullanımından daha ucuz

18

DEZAVANTAJLARI Katkı maddelerinin pahalı olması ve gerekli miktarının çokluğu Yakıtın % 50’sinin dizel olması nedeni ile iki ayrı yakıt tankı gerektiriyor Karmaşık kontrol sistemi ve iki ayrı enjeksyon sistemi gereksinimi Yakıtın % 50’sinin dizel olması nedeni ile iki ayrı yakıt gerektiriyor.

Yüzey Ateşlemesi

Tek bir yakıt gerektirmesi

Buji Ateşlemesi

Tek bir yakıt gerektirmesi

Sıcak yüzey eldesi için gerekli enerji büyük olması 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: 1. 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.

2. 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.

3. Metil alkolün saflık derecesinin yüksek olması tercih edilmektedir. Saflık derecesi arttıkça enerji kapasitesi artar. Saflığın derecesinin yeterli olmadığı durumunda karbüratörde korozyona sebep olunur.

4. Sıkıştırma oranı 8.5 olan bir motor, metil alkol kullanılması durumunda sıkıştırma oranı 11’e yükseltilmelidir.

19

5. 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

20

oluşmaktadır. Ayrıca metanolün benzine göre daha düşük alev sıcaklığının olması, yanmanın iyileşmesini, yanma ürünleri içindeki azot oksitlerin NO x ve CO’nin azalmasını sağlamaktadır. Sera etkisini önemli ölçüde etkileyen CO 2 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 CO 2 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 NO x 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.

21

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 C/H oranı Moleküler kütle Özgül kütle Sıvı : Isıl değeri

C2H3OH 0.333 46.07 (kg / dm3)

0.79

(Mj/kg) (Mj/litre)

26.9 21.3

Stokiyometrik karışım için hava/yakıt (kütlesel) hava/yakıt (hacimsel) (kj/litre) molürünler / molreaktantlar Buharlaşma ısısı (Mj/kg) Tutuşma sınırları %hacim λ Adyabatik alev sıcaklığı (0C) Kaynama noktası (0C) Donma noktası (0C) Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) Oktan sayısı ROS MOS

8.96 14.3 3.61 1.06 0.856 3.5-19 0.29-1.92 1924 78.7 -117.7 392 106 89

Etanol temiz, renksiz ve zehirli olmayan bir sıvıdır. Etanolün ısıl değeri benzinden daha düşüktür. Etanol su ile her oranda karışabilme özelliğine sahiptir.

22

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 .2’de uygulanabilecek metodlar ve bu metodların avantaj ve dezavantajları gösterilmektedir. [18,17,32] Tablo 2.3.1.2 Etanolün Dizel Motorlarında Kullanımı İçin Geliştirilen Metodlar METOD Kimyasal Katkı Maddesi

AVANTAJLAR Motorda Değişikliğe Gerek Yok

Emilsyon

Motorda Çok Az Değişiklik Gerektirir

Etanolün ve Dizel Enjektörlerinin Ayrı Kullanımı Yüzey Ateşlemesi

Pilot Enjeksyon İçin Az Miktarda Dizel Yakıtı Gereksinimi Tek Bir Yakıt Gerektirmesi

Buji Ateşlemesi

Tek Bir Yakıt Gerektirmesi

DEZAVANTAJLAR Katkı Maddelerinin Pahallı Olması ve Gerekli Miktarının Çokluğu Yakıtın % 50’sinin Dizel Olması Nedeni İle İki Ayrı Yakıt Tankı Gerektiriyor Karmaşık Kontrol Sistemi ve İki Ayrı Enjeksiyon Sistemi Gereksinimi Sıcak Yüzey Eldesi İçin Gerekli Enerjinin Büyük Olması 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:

23

1. 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 (ε=7.5 için) %7 ; yüksek sıkıştırma oranlarında (ε=9.5 için) %15 verim artışı sağlanmaktadır. Ayrıca alkol kullanımı hava kirliliğini önemli düzeyde azaltmaktadır.

2. 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.

3. 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 NO x ve CO’nin azalmasının sağlamaktadır.

24

2.3.4

Etanol Yakıtlı Motorla Benzinli Motorun Karşılaştırılması

Şekil 2.3.4.9 Otto Motorunda Etanol Oranının Effektif Güce Etkisi

25

Şekil 2.3.4.10 Otto Motorunda Etanolün Efektif Verime Etkisi

26

Şekil 2.3.4.11 Otto Motorunda Etanolün Özgül Yakıt Tüketimine Etkisi

27

Şekil 2.3.4.12 Otto Motorunda Etanolün CO Oranına Etkisi [17]

28

2.3.5

Etanol Yakıtlı Motorla Dizel Motorun Karşılaştırılması

Şekil 2.3.5.13 Dizel Motorunda Etanolün Effektif Güce Etkisi [16] Şekil 2.3.5.14 Dizel Motorunda Etanolün Effektif Verime Etkisi

29

Şekil 2.3.5.15 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 2.3.6.16 Chrysler Playmouth Model Alkol Yakıtlı Taşıtın Şematik Resmi [11]

30

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 2.4.1.3 LPG Özellikleri [26] ÖZELLİKLER İlk Kaynama Noktası (0C) Sıvı Fazın Özgül Isısı (kJ/kg0C) Bir Litre LPG’nin (sıvı fazdaki)buhar hacmi (m3) Hava-gaz Karışımında Patlama Sınırları (havada)hacimce buhar yüzdesi a) Alt b) Üst Kaynama Noktasındaki Buharlaşma Isısı a) Kj/kg b) Kj/l Alev Sıcaklığı (0C) Tutuşma Sıcaklığı (0C)

TİCARİ PROPAN

TİCARİ BÜTAN

TİCARİ PROPAN BÜTAN KARIŞIMI

ÖZEL HİZMET PROPANI

-46

-9

-

-46

1366

1276

-

1366

0.271

0.235

-

0.271

2.15 9.60

1.55 9.60

9.60

2.15 9.60

430 219

388 226

-

430 219

1980

2008

-

1980

493-549

482-538

-

493-549

185 111

140 103

140 -

123 111

Kükürt Miktarı (mg/kg) Oktan Sayısı

31

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 2.4.3 Motorlu Taşıtlarda Kullanılan LPG Teknolojisi 3 2.4.3.1 Birinci Kuşak Sistemler 4 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

32

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 .17’de Birinci Kuşak Sistemlerin şekli görülmektedir.

Şekil 2.4.3.17 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 .18’de bu sistemlerin çalışma şeklini görebiliriz.

33

Şekil 2.4.3.18 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 edilmektedir. Motor performansı 1.ve 2. kuşak sistemlere nazaran çok daha iyidir. Geri tutuşma tehlikesi kesinlikle bulunmamaktadır. Günümüzdeki egsoz emisyon sınır normlarına uyum açısından bir sorun teşkil etmemektedir. LPG tankında bir pompa mevcuttur. Bu pompa LPG besleme hattındaki basıncı her zaman tank basıncının 5 bar üstünde tutmakta ve her enjektör emme zamanında LPG’yi merkezli olarak tam subapın üzerine püskürtür.

LPG kitini meydana getiren parçalar : LPG tankı basınç düşürücü, LPG elekro valfi, LPG pompası, LPG elektronik konrol ünitesi, enjektörler, sensörler, benzin elektronik kontrol ünitesi, benzin enjektör rölesi ve benzin enjektörleridir. Elektronik kontrol ünitesi, LPG gazı ve benzin solenoid valflerini kumanda etmektedir. Kontak açıldığında motora gaz verilmekte eğer motor 3-4 saniye içinde çalışmazsa elektronik kontrol ünitesi gaz solenoidini kapatarak gazı kesmektedir. Motor herhangi bir sebeple ister kontaktan, ister başka bir şekilde stop ettirildiğinde elektronik kontrol ünitesi bu

34

andan itibaren gazı kesecektir. Şekil 2.4.3 .19’de Üçüncü Kuşak Sistemlerin şekli görülmektedir. [5]

Şekil 2.4.3.19 Üçüncü Kuşak Sistemler [5] Taşıtlarda da kullanılabilen petrol gazının önemli bölümünü propan C 3H8 oluşturur. Propanın egsoz emisyonları düşük ve yüksek oktan sayısına sahiptir. En önemli üstünlüklerinden biri metana göre daha kolay sıvılaştırılabilmesidir. Örneğin 21 0 C sıcaklıkta 110 Pa basınç altında sıvılaştırılabilmektedir. Bu özelliği nedeni ile daha kolay sıvılaştırılarak depolanabilmektedir. Sıkıştırılmış petrol gazı, yüksek basınç altında saklanır. Sıvılaştırlımış petrol gazının oktan sayısı 103-105 ‘dir. Oktan sayısının yüksek olmasına rağmen enerji yoğunluğu petrole göre, kütlesel olarak %11, hacimsel olarak %33 daha azdır. Setan sayısı düşük olduğu için dizel motorlarında kullanılmaya uygun değildir.

Sıvı yakıt yerine gaz yakıt kullanıldığında, emilen karışım içinde gaz yakıt daha fazla hacim kapladığından, volümetrik verim ve güç belirgin olarak düşer. Bu güç kaybı 103-105 gibi yüksek oktan sayısına uygun olarak dizayn edilmiş motorlarda giderilebililr. Burada benzin tankı yerine, bagaj bölmesi veya bölmenin altına LPG tankı yerleştirilir. Motorun sıkıştırma oranı, yakıtın oktan sayısına uygun olarak, 10.211’e yükseltilebilir. Emilen dolgu hacmi artacağından emme sistemi uygun şekilde değiştirilmelidir. Ayrıca ateşleme avansı ve kam ayarı uygun şekilde yapılmalıdır. [18] 2.4.4

Motor Performansı

35

Yapılan iyi bir dönüşümde araç performansındaki kayıp %2’yi geçmemektedir.

Bunun yanında eksoz emisyonlarında oldukça fazla iyileşme görülmektedir, benzinli bir araçta benzine göre LPG kullanımı HC emisyonlarında %55, CO emisyonlarında ise %95 azalma sağlayabilmektedir. Parasal olarakta düşünüldüğünde LPG benzine göre şu an Türkiye de %50 daha ekonomik görünüyor.

2.4.5

Egsoz Emisyonları

Ülkemizde de araçlardan kaynaklanan hava kirliliğini azaltmak için yeni araçların belirli bir program dahilinde Avrupa emisyon normuna uyması istenmektedir.

