tmmob makina mühendisleri odası - Erim SEVER · 2012-03-09 · Boost tipi DC-DC dönüştürücü...

tmmobmakina mühendisleri odası

YENİ ve YENİLENEBİLİRENERJİ KAYNAKLARI

SEMPOZYUMU VE SERGİSİ

BİLDİRİLER KİTABI

EDİTÖRLER

Yrd. Doç. Dr. Şükrü SU Doç.Dr. Mustafa İLBAŞ

MMO Yayın No: E / 2003 / 330

EKİM 2003 - KAYSERİ

Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3 - 4 Ekim 2003 Kayseri

tmmobmakina mühendisleri odası

Adres : Sümer Sokak No: 36 / 1 - A Demirtepe, 06440 ANKARATel : (0 312) 231 31 59; 2313164; 23180 23; 23180 98Fax : (0 312) 231 3165E-posta : [email protected] : http://www.mmo.org.tr

MMO Yayın N o : E / 2003 / 330

ISBN : 9 7 5 - 3 9 5 - 6 2 8 - 2

Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümüdeğiştirilemez. Makina Mühendisleri Odası'nın izni olmadan elektronik, mekanik vb.

yollarla kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir.

DİZGİ : TMMOB MMO KAYSERİ ŞUBESİBASKI : NETFORM MATBAACILIK AŞ. - KAYSERİ

Makina Mühendisleri Odası

Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve,Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri

MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI İZLEYİCİLİ FOTO VOLT AİK GÜÇSİSTEMİNİN MİKRODENETLEYİCİ TABANLI KONTROLÜ

Ahmet Afşin KULAKSIZ Ramazan AKKAYA

S.Ü. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl. 42031 Kampus, [email protected] [email protected]

ÖZET

Yapılan çalışmada şebekeden bağımsız birfotovoltaik güç sistemi tasarlanmış ve pratikolarak gerçekleştirilmiştir. Sistemde güneşpaneline gelen ışık miktarından maksimumseviyede faydalanmak amacıyla güneş izleyicisistem gerçekleştirilmiş, sağlanan elektrikselgüç tasarlanan maksimum güç noktası izleyici(MPPT) denetleyicisi kullanılarak akülerdedepolanmıştır. MPPT denetleyicisi, birmikrodenetleyici ile kontrolü sağlanan Buck-Boost tipi DC-DC dönüştürücü içermektedir.Akülerde depolanan DC formdaki enerji, ACyükleri beslemek üzere bir gerilim kaynaklıPWM inverter ile AC forma dönüştürülmüştür.İnverterin anahtarlanması, seçilmiş

harmoniklerin elimine edildiği darbe genişlikmodülasyonu (SHE-PWM) metoduylasağlanmıştır. Bu yöntem, gerilim kaynaklı tekfazlı köprü inverterin PIC mikrodenetleyicisi ilekontrol edilmesinde kullanılmıştır. Simülasyonve deneysel sonuçlar sistemin etkinliğiningösterilmesi amacıyla verilmiştir.

Anahtar Sözcükler :' Fotovoltaik Enerji,Fotovoltaik Sistem, MPPT denetleyici, PWMinverter, SHE-PWM, PIC Mikrodenetleyicisi.

1. GİRİŞ

Fotovoltaik enerji, güvenilir olması, hareketliparçalar içermemesi ve bakım maliyetlerininolmaması gibi avantajları sebebiyle gelecekvaat eden enerji kaynaklarından birikonumundadır. PV teknolojisinin hedefi,güneşten diğer enerji kaynaklarına göre maliyetaçısından karşılaştırılabilir, hatta daha avantajlışekilde elektrik enerjisinin elde edilebilmesidir.Fotovoltaik (PV) sistem maliyetlerinin henüznispeten düşük dönüşüm verimlerine sahipolduğu dikkate alındığında, PV enerjinin diğerenerji türleriyle rekabet edebilir durumagetirilmesi için, en etkin, tasarım yöntemleri

üzerine yapılan çalışmaların son derece önemkazanmış olduğu görülmektedir [1].

PV güç sistemlerinde, elektrik enerjisininistenen şartlarda sağlanması için güneşpanellerinin yanında çeşitli farklı birimleregerek duyulmaktadır. PV sistemi tasarlanırken,belli bir alana düşen ışık seviyesinin maksimumseviyede tutulması önemli olmakta, bu amaçlagerçekleştirilen sistemlerin başında güneşizleyici birimi yer almaktadır. Bu birimle,güneşin gün boyu doğudan batıya doğru olanhareketinin takip edilmesi amaçlanır. PVsistemlerde ele alınan diğer önemli bir noktagüneş paneli çalışma noktasının o anki şartlariçin maksimum çıkış gücünün sağlanmasıyönünde ayarlanmasıdır. Sistemde güneşenerjisinin mevcut olmadığı anlarda enerjininsağlanması amacıyla gerek duyulan akülerinşarj edilmesinin MPPT denetleyicisi vasıtasıylasağlanması, sistem verimine oldukça olumluölçüde etki etmektedir [2-4]. PV sistemlerde,panelden sağlanan ve daha sonra kullanılmakamacıyla akülerde depolanan DC güç, invertervasıtasıyla AC güce dönüştürülür. İnverterindönüştürme veriminin yüksek tutulması,sistemin tümünün etkinliği değerlendirilirkenele alınan önemli bir faktör olduğundan bubirimin tasarım kriterleri hassas şekildebelirlenmelidir [5-6].

Yapılan çalışmada mikrodenetleyici tabanlışebekeden bağımsız bir fotovoltaik enerjisistemi tasarlanmış ve laboratuarda pratikolarak gerçekleştirilmiştir. Şekil l'de blokdiyagramı görülen sistem, güneş izleyici birimi,MPPT denetleyicisi ile kontrolü sağlanan aküşarj denetleyici ve gerilim kaynaklı inverterdenoluşmaktadır. Sistemde güneş paneli, güneşizleyici yapı üzerine monte edilerek güneşingün boyu takip edilmesi ve güneş ışınlarını dikşekilde alarak güneş ışığından maksimumseviyede faydalanılması amaçlanmıştır.Panellerden sağlanan enerjinin yeterli olmadığı

Makina Mühendisleri Odası 53

Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri

anlarda kullanılmak üzere akülü enerjidepolama sistemi kullanılmış, bu sistemde güçakışı MPPT denetleyicisi kullanılarakanahtarlanan dc-dc dönüştürücü üzerindenkontrol edilmiştir. Seçilmiş harmoniklerinelimine edildiği darbe genişlik modülasyonu(SHE-PWM) sinyalleriyle dijital olarak kontroledilen gerilim kaynaklı inverteringerçekleştirilmesi ile sinüs formda regüleli çıkışgerilimi sağlanarak sistemde AC yüklerin etkinşekilde beslenmesi imkanı elde edilmiştir.

Güneşizleyiciye sahip

güneş paneli

MPPTkontrollü şarj

denetleyici

AC Yük

k.

Akü

1 r i r

Gerilimkaynaklıinverter

Şekil 1. Gerçekleştirilen fotovoltaik güç sisteminin blok diyagramı

2. GÜNEŞ İZLEYİCİ BİRİMİ

Bu sistemde, güneşin gün boyu hareketiizlenerek güneş panelinin güneş ışınlarını dikolarak alması, böylece de güneş paneline çarpanfoton miktarının artırılması, maksimum güççıkışının elde edilmesi amaçlanmıştır.Gerçekleştirilen sistemde tasarımın mümkünolduğunca basit ve piyasada yaygın elemanlarınkullanılmasıyla ilk yatırım maliyeti minimumaindirilmiştir. Panel kontrolünde sensör olarakpanelin her iki ucuna yerleştirilen birer adet ışıkbağımlı direnç (LDR) kullanılmıştır. LDR'lerdealgılanan ışık şiddetleri farkına göre PIC16F873mikrodenetleyicisi, panelin pozisyonunukontrol etmek için kullanılan step motorunuygun yönde hareketini sağlamaktadır.Mikrodenetleyiciden gönderilen kontrolsinyallerine göre güneş izleyici sistem ilegüneşin takibi gerçekleştirilir. Güneş tam dikşekilde görüldüğünde, her iki LDı^'de eşit ışıkşiddeti, dolayısıyla da gerilim gözlenir ve stepmotorların sürülmesi için PIC tarafındanuyartım sinyali verilmez. Sistemde histerezisaralığının bulunması güneş izleyicinin kararsızhareket etmesini önler. Ayrıca panelin açısalhareketini sınırlandırmak amacıyla panelin heriki ucuna limit anahtarları monte edilmiştir [7].

3. MPPT KONTROLLÜ ŞARJ DENETLEYİCİ

PV panellerin maksimum güç noktası olarakadlandırılan optimum bir çalışma noktasıvardır. Bu nokta, hücre sıcaklığına ve ışıkşiddeti seviyesine bağlı olarak değişir. PVpanelden maksimum gücün çekilmesi içinmaksimum güç noktası izleyici (MPPT)kullanılır. Sistemin bu biriminde, hızlı şekildedeğişen atmosferik şartlara uygun birmaksimum güç noktası izleyici algoritmasınıngerçekleştirilmesi ve güneş enerjisi sistemindeyer alan akü biriminin bu yöntemle şarjedilmesi amaçlanmıştır. MPPT sisteminindijital olarak kontrol edilmesi ile güç noktasıizleyici algoritmasının sıcaklık değişimlerindenetkilenmemesi ve oldukça güvenilir olmasısağlanmıştır. Kullanılan algoritmada akülerinaşın şarj veya deşarj olması gibi durumlarındikkate alındığı ek kontrol modları da bulunmaktadır.

Gerçekleştirilen MPPT kontrollü şarjdenetleyici sistemin blok diyagramı şekil 2'degörülmektedir. PV panel çıkışı ile akülerarasında güç akış kontrolünü sağlamak ve PVpanelin, maksimum güç noktasının izlenmesiamacıyla Buck-Boost tipi DC-DC dönüştürücükullanılmıştır. Şekilde PV sisteminde yükolarak aküler bulunmakta, belirli atmosferşartları için akü şarj akımı, PV çıkış gücüne veakü gerilimine bağlı olmaktadır. Akü gerilimi,şarj düzeyine bağlı olarak arttığı zaman aşırı şarjınönlenmesi amacıyla sürekli olarak ölçülmektedir.

3.1. PV Panel

PV panelin eşdeğer devresi, paralel bağlı birdiyoda sahip akım kaynağı olarak şekil 3'dekigibi gösterilir [8]. Akım kaynağının çıkışıpanele düşen ışık miktarıyla doğru orantılıdır.Diyod, panelin I-V karakteristiğini belirler.Şekildeki seri direnç Rs, akım akışına gösterileniç direnci verir ve p-n eklem derinliğine, yarıiletkenin yapısına ve temas direncine bağlıdır.Rsh paralel direnci, toprağa doğru olan sızıntıakımıyla ters orantılıdır. İdeal bir PV paneldeRs=0 ve Rsh=°o olması istenir. PV dönüştürmeverimi Rs'deki küçük değişimlerle orantılı ikenRsh'deki değişimlerden bağımsızdır. Eşdeğerdevrede, belirli bir ışık seviyesinde üretilenakım (fotoakım) Iph, diyod akımı Ij ve toprağadoğru akan şönt akımı I sh olarak gösterilmiştir.


Yeni ve Yenilenebilir bnerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri

/ / / , / / /

Güneş Paneli

MOSFET

DC-DC (BUCK-BOOST)DÖNÜŞTÜRÜCÜ

ÎTSürücü Devresi

Akü

12VDC

ŞöntDirene \l\

Şarj DenetleyiciPIC16F873 >V

ref

Şekil 2. Gerçekleştirilen MPPT kontrollü şarj denetleyici sistemin blok diyagramı

Panelin açık devre gerilimi Vad, yük akımı sıfırolduğu durumda elde edilir ve denklem (1) ileverilir [9].

V a d =V g +IR s h (D

Denklemde Vg ve I, yük gerilimi ve akımınıbelirtmektedir. Diyod akımı, klasik diyod akımıifadesi ile denklem (2)'deki gibi verilir.

(2)AKT

Burada: Ij : Diyod doyma akımıQ : Elektron yükü : l,6.10'19 CoulombA : Eğri uydurma sabitiK : Boltzman sabiti: 1.38.1O23 Joule/°KT : Mutlak skalada sıcaklık (°K)

olarak verilir. Buradan yük akımı denklem (3)ile verilir.

ev,,,,,AKT _ ı

V.ad

R(3)

Bu denklemde toprağa doğru olan sızıntıakımını veren son terim, Ipn ve Ij ilekarşılaştırıldığında pratikte çok küçüktür veihmal edilebilir.

Şekil 3. PV panelin eşdeğer devresi

PV panelin elektriksel karakteristiklerigenellikle akım-gerilim eğrisi ile gösterilir.Şekil 4, PV panel için akım-gerilim grafiğinivermektedir. Grafikte görüldüğü gibi eğri, üçönemli noktadan geçer. İlki, kısa devre akımıIkd'dir ve gerilimin sıfır olduğu durumda eğrininbulunduğu yerdir.

Şekil 4. PV panel I-V karakteristiği


Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 3-4 Ekim 2003 Kayseri

Bu noktada güneş panelinin çıkış gücü sıfırdır.İkinci nokta, açık devre gerilimi Vad'dir veakımın sıfır olduğu durumda eğrinin bulunduğunoktadır. Bu noktada da PV panelin çıkış gücüsıfırdır. Maksimum güç noktası, eğride A ilegösterilen noktada meydana gelir. Bu noktagenellikle I-V eğrisinin bükümü olarakadlandırılır. Eğride A noktasına karşılık gelengerilim ve akım değerleri sırasıyla V^ı ve im,,olarak gösterilmiştir.

3.2. Buck-Boost Tipi DC-DC Dönüştürücü

Şekil 5'te, buck-boost dönüştürücü güç katışeması verilmiştir. Şemada güç anahtarlamaelemanı n-kanal MOSFET (Qı ) kullanılmıştır.D, çıkış diyodu, L bobini ve C kondansatörü deçıkış filtresini oluşturur. Güç katı çıkışındagörülen yük, R direnci ile gösterilmiştir.

Q1 D

Şekil 5. Buck-boost dönüştürücü güç katı şeması

Buck-boost dönüştürücünün güç katının normalçalışması esnasında Ql anahtarı, kontroldevresi tarafından periyodik olarak ON ve OFFkonumlarına anahtarlanır. Bu anahtarlama, Ql,D ve L elemanlarının birleşim yerinde bir dizidarbe oluşumuna neden olur. L bobini, C çıkışkondansatörüne bağlı olmasına rağmen sadeceD diyodu iletime geçtiği zaman etkin L/Cfiltresi meydana gelir. Bu durumda DC çıkışgerilimini ortaya çıkarmak için bu darbe dizisifiltrelenir.

Güç katı, sürekli veya süreksiz akım modundaçalışabilir. Sürekli akım modu, tüm anahtarlamaçevrimi boyunca bobinden geçen akımın sürekliolmasına göre karakterize edilir. Süreksiz akımmodu ise bobin akımının anahtarlamaçevriminin bir kısmında sıfır olmasına görebelirlenir. Sürekli iletim modunda heranahtarlama periyodunda buck-boostdönüştürücü için iki durum vardır. Bunlar Ql'in

ON konumunda diyodun OFF konumundaolduğu iletim durumu ve Ql'in OFF ve diyodunON konumunda olduğu kesim durumudur.İletim süresi D.TS = T0N ile verilir. Burada D,

duty cycle olarak adlandırılır ve kontrol devresitarafından belirlenir. Anahtarlama periyoduboyunca sadece iki durum meydana geldiği içinkesim süresi (1 - D).TS olarak verilir. Kararlı

durumda çalışmada bobin akımındaki netdeğişim bir periyod boyunca sıfır olmalıdır. Buşart için Vo çıkış geriliminin kararlı durumdenklemi (4) ile verilebilir [10].