Trafikteki, mevcut araçların emisyon değerlerinin azaltılması için ise herhangi bir çalışma yapılmamaktadır. Özellikle hava kirliliğinin yoğun olduğu büyük şehirlerimizde ticari arabalarda LPG kullanımı araçların hava kirliliğine etkisini büyük ölçüde azaltacaktır. [4] 2.4.6

Bir Benzinli Motorla LPG’li Motorun Grafiksel Karşılaştırılması

Şekil 2.4.6.20 Devir – CO İlişkisi (benzin) [6]

Şekil 2.4.6.21 Devir –CO ilişkisi (LPG) [6]

36

Şekil 2.4.6.22. Devir – HC İlişkisi(benzin) [6]

Şekil 2.4.6.23 Devir – HC İlişkisi(LPG) [6]

Şekil 2.4.6.24. Devir – Yakıt İlişkisi (benzin) [6]

Şekil 2.4.6.25.DevirYakıt İlişkisi(LPG) [6]

37

Şekil 2.4.6.26. Devir – Yakıt Sarfiyatı (TL Olarak) İlişkisi [6]

2.4.7

Günümüzün LPG Yakıtlı Taşıtları

Ford : Ford mühendislerinin belirttiğine göre propan yakıtlı taşıtlar benzin kulanan taşıtlara nispeten daha iyi hızlanma ve soğuk havalarda daha iyi çalışma koşulları sağlamaktadır. Ford çift yakıt sistemli pikapları 1 Şubat 1998’den beri satılmaktadır. Ford’a göre propanın avantajları kolay bulunabilmesi yüksek oktanlı olması, düşük maliyeti ve egsoz emisyonları azaltılması.  Sıkıştırma oranı 9:1’den 10:1’e çıkarılarak propanın yüksek oktan sayısı avantajı kullanıldı.  Propandan ideal yanmayı elde edebilmek için karbüratörün kalibrasyonu değiştirildi.  Propanın gerektirdiği düşük manifold sıcaklığını sağlıyabilmek için manifold dizaynında değişiklikler yapıldı.  Propanın özelliklerine bağlı olarak piston segmanında değişiklikler yapıldı. [33]

38

Şekil 2.4.7.27 Ford LPG’li Aracın Şematik Resmi [41] 2.5

Doğalgazın Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı

Doğalgazın taşıtlarda benzin ve motorine düşük emisyonlu bir alternatif olarak yaygınlaşması özellikle son senelerde dikkat çekmektedir. Doğalgazın birçok ülkede zengin kaynaklarının olması, diğer birçok ülkede ise boru hatları ile yaygınlaştırılmasına rağmen taşıtlarda yakıt olarak kullanılması, diğer uygulamalarına göre biraz yavaş kalmıştır. Son senelerde ise gerek doğalgazın yaygınlaşması, gerekse ekonomik ve çevresel faktörlerin tercihi, taşıtlarda doğalgaz kullanımını bir alternatif olarak gündeme getirmiştir. [20] Araçlarda doğalgaz kullanımı 50 yıldan daha fazla bir geçmişi vardır.

Geçmişten bir örnek vermek gerekirse örneğin Fransa’da Lacq gaz üretim bölgesinde 1950’li yıllarda yaklaşık 10000 araç doğalgazla çalıştırılmıştır. Bu günlerde de araçlarda doğalgaz kullanımı hızla yaygınlaşmaktadır. Tablonun incelenmesinden de anlaşılacağı üzere elimizde istatistiki bilgileri olan bu 14 ülkede 1991 yılı sonu itibarı ile yaklaşık 440000 hafif araç ve 700 ağır araç doğalgaza dönüştürülmüştür. Bugün yaklaşık 1250 adet de doğal gaz dolum istasyonu vardır. Bu sayıya da ev dolum istasyonları dahil edilmemiştir. Tablo 2.4.7 .4’de ülkelere göre doğalgaz yakıtlı araç sayısı verilmiştir.

39

Tablo 2.4.7.4 Dünyada Doğalgazla Çalışan Araçlar [40] ÜLKE İTALYA ARJANTİN YENİ ZELLANDA ABD KANADA BREZİLYA AVUSTRALYA HOLLANDA BANGLADEŞ TAYLAND BELÇİKA JAPONYA İNGİLTERE

TOPLAM 235000 100000 60000 30000 26100 700 626 303 65 31 24 22 112

ARAÇ SAYISI AĞIR ARAÇ 20 10 115 25 300 112 18 13 11 0 1 7

HAFİF ARAÇ 235000 100000 600000

DOLUM İSTASYONU 240 125 350

26075 400 514 285 52 20 24 21 105

328 173+500* 7 30+60* 14+70* 1 2 1 4 24

* : Ev dolum istasyonu Birçok batı ülkesinde doğalgazın araçlarda kullanımı ile ilgili çalışmalar ve araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir.

Bunlara bir örnek vermek istersek dünyada en fazla kara nakil aracı kullanılan ABD’yi incelemek gerekmektedir. Dünyada mevcut 520 milyon otomobil ve komyonun 190 milyonu bu ülkededir. ABD’deki hava kirliliğinin ortalama % 50 sinin bu araçların egsozlarından ötürü ortaya çıktığı belirlenmiştir.

Petrol bağımlı bu araçlarda egsoz emisyonlarını azaltmak için ABD’de çeşitli önlemler alınmış tüm benzinli araçlara katalitik filitreler takılmış, araçların motor tasarımları geliştirilmiş, benzin ve dizel yakıtın yapıları değiştirilmiştir. Bu önlemlerin yeterli olmaması üzerine 1990 yılındaki Temiz Hava Yasası ve 1992 yılında kabul edilen Enerji Kanunu ile de alternatif yakıtlar için çalışmalar başlatılmıştır. Bu iki kanun ile başlatılan çalışmalar bugün 30 eyalette devam etmektadir ve bu yüzyılın sonuna kadar 5 milyon aracın doğalgazla çalışması planlanmaktadır. Bugün EBD’de son bir yılda konuda sadece standartları yaratmak için yapılan harcamaların tutarı 5 milyon Doları geçmiştir.

1992 yılında ABD’de hazırlanarak EBD Temsilciler Meclisine sunulan GAO/RCED 92-119 numaralı raporda, Kanada hükümetinin doğalgazlı araçların

40

yaygınlaştırılması için 45 milyon doları doğrudan teşvik olmak üzere 58 milyon dolarlık bir harcama yaptığı belirtilmiştir. Ülkemizde de Ankara ve İstanbul ‘da taşımacılıkta kullanılan belediye otobüslerinin egsoz gazlarının neden olduğu hava kirliliğini azaltmak için birtakım projeler geliştirilmekte ve doğalgaza dönüşümleri tamamlanan otobüslerin kullanılmasına başlanmıştır. [40] 2.5.1

Doğalgazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Kimyasal denklemi C/H oranı Moleküler kütle Özgül kütle Sıvı : Gaz : Isıl değeri

CH4 0.25 16.04 (kg / dm3) (kg/dm3)

0.424 0.78*10-3

(Mj/kg) (Mj/litre)

50.8 20.8

Stokiyometrik karışım için hava/yakıt (kütlesel) hava/yakıt (hacimsel) (kj/litre) molürünler / molreaktantlar Buharlaşma ısısı (Mj/kg) Tutuşma sınırları %hacim λ Laminar alev hızı (m/s) Adyabatik alev sıcaklığı (0C) Difüzyon katsayısı (m2/s) Kaynama noktası (0C) Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C) Oktan sayısı ROS MOS

17.2 9.53 3.4 1.00 0.509 5-15.4 0.59-2.0 0.37 1954 0.16 -161.3 632 130 105

Doğalgazın büyük bölümünü %90-96 CH4 (metan) gazı oluşturmaktadır. Geri kalan bölümünü ise %2.411 C2H6 (etan), %0.736 C3H6 (propan), %0.371 C4H10 (bütan), %0.776 N2 (azot), %0.164 C5H12 (pentan) ve % 0.085 CO2 (karbondioksit) oluşturmaktadır.

Doğalgazın, Otto motorlarında yakıt olarak kullanılmasında yarar sağlayacak en önemli özelliği oktan sayısın yüksek oluşudur. Ayrıca ısıl değerinin benzin ve alkole

41

göre yüksek olması da bir avantaj sağlamaktadır. Doğalgaz benzine oranla daha yüksek hava fazlalık katsayısı değerlerinde tutuşma olanağına sahiptir. Böylece motorun fakir karışımla çalıştırılıp, yakıt ekonomisi ve egsoz gazları emisyonu açısından yarar sağlanması da mümkün olmaktadır.

Ancak stokiyometrik karışım içindeki yakıtın hacimsel oranının yüksek oluşu (benzin için % 1.65, metan için %9.47) nedeniyle, motorun birim hacmindeki stokiyometrik karışımın ısıl değeri benzine göre %10 mertebesinde daha az olmaktadır.

Ayrıca laminar alev hızının da benzin-hava karışımına göre düşük olması, benzin motorlarında, performans açısından olumsuz etkiler yaratmaktadır. Ancak doğalgazın motor performansı üzerindeki bu olumsuz etkisi, sahip olduğu yüksek oktan sayısı avantajlı kullanılarak motorun sıkıştırma oranının artırılması sonucunda giderilebilmektedir.

Doğalgazın difüzyon katsayısının benzine oranla iki kat fazla olması, hava ile daha kolay ve hızlı karışması, çift yakıtlı motorlarda kullanımı açısından yarar sağlamaktadır. Diesel ilkesine göre çalışan motorlarda doğalgaz, ortam içerisine yapılan pilot püskürtme yardımıyla tutuşturulabilmektedir. Bu özelliği nedeniyle doğalgaz, benzin ve dizel motorlarında önemli değişiklik yapılmadan kullanılabilmektedir.

Yüksek performansa ve düşük emisyonlara sahip bir doğalgaz motorunun yapımı doğru sıkıştırma oranının tespiti ile sağlanmaktadır. Bu oran her motor için değişebilir. Sıkıştırma oranının arttırılmasını motor vuruntusu sınırlamaktadır.

Doğalgazın yüksek oktan sayısına sahip olması sıkıştırma oranının arttırılabilmesini sağlamaktadır. Genel olarak benzin motorlu taşıtlarda sıkıştırma oran 8:1 ve benzin oktan sayısı 90’dır. Fakat ortalama olarak doğalgaz motorunda sıkıştırma oranı 12:1 ve yakıtın oktan sayısı ROS 130, MOS 105’dir. Oktan sayısı yakıtın kalitesine göre daha da az olabilmektedir. Yüksek oktan sayısı demek; vuruntunun ortadan kalkması, daha uzun buji ömrü, yağlama yağının daha fazla kullanımı ve soğuk havalarda iyi çalışma demektir. Doğalgaz motorlarında sıkıştırma oranının yüksek tutulması önemlidir.