D

\-D(4)

D>0.5 için çıkış girişten daha büyük, D<0.5için ise çıkış girişten daha küçüktür. Bu şekildedevre hem gerilim düşürücü hem de gerilimyükseltici dönüştürücülerin özelliklerini taşır.Sürekli bobin akımı modunda bobin akımıpozitif kalmalıdır. Buradan, sürekli akımmodunda L bobininin endüktansı denklem (5)ile verilebilir.

a-p)2R2/

(5)

Burada f, anahtarlama frekansını belirtir. Buck-boost dönüştürücü için çıkış gerilimi dalgalılığıdenklem (6) ile verilebilir.

A V O = D

Vo RCf

3.3. MPPT Kontrol Algoritması

(6)

Gerçekleştirilen MPPT kontrol programınınakış diyagramı şekil 6'da görülmektedir.Kontrol programında mikrodenetleyici içingerekli başlangıç ayarları yapıldıktan sonradahili ADC modülü üzerinden akü uç gerilimiölçülmektedir. Akü için üretici firma tarafındanverilen maksimum gerilim seviyesinin aşılmasıdurumunda aşırı şarjı önlemek için şarjkesilmektedir. Akü uç geriliminin 1 saniyelikgecikmenin ardından ölçülmesi, sistem verimiaçısından düşünülmüştür. Daha sonra akü şarjgerilimi ve akımı ölçülerek mikrodenetleyicide



güç hesaplanır. "Eğim", programda " 1 " ve " - 1 "değerleri alabilen bir değişkendir ve PV panelçıkış gücü eğrisinde maksimum güç noktasınaulaşmak için takip edilen yönü belirler, a ise"0" ile " 1 " arasında bir sabittir. 8 bitlik birmikrodenetleyici kullanıldığından dolayı abaşlangıçta 1/256 değerinde seçilmiştir. Girişgücü, bir önceki iterasyonda ölçülen değerlekarşılaştırılarak eğim değişkeninin işaretinegöre görev çevrimi değeri tekrar hesaplanarakdeğiştirilmiş veya güç eşit ise sabit kalmıştır.Bu yöntemle, maksimum güç noktası civarındasistemin kararlı durumda çalışması sağlanmıştır[11].

Başlat

ADC modülünübaşlat

PWM modülünü başlat vegörev çevrimini başlangıç

değerine ayarlaEgim= 1 olarak ayarla

Panel gerilimV(p) ve akımını

l(p) ölç

Gücü hesaplaP(p)=V(p)I(p)

Eğim işaretinideğiştir

Görev çevrimini değiştirGorev_cevrimi=Gorev_cevrimi+a.Egim

Şekil 6. MPPT kontrol algoritması program akış diyagramı

4. SHE-PVVM İNVERTER

Elektrikli cihazların çoğu AC güç kaynağınıkullandığından, güneş panellerinden elde edilenve akülerde depolanan DC gücün AC gücedönüştürülmesi gerekir. Bu işlem, DC girişgücünü statik olarak AC çıkış gücünedönüştüren inverterler tarafındangerçekleştirilir. Bir inverterin güç devresi, statikanahtar olarak çalışan yarı iletken güçelemanlarından oluşur. İnverterler her bir statikanahtarlama elemanının doğru zamanlama vesıra ile iletime sokulup iletimden çıkarılmasıiçin gerekli kontrol devresine sahip olmalıdır.Yarı iletken anahtarlama elemanları, kontroldevresine bağlı olarak inverterin girişuçlarındaki DC kaynağın çıkış uçlarında AColarak görünmesini sağlayacak şekildeperiyodik olarak çalıştırılırlar. Bu AC gerilim,istenen yüksek genlikli AC gerilimedönüştürülür. Çoğu PV sistemlerde olduğu gibibu sistemde de, aküden alınan DC gerilimin,AC yüklerin beslenmesi için kullanılmasıamacıyla gerilim kaynaklı PWM invertergerçekleştirilmiştir.

Şekil 7'de görülen tek fazlı gerilim kaynaklıköprü inverter, PIC16F873 mikrodenetleyi-cisinin ürettiği PWM kontrol sinyallerininsürücü devresinde yükseltilerek IGBT'lerisürmesi ile kontrol edilmektedir. Çıkışgeriliminin transformatörle yükseltilerek filtreedilmesiyle de AC çıkış gerilimi eldeedilmektedir. Mikrodenetleyicinin dahiliADC'si AC çıkış geriliminin regüleedilmesinde kullanılmış, çıkış gerilimisinyallerinin sentezi SHE PWM algoritmasıkullanılarak yapılmıştır. Devrede DC kaynakolarak, karakteristik değerleri 12V, 12Ah olarakverilen ve şarjı, sistemdeki MPPT kontrollü şarjedici ile sağlanan kuru tip bir akü yeralmaktadır. PWM darbelerinin ilk yarımperiyodu Tl ve T4 diğer yarım periyodu ise T3ve T2 anahtarlama elemanlarına uygulanır.Şekilde görüldüğü gibi çıkış gerilimi, gerilimyükseltici bir transformatör ile 220VACstandart şebeke gerilimine yükseltilerek yaygınolarak kullanılan elektrik cihazlarının sistem ilebeslenmesi olanağı sağlanmıştır. Çıkıştakullanılan filtre ile bu gerilim büyük ölçüdeideal sinüs dalgası formuna dönüştürülmektedir.



V = 12Vdc

Şekil 7. Gerçekleştirilen gerilim kaynaklı PWM inverterin açık şeması

Gerçekleştirilen inverterin anahtarlamasinyallerinin sağlandığı SHE PWM metodundaistenen çıkış gerilimi, anahtarlama açılarınınhesaplanmasıyla elde edilmektedir. Bu metotlaminimum anahtarlama sayısında sadece seçilenharmoniklerin eliminasyonu sağlanmaktadır.Ancak hesaplama ve hafıza gereksinimlerinebağlı olarak hesaplama işleminin eş zamanlıyapılması zordur. Bu tekniğin temel avantajlarıyüksek gerilim kazancına ve düşük anahtarlamafrekansına sahip olmasıdır. Yüksek güçuygulamaları için de uygundur [12].

SHE PWM tekniği matematiksel olarak, düşükseviyeli harmoniklerin sıfır, temel harmoniğinbire eşitlendiği bir dizi lineer olmayandenklemle ifade edilir.

Üç seviyeli PWM dalga şekli için Fourierkatsayıları denklem (7) ile verilir [13].

an = — ( c o s n a , - c o s n a 2 +•••nîi

cosna m ) (7)

Burada temel bileşen istenen bir değere, m-l'ekadar olan düşük seviyeli harmonikler ise sıfıraeşitlenir. Tek-fazlı inverter uygulamalarında budurum, (8) ile verilen non-lineer denklemsistemini verir.

COSÖT, -cosor 2 +...-cosorm_, COSOL =

cos(2m-l)a, - c o s ( 2 m - l ) a 2 +...

- cos(2m - l)ocm_, + cos(2m - l ) a m - 0 (8)

Mikrodenetleyicide tablolanmış değerlerşeklinde saklanmak üzere açı değerlerininhesaplanması, Nevvton iterasyonuna dayanır.Bu yöntemle, harmonik distorsiyon en azaindirilerek, m-l'e kadar olan harmonikbileşenler gerilim dalga şeklinden çıkarılır. En

önemli düşük seviyeli harmonik bileşenlerininelimine edilmesi sayesinde yüksek frekanslıharmoniklerin ek filtre devreleri kullanılarak

vacyok edilmesi kolaylaştırılır.

- İnverterde gerilim regülasyonunun sağlanmasıiçin doğrultulmuş çıkış gerilimi, gerilimalgılayıcı devrede uygun bir seviyeyedüşürülerek mikrodenetleyiciye geri beslemesinyali olarak uygulanır. Bu analog sinyal,dijital değere dönüştürülür ve referans değerlekarşılaştırılır. SHE PWM algoritmasıylahesaplanan darbe açıları, farklı modülasyonindeksi (M) değerleri için bulunur. Böyleceçıkış geriliminin genlik regülasyonu, farklı Mdeğerleri hesaplanarak sağlanabilir. Farklı Mdeğerleri için önceden hesaplanan açılar PİC'indahili RAM'inde depolanır. Gerçekleştirileninverter kontrol algoritması şekil 8'degörülmektedir.

cos3or, -cos3or2 +...-cos3am_i +cos3orm =0

Karşılık gelen PWMkontrol sinyalini üret

Hayır

rKarşılık gelenM değerini bul

Tablodeğerlerini oku

Şekil 8. İnverter kontrol algoritması akış diyagramı



5. SİMÜLASYON VE DENEYSEL SONUÇLAR

MPPT tabanlı şarj edici içeren güneş enerjisisistemi, önceki bölümlerde anlatılanyöntemlerle geliştirildi ve laboratuarda testedildi. Sistemde kullanılan güneş paneli 25°Ceklem sıcaklığı ve lkW/m2'lik ışık şiddetinde100Wp güce ve 22V açık devre geriliminesahiptir. PV panelin karakteristik özellikleritablo 1'de görülmektedir.

Tablo 1. Güneş panelinin karakteristik özellikleri

Parametreler Değer

Maksimum güç değeri, P l m x 100WAnma akımı, IM P P 5.6AAnma gerilimi, VMPP 17.8VKısa devre akımı, I s c 6.3AAçık devre gerilimi, VQC 22VNominal çalışma sıcaklığı 45 ±2°C

MPPT tabanlı şarj edicide arabirim olarakkullanılan Buck-boost dönüştürücüdekiMOSFET 200V, 20A, hesaplanan çıkışkondansatörü 100|0,F ve çıkış bobini 100|i.H'dir.Farklı anahtarlama frekansı için simüle edilengüç değerleri ve verim hesaplanarak tablo 2'deverilmiş, sistemde anahtarlama frekansı 20 kHzolarak seçilmiştir. Maksimum güç noktasıizleyici sisteminin, PV panelin maksimum güçnoktasını izlediği görülmüş, bu deneysel olarakPV panel kısmi olarak kapatılmak suretiyle dedoğrulanmıştır.

Tablo 2. DC/DC dönüştürücüde simülasyonla bulunananahtarlama frekansı-güç verimi tablosu

Frekans

(kHZ)

5

10

15

20

u g ı r f î

(/)17,8

17,8

17,8

17,8

Wd)

5.12

4.29

4.31

4.32

v ç ı k ı s

(V)

17.7

16.48

16.59

16.62

Içıkış

(A)

4.42

4.12

4.14

4.15

p* gınş

(W)

91.2

76.5

76.77

76.9

Pçıkıs

(W)

78.23

67.89

68.68

68.97

Verim

(%)

85.77

88.74

89.46

89.68

- 2 0

Tablo 2'de görüldüğü gibi verim, 20kHz'likanahtarlama frekansında maksimumolmaktadır. Anahtarlama frekansı yüksekdeğerlerdeyken çıkış gerilimi dalga şeklindekidalgahlık azalmakta, kullanılan bobinin değeridüşeceğinden bobin boyutu ve sistem maliyetiazalmaktadır. Ancak yüksek frekanslarda daanahtarlama elemanlarındaki kayıpların artmasıdezavantajıyla karşılaşılır. Bu kriterler gözönüne alınarak dc-dc dönüştürücüdeanahtarlama frekansı 20kHz olarakbelirlenmiştir.

DC/DC dönüştürücü sürekli akım modundaçalıştırıldığında güç MOSFET'inin uçlarındakiVDS geriliminin değişimi, şekil 9'dagörülmektedir. PSPICE programıyla simüleedilen şarj denetleyicideki bobin akımı, yükakımı ve yük geriliminin değişimi ise şekil10'da görülmektedir. Her iki şekil de girişe,çıkış gerilimi 17.8V olan panel bağlandığındave f=20kHz'lik anahtarlama frekansındaD=0.48 değeri için elde edilmiştir.

15V

ıov

5V

r- -~

• • M rrı|i—ii

:

-Vnc

r

I1

1

Şekil 9. DC/DC dönüştürücüdeki güç MOSFET'inin VDS

gerilimi dalga şekli (V=5V/div, t=25/isn)

4 . Ons ı».8ns 5.2ms 5.6ns 6 . OnsSüre

Şekil 10. Şarj denetleyicide bobin akımı, yük akımı ve yük gerilimi dalga şekilleri

Makina Mühendisleri Odası59


İnverter sisteminin performansı çeşitli ACyükler için incelenmiş, şekil l l 'de sırasıylaçıkışta 40W gücünde akkor lamba ve 100Wgücünde üniversal motor bulunması durumundagözlenen inverter çıkışı akım ve gerilim dalgaşekilleri verilmiştir. İnverter çıkışındaL=10mH, C=4|iF değerlerine sahip L-C filtresikullanılmış, bu durum için akım ve gerilimdalga şekillerinin sinüzoidal formda ve düşüktoplam harmonik distorsiyona sahip olduğugörülmüştür.

pı

Şekil 11. İnverter çıkışına (a) 40W gücünde akkor lamba(b) 100W gücünde üniversal motor bağlanmasıdurumunda ölçülen yük gerilim ve akımı dalga şekilleri

6. SONUÇLAR

Fotovoltaik sistemlerin veriminin artırılmasıyönünde yapılan çalışmalar daha fazla güneşpaneli kullanım gereksinimini azaltarak, PVsistemlerin toplam maliyetinin düşürülmesiaçısından önemli olmaktadır. Yapılan buçalışmada, bir fotovoltaik güç sisteminin

yüksek verime sahip olması hedeflenerekveriminin artırılması amacıyla güneş izleyicisistem ve Buck-Boost tipi DC-DC dönüştürücüiçeren MPPT denetleyici başarıylagerçekleştirilmiştir. MPPT kontrollü şarj edicisisteminde şarj gerilimi ve akımının, ışık şiddetive sıcaklıkla değiştiği, bu değişimlerinmaksimum güç noktası izleyici tarafından hızlışekilde algılandığı görülmüştür.Gerçekleştirilen inverterde anahtarlama, SHE-PWM tekniği ile yapılmış bu yöntemleminimum anahtarlama sayısında sadece seçilenharmoniklerin eliminasyonu sağlanmıştır. Buteknik, yüksek gerilim kazancına ve düşükanahtarlama frekansına sahip olması ve yüksekgüç uygulamaları için de uygun olmasıavantajlarına sahiptir. Sistemlerle ilgili çeşitlideneysel sonuçlar, sistemin etkinliğininbelirlenmesi amacıyla verilmiştir.

KAYNAKLAR

[1] AKKAYA, R., KULAKSIZ, A.A., Solarand Wind Energy Applications of PowerElectronics, IILUlusal Temiz EnerjiSempozyumu, pp.329-336, 2000.

[2] EL-SHAFY, A., NAFEH, A., FATEN H.,ESSAM, M:, ABOU EL-ZAHAB, A.,Evaluation of a Proper Controller Performancefor Maximum-Power Point Tracking of AStand-Alone PV System, Solar EnergyMaterials & Solar Cells, No.75, pp.723-728,2003.

[3] CALAIS, M., HINZ, H., A Ripple-BasedMaximum Power Point Tracking Algorithm ForA Single-Phase, Grid-Connected PhotovoltaicSystem, Solar Energy, Vol. 63, No.5, pp.277-282, 1998.

4] MAHESHAPPA, H.D., NAGARAJU, J.,MURTHY, M.V., An Improved MaximumPower Point Traçker Using a Step-upConverter with Current Locked Loop,Renevvable Energy, Vol.13, No.2, pp.195-201,1998.

[5] DURISCH, W., TILLE, D., Testmg of smallsinusoidal-inverters for photovoltaic stand-alone systems, Applied Energy, No. 64, pp.417-426, 1999.