Sıkıştırma oranının arttırılması daha fazla termik verim sağlar. Termik verimin artması yakıt tüketiminde azalma demektir. Sıkıştırma oranında bir değişiklik yapılmadan doğalgazın benzin motorlarında kullanılması durumunda güçte %7’lik kayıp meydana gelecektir. Sıkıştırma oranını arttırılması ile motorda benzin yerine doğalgaz yakılması sonucu oluşacak güç kayıplarının üstesinden gelinebilir. Doğalgaz daha hafif moleküler yapıya sahiptir ve silindire giren havanın %10’u teşkil etmektedir. Hava miktarıın azaltılması genellikle güç kaybına neden olurken sıkıştırma oranının arttırılması bu durumu azaltabilir. Ayrıca doğalgazın yanması sonucu oluşan maksimum basınç ve sıcaklıklar benzin motorlarından daha düşük olduğundan, sıkıştırma oranının arttılması sonucu artacak olan basınç ve sıcaklıklar tehlikeli boyutlara ulaşmayıp, ancak benzin motorlarındaki değerlere gelecektir. Dizel motorlarının yüksek sıkıştırma oranlarında çalışması ve doğalgazın oktan sayısının yüksek olması nedeni ile sıkıştırma oranının yüksek tutulabilmesinden dolayı, eğer dizel motorlarında uygun değişiklikler yapılırsa,

42

doğalgazın dizel motorlarında rahatlıkla kullanılabileceğine yaygın olarak inanılmaktadır. Doğalgazın difüzyon katsayısının benzine oranla iki kat fazla olması, hava ile daha kolay ve hızlı karışması, çift yakıtlı motorlarda kullanımı açısından yarar sağlamaktadır. Dizel ilkesine göre çalışan motorlarda doğalgaz, ortam içerine yapılan pilot püskürtme yardımıyla tutuşturulabilmektedir. Bu özelliği nedeni ile doğalgaz, benzin ve dizel motorlarında önemli değişiklik yapılmadan kullanılabilmektedir.

[20,29,1] Doğalgazın korozif özellikleri yoktur. Fakat bazen dünyada değişik bölgelerde elde edilen doğalgaz içerisinde nem olabilmekte; bu da motoru aşındırıcı etki göstermektedir. İçten yanmalı motorlarda, yakıt olarak doğalgazın kullanılması durumunda yanma sonu sıcaklığında düşme olmaktadır. Yanma sonu sıcaklığın düşmesi NOx emisyonlarında azalma sağlayacaktır. Bunun yanında doğalgazın kullanımı, motorlu taşıtların gürültü düzeyinde azalmalar temin edecektir.

Doğalgazın dağıtımı borularla kullanım yerine kadar yapılabilmektedir. Çok temiz ve özellikleri sabit olan bir yakıt türüdür. Çevre kirliliği yapmaz. Doğalgazın depolanması, buharlaştırılması ve karbürasyonu farklı bir şeklide düzenlenmelidir.

Ayrıca sıvı yakıtı gaz haline getirmek, basıncını düşürmek ve motora uygun şartlarda vermek için özel ekipmanlara ihtiyaç vardır. [8,7] 2.5.2

Doğal Gazın Dizel Motorlarında Kullanılması

Gaz yakıtlarının dizel motorlarında kullanımı, dizel çevriminin özelliği nedeniyle, beraberinde çözümü gerektiren bazı problemleri getirmektedir. Bunların başında gaz yakıtlarının tutuşma meyillerinin az oluşu, sıkıştırma zamanı sonunda silindire sokulmalarının güçlüğü ve yüksek sıkıştırma oranlarındaki vuruntu (benzin motorlarındaki) tehlikesi gelmektedir. Gaz yakıtın emme zamanı sırasında, emme havası ile birlikte silindire alınması kolayca sağlanabilmektedir. Bu durumda yakıtın tutuşmaya hazırlık süresi uzadığından vuruntu tehlikesi de artmaktadır. Ancak doğalgazın oktan sayısının yüksek oluşu, uygun bir tutuşma ortamı sağlandığını, dizel çalışması sırasında vuruntudan kaçınılabilme olanağını da sağlamaktadır. [20] Doğalgazın dizel motorlarında kullanılması iki türlü gerçekleştirilmektedir 1. Motor dizel ilkesi ile çalışmaya devam eder; fakat yakıt olarak hem doğalgaz hem de dizel yakıtı aynı anda kullanılır.

2. Dizel motoru otto motoruna dönüştürülür ve yakıt olarak motorda sadece doğalgaz kullanılır.

43

2.5.2.1 Çift Yakıtlı Motorlar Çift yakıtlı motorlarda silindir içindeki doğalgaz-hava karışımının tutuşmasını sağlamak amacayla, motorun kendi püskürtme sistemi ve püskürtme pompası kullanılarak pilot dizel yakıtı püskürtülür. Bu amaçla, silindire sokulan toplan enerjinin %5-10 kadarına karşı gelen miktarda dizel yakıtı, sıkıştırma zamanı sonunda silindire püskürtülür. Püskürtme anında tutuşan pilot yakıt yardımı ile karışım tutuşur. Motor yükünün değişmesi halinde dizel yakıtı miktarının sabit kalmasına karşılık doğalgaz miktarı değişmemektedir. Böylece kısmi yüklerde doğalgaz oranı düşmekte, rölantide çalışmada ise hiç doğalgaz kullanılmamaktadır. [37] Pilot püskürtme demetinin enerjisi, bujide sağlanan enerjinin 10 2-104 katı kadardir. Böylece hava fazlalık katsayısının 1.4-2’lik değerlerinde de ilk tutuşma garanti edilmektedir. Bundan daha önemlisi, pilot püskürtme ile oda şekline uygun püskürtme demeti oluşturularak, ayrıca silindir içinde yaratılan hava hareketinin de yardımıyla, yanmanın odanın her noktasında aşağı yukarı aynı anda başlaması sağlanmaktadır. Bu şekilde 16-17’lik sıkıştırma oranlarında vuruntusuz yanma elde edilebilmektedir. Pilot püskürtme dizel motorunun orjinal enjektörü ile yapılırsa, bu enjektörün deliği pilot püskürtme debileri için göreceli olarak büyük kaldığından, demetin kalitesi kötü olacaktır (demet derinliği az, damlacık çapları büyük). Yanma odası içine oldukça homojen dağılmış olan gaz-hava karışımı, bazı noktalarda tam olarak yanamaz. Bu durumda zararlı egsoz gazı emisyonlarında ve yakıt tüketiminde artış görülmektedir. Ancak orjinal püskürtme enjektörü kullanmanın en büyük avantajı motorun çalışması sırasında doğalgaza veya dizel yakıtına geçişe olanak vermesidir.

Delik çapı pilot püskürtmenin yakıt debisine uydurulmuş, daha küçük delikli enjektör kullanılırsa, yanma verimi ve emisyon açısından bir sorun olmayacaktır. Bu durumda yakıt tüketimi ve emisyon değerleri yaklaşık normal dizel yakıtı ile elde edilen seviyeye, bazen de daha aşağıya inmektedir. [20] Doğalgazın silindir içerisine enjekte edilmesi istendiğinde motor konstrüksiyonunda değişiklik yapılması gerekmektedir. Motor silindir kafasında değişiklik yapılarak ve yakıt olarak gelen doğalgazın basıncı yükseltilerek işlem yapmamız gerekecektir. Sıkıştırma prosesi sonuna doğru gaz yakıt, ayrı bir enjektör vasıtasıyla silindir içerisine enjekte edilir. Burada sıkıştırma sonunda silindir içerisine enjekte edilen pilot yakıtın püskürtme avansı önemlidir. Bu avansın azaltılması gerekir, azaltılmadığı takdirde bu sebeple güç düşmesi olur. Pilot yakıt yardımıyla sıkıştırma sonunda silindir içerisinde tutuşma temin edilir. Bu sistemde, silindir kafası içinde, bir gaz diğeri pilot yakıt olmak üzere iki enjeksiyon valfine ihtiyaç duyulmaktadır.

Motorun normalde olduğu gibi aynı güçte çalışabilmesi için ya yüksek basınçlı gaz enjeksiyonu ya da gaz yakıtla beraber diesel yakıtının birlikte kullanılması gerekmektedir. [9] Gaz yakıt enjektörü ve pilot yakıt enjektörünün silindir kafasındaki yerlere Şekil 2.5.2 .28’de gösterilmiştir.

44

Şekil 2.5.2.28 1. Gaz Yakıt Enjeksiyonu [8] 2. Pilot Yakıt Enjeksiyonu 2.5.3

Doğalgazın Otto Motorlarında Kullanımı

Doğalgaz benzin motorlarında fazla bir değişiklik yapılmadan kullanılabilir.

Benzin motorları istenildiği zaman benzinle, istenildiği zaman doğalgazla çalıştırılabilir. Doğalgazı benzin motorlarında çok az miktarda kullanmamız mümkün olduğu gibi, tek yakıt olarak da kullanmamız mümkündür. Her iki durumda da egsoz emisyonlarında kirlilik azalmakta, özellikle karbonmonoksit miktarında önemli azalmalar olmaktadır. Motor her iki yakıtta Otto çevrimi ile çalışabilir. Elektrikli ateşleme sistemi aynen kullanılır. Doğalgazın benzin motorlarında kullanılması halinde pilot yakıt, ateşleme sistemi ile karışımın ateşlenmesi durumu mevcut olduğundan gerekmemektedir. [9] Bir benzin motoruna gaz/hava karbüratörünün ilavesi ve ateşleme sisteminin motora uygun olarak yeniden düzenlenmesi ile motorun doğalgaz moturu olarak kullanılabilmesi mümkündür. Bunların dışında doğalgazın depolanması ve depodan motora sevki için gerekli basınç regülatörü, emniyet sübabı gibi elemanlar ile sistemin donatılması gerekmektedir. [30] Yüksek basınçta depolanan doğalgazın basıncının regülatörlerde düşürülmesinden sonra gaz karbüratöründe hava ile karışım sağlanmaktadır. Gaz karbüratörlerinin karışımı homojen bir şekilde ve istenen yakıt/hava oranında hazırlanması, motor gücünü düşürmeyecek şekilde akış direncinin mümkün olduğu kadar az olması, motorun tüm çalışma şartlarında emniyetli çalışması, bütün silindirlere aynı yakıt/hava oranında hazırlaması, motor gücünü düşürmeyecek şekilde akış direncinin mümkün olduğu kadar az olması, motorun tüm çalışma şartlarında emniyetli çalışması, bütün silindirlere aynı yakıt/hava oranada karışım göndermesi ve kirletici

45

egsoz emisyonunu gerekmektedir.

düşük

seviyede

tutacak

şekilde

karışımın

hazırlanması

Benzin motorlarında dizel motorlarında olduğu gibi venturi karbüratörü, orifis (delikli) karbüratör, girdap (vorteks) karbüraktör ve değişken sınırlamalı karbüratör kullanılmaktadır. [29] Doğalgaz sahip olduğu yüksek oktan sayısı nedeniyle Otto ilkesine göre çalışan motorlar için uygun bir yakıttır. Ancak, benzine oranla birim kütlesinin sahip olduğu enerji yoğunluğu daha fazla olduğu halde, stokiyometrik oranlardaki karışım enerji yoğunluğu benzine oranla daha düşüktür. Bu nedenle aynı motordan alınacak güç, doğalgaz kullanıldığında düşmektedir. Ayrıca yanma hızının da düşük olması, ısıl verim açısından olumsuz etkiler yaratmaktadır. Ancak doğalgazın tutuşma sınırının, fakir karışımlara doğru gidildikçe, benzine oranla daha geniş olması ısıl verimin bu şartlarda daha yüksek olmasına neden olmaktadır. Şekil 2.5.3 .29’de hava fazlalık katsayısının fonksiyonu olarak ısıl verimin değişimi görülmektedir. Diğer taraftan doğalgaz kullanımı sırasında maksimum momenti sağlayabilmek için ateşleme avansının arttırılması gerekmektedir. Şekil 2.5.3 .30 ‘de hava fazlalık katsayısının fonksiyonu olarak maksimum momenti sağlayacak ateşleme avansının değişimi görülmektedir.

Diğer taraftan doğalgaz kullanımı sırasında maksimum momenti sağlayabilmek için ateşleme avansının artırılması gerekmektedir. Hava fazlalık katsayısının daha fakir değerlerinde bu fark daha da belirgin olmaktadır.

Dizel motorlarının sıkıştırma oranları 18:1 gibi oldukça büyük değerlerdedir, doğalgaz motorlarında bu değerin daha düşürlümesi gerekmektedir. Bunun içinde ya daha küçük pistonlar kullanılır ya da pistonlar talaş kaldırma işlemi ile istenilen 12:1 mertebesinde sıkıştırma oranlarına ulaşılabilinir. Doğalgazı oluşturan elemanlardan metan diğer hidrokarbonlara göre daha az reaktif olduğu için tutuşturulması için de daha yüksek enerjiye ihtiyaç vardır. Bunun içinde daha yüksek enerji veren buji kullanılması gerekir.

46

Şekil 2.5.3.29 Hava Fazlalık Katsayısının Fonksiyonu Olarak Isıl Verimin Değişimi [20]

Şekil 2.5.3.30 Hava fazlalık Katsayısının Maksimum Momenti Sağlayacak Ateşleme Avansı Değişimi [20]

47

Şekil 2.5.3.31 Doğalgaz ve Benzin İçin Güç, Moment, Yakıt Tüketimi, Verim Değişimleri [1] 2.5.4

Egsoz Emisyonu

Motorlu taşıtlarda yakıt olarak doğalgazın kullanılmasıyla veya az miktarda devreye ilave edilmesiyle egsoz emisyonlarında azalmalar olmaktadır. Büyük şehirlerdeki hava kirililiğinde motorlu taşıtların payının fazlalaşması, egsoz emisyonlarındaki zehirli gazların azalmalarını temin eden doğalgazın kullanımanın önemini ortaya çıkarmaktadır. Doğalgazın yakıt olarak motorlu taşıtlarda kullanımı, özellikle şehir trafiğinde seyreden, dizel motorlarında NO x ve HC emisyonlarında azalmalar, benzin motorlarında da CO ve HC emisyonlarında azalmalar temin

48

edecektir. Doğalgazın karbon oranının, diğer petrol yakıtlarına göre, düşük olması egsoz gazlarındaki karbondioksit oranının azalmasına sebep olacaktır. Ayrıca doğalgaz kullanımı, benzinli taşıtların egsoz emisyonlarındaki zehirli kurşun türevlerini tamamen yok edecektir. Doğalgaz oktanı yüksek kurşunsuz bir yakıttır.

Benzin motorlarında ve dizel motorlarında doğalgaz kullanılması durumunda yanma sonu sıcaklığında bir düşme olmaktadır. Gerçekte yanma sonu sıcaklığının artmasıyla NOx emisyonlarında artma gözlenmektedir. Fakat yapılan deneylerde, dizel motorunda ve benzin motorunda, doğalgaza geçilmesi durumunda yanma sonu sıcaklıklarında bir düşme gözlenmektedir. Bu da NOx emisyonlarında bir azalma sağlayacaktır.

CO emisyonları yanma sonu sıcaklığı, yanma verimi, su buharı miktarı ve NO x emisyonlarının oluşumu ile ve hava fazlalığı ile değişim göstermektedir. İyi bir yanma ile CO miktarında düşmeler görülür. Zengin karışımlarda, CO emisyonlarında artmalar gözlenir. Hava katsayısının belirli değerleri arasında sıcaklıkla beraber NO x’de artmalar gözlenir, bu artma olurken buna ters olarak CO misyonlarında azalmalar görülür. HC emisyonlarında da CO emisyonlarına benzer değişmeler görülür. İyi bir yanmayla HC ve CO emisyonlarında düşmeler olurken, sıcaklığın artması ile NOx emisyonlarında artmalar görülür. Doğalgazın yakıt olarak kullanılması ile daha iyi bir yanma ve yanma sonu sıcaklıklarında azalma sağlanır. Bu da CO , HC ve NO x emisyonlarında azalma olacağını göstermektedir.

Doğalgaz kullanılan motorların egsoz emisyonlarında, benzin motorlarına göre daha az miktarda karbondioksit, karbonmonoksit, nitrojenoksit ve metan bulundurmayan hidrokarbonlar olması için genellikle üç yollu katalitik konverter kullanılması tavsiye edilmektedir. Fakat doğalgaz motorundan yayılan egsoz emisyonları kullanılan doğalgazın cinsine, kullanılan motor tipine göre de değişmektedir. [20] 2.5.5

Doğalgaz Yakıtının Taşıtlarda Depolama Şekilleri

Doğalgazın taşıtlarda depolanması ekonomik ve teknolojik yönden problemler doğurmaktadır. Çünkü ister gaz olarak, ister sıvı olarak depolansın doğalgaz yüksek basınç altında depolanmaktadır. Bu da bir yandan depo ağırlığının artmasına, diğer taraftan emniyet açısından bazı problemlere yol açmaktadır. [20] Gerek çift yakıtlı gerekse tek yakıtlı sistemlerde araçlardaki doğalgaz tüplerde depolanmaktadır. Bugün Ankara’da kullanılan sistemde doğalgaz 200 atmosfer basınç altında 8 adet 50 litrelik tüplerde depolanmaktadır. Bu tüplerle araç yaklaşık 150 km.

Yol katedebilmektedir. Yalnız çelik tüplerin en büyük dezavantajları boş tüplerin ağırlığıdır. Her biri yaklaşık 50 kg olan bu tüpler nedeni ile araca ek 400 kg’lık bir yük yüklenmiştir.

49

Bugün boş ağırlığı azaltmak için çalışmalar yapılmaktadır. Bugün ikinci kuşak tüplerde metal ve kompozit bir arada kullanılmakta ve boş ağırlık azaltılmaya çalışılmaktadır. 1993’un ikinci yarısında tümüyle kompozit 200 atmosfere dayanıklı silindirler üretilmeye başlanmıştır. Bu silindirlerin yaygınlaşması ile araçlarda en büyük sorun olan gazların depolanma sorunu ortadan kalkacaktır.

Dünya çapında doğalgaz silindirlerinin standart hale gelmesi için 1990 yılından beri çalışmalar yapılmakatadır. Bu çalışmalar Uluslarararası Standart Organizasyonu (ISO) bünyesinde geliştirilmiştir. Doğalgaz depolama silindirleri ISO Standart taslağı 1993 yılında tamamlanarak yayınlanmıştır. Bu taslağın ISO Standartı haline gelmesi 1994 yılı içinde gerçekleşmiştir.

Bu standarta göre tanklar 10 yılda bir yeniden test edilecekler, tüm tanklar – 400C ile +650C arasında bir problem yaratmayacak ve 250 atmosfer basınca 10000 defa doldurulunca da emniyetlerinden bir şey kaybetmeyecek, darbelere ve yangınlara dayanıklı olacaktır.

Bugün kullanılan teknolojilerde; 200 atmosferde depolanan doğalgazın basıncı, uygulanan teknolojiye göre değişmek üzere kullanılan bir regülatörle 7 bar ile 10 milibar arasında bir basınca düşürülmekte ve hava ile kaırştırılarak emme manifoldundan motora verilmektedir. Aşırı güç taleplerin motorun aşırı ısınmasını ve ani basınç artışlarını önleyen sistemlerle donatılan bu araçlarda, tüpler de darbelere ve kazalara karşı korunmak üzere çelik muhafazalarla taşınmaktadır. [40] 2.5.6

Günümüz Doğalgaz Yakıtlı Taşıtları

Honda : Honda firması Honda Accord model arabasının doğalgaz yakıtlı bir prototipini hazırladı. Doğalgaz arka bagaj altına yerleştirilen iki adet yüksek basınç tankında depolanmaktadır. Doğalgazı, yakıt enjektörlerinde kullanım için uygun basınca düşürmek için iki adet regülatör kullanılmatadır. Birinci kademe basınç regülatöründe gazın sıcaklığını arttırmak için gaz ısıtılır.

General Motors : General Motors şirketi iki yakıtı kullanabilen , çift yakıtlı bir motor üzerinde çalışmalarını sürdürmektedir. Motor hem doğalgaz hemde benzinle çalışabilmektedir. Ateşleme zamanı, hava yakıt karışım oranı doğalgaz kullanım durumuna göre elektronik olarak ayarlanmaktadır. GM Chevrolet bölümü tarafından hazırlanan 5.7 litre motor küçük pick-uplarda, okul otobüslerinde 1997 yılı içerisinde kullanılmaya başlandı. [23] 2.6

Yağların Otto ve Dizel Motorlarında Kullanımı

Bitkisel yağların alternatif dizel yakıtı olarak kullanılabilmesi ile ilgili çalışmalar uzun süreden beri devam etmektedir. Geçmişte de bir çok araştırmada dizel yakıtı olarak bitkisel yağların kullanımı gerçekleştirilmiştir. 1920 ‘lerden daha önceden

50

de bitkisel yağlar denenmiştir. Fakat en yoğun çalışmalar 1970’li yılların petrol krizi boyunca petrol yerine kullanılması düşünülen alternatif yakıtların araştırılması ile başlamıştır. Bir çok devlette bu yönde bir teşvik vardı. Bu devletler, enerjiye gerekli önemi verip kendi memleketlerindeki petrol dışı enerji kaynaklarını kullanmaya çalışmıştır. Bitkisel yağlar ile ilgili başlıca çalışmalar; soya fasulyesi, ayçiçeği, yer fıstığı, pamuk çekirdeği, zeytin, kolza tohumu, palmiye ve susam yağları ile bunların karışımları veya bunların ayrı ayrı esterleri üzerinde yapılmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları olarak araştırılan bu bitkisel yağların bir çoğu dizel motorları için kullanılabilir bir yakıt olarak görülmüştür; bu yağların kendisi veya diğer yakıtlar ile belli oranlardaki karışımları içten yanmalı motorlarda işler bir hale getirmeye yardımcı olacaktır. [31,25] 2.6.1

Rafine Edilmiş Ayçiçek Yağının Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Özgül kütle Vizkozite 380C’de Parlama Noktası Asit Değeri Nem Değeri Isıl Değeri

(gr/ml) (mm2/s) (0C) (mg/g) (%) (kj/kg)

0.917 33.9 275 0.1 0.03 40600

Değişik araştırmalar, büyük bir potansiyele sahip olan ayçiçek yağını dizel motorları için bir alternatif yakıt olarak kullanımının uygun olacağını göstermiştir. Bir alternatif yakıtın kolay elde edilmesi, onun istenilen derecede üretim miktarına bağlıdır.