Malana Mühendisleri Odası 60


[6] HERMANN, U., LANGER, H.G., LowCost DC To AC Converter For PhotovoltaicPower Conversion in Residential Applications,Proc. IEEE PESC'93, p.588-594, 1993.

[7] KULAKSIZ, A.A., AKKAYA, R., PICKontrollü Fotovoltaik Enerji SistemiUygulaması, Gap IV. Mühendislik KongresiBildiriler Kitabı, pp.468-473, 2002.

[8] APPELBAUM, J., Starting and steady-statecharacteristics of de motors powered by solarceli generators, IEEE Transactions on EnergyConversion, Vol. EC-1, No. 1, pp.17-25, 1986.

[9] PATEL, M.R., Wind and Solar PowerSystems, CRC Press, 1999.

[10] Hart, D.W., Introduction to PowerElectronics, Prentice-Hall International,Inc.,1997.

[11] KOUTROLİS, E.K., KALİTZAKİS, K.,VOULGARİS, N.C., Development of aMicrocontroller-Based Photovoltaic MaximumPower Point Tracking Control System, IEEETransactions on Power Electronics, Vol. 16,No.l,pp.46-54, 2001.

[12] ENJETI, P.N., ZIOGAS, P.D., LINDSAY,J.F., Programmed PWM techniques to eliminateharmonics: a critical evaluation, IEEE Trans.,Ind. Applications, Vol.26, no.2, pp.302-316,1990.

[13] LI, L., Optimal PWM Techniques inVoltage Source Inverters, Ph.D. dissertation,Dept. of Elect. Eng., Polytechnic University,U.S.A., 1999.

ÖZGEÇMİŞ

Arş.Görv. Ahmet Afşin KULAKSIZ

1978 yılında Eskişehir'de doğdu. Lisansöğrenimini 1998 yılında Selçuk ÜniversitesiMühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde, YüksekLisans öğrenimini ise 2001 yılında SelçukÜniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği A.B.D.'da tamamladı.Şu anda Selçuk Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsü'nde Doktora öğrenimi devametmektedir. Çalışma alanları yenilenebilir enerjikaynaklan, güç elektroniği vemikrodenetleyicilerdir.

Yrd.Doç.Dr. Ramazan AKKAYA

1963 yılında Aksaray'da doğdu. Lisansöğrenimini 1986 yılında Yıldız TeknikÜniversitesi Elektrik MühendisliğiBölümü'nde, Yüksek Lisans ve Doktoraöğrenimini de sırasıyla 1988 ve 1995 yıllarındaYıldız Teknik Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsü Elektrik Mühendisliği A.B.D.'datamamladı. 1998 yılından beri SelçukÜniversitesi Mühendislik Mimarlık FakültesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü'ndeYardımcı Doçent olarak görev yapmaktadır.Çalışma alanları güç elektroniği, elektrikmakinalannm kontrolü, elektrik güç kalitesi vealternatif enerji kaynaklarıdır.



LEJYONER HASTALIĞI VE GÜNEŞ ENERJİLİSICAK SU ÜRETİM SİSTEMLERİ

Necdet ALTUNTOP Yusuf TEKİN

Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü[email protected] [email protected]

ÖZET

Çeşitli kaynaklardan gelen şebeke kullanımsularında değişik bakteri ve minerallerbulunabilmektedir. Bu bakterilerden birideLejyoner hastalığına sebep olan Legionelladır.Bakterilerden korunma için, kullanma suları,kimyasal, biyolojik ve diğer yöntemler ilearıtılmaktadır. Arıtma yapılmaması çeşitlibakterilerden kaynak-lanan hastalıklara sebepolabilir. Kullanma sularının arıtılmadankullanılması ve sonuçta meydana gelenolumsuzluklar için klima, havalandırma vegüneş enerjili sıcak su sistemlerini sorgulamakveya suçlu bulmak doğru bir yaklaşım değildir.Bu çalışmada, Lejyoner hastalığı ve buhastalığa sebebiyet veren Legionella bakterisihakkında bilgi verilecektir. Çeşitli güneşli sıcaksu temin sistemlerinin Lejyoner hastalığı iledirek bağlantısının olmadığına işaret edenaçıklamalar ve bilgiler verilecektir.

ABSTRACT

Water supplied by different reserviors, cancontain some bacterium and minerals. One ofthis bacterias is Legionella pneumophila causesto the Lejyoner illness. The water is used athome, are purifıed by chemical, biological andother methods. If water is not purified, it wouldcause some illness because of the bacteriumand microbe. Air conditioning, ventilation andsolar energy systems can not be accusedwithout taking precausions about waterpurifıcations. in this work, information hasgiven about Lejyoner illness and Ligionellabacteriom cause to the Lejyoner illness.information is also given about that there is nodirect relations between solar hot water supplysystems and Lejyoner illness.

1. GİRİŞ

Güneş enerjisinden bugünkü anlamdafaydalanma ve sıcak su temini, 1930 yıllardanberi değişik ülkelerde yaygın olarakkullanılmaktadır. 1958 de NASA da seçiciyüzeylerin üretimi ile, önemli mesafeleralınmıştır. 1973 yılındaki Arap-îsrail savaşısonucunda İsrail'i destekleyen ülkelereuygulanan petrol ambargosu, enerji krizininçıkmasına ve petrol fiyatlarının aşınyükselmesine sebep olmuştur. Enerji krizinearanan çözümler çerçevesinde güneş enerjisialanındaki bilimsel çalışmalar, büyük bütçelidevlet destekleri ile hızlanmıştır.

Türkiye de, güneş enerjisi konusunda 1960'hve 70'li yıllarda çalışmalar yapılmış olsa da,toplumun güneş enerjisinden faydalanması,1974 Kıbrıs barış harekatı sonrası olmuştur.Türkiye de, ticari anlamda güneş enerjisi ilesıcak su üretimi 80 li yıllarda başlamıştır.

Günümüzde fosil yakıt fiyatlarındaki artıştekrar Güneş enerjili sıcak su ısıtmanın büyükoranda popüler olmasını ve kullanımınınyaygınlaşmasını gündeme getirmiştir. Bugelişme-ye rağmen, güneş enerjisi sistemlerininözellikle turizmin geliştiği Akdeniz ve Egesahillerinde büyük miktarda sıcak su tüketenotel ve tatil köylerinde yeterli oranda yaygınkullanıma ulaşamamıştır. Otel yöneticilerigüneş enerjili sıcak su üretim sistemlerini,Lejyoner hastalığı-na sebep olduğu gerekçesiile kurdurmamakta-dırlar. Otel yöneticileri,ekonomik sebeplerden dolayı güneş enerjisisistemlerine sıcak baktıklarını fakat, kendilerinemüşteri getiren tur operatörlerinin, güneşenerjisi sistemi olan otellere Lejyoner hastalığıriskinden dolayı sıcak bakmadıklarınıbelirtmektedirler.


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r E n e r j i K a y n a k l a r ı S e m p o z y u m u v e S e r g i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

2. LEJYONER HASTALIĞI VE KAYNAKLARI 2.2. Lejyoner Hastalığının Kaynakları

2.1. Lejyoner Hastalığı Nedir?

1976 yılında Philadelphia da ki Amerikan Ordubirliklerinde kısa sürede hastalanan 221 kişiden34 kişinin ölümü ile sonuçlanan salgınolayından sonra yapılan araştırmalarsonucunda, hastalığa yol açan bakteri bulundu.Bakteriye Legionella Pneumophila ve hastalığada Lejyoner hastalığı adı verildi.

Hastalık temelde iki çeşit olup biri klasikLejyoner hastalığı, diğeri Pontiyak hastalığıdır.Günümüzde bu hastalığın belirtisi, fizyolojisive tüm özellikleri çok iyi bilinmektedir.Bakterinin 35 den fazla çeşidi bulunmaktadır.Bakteri pH değeri 5.0^-8.5 arasında ve su içindeçözünmüş oksijen oranı 0.2-f 1.5 mg/lt olan sudarahatça yaşamaktadır. Bakterinin kuluçka süresi2-̂ 10 gün civarındadır. Lejyoner hastalığıgenelde salgınlar halinde görülmekle birlikteara sıra bireysel vakalara da rastlanmaktadır.Hastalık Türkiye de nadir görülmekle birlikte,özellikle batı ülkelerinde yaygındır. Legionellaenfeksiyonları çoğunlukla yaz sonu vesonbaharda ortaya çıkmaktadır. Erkeklerdekadınlara oranla daha fazla görülmektedir [1-4].

Klasik Lejyoner hastalığında, hastanın ateşi40.5 °C ye kadar yükselmekte ve solunumyetersizliğinden ölüm meydanagelebilmektedir. Hastalı-ğın ölümlesonuçlanması; hastayı etkileyen bak-terimiktarına, hastanın yaşma, sigara içip-içme-mesine, kronik bir rahatsızlığı, alkolbağımlılığı, akciğer hastalığı, ileri yaş, kronikböbrek yet-mezliği, kanser, vücut bağışıklıksistemi ile ilgili bir sorunu (HIV-AEDS gibi)olup olmamasına bağlıdır. Hastalıkantibiyotiklerle tedavi edilebil-mekle birlikte,iyileşme her zaman garanti değildir. Bakteriyialan kişilerde hastalık kendisini, ateş, öksürük,halsizlik, kas ağrısı, iştahsızlık, baş ağrısı,göğüs ağrısı, balgam gibi etkiler ile gösterir.Lejyoner hastalığını atlatan kişilerde, fizikselzayıflıklar olmakta ve yaşam kaliteleridüşmektedir [ 1 -4].

Tablo-1 de, Legionella bakterisinin sebepolduğu hastalıklar ve bu hastalıklar ile ilgiliayrıntılı tıbbi bilgi verilmektedir.

Legionella bakterisinin doğal barınma ortamı suve nemli topraktır. Fakat hastalığı yayan,kaynak Legionella bakterisi içeren sudur.Hastalık daima çevreden bulaşır. Bir insandandiğerine geçmez, akarsu ve nehir gibi doğal sukaynaklarında bakteri düşükkonsantrasyonlarda bulunur ve zararıdokunmaz. Ancak ılık su gibi kafi derecedeorganik besin bulunan ortamlarda hızla çoğalır.Bu çoğalma sonucunda bakterili suyunpüskürtüldüğü ve solunduğu ortamlardatehlikeli olmaya başlar. Çoğalma hızı, suiçerisinde devamlı değişen koşullara bağlıdır.Periyodik olarak suyu tahlil ettirerek, mevcutLogionella sayısını ölçülmelidir. Logionellabakterisi barındırma açısından bakıldığında,örneğin; soğutma kulelerindeki sularda 1 000ünite/ml ve akarsularda 1 ünite /mi civarındabakteriye rastlanmıştır. Hangi seviyedeLogionellanın güvenilir olduğu hususundadoyurucu bir yanıt henüz mevcut değildir.Genel kanı, hastalık yapıcı ortamın etkisindekalma miktarı ile riskin arttığı yönündedir.Yani, çok yoğun bakteri içeren ortamlar kişilertarafından solunmadığı sürece risk yaratmaz [1-3].

Bakteri içeriği açısından bakıldığında, kullanmasuyu temin kaynağı olarak durgun baraj sularıve yüzeysel kuyu suları çok riskli, derin kuyusuları az risklidir. Kuyu derinlikleri arttıkça riskazalır. Legionella bakterisi içeren kullanmasularında, kullanma öncesi düzenli klorlamayapıldığında bakteri ortadan kalkar. Genelliklekullanma suları klorlandığında, suya ilaveedilen klor miktarı 0.5 ila 3.5 ppm civarındaolmaktadır. Kullanma suyuna 3.5 ppm klorilave edildiğinde Legionella bakterisi 24 saat,16 ppm klor ilave edildiğinde ise 15 dakikayaşayabilmektedir. Klor oranı arttıkçabakterinin canlı kalma süresi kısalmaklabirlikte, klor oranının artması insanları darahatsız edebilir. Bu sebepten dolayı, kullanımsularında aşırı klor kullanma yerine, belirli dö-nemlerde su depolama tanklarını yüksek klororanlı 60-f77 °C sıcaklıktaki su ile yıkamakbakteriden korunmak için en sağlıklı veemniyetli yoldur [1-3].



2.3. Lejyoner Hastalığının Yayılması

Legionella bakterisi; yaşayan, ve çoğalan birorganizmadır. Bakteriden korunmak içinişletmenin kontrolü, personelin korunmadonanımı, zararlının tanınması ve maruzkalınan sürenin bilinmesi önemlidir. Lejyonerhastalığına yakalanma genelde aşağıdakibirbirini takip eden sıralama ilegerçekleşmektedir. Bunlar;

1- Legionella bakterisinin barınabileceğiçevresel bir su kaynağı,2- Bakterinin çoğalmasına neden olan faktörler,3- Organizmanın kaynaktan hastalığa elverişlikişilere yayılma araçları,4- Kişilere bulaşabilmek için yeterli derecededayanıklı bir bakteri grubunun olması,5- Bu organizmaların enfeksiyon meydanagetirebilmek üzere kişilere nüfuz edebilmesi,6- Mikrop kapmaya yatkın ve enfeksiyona karşımücadele gücü zayıf bir kişinin olması,şeklinde sıralanmaktadır [2].

Sıralamada, son aşamaya gelindi ise yapılacakpek bir şey yoktur. Çünkü aşı gibi herhangi birkorunma yöntemi henüz bulunmamıştır.Hastalığın yayılma sıralamasındaki ilk üçkademedekilere müdahale edilip tedbir alınabilir.

2.4. Legionella Bakterisi Hangi TesisatlardaBulunabilir

Legionella su da uzun süre yaşar. Odasıcaklığında, distile edilmiş suda aylarca, çeşmesuyunda ise bir yıldan fazla, nem oranı yüksekhavada uzun süre canlı kalabilmektedir.

Nem oranı düştüğünde kısa sürede ölür.Depolanan ve durgun sularda, uzun süre canlıkalabilir. Bakteri barındıran suyun kullanıldığıve buharlaşma veya zerrecikler halindeçevredeki solunan havaya geçmesi ile tümortamlarda yayılabilir. Havada 5-r 15 [imboyutundaki su damlacıkları ile kolaycainsanlara geçer. İçerisinde su partikülleri içerennemli hava yani aereosol üreten cihazlarbakterinin esas kaynağıdır. Solunan aerosolortam içerisindeki su damlacıkları yoluylaorganizma akciğere taşınır ve enfeksiyonbaşlar. Bakterinin yayılma araçları;

- Doğal nemli hava kullanan havalandırmatesisatları,

Su ile nemlendirilmiş hava kullananiklimlendirme (klima) tesisatları. Nemli havakullanmayan split veya iç ve dış ortamdakihavaların birbirine karışmadığı pencere tipiklima cihazları bu kapsamda değildir.- Çamaşır tekneleri (makineleri hariç),- Bulaşık eviyeleri veya tekneleri (makineleri hariç),- Duşlar,- Buharlaştırıcılar (konvektif tip ve düşüksıcaklıkta çalışanlar),- İklimlendirme sistemleri için kullanılan sulusoğutma kuleleri,- Basmçlı-pülverize su sağlayan musluklar,gibi solunan havaya bakterili küçük su zerrelerisaçan tüm sistemlerdir. Buharlı nemlendirmeliklima sistemleri, su ile gelen Legionella bak-terisi riskinden uzaktır. Bu nedenle Legionellabakterisi ile su kaynağında mücadele veçoğalmanın önlenmesi daha doğrudur [4,5].

Tablo-1 Lejyonella infeksiyonlannın (Lejyoner ve Pontiak hastalıklarının) özellikleri (3).