Ayçiçek yağının üretimi ekim yapılan alanların genişliğine bağlı olarak değişmektedir.

Ayçiçek yağının dizel motorlarında yakıt amaçlı olarak kullanılabilmesi için bazı özelliklerinin dizel yakıtınkine yakın olması gerekir. Bu sağlandığı taktirde motor üzerinde hiç bir değişiklik yapılmadan bu yağın motor yakıtı yerine geçebilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Ayçiçek yağının yakıt olarak bazı avantajları vardır: Yakıtın sıvı oluşu ve sıvılar gibi taşınabilirliği, ısıl değerinin yüksek oluşu gibi. Tabi bunun yanında dezavantajları da vardır: Yüksek vizkozitesinden dolayı makina parçaları arasında yavaş akma, düşük uçuculuk ve doymamış hidrokarbon zincirinden dolayı reaksiyona girebilme yeteneğinin az olması. Ayçiçek yağının setan sayısı 35-40 civarında olup yağın kalitesine bağlı olarak değişmektedir.

2.6.2

Motor Performansı

Yakıt olarak ayçiçeği yağı kullanılarak yapılan ilk deneylerde motorun ilk harekete zor geçtiği, düşük devirlerde motorun vuruntulu çalıştığı, deneysel çalışmalardan sonra enjektör meme ucunun karbon birikintileri ile kaplı olduğu görülmüştür. Piston başının tamamı üniform bir karbon birikimi göstermiştir. Manifold ve emme kanallarının cidarları ve egsoz sisteminin cidarları normal bir görünüm

51

göstermiştir. Egsoz ve emme subapları başlarında ayçiçek yağı ve dizel yakıtı için kısa süreli çalışmalarda fazla bir fark gözlenmemiştir. İyi bir yanma sağlayabilmek için püskürtülen yakıt taneciklerinin %20’sinin çapı 0.005 mm’den, %30’unun çapı 0.015 mm’den ve kalan kısmının 0.06 mm’den büyük olamsı gerekir. Yakıt taneciklerinin büyüklüğü, tutuşma gecikmesi peryodu ve buna bağlı olarak vuruntu üzerinde etkisi büyüktür. Yüksek viskozitenin enjektör memesinin (orifis) daralması, segman yapışması ve karbon birikintilerine sebep olduğu, ayrıca motorun ilk çalışmasını zorlaştırdığı ve vuruntuya arttırdığı bilinmektedir. Vizkoziteyi düşürmek ve setan sayısını için yakıt ısıtılmıştır. Ayçiçek yağının 1450C’ye kadar ısıtılması ile 400C’deki dizel yakıtının viskozitesine yaklaştığı görülmüştür. Isıtılmış olarak silindir içerisine püskürtülen yağ, püskürtme karakterleri önemli ölçüde iyileşmektedir. 1450C’de setan sayısı da 39’a yükselip bu dizel yakıtına yakın görülmektedir. [10,31] 2.6.3

Kullanılan Karışımlar

Bitkisel yağlar dizel yakıtı ile karıştırılarak motorlarda yakıt olarak kullanılırlar.

Bunlarından üç tanesi : 2.6.3.1 Dizel - Ayçiçekyağı karışımları

-

-

-

Karışımların %100 dizel ile yaklaşık aynı güç değerlerine ulaştığı %85 dizel + %15 ayçiçekyağı ile %100 dizele göre daha yüksek motor momentine ulaşılırken, %80 dizel + %20 ayçiçekyağı ile %100 dizele göre daha düşük moment değerlerine ulaşıldığı, %80 dizel + %20 ayçiçekyağı karışımı ile özgül yakıt sarfiyatının daha yüksek olduğu ve %85 dizel + %15 ayçiçekyağı karışımının ise düşük devir sayılarında %100 dizele göre daha ac ve büyük devir sayılarında ise daha yüksek olduğu, Egsoz gazı siyahlık derecesinin %80 dizel + %20 ayçiçek yağı karışım ile daha düşük olduğu tespit edilmiştir.

2.6.3.2 Dizel - Soya yağı karışımları -

-

Karışımların %100 dizel ile yaklaşık olarak aynı değerlere ulaşıldığı, Karışımların moment değerlerinin de %100 dizel değerlerine yakın olduğu, Yakıt sarfiyatının %80 dizel + % 20 soyayağı karışımında %100 dizel ve %85 dizel + %15 soyayağına göre düşük devir sayılarında yüksek devir sayısı yükseldikçe %85 dizel + %15 soya yağının özgül yakıt sarfiyatının arttığı, Egsoz gazı siyahlık derecelerine %100 dizel kullanıldığında diğer karışımlara nazaran yüksek görülmüştür.

52

2.6.3.3 Dizel - Pamukyağı Karışımları -

%85 dizel + % 15 pamukyağı karışımının güç değerlerinin %100 dizel ile ve %80 dizel + %20 pamukyağını göre yüksek olduğu, Aynı şekilde moment değerlerininide %85 mazot + % 15 pamukyağı karışımı değerlerine göre yüksek olduğu, Yakıt sarfiyatının %85 mazot + % 15 pamuk yağı karışımında % 100 dizel ve % 80 dizel + % 20 pamukyağına göre yüksek olduğu tespit edilmiştir.

2.6.3.4 Yakıtın Kullanılma Sonuçları Ayçiçek yağı kısa süreli deneylerde dizel yakıtı ile karşılaştırılabilir derecede kullanışlı olmaktadır. Uzun süreli denemelerde yağlama yağında bazı problemler baş göstermektedir. Bunun yanınıda piston segmanlarında reçine oluşması ve yapışması ile enjektör püskürtme problemleri meydan gelmektedir. Püskürtmede normal bir dağılım elde edilememektedir. Dizel yakıtına nazaran ayçiçek yağı CO ve partikül emisyonlarına meyilli olduğu gözlenmiş olup bu emisyonların miktarında artış olmuştur.

Ayçiçek yağının dizel yakıtı olarak kullanımında meme ucunda karbon birikintileri görülmüştür. Oluşan karbon birikintilerinden dolayı meme delik çapında meydana gelen daralmadan sonra yakıt atomizasyonu zamanla kötüleşmektedir. Bu da yanmanın kalitesine etki etmektedir. Enjektör iğnesinin etrafında oluşan reçine tabakası iğnesinin serbest hareketini engellemektedir. Bunun sonucunda meme iğnesinin yapışması ve iğnenin yeniden açılmaması gibi problemler ortaya çıkmaktadır. [14] 2.6.4

Bir Dizel Motorla Ayçiçek Yakıtlı Motorun Grafiksel Karşılaştırılması

Şekil 2.6.4.32 Devir – Özgül Yakıt Tüketimi İlişkisi [10]

53

Şekil 2.6.4.33 Devir –Egsoz Gaz Sıcaklığı İlişkisi [10]

Şekil 2.6.4.34 Devir –Isıl Verim İlişkisi [10]

Şekil 2.6.4.35 Devir – CO İlişkisi [10]

54

3

GELECEKTE KULLANILABİLECEK YAKIT TİPLERİ

Gerçekte tek bir otomobilin çevreye yaydığı gazların tutarı çok da fazla değildir. Ne var ki otomobil sayısı artınca durum değişiyor. Bugün büyük kentlerdeki hava kirliliğinin birinci nedeni yüz binlerce (hatta milyonlarca) taşıtın çıkardığı gazlardır.

Bir taşıt, yakıtın motorda yanmasıyla ortaya çıkan kuvvet sayesinde ilerler bu yanma sonrasında zararlı yan ürün olarak birtakım gazlar oluşur. Bu gazlar da hava kirliliğine ve küresel ısınmaya yol açar.

Benzin ve dizel yakıtları, hidrokarbon olarak anılan, hidrojen ve karbon içeren bileşiklerdir. Kuramsal olarak kusursuz bir motorda, havadaki oksijenle yakıttaki hidrojen birleşerek suya dönüşürken yakıttaki karbonla birleşen oksijen de karbondioksite (CO2) dönüşür. Motorda gerçekleşen bu yanma sürecinden havadaki azot (N) hiç etkilenmez. Ne var ki gerçekte yanma süreci kusursuz değildir ve bu sırada motorda birkaç çeşit zararlı gaz da ortaya çıkar. Bu gazlar, hidrokarbonlar, azot oksitler ve karbonmonoksittir. Hidrokarbonlar, motorda yanmayan ya da kısmen yanan yakıt molekülleridir. Bunlar güneş ışığı altında ve azot oksitlerin bulunduğu bir ortamda yer düzeyinde ozon (O3) oluştururlar. Ozon, gözleri tahriş eder ve ciğerler için zararlıdır.

Solunum sorunlarına yol açar.

Motorun yüksek basınç ve sıcaklık altındaki ortamında, havadaki azot ve oksijen atomları da tepkimeye girerek değişik azot oksit bileşikleri oluşturur. Bunlar kısaca NOx biçiminde gösterilir. Azot oksitler de hidrokarbonlar gibi ozon oluşumuna neden olur. Ayrıca asit yağmurlarının oluşumunda da rol oynar.

Karbonmonoksit yakıt moleküllerindeki karbon (C) ile havadaki oksijenin tam olarak yanmadan birleşmesiyle oluşur. Karbon monoksitin kan dolaşım sistemi üzerinde zehirleyici etkisi vardır, özellikle de kalp rahatsızlığı olanlar için tehlikelidir.

Karbondioksit doğrudan insan sağlığını tehdit etmez. Ne var ki sera etkisine yol açan gazların başında geldiğinden küresel ısınmaya yol açmaktadır.