Etken

Kuluçka süresiBelirtiler

AkciğerbulgularıDiğer organlar

Prognoz

Konak

Lejyoner HastalığıLegionella pneumophila (serogrup 1 ve 6), Legionellamicdadei2-10 günAteş, öksürük, halsizlik, kas ağrısı, iştahsızlık, başağrısı, göğüs ağrısı, balgam, diyare, laterjiensefalopatiPnömoni, palevral sıvı

Sinusit, perikardit, perirektal abse, pyelonefrit,peritonit, pankreatit, endokarditUygun antibiyotik tedavisine rağmen % 15-20civarında ölümÇeşitli nedenlerle (yaş, alkol, sigara alışkanlığı, başkahastalık ve uygulanan tedavi vs.) bağışıklık sistemininbaskı landığı bireyler

Pontiyak HastalığıLegionella pneumophila,Legionella micdadei

Ateş, üşüme, kas ağrısı, başağrısı, balgamsız öksürük-

-

Bir haftada kendikendine iyileşir.Sağlıklı bireyler


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r E n e r j i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e S e r g i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

Legionella'lı bir su kaynağı olup olmadığınıbilmek, çoğalmayı etkileyen faktörleri sapta-mayı kolaylaştırır. Bunun için; suyun sıcaklığı,pH değeri, organik besin miktarı, durgunluğu,demir bileşikleri, amino asitler bakteri üre-mesini hızlandırdığından, suyun sürekli kontroledilmesi gereklidir. Bu yöntemin dışında;hastalığın ortaya çıkmasını beklemek ve sonratedbir almak sağlıklı bir yol değildir [3].

Hastalığın önlenebilir olduğunu bilmek,tamamen önlemeye yetmemektedir. Esasyapılması gereken hastalığın ortaya çıkmasınıbekleyerek tedbir almak yerine, hastalığınortaya çıkması olası olan yerleri ve kaynaklarıkontrol altında tutmak için tedbirler almaktadır.Legionella bakterisinin yapısında bol miktardadallanmış yağ asidi bulunmaktadır. Bu yağbakteriyi yüksek sıcaklığa dayanıklı halegetirir. Legionella bakterisinin canlıkalabileceği sıcaklık aralığı yapay ortamlarda+25 + +43 °C, doğal ortamlarda 0 °C ile + 63°C dir. Bu sebeple Legionella veya diğer su ilegelebilecek bakterilerden korunmanın ensağlıklı yolu, duşlar veya diğer cihazlardansağlanan sıcak sularının en az 63 °C veyaüzerine ısıtılarak, içerisinde olabilecekLegionella ve diğer bakterilerin ölmesinisağlamaktır. Duş veya benzeri kullanımyerlerinde ihtiyaç duyulan su sıcaklığı 63 °Cnin altında da olsa, su 63 °C ye ısıtılıp sonrabataryada, soğuk su ile karıştırılıp kullanımsıcaklığına düşürülmelidir. Legionellabakterisi-nin yaşaması ve çoğalması için enideal su sıcak-lığı 35+37 °C dir. Isıtmaşebekelerinde 35+45 °C a yükseltilen veduşlarda kullanılan su, yoğun bakteriiçerebileceğinden tehlikeli olabilir [3].

3. LEJYONER HASTALIĞININ GÜNEŞENERJİSİ İLE İLİŞKİSİ

Güneş enerjisi tesisatlarında kullanılan güneşkol-lektörü, boru, vana, pompa, su depolamatankı, ısı değiştiricileri ve diğer tesisatelemanlarının Legionella bakterisinin oluşması,çoğalması ve yuvalanması ile kesinlikle hiçbirilgisi yoktur. Bakteri güneş enerjisi sistemine,kullanım suyu ile kaynaktan gelmektedir.Güneş enerjisi sistemine gelen su, içme vekullanma suyu olarak kullanılan suyun aynıdır.

Ayrıca, binalarda sıcak su temini içinkullanılan kombi, şofben, her tür sıcak suboylerlerindeki suyun aynıdır. Güneşli sıcaksu üretim sistemlerine şebekeden gelen suiçinde Legionella bakterisi olabilir. Bu su,güneş enerjisi sistemine geldiğinde susıcaklığı artacağından, bakteri çoğalmak içinuygun sıcaklıkta ortam bulabilir. Eğer suyunsıcaklığı artırılarak 63 °C veya üzerineçıkartılırsa, muhtemelen içerisinde bulunanbakteriler öleceği için hastalık riski ortadankalkar. Bu açıklamaların ışığında, bakterininüremesi ve hastalıklara sebep olma riskiaçısından bakıldığında, 63 °C dan düşüksıcaklıklarda sıcak su üreten her türlü boyler,şofben veya kombi cihazları aynı riskitaşımaktadır [5].

3.1. Güneşli Sıcak Su TesisatlarınınUygulama Şekilleri

Sıcak su üretimi yapan tüm cihaz vesistemlerin, fabrika üretim ayarlarındanbaşlayarak en düşük sıcak su üretme sıcaklığı63 °C olmalıdır. 63 °C 'un altında sıcak suüretme riski olan güneş enerjisi sistemleri vebenzeri tüm cihazların, çıkışlarına, buradançıkacak ve sıcaklığı 63 °C ye yükseltecekboyler mutlaka konulmalıdır.

Güneş enerjili olsun veya olmasın herhangibir sıcak su ısıtma boylerinde bölüm 2.4 debelirtilen amaçlar için kullanılıyor ise ihtiyaçduyulan su sıcaklığı 63 °C den daha düşük deolsa, en az 63 °C sıcaklıkta, sıcak su üretecekşekilde işletilmelidir [5].

3.2. Sıcak Su Tesisatlarının BağlantıŞekillerinin İncelenmesi

Genellikle, kullanım için sıcak su verilenkonut, otel, tatil köyü gibi hizmetbirimlerinde, kombi Şofben veya sıcak suboyleri ile sıcak su üretiliyor ise; kullanımaverilen su sıcaklığı kesinlikle 63 °C veyaüzerinde olmalıdır. Şekil-1 de uygulamadasıcak su üretimi için yaygın kullanılan klasikgömlekli bir boylerde, şebekeden gelensoğuk su sıcaklığının ne olduğunabakılmaksızın mutlaka 63 °C ve üzerinde birsıcaklığa çıkarılması gereklidir [5].


Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3 - 4 Ekim 2003 Kayseri

-FTTSıcak su kullanım

-FFF

IXH/r®MJXh-ı

Boyler"

-*-Soğuk su şebeke girişi

Şekil-1 Klasik boylerli sıcak su üretim sistemi tesisatbağlantı şeması

Kullanım sularının arıtma işleminden geçiril-mediği ve Şekil-1 de ki gibi tesisat bağlantı-sının uygulandığı sıcak su temin sistemlerindelegionella bakterisinin bulunma riski kesinlikleçok yüksektir. Şekil-1 de verilen tesisatşemasında güneş enerjisi sistemi ile her hangi

bir ilişkisinin olmadığı dikkate alındığında,legionella bakterisi ile sıcak kullanma suyuarasında aranması gereken ilişki, kullanmasuyunun kaynağında her hangi bir arıtmanınolup olmadığı veya kullanılan su sıcaklığınınen az 63 °C olup olmadığıdır.

Uygulamada, maalesef konut, fabrika, otel vetatil köylerinde kurulan güneş enerjili sıcaksu sistemleri, Şekil-2 deki gibikurulmaktadır. Şekildeki tesisat, sıcak suüretimi için doğru bir tesisat olmakla birlikte,böyle bir tesisatın tüm yıl boyunca istenilensıcaklıkta sıcak su üretmesi mümkündeğildir. Bilindiği üzere, yaz aylarında, birimalana gelen güneş ışınımı 2-r3 kat, şebekesuyu sıcaklığı 3-f4 kat kış aylarına göreyüksek olmaktadır. Güneşli yaz aylarında, 63°C ve üzerinde sıcak su üretebilen güneşlisıcak su üretim sistemlerinde, kış, ilkbahar,sonbahar aylarında ve kapalı yaz günlerindedahi 63 °C a ulaşılmayabilir. Güneş enerjilisıcak su üretim sistemlerinin Şekil-2 de kigibi tesis edilmesi Legionella bakterisibarındırma ve bakterinin önlenmesi açısındanrisk taşımaktadır [5].

Güneş kollektörleriOtomatik kontrol

cihazı

Sıcak su tankıpompa grubu

Sıcak su kullanım

Kapalıgenleşmedeposu

oğuk su şebeke girişiBoşaltma

Şekil-2 Güneş enerjili sıcak su temin sistemi tesisat bağlantı şeması



Lejyonella bakterisinden korunmanın en eminyolu, güneş enerjisi sistemlerini, klasik sıcak suüreten boyler sistemi ile birlikte çalışacakşekilde tesis etmektir.

Şekil-3 de Güneş enerjisi sıcak su temin sistemiile klasik boylerli sıcak su ısıtma sistemininbirbirlerine bağlantılı olarak çalışması içingerekli bağlantılar yapılmış bir tesisat şemasıgörülmektedir [5].

Güneş enerjisi sisteminden günün durumunagöre farklı sıcaklıklarda elde edilen su, sıcak sukazanından beslenen bir boylerden geçirilmek-tedir. Güneş enerjisi sisteminden üretilen susıcaklığı 63 °C nin üzerinde bir sıcaklıkta ise,tesisatı yönlendiren otomatik kontrol sistemi,sıcak su kazanını çalıştırmaya gerek duymayacakaksi durumda sıcak su kazanını çalıştıracaktır.

Şekil-3 deki tesisat bağlantı uygulaması, kay-nak suyundan veya sıcak su hazırlama sistem-lerinin herhangi bir safhasında ortayaçıkabilecek Legionella bakterisinin canlıkalma olasılığını ortadan kaldıracağı için engüvenli ve sağlıklı bir tesisat uygulamasıdır.

4. SONUÇLAR VE SONUÇLARINİRDELENMESİ

Legionella bakterisi, damıtık saf su dışındakitüm sularda az veya çok bulunabilir. SudaLegionella bakterisi bulunması, bu suyukullanan insanlara bakterinin bulaşacağıanlamına gelmez. Hastalığın meydana gelmesiiçin bakterili suyun mikron mertebesindeküçük damlacıklar halinde aerosol oluşturarakhavaya karışması ve havanın, teneffüs yolu ileinsanların akciğerlerine ulaşması gereklidir.

Bu hastalığın yayılması konusunda genelkanı, hastalık yapıcı ortamın etkisinde kalmamiktarı ile riskin arttığı yönündedir. Yani, çokyoğun bakteri içeren ortamlardaki hava kişilertarafından solunmadığı sürece risk yaratmaz.

Kullanma sulan klor, ozon, ultravioleışınlama, ve bakır - gümüş metalik iyonüreten sistemlerden biri ile dezenfektasyonusağlanmalıdır. Binalarda içme ve kullanmasularının ağzı kesinlikle kapalı tutulmalıdır.Bakteriden korunmak için su kaynaklarınındüzenli bakımı, temizliği, uygun pH vesıcaklık değerleri sağlanmalı ve biyolojikseviye kontroller yapılmalıdır.

Güneş kollektörleriOtomatik kontrol

cihazı

Emn.vent.

oğuk su şebeke girişiBoşaltma

Şekil-3 Güneş enerjili sıcak su temin sistemi ile klasik boylerli sıcak su temin sistemi tesisat bağlantı şeması

Matına Mühendisleri Odası 68


Klor oranı arttıkça bakterinin canlı kalma süresikısalmakla birlikte, klorun artması insanları darahatsız eder. Bu sebepten, kullanım sularındaaşın klor kullanma yerine, belirli dönemlerdesu depolama tanklarını yüksek klor oranlı60+77 °C sıcaklıktaki su ile yıkamak bakteridenkorunmakiçin çok sağlıklı ve emniyetli bir yoldur.

Bakteri içeriği açısından kullanma suyukaynağı olarak durgun baraj ve yüzeysel kuyusuları (5+10 metreden çıkan) çok riskli, derinkuyu suları az risklidir. Kuyu derinlikleriarttıkça risk iyice azalmaktadır.

Hastalıktan korunmak için işletmenin kontrolü,personelin korunma donanımı, zararlınıntanınması ve maruz kalınan sürenin kontrolüönemlidir. Çünkü aşı gibi bir korunma yöntemihenüz bulunmamıştır.

Legionella suda uzun süre yaşar. Odasıcaklığında, distile edilmiş suda aylarca, çeşmesuyunda ise bir yıldan daha uzun süre, nemoranı yüksek havada uzun süre canlı kalabilir.Nem oranı düştüğünde kısa sürede ölür.Depolanan ve durgun kalan sularda uzun sürecanlı kalabilir.

Su içinde barınan bakteri, bu suyun kullanıldığıve buharlaşması ile oluşan zerrecikler aracılığıile çevredeki solunan havaya geçer. Buradan datüm ortamlara yayılabilir. İçerisinde supartikülleri içeren nemli hava yani aeresolüreten cihazlar en iyi bakteri yayma araçlarıdır.

Solunan aerosol ortam içerisindeki sudamlacıkları yoluyla bakteri akciğere taşınır veenfeksiyon başlar. Havada 5+15 fimboyutundaki su damlacıkları ile kolaycainsanlara geçer.Legionella bakterisinin yapısında bol miktardadallanmış yağ asidi mevcuttur. Bu yağ bakteriyiyüksek sıcaklığa dayanıklı hale getirir.Legionella bakterisinin canlı kaldığı sıcaklıkaralığı, yapay ortamlarda +25 + +43 °C, doğalortamlarda 0 °C ile +63 °C dir. Legionella ve suile gelecek bakterilerden korunmanın ensağlıklı yolu, duşlar ve diğer cihazlardan gelensıcak sularının en az 63 °C a ısıtılarak,

içerisinde olabilecek Legionella ve diğerbakterilerin ölmesini sağlamaktır.

Duş veya benzeri kullanım yerlerindeihtiyaç du-yulan su sıcaklığı 63 °C ninaltında da olsa, su 63 °C ye ısıtılıp sonrakullanım yerinde, soğuk su ile karıştırılaraksıcaklığı düşürülmelidir. Legionellabakterisinin yaşaması ve çoğalması için enideal su sıcaklığı 35+37 °C aralığıdır. Isıtmaşebekesine gelen ve 35+45 °C sıcaklıklarayükseltilen ve ardından duşlarda kullanılansu yoğun bakteri içerebileceğinden tehlikeliolabilir. Güneş enerjisinden gelen kullanmasuyu sıcaklığı artırılarak 63 °C a çıkartılırsa,hastalık riski ortadan kalkar.

Sıcak su üretimi yapan şofben, kombi gibitüm cihaz ve sistemlerin, fabrika üretimayarlarından başlayarak en düşük sıcak suüretme sıcaklığı 63 °C olmalıdır. 63 °C 'unaltında sıcak su üretme riski olan güneşenerjisi sistemleri ve benzeri cihazların,çıkışlarına, su sıcaklığını 63 °C yeyükseltecek bir boyler mutlaka konulmalıdır.

Güneş enerjisi tesisatlarında kullanılangüneş kolektörü, boru, vana, pompa, sudepolama tankı, ısı değiştiricileri ve benzeritesisat elemanlarının Legionella bakterisininoluşması, çoğalması veya bakterininyuvalanması ile kesinlikle hiçbir ilgisi yoktur.

Güneş enerjili sıcak su sistemlerinde yılboyunca istenilen sıcaklıkta sıcak su üretmesimümkün değildir. Bilindiği üzere, yazaylarında, birim alana gelen güneş ışınımı2+3 kat, şebeke suyu sıcaklığı 3+4 kat kışaylarından yüksektir.

Güneşli yaz aylarında, 63 °C ve üzerindesıcak su üretebilen, güneşli sıcak su üretimsistemlerinde, kış, ilkbahar, sonbaharaylarında ve havanın kapalı olduğu yazgünlerinde dahi 63 °C a ulaşılmayabilir.

Lejyonella bakterisinden korunmanın enemin yolu, güneş enerjisi sistemlerini, klasiksıcak su üreten boyler sistemi ile birlikteçalışacak şekilde tesis etmektir.

Mukimi Mühendisleri Odası 69

Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r E n e r j i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e S e r g i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

Kullanım sularının her hangi bir arıtmaişleminden geçirilmediği ve şekil-1 de ki gibitesisat bağlantısının uygulandığı sıcak su teminsistemlerinde legionella bakterisinin bulunmariski çok yüksektir. Şekil-1 de verilen bu tesisatşemasında güneş enerjisi sistemi ile her hangibir ilişkisinin olmadığı dikkate alındığında,legionella bakterisi ile sıcak kullanma suyuarasında aranması gereken esas ilişki, kullanmasuyunun kaynağında her hangi bir arıtmanınolup olmadığı veya kullanıma verilen susıcaklığının en az 63 °C olup olmadığıdır.

Bakterinin yayılmasındaki en tehlikeli kaynakklima sistemlerinin sulu soğutma kuleleridir.Hava akımı ile bu kulelerden yayılan bakteriortamdaki tüm havaya yayılmaktadır.

KAYNAKLAR

1) Altuntop N., Tekin Y., "Güneş Enerjili SıcakSu Üretim Tesisleri ve Lejyoner Hastalığı ileİlişkisi", Tesisat Dergisi say. 84-92" Şubat 2003.2) İlken Z. "Lejyoner Hastalığı Üzerine",Çeviri, Tesisat Mühendisleri Derneği TeknikBülteni, sayı-26, sayfa 14-15, Ağustos 1997.3) Ustaçelebi Ş, "Temel ve KlinikMikrobiyoloji", s; 559-567, Güneş Kitapevi,Ankara, 19994) Mandel G.L., Bennet J.E. and Dolin R.,"Principles and Practice of InfectiousDiseases", 4. th ed. Churchill Livingstone, N.York, 19955) Altuntop N.,"Güneş Enerjisi Ders Notlan",Basılmadı, Erciyes Univ., Kayseri, 2002

ÖZGEÇMİŞ

Doç. Dr. Necdet ALTUNTOP

1982 yılında Erciyes Üniversitesi MühendislikFakültesi Makina Mühendisliği Bölümündenmezun oldu, 1985 de yüksek lisans ve 1989 daDoktora derecesini aldı ve aynı yıl ErciyesÜniversitesi Mühendislik FakültesindeYardımcı Doçent kadrosuna atandı. 1993-1994yıllarında Amerika Birleşik DevletlerindeUniversity of Nevada at Reno da "kapalı

hacimlerin güneş enerjisi ile ısıtılması" ve"sanayide enerji auditleri" konularındabilimsel çalışmalarda bulundu. 1999 datermodinamik-Isı tekniği bilim dalındaDoçent unvanı aldı. Halen ErciyesÜniversitesi mühendislik fakültesi makinamühendisliği bölümünde görev yapmaktadır.1998 yılından beri aynı fakültede dekanyardımcılığı görevini yürütmektedir. 1997-1999 yıllarında Erciyes Üniversitesi ısısantrali sorumluluğu, 1997 yılından beriErciyes Üniversitesi Yapı işleri ve Teknikdaire başkanlığında makine tesisatkonularında kontrol mühendisliğiyapmaktadır. 1997 yılından beri üniversiteİriinyesinde bir çok sıcak sulu, buharlı vekızgın sulu ısıtma, havalandırma,iklimlendirme ve güneş enerjili sıcak suhazırlama sistemlerinin proje, tasarım veuygulamasını gerçekleştirdi. TTMD nin üyesiolup, Termodinamik, ısı geçişi, ısıtma-havalandırma, güneş enerjisi ve enerjiyönetimi konularında 60 civarındayayınlanmış bilimsel çalışmasıbulunmaktadır.

Arş. Gör. Yusuf TEKİN

1974 yılı Kayseri doğumludur. 1997 yılındaErciyes Üniversitesi Mühendislik FakültesiMakina Mühendisliği bölümünde lisansöğrenimini, 1999 yılında da ErciyesÜniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü MakinaAna Bilim dalında yüksek lisans öğreniminitamamlamıştır. 1999 yılında GaziÜniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü MakineMühendisliği Ana Bilim Dalında doktoraöğrenimine başlamış ve halen devametmektedir. 1998-2002 yılları arasındaErciyes Üniversitesi Mühendislik FakültesiMakina Mühendisliği bölümünde araştırmagörevlisi ve aynı zamanda 1997-2001 yıllanarasında Erciyes Üniversitesi Yapı İşleri veTeknik Daire Başkanlığında MakinaMühendisi olarak görev yapmıştır. 2002yılından beri Gazi Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsünde araştırma görevlisi olarak görevyapmaktadır.



BUJİ-ATEŞLEMELİ MOTORLAR İÇİN ALTERNATİFYAKITLARIN TEORİK DEĞERLENDİRİLMESİ

VE PRATİK KULLANILABİLİRLİĞİ

Hakan BAYRAKTAR Orhan DURGUN

KTÜ, Sürmene Deniz Bilimleri Fak., Gemi İnşaatı Müh. Böl., 61530 Çamburnu-Sürmene-Trabzon(0462)752 28 05 [email protected] [email protected] 0462 377 29 57.

ÖZET

Sunulan çalışmada; buji-ateşlemeli bir otomobilmotorunda benzin, etanol ve LPG kullanılmasıdurumunda, çeşitli çalışma koşullarındakimotor performans parametrelerinin teorikincelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, motorçevrimini, sözü edilen yakıtlar için hesaplayansanki-boyutlu bir termodinamik çevrim modeligeliştirilmiştir. Çevrim modelinde yanmaişlemi, bir türbülanslı alev yayılması matematikmodeliyle hesaplanmıştır. Bu modelkullanılarak; benzin, etanol ve propandanoluştuğu varsayılan LPG yakıtları için çeşitlimotor çalışma koşullarında sayısal uygulamalargerçekleştirilmiştir. Hesaplanan motorperformans parametreleri ve eksoz emisyonlarıçeşitli diyagramlarla karşılaştırılmıştir. Farklıdevir sayıları ve ekivalans oranlarında yapılankarşılaştırmalar sonucu, motor performansı veeksoz emisyonları açısından buji-ateşlemelimotorlar için en uygun yakıtın etanol (etilalkol)olduğu teorik olarak belirlenmiştir.

GİRİŞ

Buji-ateşlemeli motorların bir günlük yakıttüketimleri yaklaşık olarak dünya petrolüretiminin üçte birine denk gelmektedir [1].Sınırlı olan petrol kaynaklarının yakın gelecektebu gereksinimi karşılayamayacağı tahminedilmektedir. Ayrıca motorlar, şehirlerdekihava kirliliğinin de en önemli kaynağıdır. Bunedenlerle, taşıt motorlarının verimlerininyükseltilmesi, motorlardan yayılan kirleticieksoz emisyonlarının azaltılması ve motorlariçin uygun özelliklere sahip üretimi petroledayalı olmayan alternatif motor yakıtlarınınbulunması, motorlarla ilgili araştırmalarınbaşlıca konularını oluşturmaktadır.

Buji-ateşlemeli motorlarda kullanılabilecekalternatif yakıtlar: sentetik yakıtlar, alkoller ve

gaz yakıtlar olarak sınıflandınlmaktadır[l, 2,3]. Çeşitli alternatif yakıtların buji-ateşlemelimotorlarda kullanılması* ile ilgili bir çokçalışma yapılmıştır [1, 4, 5, 6, 7]. Bunlarınbüyük çoğunluğu deneysel çalışmalar olup,sadece bir alternatif yakıt içingerçekleştirilmiştir. Bu nedenlerle, literatürdeverilen sonuçlar genellikle; belirli bir motor içinve sınırlı sayıdaki çalışma koşulunda eldeedilmiştir. Farklı alternatif yakıtların motorlardayaratacağı etkileri gerçekçi bir şekildekarşılaştırmak için; benzer özelliklerdekimotorlarda çeşitli çalışma koşullarında her yakıtiçin motor çevrimini ve motor performansınıincelemek gerekir. Bu türde bir çalışmanınteorik olarak gerçekleştirilmesinin, daha hızlıve daha ekonomik olacağı açıktır. Bu nedenlesunulan çalışmada; buji-ateşlemeli motorlar içinalternatif yakıt olarak önerilen etanol ve LPGnin (sıvılaştırılmış petrol gazı) bir buji-ateşlemeli motorda kullanılmasının yaratacağıolası etkilerin teorik olarak belirlenmesiamaçlanmaktadır.

Sunulan çalışmada önce buji-ateşlemelimotorlarda kullanılmaya uygun alternatifyakıtların genel özellikleri verilmektedir. İkinciolarak benzin, etanol ve propandan oluştuğuvarsayılan LPG yakıtları için motor çevriminive motor performansını hesaplamak amacıylageliştirilen matematik çevrim modeli kısacatanıtılmaktadır. Daha sonra buji-ateşlemeli birotomobil motorunda, çeşitli çalışmakoşullarında her bir yakıt için elde edilensonuçlar çeşitli diyagramlarlakarşılaştırılmaktadır.

ALTERNATİF YAKITLAR

İçten yanmalı motorlarda kullanılacakyakıtların; ucuz ve bol miktarlardaüretilebilmesi, ısıl değerlerinin yüksek olması,



kolayca depolanabilmesi ve taşınabilmesi,yüksek sıkıştırma oranlarında çalışmaya olanakvermesi ve düşük düzeylerde eksoz emisyonuoluşturması istenir [1, 3, 8]. Bu özelliklerisağlayan başlıca alternatif yakıtlar genel olarak:yapay benzin, alkoller ve gaz yakıtlar olaraksınıflandırılmaktadır [1, 2, 3, 7, 8]. Sözü edilenyakıtların motor yakıtı olarak kullanılmasıdurumunda, alışılagelmiş motor yakıtlarına göreçeşitli üstünlüklerin yanı sıra bazıolumsuzlukların da ortaya çıkacağıaraştırmacılar tarafından belirtilmektedir [1, 2,3, 4, 7, 8]. Aşağıda, alternatif yakıtların genelözellikleri özetlenmektedir.

Yapay benzin genellikle; karbon monoksit vehidrojenden çeşitli hidrokarbonlar sentezedilerek üretilmektedir. Bu yöntemdehammadde olarak kömür ve doğal gazkullanılmaktadır. Bu yolla çok iyi kalitedebenzin üretilmesine karşın üretim maliyeti çokyüksek olmaktadır [2].

Alkoller, otomobilin icat edildiği yıllardan berimotorlarda kullanılmaktadır [8]. Metanol,etanol, tersiyer bütil alkol, metil tersiyer bütileter ve izopropanol gibi alkoller; ya motoryakıtı olarak ya da çeşitli amaçlarla motoryakıtlarına katılarak kullanılmaktadır [2, 8].Tersiyer bütil alkol ve metil tersiyer bütil eteroktan sayısını yükseltmek, izopropanol isekarbüratör buzlanmasını ve benzin-alkolkarışımlanndaki faz ayrışması sorununuönlemek için benzine düşük oranlardakatılmaktadır [1, 6, 7, 8]. Alkollerden sadeceetanol ve metanol petrol esaslı olmayanhammaddelerden güncel teknolojiyle pratikolarak üretilmektedir. Metanol yüksek gücünistendiği ve yakıt ekonomisinin önemsenmediğiözel olarak tasarlanmış yarış otomobilimotorlarında yaygın olarak kullanılmaktadır [1-4]. Taşıt motorlarında bazı düzenlemeleryapılarak metanol kullanılması durumundamotor veriminin % 40 a kadar çıkabileceğibelirtilmektedir [4]. Ancak metanol; üretimikömür ve su buharının ısıl işleminedayandığından tam bir alternatif yakıt değildir.Etanol yüksek oktan sayısına sahiptir vetarımsal ürünler gibi yenilenebilir enerjikaynaklarından üretilmektedir [1-9]. Etanol, buözellikleri nedeniyle buji-ateşlemeli motorlar

için uygun bir yakıttır ve motorlarda tek başınaya da benzine belirli oranlarda katılarakkullanılmaktadır [1]. % 20 oranına kadar etanoliçeren benzin-etanol karışımlarının, motorüzerinde hiçbir değişiklik yapılmadankullanılabileceği belirtilmektedir [1,5, 10].

Buji-ateşlemeli motorlarda kullanılabilecekbaşlıca gaz yakıtlar: metan, hidrojen,sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) vesıvılaştırılmış petrol gazıdır (LPG) [1, 2, 3, 9,10]. Oktan sayılarının çok yüksek olması,soğukta çalışmaya uygun olmaları ve düşükdüzeylerde kirletici eksoz emisyonlarıvermeleri gaz yakıtların olumlu özellikleridir[9, 10]. Buna karşın gaz yakıtlar volumetrikverimi düşürdüğü için motor gücünün dedüşmesine neden olmaktadır. Diğer taraftan,belirli bir hacim başına gerekli ısıl değerisağlamak için gaz yakıtları yüksek basınçaltında sıkıştırarak depolamak gerekir [1, 2, 9,10]. Son iki özellik alkollerin olumsuzyönleridir. Buji-ateşlemeli motorlar için en ilgiçekici gaz yakıt hidrojendir. Hidrojen çokyüksek ısıl değere, çok yüksek alev hızına veiyi tutuşma özelliğine sahiptir. Hidrojeninüretimi pahalı ve depolanması zor olduğu içinmotorlarda güncel kullanımı

yaygılaşmamıştır[2].

Son yıllarda Türkiye'de ve bazı Avrupaülkelerinde, özellikle ticari otomobillerde LPGyaygın olarak kullanılmaktadır. LPG hampetrolün damıtılması sırasında üretilmektedir vepropan, bütan ve az miktarda propileniçermektedir [1, 2, 3, 7, 9, 10]. LPG, motorperformansını olumsuz yönde etkilemesinekarşın, düşük düzeylerde eksoz emisyonuoluşturması ve ucuz olması gibi nedenlerletercih edilmektedir [9, 10].

Sunulan çalışmada; yukarıda sözü edilenalternatif yakıtlardan etanol ve LPG nin motorperformansı ve eksoz emisyonları üzerindeoluşturacağı olası etkilerin teorik incelenmesiamaçlanmıştır. Bu amaçla; benzin, etanol veLPG (burada propandan oluştuğuvarsayılmıştır) yakıtlarının bir buji-ateşlemelimotorda kullanılması durumunda motorçevrimini hesaplamak için bir termodinamikçevrim modeli geliştirilmiştir. Yanma işlemi;anlık alev geometrisi göz önüne alınarakhesaplandığından, sunulan çevrim modeli



"sanki-boyutlu" olarak adlandırılmaktadır.Matematik çevrim modeli gelecek bölümlerdeayrıntılı olarak tanıtılacaktır.

MATEMATİK ÇEVRİM MODELİ

Sunulan çalışmada, bir buji-ateşlemeli motorunçevrimi; benzin, etanol ve LPG yakıtları için birtermodinamik çevrim modeli kullanılarakhesaplanmıştır. Matematik modelin temeldenklemleri; Termodinamiğin BirinciKanununu silindir dolgusuna uygulayarak eldeedilmiştir. Bir ideal gaz karışımı olarak gözönüne alman silindir dolgusunun, her hangi bir9 krank açısındaki basınç ve sıcaklığı için

riı^ı . h= 1 (V

(D

(2)p = 10"5

dp/_

şeklinde birinci-dereceden bir adi-diferansiyeldenklem sistemi elde edilmiştir. Söz konusudiferansiyel denklem takımının çıkarılışınailişkin ayrıntılı bilgi Bayraktar [1] daverilmektedir. Burada; taze karışım için i = u veyanmış gaz karışımı için i = b dir. A ve Bkatsayıları yanmış ve yanmamış karışım için

şeklidedir. (1) ve (2) denklemlerinde; () krankaçısına göre türevi, Qw silindir duvarlarınatransfer edilen ısıyı, V hacmi, p yoğunluğu, mkütleyi, h entalpiyi ve cp sabit basınçtaki özgülısıyı göstermektedir. (1) ve (2) denklemleri, herstrok için uygun varsayımlar altındaçözülmüştür.