Taşıtların egsoz borularından çıkan bu gazlardan başka, bir de yakıt depolarında buharlaşan yakıtın oluşturduğu gaz salımı vardır. Bu yakıt buharı, sıcak günlerde havadaki hidrokarbon kirliliğinin önemli bir bölümünü oluşturur. Park halindeki taşıtların yakıt depolarndaki yakıt, çevre sıcaklığının artmasıyla buharlaşmaya başlar.

Gitmekte olan taşıtlardaysa ısınan motorlar, az da olsa yakıt buharlaşmasına yol açar.

Ayrıca yakıt deposunda her zaman bir miktar benzin buharı vardır ve depoya yeni benzin doldururken bu buhar havaya karışır.

55

1970’lerde bu yana taşıtların yaydığı egsoz gazlarının miktarında bir düşüş olmuştur. Bunun sebebi motor tasarımlarındaki gelişmeler ve hidrokarbon buharlarıyla azot oksitleri azaltıcı sistemlerin eklenmiş olmasıdır. Ayrıca 1975’te katalitik dönüştürücü icat edilmiştir. Bununla birlikte hidrokarbonların ve karbonmonoksidin atmosfere salımı biraz daha azalmıştır. Havadaki kurşun düzeyinin düşmesinede de 1975’te yaygın olarak kullanılmaya başlanan kurşunsuz benzinin büyük rolü olmuştur.

Böylece kurşun kirliliğine bağlı, insan sağlığına ve çevreye yönelik sorunlar azalmıştır.

3.1

Temiz Hava Yasası

1990’DA ABD’nin California eyaletinde çıkan bir yasa, çevreye zararlı gaz yayan geleneksel taşıtların yerine, bu tür gazları hiç yaymayan taşıtların üretilmesini zorunlu kıldı. Bu tür taşıtlara kısaca ZEV (Zero Emission Vehicle) deniyor. Bu yasaya göre otomobil şirketleri 1998’de California’daki üretimlerinin %2’sini ZEV olarak gerçekleştermek zorundalar. Bu oran 2001’de %5’e ve 2003’te de %10’a yükselecek.

Bu da bu yıldan itibaren yılda ortalama 20 000 ZEV üretimi demektir. Üretimlerini bu doğrultuda değiştirmeyen şirketler üretmeleri gereken ama üretmedikleri her ZEV için 5000 dolar ceza ödeyecekler. California’da çıkan bu yasadan hemen sonra, New York ve Massachusetts’te de benzer yasalar çıktı. Doğal olarak bu yasalar, ABD otomobil üretecilerini zor duruma soktu. Dev otomobil şirketleri hemen bu yasalara karşı çıktılar.

Yasaların iptali yönünde çalışmaya başladılar. Ne var ki bu çabalarının başarısız olabileceğini de gözönüne alarak, istenilen türde çevreye ve insan sağlığına zarar vermeyen taşıt teknolojileri için Ar-Ge çalışmalarını da başlattılar.

Aslında yasaya uygun taşıt üretmek için, üzerinde çalışabilecek çok fazla seçenek yoktu. Şirketler doğalgaz ya da sıvılaştırılmış petrol gazıyla (LPG) çalışan ve çıkan gazları oldukça azaltan taşıtların deneme modellerini ürettiler. Hatta Ford Otomobil Şirketi bazı ürünlerini piyasaya da sürdü. Ama gerek LPG gerekse doğalgaz yenilenebilir enerji kaynakları değildi. Artan taşıt sayısı ve taşıtların artan kullanımıyla birlikte, bu kaynakların dünyada sınırlı miktarda olduğu göz önüne alındığında bu tür taşıtların belki bir ara çözüm olabileceği anlaşıldı. Çok geçmeden de üzerinde asıl çalışılması ve gerçekleştirilmesi gereken taşıt tipi kendini belli etti : Elektrikli Taşıt Dünyanın önde gelen otomobil şirketleri 1990’lı yıllarda elektrikli taşılar üzerinde yapılan Ar-Ge çılışmalarına hız verdiler. Bu çalışmalarda bilim adamları, üç tür elektrikli taşıt üzerinde yoğunlaştı : - Akümülatörlü taşıtlar - Hibrit (elektrikli/ benzinli) taşıtlar - Yakıt pilli taşıtlar Akülü eletrikli taşıtlarda tek enerji kaynağı olarak elektrik akümülatörü kullanılıyor. Bütün büyük otomobil şirketleri, akülü taşıt modellerinin deneme üretimlerini gerçekleştirmiş durumda. Performansları birbirinden çok farklı olan bu taşıtların çoğu kurşun-asit akülü olup doğru akım motorlarıyla çalışıyorlar. Ama bazı

56

şirketler lityum-demir, nikel-metal hibrit ve lityum-polimer aküleri geliştirmeye uğraşıyorlar.

Hibrit taşıtlarda iki ayrı güç kaynağı bulunuyor; bir akü ve benzinle çalışan küçük bir içten yanmalı motor. Son yıllarda akülerin yerini alabilecek ultrakapasitörler geliştirilmiş durumda. Bunlar elektriği doğrudan depolayan ve gerek duyduğunda veren aygıtlar. Ultrakapasitörlerde elektrik depolanması, akülerde olduğu gibi kimyasal bir süreçle olmuyor. Üçüncü tür elektrikli taşıtların teknolojisiyse biraz farklı. En çok umut vaat eden teknoloji de bu. Yakıt pilli elektikli taşıtlarda akülerin yerini bir yakıt pili bloku ve bir de yakıt deposu alıyor. Depoda hidrojen ya da renkli ispirto adıyla bilinen metanol (CH3OH) gibi hidrojen içeren bir yakıt bulunur. Eğer yakıt olarak metanol kullanılıyorsa, o zaman taşıtta bir de metanoldeki hidrojeni ayırmak için kullanılan bir aygıt bulunuyor.

3.2

Yakıt Pilleri

Aslında yakıt pilleri bilim adamları için hiç de yeni bir konu değildir. İlk yakıt pili günümüzden yaklaşık 150 yıl önce İngiltere’de tasarlanmış. Bu tasarımın yaratıcısı Sir William Grove ilk yakıt pilini 1839 da yapmıştır.

Yakıt pillerinde yakıt olarak metanol, etanol, doğalgaz , LPG ya da hidrojen kullanılabilir. Ama tüm bu yakıtlar arasında enerji verimi en yüksek olanı hidrojendir.

Ayrıca hidrojen, yan ürün olarak yalnızca su baharı çıkartır. Öteki yakıtlarsa, az da olsa zehirli ya da sera etkisine yol açan gazlar yaymaktadırlar. Bunların enerji verimi de hidrojeninki kadar yüksek değildir. Şekil 2.6.4 .36’de bir yakıt pilinin elemanlarını göstermektedir.

57

Şekil 2.6.4.36 Yakıt Pili Elemanlarını Gösteren Şematik Resim [27] İçten yanmalı benzin motorlarında yapılacak birtakım değişikliklerle, hidrojen bir yakıt olarak rahatlıkla kullanılabiliyor. Hidrojen, içten yanmalı bir motorda yakıldığında hiç korbonmonoksit, hidrokarbon ve partikül ya da karbondioksit yaymıyor. Tek zararlı yan ürünü, yanma sırasında yüksek motor sıcaklığıda havadaki azotla oksijenin birleşmesi sonucunda oluşan NOx’ler. Ama bu NOx düzeyi de benzinle çalışan günümüz taşıtlarının %10’u dolayında, insan sağlığı ve çevre sorunları açısından bakıldığında hidrojen, geleneksel içten yanmalı motorlu taşıtlar için bile daha iyi bir yakıt.

Yakıt pilleri elektrokimyasal bir süreç sonunda yakıtta depolanmış enerjiyi doğrudan doğru akıma dönüştürüyor hareketli parçalar yoktur. Bu süreçte, geleneksel taşıtlarda olduğu gibi bir yanma evresi de bulunmuyor. Bu nedenle temiz bir çevre ve insan sağlığı açısından eşsiz bir teknoloji.

Bütün yakıt pilleri aynı temel ilkelerle çalışır. Yakıt pillerinde iki ince elektrot ve bunların arasına sıkıştırılmış bir elektrolit bulunur. Anoda gelen yakıt, orada iyonlara ve elektronlara ayrışır. İyonlar elektrolitten geçip katoda ulaşırken elektronlar da bir elektik devresi üzerinden OC motoruna gönderilir. Katotta iyonlar oksijenle birleşip su buharı ve karbondioksit üretir. Yakıt pilinde kullanılan yakıta ve elektrolite bağlı olarak farklı tepkimeler olur. Farklı tepkimelerde de değişik yan ürünler ortaya çıkar.

-

Kullanılan elektolite göre dört çeşit yakıt pili vardır: Fosforik asit Ergimiş korbonatlı Katı oksitli Proton geçiren zarlı (PEM)s

Bu dört farklı yakıt pili arasında, taşıtlarda kullanıma en uygun olanı PEM’li yakıt hücreleridir.

PEM’li yakıt hücrelerinde elktrolit olarak ince bir zar (PEM) kullanılıyor. Zarın iki tarafında iki plaka (elektrotlar) bulunuyor. Bu elektrotlardan birine oksijen ötekine de hidrojen veriliyor. Doğal olarak bileşme eğilimindeki iki gazın arasındaki zar, birleşme sürecini değiştiriyor. Bu zar yalnızca hidrojen atomu çekirdeklerinin (tek proton) geçmesine izin veriyor. Elektronlarsa elektrotta kalıyor. Böylece bu elektrot (anot) eksi yükleniyor. Öte yandan karşı tarafa geçen protonlar da o elektortu (katot) artı yüklüyor. Bu iki elektrot arasında kurulan bir elektrik deveresinde de akım oluşuyor. Bu olayın yan ürünü olarak oksijenin hidrojenle birleşmesinin sonucunda su ortaya çıkıyor. Eğer yakıt pilinde yakıt olarak hidrojen yerine doğalgaz kullanılırsa yan ürün olarak az bir miktar CO2 oluşuyor. Ama doğlagazdan elde edilen enerjinin verimi hidrojeniniki kadar yüksek değildir.

58

Gerçekte benzinle çalışan taşıtların yerine hidrojenle çalışanların geçmesi yalnızca taşıt tasarımındaki değişiklikten ibaret değildir. Söz konusu olan , 21. yüzyılda yepyeni bir taşıma sistemine hatta yepyeni bir enerji sistemine geçilmesi. Bu yeni sistemde artık petrol rafinerilerine, rafinerilerden benzin istasyonlarına yakıt taşıyan tankerlere gerek kalmayacaktır. Benzin istasyonlarının yerini hidrojen istasyonları alacaktır. Üretilen hidrojeni istasyonlara ulaştıran bir dağıtım şebekesi kurulacak. Bu dağıtım, belki boru hatlarıyla belki de yine tankerlerle gerçekleştirilecek. Büyük hidrojen üretim merkezleri kurulacak. Tablo 2.6.4 .5’de bu yakıt pillerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri verilmiştir.