Çevrim boyunca silindir içindeki kütlenindeğişmediği ve basıncın silindir içinde homojenolduğu varsayılmaktadır. Silindir dolgusunun:emme ve sıkıştırma işlemlerinde; reaktifolmayan yakıt-hava-artık gaz karışımından,yanma işleminde; küresel bir alev cephesi ileayrılan yanmış ve yanmamış gazkarışımlarından (Şekil 1) ve genişlemeişleminde ise yüksek sıcaklıktaki yanmaürünlerinin kimyasal dengedeki reaktifkarışımından oluştuğu varsayılmıştır. Emmesonu özellikleri, Durgun [11] tarafındangeliştirilen yaklaşık bir yöntemlehesaplanmıştır. Sunulan çalışmada propan için;Bayraktar ve Durgun [10] tarafından gazyakıtlar için geliştirilmiş ve aşağıda (3) eşitliğiile verilen, volumetrik verim bağıntısıkullanılmıştır.

1 (3)

Burada: Oed ek doldurma katsayısı, e sıkıştırmaoranı, (j) yakıt/hava ekivalans oranı, Yr artıkgazlar katsayısı, p0 ve To ortam basınç vesıcaklığı, Tr eksoz sıcaklığı ve H,™,, teorik(stoikiometrik) yakıt/hava oranıdır.

Bilindiği gibi ateşleme işlemi, sıkıştırmanınsonlarına doğru üst ölü noktadan bir 0S ateşlemeavansı kadar önce gerçekleştirilir. Buradayanma işleminin başlangıcındaki yanmışgazların ilk sıcaklığı adyabatik alev sıcaklığıolarak hesaplanmıştır. Yanma işlemi süresince;silindir dolgusunun, Şekil 1 deki gibi yaklaşıkolarak küresel şekilli bir alev cephesi ileayrılan yanmış ve yanmamış gazbölgelerinden oluştuğu varsayılmıştır. Budurumda (1) ve (2) denklemleri her bir bölgeiçin ayrı ayrı düzenlenerek çözülmüştür.Yanma işlemi; anlık alev geometrisi göz önünealınarak hesaplandığından, sunulan matematikmodel, "sanki-boyutlu" olarak adlandırılmıştır.



Yanmış gazların anlık toplam kütlesi ise, ilkolarak Blizard ve Keck [12] tarafındangeliştirilen ve daha sonra Keck [13] ve Berattave arkadaşları [14] tarafından yenidendüzenlenen bir türbülanslı alev yayılmasımatematik modeli kullanılarak hesaplanmıştır.Matematik yanma modelinde; türbülanslıgirdapların alev cephesinin içine bir Ue=Ut+Sıçekilme hızında çekildiği ve bir Tb karakteristikyanma süresi içinde yandığı varsayılmaktadır.

küreselalev cephesi

Şekil 1. Yanma işlemi sırasında yanma odasının şematik gösterimi

Yanma modelinin temel denklemleri

rh b = P u A f <K-mb)

(4)

(5)

şeklindedir. Burada; Af alev cephesinin yüzeyalanı, nie alev cephesinin içine çekilen anlıktoplam kütle, Ut karakteristik türbülans hızı veTb= lt/Sı karakteristik reaksiyon zamanıdır.

Af alev cephesi yüzey alanı; alevin kapladığıhacme (Vf ye) denk gelen serbest alev yüzey

alanıdır. Bir başka deyişle; yanmış veyanmamış gaz bölgelerini ayıran küreselyüzeydir. Alev cephesinin arkasında kalanbölgenin: yanmış ve yanmakta olan tazegazlardan oluştuğu varsayılarak (Şekil 1),herhangi bir 6 krank açısındaki Vf (0) alevhacmi

v f ( e ) = v b ( 8 ) +

K ( e ) " m b ( 9 ) ] (6)Pu

şeklinde hesaplanabilir. Vf alev hacmine karşıgelen Af alev yüzey alanı; çeşitli alevyarıçapları için hesaplanan Vf ve Af

değerlerinden interpolasyonla bulunabilir.

Sı laminer alev hızı genellikle; motoryakıtlarının sabit hacimli yanma odalarında,motor çalışma koşullarına benzer koşullardayakılması yoluyla deneysel olarakbelirlenmektedir [13, 14]. Sunulan çalışmadalaminer alev hızı; Gülder [16] tarafındanbenzin, etanol ve propan için verilen ampirikbağıntılardan yararlanarak hesaplanmıştır.Sio(<|>): To referans sıcaklığında ve po referansbaşmandaki yanma hızı olmak üzere, herhangibir sıcaklık ve basınçtaki laminer alev hızı içinGülder [16] tarafından aşağıdaki bağıntılarverilmektedir:

S l 0 «>) = ZW(|)T1exp [-Ç (<> - 1 . 0 7 5 ) 2 J (7)

(8)

Benzin, propan ve etanol için; a, P, Z, W, r), Çkatsayılarının değerleri Tablo 1 deverilmektedir.

Tablo 1. Laminer alev hızı katsayılan [16]

P 0 = l barT o =300K

C 3 H 8

C 2 H 5 OH

Z

111

w,m/s

0.46580.44600.4650

Tl

-0.3260.1200.250

4.484.956.34

111

a

.56

.77

.75

P

-0.22-0.20

- 0 . 1 7 / ^

P

-0.22-0.20


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r E n e r j i K a y n a k l a r ı S e m p o z y u m u v e S e r g i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

U, ve lt karakteristik büyüklükleri, Keck [13]tarafından verilen ampirik bağıntılarlahesaplanmıştır. Böylece yanma işlemi sırasında;(1) ve (2) denklemlerinin yanı sıra, yanmışkütle için verilen (4) ve (5) diferansiyeldenklemlerinin de çözülmesi gerekir.

Tutuşma gecikmesi süresince yanmanın,laminer olarak gerçekleştiği (Ut = 0) ve lt

boyutundaki bir girdabın yanma süresi kadarsürdüğü varsayılmıştır. Alevin, tutuşmagecikmesinden sonra Ut hızında ilerlediğivarsayılmıştır. Yanma odasının tümü alevlekaplandıktan sonra yani son yanma fazında;yanmış kütle, Keck [13] tarafından verilenaşağıdaki üstel bağıntı kullanılarak hesaplanmıştır.

m v _ e-(e-eF)/xb

m(9)

bF

Burada; F ile alev yayılması işlemininsonlandığı andaki özellikler gösterilmektedir.Yanma hesabı; emme işlemi sonunda silindiriçinde bulunan taze dolgunun tamamı yananakadar sürdürülmüştür. Diğer bir deyişle, irn,yanmış gaz kütlesi silindir içindeki toplam gazkütlesine eşit olunca yanma hesabıtamamlanmış ve genişleme işlemi başlatılmıştır.

Genişleme işlemi süresince (1) ve (2)denklemleri; silindir dolgusunun sadece,kimyasal dengedeki yanma ürünlerindenoluştuğu (i=b) varsayılarak düzenlenmiştir.Genişleme işleminden sonra eksoz gazlarınınbasınç ve sıcaklığı, gazların genişleme sonuözelliklerine bağlı olarak, Bayraktar [1]tarafından verilen ampirik bağıntıyla hesaplanmıştır.

Basınç ve sıcaklık için (yanma işleminde ekolarak yanmış kütle için) yukarıda verilen temeldenklemler; 1° lik krank açısı adımlarıseçilerek, Euler-Predictor-Corrector yöntemi ilesayısal olarak integre edilmiş ve çevrimsüresince silindir dolgusunun anlıktermodinamik durumu belirlenmiştir. Çevrimsonunda Wc toplam çevrim işi; her krank açısıadımında hesaplanan anlık basınç ve hacimlerkullanılarak,

W c = (10)

şeklinde hesaplanmış ve Wc ye bağlı olarak da;ortalama indike basınç ( p j , ortalama efektif

basınç (p™), efektif güç (Ne), efektif verim (r)e)ve özgül yakıt tüketimi (be) gibi motorperformans parametreleri hesaplanmıştır.

SAYISAL UYGULAMALAR

Yukarıda tanıtılan matematik çevrim modeli,bir buji-ateşlemeli motorun çevrimini veperformans parametrelerini; benzin (C7Hn),etanol (C2H5OH) ve propan (C3Hg) içinhesaplayabilecek şekilde ""düzenlenmiştir.Sunulan çevrim modeli için bir bilgisayarprogramı oluşturulmuş ve bu bilgisayarprogramı ile aşağıdaki sayısal uygulamalargerçekleştirilmiştir. İlk olarak; geliştirilenmatematik çevrim modelinin güvenilirlilikdüzeyini belirlemek için, hesaplanan değerlerile literatürde verilen deneysel sonuçlarkarşılaştırılmaktadır. Şekil 2 de propan içinAbraham ve arkadaşları [15] tarafından verilendeneysel silindir basıncı değerleri ile aynımotor için sunulan yöntem ile hesaplanansilindir basınçları karşılaştırılmaktadır.Görüldüğü gibi hesaplanan silindir basınçları iledeneysel basınçlar arasında kabul edilebilir biryakınlık vardır. Şekil.3 te Bayraktar [6]tarafından, benzin için verilen deneysel efektifgüçler ile sunulan çalışmada hesaplananefektif güç değerleri karşılaştırılmaktadır.

40, . . . .

30Deneysel [14]Sunulan model

-40 40 60-20 0 20

Krank açısı, 9

Şekil 2.Deneysel ve teorik efektif güçlerin karşılaştırılması

9.5

9

8.5

6.5

Benzin

Deneysel

Sunulan mode

n=1500dev/daJ

7.8 8.3 8.8

Sıkıştırma oranı E

Şekil.3.Deneysel ve teorik efektif güçlerin karşılaştırılması



9.7

«> 8.2

tü 7.2

6.7

Benzin+%8 EtanolDeneysel [6]Sunulan model

n = 1500 dev/dak

7.8 9.88.3 8.8 9.3

Sıkıştırma oranı, e

Şekil.4.Deneysel ve teorik efektif güçlerin karşılaştırılması

-50 50 150 250

Krank açısı, 0

Şekil 5. Teorik silindir basınçlarının karşılaştırılması

Şekil 4 de ise Bayraktar [6] tarafından, benzin +%8 etanol karışımı için verilmiş deneyselefektif güçlerle, sunulan matematik yöntem ilehesaplanan efektif güçler karşılaştırılmaktadır.Şekillerden de görüldüğü gibi geliştirilenmatematik çevrim modeli; benzin, etanol vepropan yakıtları ile çalışan buji-ateşlemelimotorların çevrimini ve performansözelliklerini gerçekçi bir biçimdehesaplayabilmektedir.

Sayısal uygulamaların ikinci aşamasında, buji-ateşlemeli bir taşıt motorunda çeşitli çalışmakoşullarında; benzin, etanol ve propan içinmotor performans parametreleri ve eksoz gazıemisyonları hesaplanmıştır. Teorik hesaplar;silindir çapı D = 86.4 mm, strok uzunluğu H =67.4 mm, sıkıştırma oranı e = 9.2 ve nominaldevir sayısı nN = 5800 dev/dak olan bir buji-ateşlemeli otomobil motoru içingerçekleştirilmiştir. Bu motorun ateşlemeavansı (9S): devir sayısı ile lineer biçimdedeğiştiği varsayılarak, -12 ile -28° krank açısıdeğerleri arasında seçilmiştir.

İçten yanmalı motor çevrimleri en genelbiçimde silindir basıncının değişimiylekarakterize edilir. Bu nedenle burada ilk olarak;

her bir yakıt için çevrim süresince hesaplanansilindir basınçlarının krank açısına göredeğişimleri Şekil 5 te karşılaştırılmaktadır.Şekilden de görüldüğü gibi en yüksek silindirbasınçları etanol ile elde edilmiştir. Bu durum;etanolun yüksek yanma hızlarına sahipolmasının bir sonucudur.

Motor performans parametreleriyle ilgili teoriksonuçlar, aşağıda Şekil 6-11 de verilmiştir.Benzin, propan ve etanol yakıtları içinhesaplanan efektif güçler, Şekil 6 ve Şekil 7 dekarşılaştınlmıştır.

500 1500 2500 3500 4500 5500 6500

Devir sayısı, dev/dak

Şekil 6. Çeşitli devir sayılarında hesaplanan efektifgüçlerin karşılaştırılması

50.88 0.92 0.96 1 1.04 1.08 1.12

Ekivalans oranı, <(>

Şekil 7. Çeşitli ekivalans oranlarında hesaplanan efektifgüçlerin karşılaştırılması

Şekillerden de görüldüğü gibi; değişik devirsayılarında ve ekivalans oranlarında en yüksekefektif güç değerleri etanol ile elde edilmiştir.Bu durum; etanolun yüksek yanma hızlarınedeniyle silindir basınçlarının yüksekolmasından kaynaklanmaktadır. En düşükgüçlerin propan ile elde edilmesinin nedeni ise;propanın motorun volumetrik veriminidüşürmesinin bir sonucudur.



1500 2500 3500 4500 5500 6500

Devir sayısı; dev/dak

Şekil 8. Çeşitli devir sayılarındaki özgül yakıt tüketimideğerlerinin karşılaştırılması

0.88 0.92 0.96 1 1.04 1.08 1.12

Ekivalans oranı, <(>

Şekil 9. Çeşitli ekivalans oranlarındaki özgül yakıttüketimi değerlerinin karşılaştırılması

Değişik devir sayılarında ve ekivalansoranlarında hesaplanan be özgül yakıt tüketimideğerleri, yukarıda Şekil 8 ve 9 dakarşılaştınlmıştır. Etanol ve propanın, motorunözgül yakıt tüketimini önemli düzeylerdearttırdığı görülmektedir. Etanolun alt ısıldeğerinin benzine göre çok düşük olması,motorun özgül yakıt tüketiminin çok yüksekolmasına neden olmaktadır. Propanın alt ısıldeğeri benzininkine yakın olmasına karşın,volumetrik verimin düşük olması nedeniyle güçdüşmüş ve bunun sonucu olarak da özgül yakıttüketimi artmıştır.

Çeşitli motor çalışma koşullarında benzin,propan ve etanol yakıtları için hesaplananefektif verimler aşağıda Şekil 10 ve 11 dekarşılaştırılmaktadır. Etanol ile elde edilenefektif güçlerin yüksek olması ve etanolundüşük alt ısıl değeri nedeniyle, çeşitli devirsayılarında ve değişik ekivalans oranlarındaetanol için elde edilen verimler diğer yakıtlaragöre daha yüksek olmuştur. Propanın yüksekısıl değerine karşın, propan ile çalışan motorunvolumetrik veriminin düşük olması, propan içinhesaplanan efektif verimlerin diğer iki yakıtagöre daha düşük olmasına neden olmaktadır.

500 5500 65001500 2500 3500 4500


Şekil 10. Çeşitli devir sayılarında hesaplana efektifverimlerin karşılaştırılması

40

22.50.88 0.92 0.96 1 1.04 1.08 1.12

Ekivalans oranı, §

Şekil 11. Çeşitli ekivalans oranlarında hesaplanan efektifverimlerin karşılaştırılması

Sayısal uygulamaların son aşamasında; çeşitlimotor çalışma koşullarında benzin, propan veetanol için hesaplanan zararlı eksoz emisyonlarıkarşılaştırılmıştır. Çeşitli devir sayılarında veekivalans oranlarında benzin, propan ve etanoliçin hesaplanan karbon monoksit (CO) ve azotoksit (NO) emisyonları aşağıda Şekil 12-15 deverilmiştir. İlgili şekillerden de açıkçagörüldüğü gibi, bütün

500 1500 2500 3500 4500 5500 6500


Şekil 12. Çeşitli devir sayılarında hesaplanan CO moloranlarının karşılaştırılması



Benzin

Propan

Etanol

n = 5800 dev/dak

e = 9.2

280

* 220o* 160

| 100OU 40

-200.88 0.92 0.96 1 1.04 1.08 1.12

Ekivalans oranı, <|>

Şekil 13. Çeşitli ekivalans oranlarında hesaplanan CO moloranlarının karşılaştırılması

çalışma koşullarında en düşük CO ve NO moloranlan etanol ile- elde edilmiştir. COoranlarının düşük olması, etanolun molekülyapısında propan ve benzine oranla daha azsayıda karbon (C) atomu

500 1500 2500 3500 4500 5500 6500


Şekil 14. Çeşitli devir sayılarında hesaplanan NO moloranlarının karşılaştırılması

55000

°te 40000x| 25000o

z ıoooo

-50000.88 0.92 0.96 1 1.04 1.08 1.12

Ekivalans oranı, <t>Şekil 15. Çeşitli ekivalans oranlarında hesaplanan NO moloranlarının karşılaştırılması

bulunmasının bir sonucu olduğu söylenebilir.Ayrıca, etanolun emilen taze dolgu üzerindesoğutucu etkisi yapması, etanol kullanılanmotorda CO ve NO gibi eksik yanmaürünlerinin daha az miktarlarda bulunmasınındiğer bir nedenidir.

Q^—Vn

^O\ n\ \ e

^'V Benzin> u > . Propan" ^ Etanol

= 5800 dev/dak

= 9.2

• — • — " "

SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Sunulan çalışmada; bir buji-ateşlemeli otomobilmotorunda, benzin, etanol ve LPG (buradapropandan oluştuğu varsayıldı) yakıtlarınınkullanılması durumunda motorun performansözelliklerinin teorik incelenmesi amaçlanmıştır.Bu amaçla, sanki-boyutlu bir termodinamikmatematik çevrim modeli geliştirilmiştir.Çevrim modelinde, yanma işlemi, birtürbülanslı alev yayılması matematik modeliylehesaplanmıştır. Geliştirilen bu çevrim modelibir bilgisayar programı şeklinde düzenlenmiş vebir buji-ateşlemeli otomobil motorunun çeşitliçalışma koşullarındaki performansı, sözü edilenyakıtların her biri için hesaplanmıştır. Sayısaluygulamalar, belirtilen yakıtların motorda aynıkoşullarda kullanıldığı varsayılarak

gerçekleştirilmiştir. Propan motora gaz olarakgirdiği için, benzin ve etanoldan ayrı olarak,propan yakıtlı motor için farklı bir volumetrikverim bağıntısı kullanılmıştır.

Sayısal uygulamaların birinci aşamasında;sunulan matematik modelin güvenilirlilikdüzeyini kontrol etmek için; benzin, etanol vepropan yakıtlı motorlar için literatürde verilendeneysel sonuçlarla, burada hesaplanan teoriksonuçlar karşılaştmlmıştır. Bu türkarşılaştırmalar sonucunda, sunulan matematikmodelin belirtilen yakıtlar ile çalışan buji-ateşlemeli motorların çevrimini veperformansını gerçekçi bir biçimdehesaplayabildiği belirlenmiştir.

Sayısal uygulamaların ikinci aşamasında; birbuji-ateşlemeli otomobil motorunda, çeşitliçalışma koşullarında benzin, etanol ve propankullanılması durumunda motor performansparametreleri ve eksoz emisyonlarıhesaplanmıştır. Her bir yakıt için hesaplananperformans değerleri çeşitli diyagramlarlakarşılaştınlmıştır. Karşılaştırmalardan eldeedilen sonuçlar aşağıda özetlenmektedir:

1. En yüksek efektif güçler etanol ile, en düşükefektif güçler ise propan ile elde edilmiştir.

2. Etanol ile çalışan motorun özgül yakıttüketimi çok yüksek olmaktadır. Budurumda, etanolun motorlarda yaygın olarak



kullanılabilmesi için ucuz yöntemlerle bolmiktarlarda üretilebilmesi gerekir. En düşüközgül yakıt tüketimi benzin ile eldeedilmiştir. Propan yakıtlı motorda ise,sanıldığının tersine benzinli motordan dahayüksek miktarlarda yakıt tüketilmektedir.

3. Efektif verim açısından da benzer sonuçlarelde edilmiştir. En yüksek efektif güçdeğerleri etanol ile, en düşük efektif güçlerise propan ile elde edilmiştir.

4. Burada, zararlı eksoz emisyonlarındanyalnızca karbon monoksit (CO) ve azot oksit(NO) in mol oranlarının değişimleriincelenmiştir. En düşük CO ve NO moloranlarını etanolun, en yüksek CO ve NOmol oranlarını ise benzinin oluşturduğubelirlenmiştir. Bu nedenle, etanol vepropanın (LPG nin) motorlarda kullanılmasıdurumunda; motorlardan çevreye yayılankirletici eksoz emisyonlarında önemlidüzeylerde azalmanın olacağı söylenebilir.

5. Etanol püskürtülmesi yöntemi uygulanırsa,etanolun buharlaşması volumetrik verimiartırabilir ve karışım oluşumu sürecietkilenebilir.

6. Sunulan çalışmada sayısal uygulamalar;benzin, etanol ve propanın bir buji-ateşlemeli motorda aynı çalışma koşullardakullanılması durumunda gerçekleştirilmiştir.Uygulamada ise her bir yakıt için en uygunmotor çalışma koşullan seçilebilir. Özellikleetanol ve LPG nin oktan sayılarınınbenzinden çok yüksek olması, bu yakıtlariçin daha yüksek sıkıştırma oranlarınınseçilmesine olanak sağlayabilir. Bu durumdaetanol ve propan ile çalışan motorlannverimleri arttırılabilir ve yakıt tüketimleriiyileştirilebilir. Diğer taraftan, bilindiği gibietanolun teorik (stoikiometrik) yakıt/havaoram benzininkinden çok yüksektir. Bu daetanol yakıtlı motorlarda daha düşükekivalans oranlarının seçilmesine olanaksağlayabilir.

7. Genel olarak özetlenecek olursa: günümüztaşıt motorlannda, hiçbir yapısal değişiklikyapılmaksızın etanol ve LPG kullanılması,

sadece eksoz emisyonlan açısından önemlibir avantaj oluşturmaktadır. Üretim maliyeti,güç ve verim açılarındandeğerlendirildiğinde; petrolden üretilenkonvansiyonel (alışılagelmiş) benzinin buji-ateşlemeli motorlar için en uygun yakıtolduğu açıktır. Ancak motorlarda sözüedilen yakıtların kullanımı ile ilgili deneyselçalışmalar yapılırsa ve teorik sonuçlarlakarşılaştırılırsa daha genel sonuçlar eldeedilebilir.

SEMBOLLER

beC PhHnün

İtmm,,m,,nNe

PPrai

Pme

QwRf

s,Slo

TT r

u tUe

V

v fwcYr

eesppb

Pu

e

-©-

Oe d

" e

Tlv

özgül yakıt tüketimi, kg/kWhsabit basınçtaki özgül ısı, J/kgKentalpi, J/kgteorik (stoikiometrik) yakıt/hava oranıkarakteristik uzunluk, mkütle, kgyanmış gaz kütlesi, kgyanmamış gaz kütlesi, kgdevir sayısı, dev/dakefektif güç, kWbasınç, barortalama indike basınç, barortalama efektif basınç, barsilindir duvarlarına transfer edilen ısı, Walev yarıçapılaminer alev hızı, m/sstandart atmosfer koşullarındaki laminer alevhızısıcaklık, Keksoz sıcaklığı, Kkarakteristik türbülans hızı, m/stürbülanslı çekilme hızı, m/shacim, m3

alev hacmi, m3

çevrim işi, Jartık gazlar katsayısıkrank açısı, (°)ateşleme avansı, (°)yoğunluk, kg/m3

yanmış gaz yoğunluğu, kg/m3

yanmamış gaz yoğunluğu, kg/m3

karakteristik reaksiyon zamanı, ssıkıştırma oranıyakıt/hava ekivalans oranıek doldurma katsayısıefektif verim, %volumetrik verim, %



KAYNAKLAR

[I] BAYRAKTAR, H., Benzin-EtanolKarışımlarının Benzin MotorlarındaYanma ve Motor ÇevrimiÜzerindeki Etkilerinin Teorik Olarakİncelenmesi, Doktora Tezi, KTÜ Fen Bil.Enstitüsü, 1997.

[2] THRING, R.H., Alternative Fuels forSpark-Ignition Engines, SAE 831685,1983.

[3] DURGUN, O., Motorlarda Petrol yerineKullanılabilecek Yakıtlar, Mühendis veMakine, Cilt No:29, Sayı:336, Sh. 24-26,1988.

[4] KOWALEWICZ, A., Methanol as a Fuelfor Spark Ignition Engines: A Review andAnalysis, ImechE, Proc. Instn. Mech.Engrs., Vol: 207, pp. 43-52, 1993.

[5] CLANCY, J.S., Ethanol as Fuel in SmallStationary Spark Ignition Engines for Usein Developing Countries, ImechE, C67/88,pp. 191-194, 1988.

[6] BAYRAKTAR, H., Motorlarda Benzin -Etil Alkol - İzopropanol Karışımlarınınkullanılması, Yüksek Lisans Tezi, KTÜFen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, 1991.

[7] DURGUN, O. and BAYRAKTAR, H.,Using the Gasoline-Ethanol-IsoprophanolBlends in Spark-Ignition Engines, The 2nd

International Conference on New EnergySystems & Conversions, pp. 475-486,istanbul, 31 July-4 August 1995.

[8] WAGNER, T.O., GRAY, D.S., ZARAH,B.Y. and KOZINSKI, A.A., Practicality ofAlcohols as Motor Fuel, SAE 790429,1979.

[9] BAYRAKTAR, H. ve DURGUN, O.,Buji-Ateşlemeli Motorlarda LPGKullanımının Teorik İncelenmesi, I. EgeEnerji Sempozyumu ve sergisi, Denizli,Mayıs 2003.

[10] BAYRAKTAR, H. ve DURGUN, O, Buji-Ateşlemeli Motorlarda Gaz YakıtlarınKullanılmasının Yanma ve MotorPerformansı Üzerindeki Etkileri, 6. YanmaSempozyumu, Sh. 273-285, İstanbul, 1998.

[II] DURGUN, O., Motor Çevrimleri İçinPratik Bir Yöntem, TMMOB Mühendis veMakine Dergisi, Sayı: 383, Sh. 18-29,1991.

[12]BLIZARD, N.C. and KECK, J.C.,Experimental and Theoretical Investigationof Turbulent Burning Model for InternalCombustion Engines, SAE 740191, 1974.

[13] KECK, J.C., Turbulent Flame Structureand Speed in SI Engines, NineteenthSymposium on Combustion, TheCombustion Institute, pp. 1451-1466,1982.

[14] BERATTA, G.P., RASHİDİ, M. andKECK, J.C., Turbulent Flame Propagationand Combustion in Spark-IgnitionEngines, Combustion & Flame, Vol. 52,217-245, 1983.

[15]ABRAHAM, J., BRACCO, F.V. andREITZ, R.D., Comparison of Computedand Measured Premixed Charge EngineCombustion, Combustion & Flame, Vol.60, 309-321, 1985.

[16] GÜLDER, Ö.L., Correlations of LaminarCombustion Data for Alternative S. I.Engine Fuels, pp. 1-23, SAE 841000,1984.

ÖZGEÇMİŞ

Yrd. Doç. Dr. Hakan BAYRAKTAR

1966 yılında Trabzon'da doğdu. Lisansöğrenimini 1987 yılında KTÜ MakineMühendisliği Bölümünde tamamladıktan sonra1988 yılında aynı bölümün İçten YanmalıMotorlar Bilim Dalı'nda araştırma görevlisiolarak göreve başladı. Yüksek lisansöğrenimini 1991 yılında ve doktora öğrenimini1997 yılında KTÜ Makine MühendisliğiBölümünde tamamladı. 2002 yılında KTÜSürmene Deniz Bilimleri Fak. Gemi İnşaatıMüh. Bölümüne Yrd.Doç. Dr. olarak atandı.Halen bu bölümde görev yapmakta olup, evli veiki çocuk babasıdır.

Prof. Dr. Orhan DURGUN

1951 de Çaykara/Trabzon'da doğdu, ilk ve ortaöğrenimini Trabzon'da tamamladı. Yükseköğrenimini 1968-1973 yıllarında İTÜ MakineFakültesi'nde ve Doktora çalışmasını İTÜ Gemiİnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde1983'te tamamlamıştır. Halen KTÜ MakineMühendisliği Bölümü İçten Yanmalı MotorlarBilim Dalı'nda Prof. Dr. olarak çalışmakta, aynızamanda KTÜ Gemi İnşaatı MühendisliğiBölümü Bölüm Başkanlığı görevini deyürütmektedir. İçten Yanmalı Motorlar,Motorlu Taşıtlar, Alternatif Yakıtlar, GemiHidrodinamiği ve Trabzon Folkloru alanlarındaçeşitli bilimsel araştırmaları ve yayınları vardır.



MOTORLU TAŞITLARDA ALTERNATİF VE YENİLENEBİLİR YAKITKULLANIMININ İRDELENMESİ

Nafiz KAHRAMAN S.Orhan AKANSU Bilge ALBAYRAKErciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 38039 KAYSERİ

[email protected] akansıı @erci yes.edu.ir [email protected]

ÖZET

Bu makalede taşıt motorlarında kullanılanyakıtlarının özelliklerinden hareketle, bumotorlarda kullanılabilecek alternatif veyenilenebilir yakıtların neler olduğu ve bunlarınözellikleri karşılaştırmalı olarakverilmiştir.Ayrıca alternatif yakıtların motorperformansları üzerine etkileri egzostemisyonları, yakıtların üretimi ve dağıtımı iledağıtım ağının önemi vurgulanmıştır. Buyakıtların mevcut motorlarda kullanılmasıdurumunda motorda yapılması gereklideğişiklikler (modifikasyonlar) ile bu yakıtlarınavantaj ve dezavantajları irdelenmiştir.

1. GİRİŞ

Günümüzde kullanılan motorlu taşıtlarınegzozlarının neden olduğu hava kirliliğinin,kalıcı önlemler gerektiren bir çevre sorunuhaline gelmesi, kullanılan enerji kaynaklarınınekonomik kriz nedeniyle ekonomikliközelliklerini yitirmesi ve bu kaynakların kısazamanda tükenecek olması araştırmaları vebilim adamlarını bu enerji kaynakları yerinealternatif enerji kaynaklan aramayayöneltmiştir.

İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtınkolay buharlaşabilen, hava ile kolay karışabilen,birim hacminden yüksek enerji sağlanabilen,kolay tutuşabilir ve dünyanın her yerinde kolaybulunabilir özellikte olması istenir.