Yakıt pilleriyle çalışan ve yakıt olarak hidrojen kullanan taşıtların bir sorunu daha var; hidrojenin depolanması. Bunun için iki yöntem üzerinde duruluyor. Birincisi yüksek basınç altında sıkıştırılmış gaz olarak depolanması. İkincisi de yine yüksek basınç altında ve düşük sıcaklıkta sıvılaştırlmış hidrojen biçiminde.

Tablo 2.6.4.5 Yakıt Pillerini Kimyasal Özellikleri [34] YAKIT PİLİNİN TİPİ KULLANILAN ELEKTROLİT İŞLETME SICAKLIĞI KULLANILAN YAKIT YAKICI MADDE ENERJİ VERİMLİLİĞİ KULLANIM ALANI

3.2.1

Fosforik asitli

Katı oksitli

PEM’li

Seramik

Polimer

1900C

Ergimiş karbonatlı Ergimiş karbonat tuzu 6500C

10000C

800C

H2

H2/CO

H2/CO2/CH4

H2

O2/Hava

CO2/O2/Hava

O2/Hava

O2/Hava

%40-50

%50-60

%45-55

%40-50

Uzay ve savunma projeleri

Elektrik üretimi

Elktrik üretimi

Ulaştırma,taşını bilir enerji kaynakları

Fosforik asit

Yakıt Pilli Araç Geliştirme Çalışmaları

Daimler-Benz : 1990’ların başında hemen hemen bütün büyük otomobil şirketleri yakıt pilleriyle işleyen otomobillere yönelik araştırma programı başlattılar. Bu şirketlerden Daimler-Benz Toyota ile öne geçti. Geçtiğimiz nisan ayında Daimler-Benz yetkilileri yakıt pilli taşıtlara geçiş için hazırladıkları zaman çizelgesini basına gösterdi.

Aynı günlerde yakıt pilleri alanında lider durumdaki Kanada şirketi Ballard Power

59

Systems’in dörtte bir hissesini de aldı. Ballard Daimler-Benz ortaklığı neticesinde 1994 yılı mayıs ayında PEM’li yakıt pilleriyle çalışan ilk otomobili birlikte ürettiler ; NACAR I (New Electric Car) . NECAR I iki kişi taşıyabiliyordu. Menzili de yalnızca 130 km’ydi. İki yıl sonra yine Mayıs ayında NECAR II üretildi. NECAR II altı kişi taşıyabiliyordu ve menzili de iki katına çıkarlmıştı : 250 km. NECAR I ‘den %20 daha hafif olan bu minibüsün erişebildiği en yüksek hız da 90 km/saat’di. 1997 başlarında NEBUS adlı otobüs üretildi. 250 km menzilli bu otobüs kent içi ulaşımında geleneksel otobüsler gibi rahatlıkla kullanılabiliyor. NEBUS çatısındaki güneş panelleri sayesinde ek bir elektrik üretimi daha gerçekleştirebiliyor. Bu elektrik de otobüsün havalandırma sisteminde kullanılıyor. Aynı yılın Eylül’ünde NECAR III halka gösterildi. NECAR III önceki üç taşıttan da farklıydı. Yakıt olarak hidrojen değil metanol kullanıyordu.

Metanoldeki hidrojen , otomobilin seyri sırasında ayrıştırılıp yakıt pillerine veriliyordu.

Yakıt olarak benzin ve dizel de düşünülmüş ama bunların verimleri düşük olduğundan metanol yeğlenmiş. Metanolün yakıt olarak kullanılmasının bir çok üstünlükleri var.

Metanol de tıpkı benzin gibi oda sıcaklığında sıvı bir maddedir. Yani benzin istasyonlarında önemli bir değişikliğe gidilmeden kolaylıkla satılabilir. Taşıtlarda metanol için gereken yakıt deposu hidrojeninkinden çok daha küçük ve hafiftir.

NECAR III bir depo (40 litre) metanolle 400 km gidebiliyor. Daha önceki modeller gibi NECAR III’ün de egsoz borusundan yalnızca su buharı çıkıyor. Otomobil çok sessiz ilerliyor. İçindeyken bir konpresörün hafif mırıltısı duyuluyor; dışırıdansa hiç ses duyulmuyor. Öyle görünüyor ki 21. Yüzyılda dünya dengeleri petrol üzerine değilde yeni ve temiz bir enerji kaynağı olan hidrojen üzerine kurulacak. Dünyanın en büyük petrol şirketleri, otomobil üreticileri ve elektrik şirketleri hidrojenden elektriği en verimli biçimde üretecek yakıt pillerini geliştirmeye çalışıyor. Gelişmelere bakılırsa iki binli yıllara yakıt pilli taşıtları kullanarak gireceğiz. Yüzyılın ortalarına doğra da evlerimizde, işyerlerimizde kullandığımız elektrik yine yakıt pilli santrallerde üretiliyor olacaktır. [28,34] Necar I ve Necar II yakıt olarak doğrudan hidrojeni kullanıyorlardı. Yakıt deposunun ve öteki aygıtların büyüklüğü nedeniyle bu taşıtlar minibüs tipindeydi.

Ancak Necar III’te yakıt olarak metanolün kullanılması yakıt deposunu çok küçülttü.

Donanımın geri kalanındaki küçülme sonucunda da günümüz otomobillerniden hiçbir farkı olmayan bir elektrikli otomobil ortaya çıktı. [27] Necar 4 Hamburg’da verilen 1999 Uluslararası Yılın motor ödülünü, en iyi motor fikri olarak aldı. Engine Technology International dergisinin editörü Graham Johnson, sonucun yakıt pili teknolojisinin arabalarda geleceğin yakıt sistemi olduğunu gösterdiğini söyledi.

Necar 4 Mercedes – Benz’in A serisi baz alınırak yapılmış ve sıvı hidrojen ile çalışan bir arabasıdır. Yakıt pili hidrojen ve oksijeni reaksiyona sokarak arabanın gitmesi için gerekli elektriği üretiyor. Necar 4 sıfır emisyona sahip ve bir tank yakıtla 280 mil (450 km) gidebiliyor. Araç 90 mph (145 km/s) hıza ulaşabiliyor ve 5 kişi

60

taşıyabiliyor. Necar 4’ün bir önceki modeli Nacar 130 mph hıza ulaşabiliyordu.

Daimler Chrysler 2004 yılında aracı az miktarda da olsa seri üretim olarak üretmeyi düşünüyor. Şirket 2004 yılına kadar 11.4 milyon doları yakıt pili teknolojisinin geliştirilmesine harcamayı düşünüyor.

Daimler Chrysler’in başkanı Bob Eaton, teknolojik engellerin aşıldığını, gelecek adımın aracın fiyatının ödenebilir bir düzeye çekmek olduğunu söylüyor. Firma bugüne kadar 5 tane yakıt pili prototipi üretmiş bulunuyor.

Necar 4, aracın arkasında bulunan ve termosa benzeyen cryogenic silindirde saklanan sıvı hidrojen ile çalışmaktadır. Yakıt daha sonra (proton değişim zarlı yakıt hücresi)(Proton Exchange Membrane Fuell Cell) PEMFC’in içerisinde platinyum kaplı zar hidrojeni proton ve elektronlarına ayrılır, daha sonra bunlar oksijenle birleştirilerek su oluşturulur. Su oluşturulurken, elektron ve protonlar, negatif ve pozitif terminaller meydana getirir ve elektrik üretilmiş olur. Arabanın diğer bir özelliği de normal arabalarda daha sessiz çalışmasıdır.

61

Şekil 3.2.1.37 NECAR III [27]

Şekil 3.2.1.38

NECAR IV [27]

62

4

TAŞITLARDA KULLANILABİLECEK TİPLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

4.1

ALTERNATİF

YAKIT

Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Bakımından Karşılaştırılması

Tablo 3.2.1.6 Alternatif Yakıtların Fiziksel ve Kimyasal Olarak Karşılaştırılması

Kimyasal Denklemi C/H Oranı Moleküler Ağırlığı Özgül Ağırlığı sıvı (kg/dm3) Gaz (kg/dm3) Isıl Değeri (Mj/kg) (Mj/litre) Stokiyometrik karışım için Hava/yakıt(kütlesel) Hava/yakıt(hacimsel) (kj/litre) Molürünler/molreaktantlar Buharlaşma ısısı(mj/kg) Tutuşma sınırları % hacim λ Laminar alev hızı (m/s) Adyabatik alev sıcaklığı (0C) Difüzyon katsayısı (m2/s) Kaynama noktası (0C) Donma noktası (0C) Kendi kendine tutuşma sıcaklığı (0C)

HİDROJEN METAN METANOL ETANOL H2 CH4 CH3OH C2H3OH 0 0.25 0.25 0.333 2.02 16.04 32.04 46.07

BENZIN (C8H18)a 0.556 91.4

DİZEL 0.520 170

0.07 0.84*10-4

0.424 0.78*10-3

0.790

0.790

0.73a

0.83

119.93 8.41

50.8 20.8

20.1 15.9

26.9 21.3

43.4 31.8

43.1

34.32 2.38

17.2 9.53

6.44 7.14

8.96 14.3

14.7 45.79

14.5

3.20

3.40

3.53

3.61

3.78

0.85

1.00

1.06

1.06

1.04

0.447

0.509

1.102

0.856

0.272a

0.3

4.1 – 74

5-15.4

6-37

0.15-4.35

0.59–2.0

0.24–2.22

3.5-19 0.29– 1.92

1.3-7.6 0.29– 1.67

0.481.35

2.91

0.37

0.52

2110

1954

1878

0.61

0.16

-252.35

-161.3

-259 574-591

632

63

0.37 1924

1993a 0.08

65.1

78.7

32-221

-97.6

-114.1

-56a

470

392

257

170350

Oktan Sayısı ROS MOS

130

130 105

110 87

106 89

91-100 82-94

Tutuşma sınırları bir yakıtın içten yanmalı motorlarda kullanımında önem teşkil etmektedir. Tutuşma sınırları sayesinde bir yakıtın fakir karışımlarda ve zengin karışımlarda motorda kolaylıkla yanıp yanamayacağı sonucuna varılabilir. Yukarıdaki verilere göre hidrojen gazının farklı hava yakıt karışım oranları için tutuşma sınırlarının çok geniş olduğu ve bunun da hidrojenin motorlarda kullanılması durumunda yarar sağlayacak önemli bir özellik olduğu sonucuna varılabilir. Tutuşma sınırları bakımından alternatif yakıtları bir sıralamaya sokarsak: 1. Hidrojen 2. Metanol 3.Etanol 4. Doğalgaz 5. Benzin Benzin motorlarında iyi bir yanma ve yanma sonu basıncı elde edebilmek için karışımın sıkıştırılması ve sıkıştırıldıktan sonra ateşlenmesi gerekir. Sıkıştırılma anında meydana gelen ısı, yakıt ve havayı daha iyi karıştırarak yanmanın düzgün ve kolay olmasını sağlar. Aynı zamanda silindir içerisinde bulunan karışımdan en fazla yanma sonu basınca elde edebilmek için karışımın sıkıştırılabildiği kadar sıkıştırılması gerekir.

Fakat benzin motorlarında sıkıştırma oranı istenildiği kadar arttırılamaz. Çünkü yükselen sıcaklık nedeni ile yakıt kendi kendine tutuşmaya başlayabilir. Bu bakımdan benzin motorlarında kullanılacak yakıtın kendi kendine tutuşma sıcaklığının ve oktan sayısının yüksek olması motorun sıkıştırma oranınının arttırılması bakımında önem teşkil etmektedir kendi kendine tutuşma sıcaklığı en yüksek olan yakıt doğalgazdır.

Kendi kendine tutuşma sıcaklığı bakımından alternatif yakıtları bir sıralamaya sokarsak: 1. Doğalgaz 2. Hidrojen 3.Metanol 4. Etanol 5. Benzin Laminar alev hızının yüksek olması benzin motorlarında performans açısından güç ve verim değerlerinide bir miktar azalmaya neden olur. Hidrojenin laminar aleve hızı diğer alternatif yakıtlara göre daha yüksektir.

64

4.2

Performansları Yönünden Karşılaştırılması Tablo 3.2.1.7 Alternatif Yakıtları Kullanan Araçların Performansları

Hızlanma 0-100 km/h, saniye Yakıt Tüketimi, litre/100 km Menzil, km,57 litre Tank Yakıt Doldurma Süresi, dakika

BENZİN

DİZEL

HİDROJEN

METANOL

ETANOL

LPG

DOĞALGAZ

12

14

18

10

10

11

12

6.9

6.0

21.4

10.7

8.4

7.6

29.4

820

935

275

565

675

755

205

2

2

2

2

2

5

5

Yukarıdaki tabloda ABD’de kullanılan alternatif yakıtlara sahip örnek taşıtların genel olarak performansları karşılaştırılmıştır. Yukarıdaki değerlere göre yakıt tüketimi bakımından benzin ve dizele alternatif olarak kullanılabilecek yakıtlar arasında LPG en iyi durumdadır.

Tabloda belirtilen taşıtlar arasında metanol ve etanol yakıtlı taşıtların hızlanma kabiliyetlerinin diğer taşıtlara göre daha iyi olduğu görülmektedir.

Tabloda taşıtların menzileri kriter alınarak da karşılaştırmak mümkündür. Bütün taşıtların 57 litre hacminde yakıt deposu olduğu kabul edilmiş ve 1 depo yakıt ile taşıtların ne kadar menzile sahip oldukları belirtilmiştir.

4.3

Egsoz Emisyonu Yönünden Karşılaştırılması

Hidrojenin hava ile yanması sonucunda, yakıtta karbon bulunmaması 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. Hidrojen yakıtlı motorlarda egsoz gazları içerisinde hava kirliliğini etkileyecek tek ürün olarak bulunan NO x’lerin miktarı, yanma odası sıcaklıklarının azıltılması, oksijen konsantrasyonunun azaltılması ve yanma süresinin kısaltılması sonucu düşürülebilmektedir.

65

Doğalgazın yakıt olarak motorlu taşıtlarda kullanımı, özellikle şehir trafiğinde seyreden, dizel motorlarında NOx ve HC emisyonlarında, benzin motorlarında da CO ve HC emisyonlarında azalmalar temin edecektir. Doğalgazın karbon oranının, diğer petrol yakıtlarına göre, düşük olması egsoz gazlarındaki karbondioksit oranının azalmasına sebep olacaktır. Ayrıca doğalgaz kullanımı, benzinli taşıtların egsoz emisyonlarındaki zehirli kurşun türevlerini tamamen yokedecektir. Benzin motorlarında ve dizel motorlarında doğalgaz kullanılması durumunda yanma sonu sıcaklığında bir düşme olamaktadır. Bu da NO x emisyonlarında bir azalma sağlayacaktır. Alternatif yakıtlar içerisinde egsoz emisyonları en düşük yakıttır.

Metanolün yanması sonucu 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.

Metanol benzinin aksine yanmamış hidrokarbonlar üretmez. Metanolün yanması ile oluşan ısı azdır; dolayısıyla çok fazla miktarda NOx meydana gelmesi için gerekli koşul oluşmaz. Diğer tarafan metanol yandığında benzine göre iki kat daha fazla formaldehit üretilir.

LPG benzine nazaran üniform bir hava – yakıt karışımı sağlayabilmesi ile yanmanın stokiyometrik orana yaklaşması sonucunda temiz egsoz gazı çıktısı vermektedir. Bu sebeple LPG’nin egsoz emisyonları oldukça düşüktür.

4.4

Hava Kirliliği ve Güvenlik Etkileri Bakımından Karşılaştırılması

Tablo 3.2.1.8 Hava Kirliliği ve Güvenlik Etkileri Bakımından Karşılaştırılması Yakıt

Hava kirliliğine etkilerdeki değişim

Çevresel ve Güvenlik Etkileri

Doğalgaz

Toplamda önemli düzelme fakat NOx de az etki

LPG

Toplamda önemli düzelme fakat NOx de az etki

Doğalgaz için yüksek sıkıştırma gerekli ve doğal kaynakların korunumu Güvenlikli, ve en düşük sıcaklıkta depolama imkanı

Hidrojen

Çok az miktarda NOx verir.

Metanol

Orta miktarda azalma

Eğer sudan elde edilirse doğal kaynak korunumu vardır. Ancak sıkıştırma veya soğutma gerekli Suda çözünümü zehirleyici olabilir.

Etanol

Orta miktarda azalma

Doğal kaynak korunumu vardır.

Bitkisel yağ

CO çıkışı fazladır

Doğal kaynak korunumu vardır.

66

4.5

Ekonomiklik Yönünden Karşılaştırılması

Bu karşılaştırma kullanılan alternatif yakıtların 100 km’lik bir menzil içersindeki enerji tüketim fiyatına bakılarak bulunur. Şu anda piyasada bulunan alternatif yakıtlar içerisinde en ucuz birim fiyatı olan LPG ve doğalgazdır. Bu iki yakıt günlük hayatımızda kullandığımız taşıtlarda kullanılmaktadır.

Diğer alternatif yakıtlar ise çok az kullanıldığı için birim fiyatları daha yüksektir. Örnek vermek gerekirse metanol, etanol ve hidrojen günlük hayatımızdaki araçlarda cok az kullandığımız için birim fiyatları çoktur.

Ayrıca motorun dönüşümü LPG ve doğalgazda kolay bir şekilde yapılabilmektedir. Ancak diğer yakıtlarda aynı şeyi söylemek mümkün değildir. Bu sebeple ilk maliyet yönünden bakıldığında da LPG ve doğalgaz öne çıkmaktadır.

Haziran 1999 tarihindeki normal benzin fiyatı Haziran 1999 tarihindeki dizel benzin fiyatı

= =

ABD 2000 yılı tahmini benzin fiyatı ( 1 galon = 3.785 litre ve 1$ = 419000 lira) ABD 2000 yılı tahmini metanol fiyatı ABD 2000 yılı tahmini etanol fiyatı ABD 2000 yılı tahmini doğalgaz fiyatı ABD 2000 yılı tahmini LPG fiyatı

1.35 $ / galon 149445 lira / litre 1.44 $ / galon = 159408 lira / litre 2.33 $ / galon = 257931 lira / litre 0.84 $ / galon = 94095 lira / litre 0.98 $ / galon = 108486 lira / litre

= = = = = =

332500 231000

Türkiye’deki benzin fiyatı / ABD’deki benzin fiyatı = 332500 / 149445 = 2.22 BENZİN DİZEL METANOL ETANOL DOĞALGAZ LPG

: : : : : :

6.9 * 332500 6.0 * 231000 1.84 * 159408 * 10.7 1.84 * 257931 * 8.4 1.84 * 94095 * 29.4 1.84 * 108486 * 7.6

= = = = = =

1449000 lira / 100 km 888000 lira / 100 km 3138424 lira / 100 km 3986581 lira / 100 km 5007827 lira / 100 km 1517068 lira / 100 km

Yapılan bu hesaplamalar sonucunda günümüzde motorlu taşıtlarda kullanılan benzin ve dizele alternatif olarak kullanılan LPG yakıtının tahmini olarak en ekonomik olduğu görülmektedir.

67

5

SONUÇ ve ÖNERİLER

Günümüzde kullanılan motorlu taşıtların egsozlarının neden olduğu hava kirliliğinin, kalıcı önlemler gerektiren bir çevre sorunu haline gelmesi, kullanılan enerji kaynaklarının ekonomik kriz nedeniyle ekonomiklik özelliklerini yitirmesi vebu kaynakların zamanlar hızla tükenmesi, bizleri bu enerji kaynakları yerine alternatif enerji kaynakları aramaya yöneltmiştir.

Yapılan bu bitirme tezinde, taşıtlarda kullanılabilecek alternatif yakıt çeşitlerinden hidrojen, metanol, etanol, yağlar, LPG, doğalgaz ve yakıt pillerini incelenmiştir.

Taşıtlarda kullanılabilecek alternatif yakıt tiplerinden en uygununu seçebilmek için çeşitli kriterlerden faydalanılabilinir ve bu kriterlere dayanılarak hangi alternatif yakıtın hangi ortamlarda daha uygun veya avantajlı olduğu bulunabilinir.

Dünyada ve Türkiye’de oluşan enerji açığına bir çözüm bulabilmek ve egsoz emisyonunu azaltmak için bahsedilen alternatif yakıtların tümü motorlu taşıtlarda kullanılabilinir. Etanol ve yağlar tarım ürünlerinden, metanol, doğalgaz ve LPG ise fosil yakıtlardan elde edildikleri düşünülürse, bunlara geleceğin yakıtları gözüyle bakmak pek gerçekçi olmaz. Ancak suyun elektrolizi ile elde edilen hidjonin depolanması ve sudan elde ediliş maliyetinin azaltılması sorunları çözüldüğü taktirde, hidrojen gelecekte araçlarda kullanılan yakıt haline gelebilir.

Doğalgaz ve LPG ise günümüz alternatif yakıtları arasında şu anda avantajlı durumda gözükenleridir. Özellikle LPG, ekonomik olmasından dolayı, geniş bir kesim tarafından araçlarda yakıt olarak tercih edilmektedir.

68