Fosil esaslı sıvı hidrokarbon yakıtlar buözelliklerin hemen hemen hepsine sahip olupiçten yanmalı motorlarla yollarda çalışanaraçlar için çok uygun yakıtlardır. Bu yakıtlaryüksek enerji yoğunluğuna sahip olup her yerdekolayca üretilmekte ve dünyanın her yerindebulunabilmektedir. Bu yüzden konvansiyonelolan dizel ve benzin yakıtları motorlar icat

edildiğinden beri hemen hemen rakipsizkalmışlardır. Bununla birlikte bunlarınrezervleri sınırlıdır ve rezervler yeryüzünedengeli, eşit dağılmamıştır. Ayrıca bunlarınaşırı kullanımı çeşitli bölgesel hava değişimlerive potansiyel iklim değişikliklerinin başlıcasorumlusu olarak görülmektedir. Benzin vemotorinin yakıt olarak kullanılmayabaşlamasından beri motorlu taşıtlarda birçokalternatif yakıt formu denenmiştir. Çoğuyanmaya bağlı olarak motorin ve benzindendaha düşük emisyon oranlan vermiş ancakyeterli stokların ve üretim maliyetlerinin ucuzolmadığı için pazar bulamamıştır. Günümüzdeçok az alternatif yakıt ticari anlamda büyükölçekli olarak sunulmaktadır. Alternatif yakıtlariki büyük engele takılırlar. Bunlardanbirincisini maliyet fiyatları ve ikincisi debunların üretim ve dağıtımıdır. Gelecekte ilavekaynaklar ve dağıtım ağlarının kurulması iletaşıtlar bu yakıtları kullanabileceklerdir.Taşıtlarda alternatif yakıt kullanımı için birçokdeneyler ve araştırmalar tüm dünyadayapılmaktadır. İçten yanmalı motorlardakullanılan yakıt türleri ve özellikleri Tablo l'deverilmiştir.

Tablo l'de görüldüğü gibi gaz, yakıtlarınınoktan sayıları daha fazladır. Yüksek oktannumaralan, motorun yüksek sıkıştırma oranlanile herhangi bir vuruntu oluşmadançalışabilmesinde faydalıdır. Böylece birmotordan daha yüksek bir güç, dolayısıyla yakıtekonomisi sağlanabilir.

Gaz yakıtların standart atmosfer şartları altındatutuşması için gerekli enerjide, benzine nazarandaha az olmaktadır. Bütün yakıtların lamineryanma hızları ve stokiyometrik oranda birimhacimde verdikleri kimyasal enerjileri birbirineyakındır. Bu olay yakıtın yanması sonucuverdikleri gücün birbirine yakın seviyelerde vesilindir içerisindeki yanma proseslerin birbirleri


Yeni v e Yeni lenebi l i r Enerji K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Sergis i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

ile karşılaştırılabilir olduğunu göstermektedir.Yakıtın seçiminde ikinci faktör de yakıtındepolanması, bulunabilirliği, sürekliliği vegüvenirliğidir. Yakıtların depolanma özellikleriTablo 2'de verilmiştir.

Sıvı halde propan'ın yoğunluğu, benzinenazaran azaldığı için yakıt tankı içerisindekullanılan yakıt bazında birim hacimde enerjimiktarı azalmaktadır. Bu da taşıtlar da benzinmiktarına eşdeğer gazın depolanması için dahafazla bir hacim gerektirmektedir.

Tablo 1: Yakıtların Fiziksel Özellikleri ve Yanma Karakteristikleri

Özelikler/Yakıtlar

Hava/Yakıt oranı

Alt ısıl değer (Mj/kg)

NŞA fiziksel hali

Atmosfer BasıncındaBuharlaşma Sıcaklığı (°C)

Buharlaşma gizli ısısı(Kj/Kg)NŞA Stokiyemetrikorandaki karışımıyakmak için gerekentutuşturma enerjisi (mj)Maksimum lamineryanma hızı (m/s)Tutuşturma sınırları

Stokiyemetrik karışımınbirim hacmindekikimyasal enerjisi (Mj/m3)

Motor oktan sayısı (MOS)

Konvansiyonel

Benzin-Motorin

14,6;1

44,0

Sıvı

20,0- 200,0

300

1,0

0,35

0,5-1,8

3,58

90

Alternatif Yakıtlar

Yenilenemez

Bütan-Propan

15,0;l

45,6-46.4

Gaz

-42.0/-0,5

385-426

0,3

0,4

0.53-2.20.65-3.2

3.45-3.49

92-97

Doğal Gaz

17,2;1

50,0

Gaz

-162,0

509

0,3

0,37

0,54-1,3

3,24

120

Metanol

6,5;1

19,9

Sıvı

65,0

1103

0,2

0,44

0,52-2,6

3,35

103

Yenilenebilir

Etanol

9,0; 1

26,8

Sıvı

78,0

840

-

-

0,6-2,7

3,49

106

Hidrojen

0,8

119.93

Gaz

.

447

0,02

2,7

4-75

-

-

Biodizel

12.92

40,6

Sıvı

-

-

-

-

-

-

Tablo 2: Yakıtların Depolanma Özellikleri

Özellikle/yakıtlar

Yakıt fiziksel hali

Yakıtın yakıt tankı ilebirlikte yaklaşıkağırlığı (kg)

Tank içindeki yakıtınbirim hacmindekienerji (Mj/lt)

LPG

Sıvı

28-32

24.6-25.2

Benzin

Sıvı

38.4

35.5

Doğal Gaz

Gaz

9.5

6.0

Metanol

Sıvı

18.8

17.8

Etanol

Sıvı

24.6

23.3

Hidrojen

Gaz

64.4

Biodizel

Sıvı

-


Y e n i v e Yeni lenebi l i r Enerj i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Sergis i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

2. ALTERNATİF YAKITLARIN İÇTENYANMALI MOTORLARDA KULLANIMI

2.1. LPG'nin İçten Yanmalı MotorlardaKullanımı

LPG: Sıvılaştırılmış petrol gazları (LPG),petrolün damıtılması ve parçalanması esnasındaelde edilen ve sonradan basınç altındasıvılaştırılan başlıca propan, bütan ve izomerlerigibi hidrokarbonlar veya bunların karışımıdır.

Son zamanlarda ülkemizde motorlu taşıtlardaözellikle ticari taksilerde tüp gazlı uygulamabaşlatılmıştır. Bunun için, LPG'nin benzinlimotorlarda alternatif yakıt olarakkullanılabilirliği üzerinde durulmuştur. LPG,petrolden ya da doğal gazdan damıtılarak eldeedilir. Ham petrolün ancak %4'ü LPG'yedönüştürülebilir. LPG, gaz karşımında bulunanana hidrokarbon bileşenine göre; ticari bütan(C4Hıo), ticari propan (C3Hg), özel hizmetpropanı ve ticari propan-bütan karışımı olmaküzere dört sınıfta ayrılır. Japonya da LPG altıkaliteye ayrılmış olup, 1 ila 6 kalite arasından4., 5. ve 6. kalite LPG otomobil yakıtı olarakkullanılır. LPG yaklaşık 50 yıldır motorlutaşıtlarda alternatif yakıt olarak kullanılmaktaolup, yaklaşık olarak 8.2 bar basınç altındasıkıştırıldığında yoğuşarak sıvı hale geçebilir.Gaz durumundaki hacmi, sıvı durumundakihacminin yaklaşık 250 katından daha fazladır.Sıvı halde az yer işgal etmesi nedeniyledepolamaya çok uygundur. Sıvı olarakdepolanıp gaz olarak kullanılabilmesi önemlibir avantaj sağlamaktadır. Üzerine uygulananbasıncın kalkması ile birlikte kaynamaya başlar.LPG depoları, 1.4-16 kg/cm2 basınç altındatutacak şekilde sağlam ve sızdırmazyapılmalıdır.

2.1.1. LPG'nin Motor Yakıtı Olarak Avantajve Özellikleri

LPG'nin oktan sayısı yüksektir. Gaz fazındahava ile daha üniform karışması sonucu iyi biryanma gerçekleşir. Benzin ve dizel yakıtınagöre egzoz çıktısı daha temizdir. Karbonbirikintisi yoktur. Motor yağı seyreltisiolmadığından motor yağı daha uzun ömürlüdür.Benzine göre dezavantajı ise, yüksek basınç

deposuna gereksinim göstermesidir. Bununlabirlikte taşıt ağırlığının artması, ve gazformunda düşük molekül ağırlıklı yakıtınyanma odasına gönderilmesi volümetrik verimidüşürmektedir. Bunun sonucunda da motorgücünün düşmesi gibi etkenler sayılabilir.

Türkiye de daha çok mutfaklarda ve bu aradaısınma, aydınlatma ve sanayimizin bir çokkesimlerinde kullanılan, dünyada ve özelliklede ABD'de otomotiv sanayinde araçlara enerjielde etmede, havalandırma cihazlarınınçalıştırılmasında, petrol kuyuları sondajdonanımlarına güç elde etmede karşımıza çıkanLPG; Propan (C3 H10) ve Bütan (C4 H10)'nınbelli oranlardaki karışımından oluşan veLiquefied Petroleum Gases kelimelerinin başharfleri ile ifade edilen sıvılaştırılmış bir petrolgazıdır. Dünyadaki LPG üretim %61'i doğalgaz, %39'u ise rafineri üretiminden eldeedilmektedir.

Ülkemizde; otomotiv yakıtı olarak kullanılacakolan özel gaz üretimi yapılmamaktadır. Bu daülkemizde %30 Propan, %70 Bütan'dan oluşanLPG olmaktadır . Avrupa ülkelerinde, Amerikave Kanada da Propan gazının oransal olarakağırlıklı olduğu gaz kullanılırken Fransa, İtalya,Yunanistan ve İspanya'da ülkemizdekioranlardaki gaz kullanılmaktadır.

2.2. METANOL

Metanpl içerisinde metil alkol bulunan, odun,kömür gibi fosil yakıtların ısı altındadamıtılmaları yolu ile, doğalgaza birtakımdistilasyon işlemleri uygulanarak veya CO veH2'nin katalitik ortamda sentezleri sonucundaelde edilir. Fakat doğal kaynaklarınyenilenebilir olamamasından dolayı metanolünalternatif bir yakıt olarak kullanılması geçici birsüre için söz konusu olacaktır. Ayrıcagünümüzdeki metanol üretimindeki enerjidengesi negatiftir. Yani metanolün üretimi için,yanması sonunda vereceği enerjiden fazlaenerjiye gereksinim vardır.

Metanolün kaynama sıcaklığı 65.1°C, donmasıcaklığı -97.6°C'dir ve su ile her orandakarışabilir. Metanol taşıtlarda çok küçükdeğişikliklerle kolaylıkla kullanılır. Yapılan ilk

Makimi Mühendisleri Odası 83


metanollü prototiplerde benzin motorlarımetanol yakabilecek şekilde değiştirilmekteydi.Daha sonraları metanol yakıtı kullanabilecekyeni motorlar tasarlandı. Prototipler üzerindeyapılan araştırmalara göre, metanol yakıtlıtaşıtların, gelişmiş teknolojiye sahip benzinlitaşıtlara göre %5-10 oranında daha fazla verimeve olağanüstü ivmeye sahip olduğugörülmüştür.

Metanol yüksek oktan sayısına sahip olmasınakarşın çok düşük setan sayısına sahiptir. Busebeple dizel motorlarında kullanımındabirtakım problemler vardır. Metanol yakıtıdüşük setan sayısı, yüksek ateşleme sıcaklığı vekendi kendine tutuşma direnci nedeni ile dizelmotorlarında sıkıştırma strokunun sonunadoğru, silindir içerisindeki sıkıştırılmış havaiçerisine püskürtülmesi ile başlayacak yanmada,birtakım problemler yaratır. Yakıtın tutuşmasınıgeciktirir ve dizel motorunda vuruntuya sebepolur. Fakat kendi kendine tutuşma direnci, Ottomotorlarında sıkıştırma oranının arttırılmasınaolanak sağladığından metanol, Ottomotorlannda rahatlıkla kullanılabilmektedir. Busebepten dolayı metanol dizel motorlarındaancak buji kullanılması durumunda veya dizelyakıtla karıştırılması durumunda kullanılabilir.Düşük setan sayısına sahip olan yakıtların dizel

motorlarındaki yanmasını düzeltmek içinbirtakım çalışmalar yapılmaktadır.

Metanolün belirli bir hacimdeki enerjiyoğunluğu benzine göre daha düşükolduğundan benzin ile kat edilen bir mesafeyikat etmek için daha fazla metanol kullanımınaihtiyaç vardır. 1.7 litre metanol 1 litre benzininverdiği enerjiye eşit miktarda enerjivermektedir. Bu da yakıt tanklarının daha genişve ağır olması demektir. Böylece hemtaşıtlardaki depoların büyütülmesi gerekecek veyer kaybına neden olunacak, hem de taşıttabenzine göre daha fazla bir yükün taşınmasınaneden olunacaktır. Ayrıca standart yakıtpompalarının kullanılması durumunda dizelyakıtın verdiği enerjiye eşdeğer enerjiyimetanol yakıtından elde etmek için, daha fazlamiktarda metanol yakıtın püskürtülmesigerekmektedir. Bu sebeple pompa veenjektörden geçen yakıt miktarı önemlidir.

Metanolün ısıl değeri petrole göre dahadüşüktür, buharlaşma ısısı yüksektir.Buharlaşma ısısının yüksek oluşu motorlardasoğukta ilk hareketi zorlaştırmaktadır.Metanolün buharlaşmasına yardım etmek amacıile su ile ısıtılan emme manifoldu, 10 "C'tandüşük sıcaklıklarda ilk harekete yardımcı yakıtsistemleri kullanılmaktadır.

Tablo-3 Metanolün Dizel Motorlannda Kullanımı için Geliştirilen Metodlar

Metod

Kimyasal Katkı Maddeleri

Emisyon

Metanol ve DizelEnjektörünün Ayrı Kullanımı

Metanolün Dizel YakıtlaBeraber Kullanımı

Yüzey Ateşlemesi

Buji Ateşlemesi

Avantajlar

Motorda değişikliğe gerek yok

Motorda çok az değişiklikgerektirir

Pilot enjeksyon için az miktardadizel gereksinimi

İki ayrı enjektör kullanımındandaha ucuz

Tek bir yakıt gerektirmesi


Dezavantajları

Katkı maddelerinin pahalı olmasıve gerekli miktarının çokluğu

Yakıtın % 50'sinin dizel olmasınedeni ile iki ayrı yakıt tankıgerektiriyor

Karmaşık kontrol sistemi ve iki ayrıenjeksyon sistemi gereksinimi

Yakıtın % 50'sinin dizel olmasınedeni ile iki ayrı yakıtgerektiriyor.

Sıcak yüzey eldesi için

gerekli enerji büyük olması

Ateşleme sisteminin fiyatı

MakJna Mühendisleri Odası 84


Metanolün kullanımında karşılaşılan diğer birproblem aşırı derecede korozyona nedenolmasıdır. Bu sebeple kullanılabilmesi için özelyakıt püskürtme pompalarına, yakıt depolarına,yakıt sistemlerine ve yakıt istasyonlarında özeldepolama tanklarına ihtiyaç vardır. Silindirduvarlarındaki yağın etkisini tamamen ortadankaldırıcı eğilimi olduğundan özel yağlamayağlan kullanılması gerekir. Korozyonuönlemek için yakıt ve emme sistemi, koruyucumaddelerle kaplanmaktadır. Metanolün korozifözellikleri benzinden farklı olduğu için,benzinden farklı olarak alüminyum ve çinkokarbüratör kullanılır. Yakıt tankı çinko alaşımıile kaplanmaktadır. Ayrıca paslanmaz çelikkullanılan depolarda iyi sonuç vermektedir.Metanolün benzine göre daha fazla nem tutmaözelliği vardır. Nem de korozyonu hızlandırır.Bu sebeple gelecekteki metanol taşıyıcıekipmanlar su geçirmez olacaklardır. Ayrıcametanolün nem tutuculuk özelliğinin yüksekolması ve kolaylıkla nemlenmesi, metanolbenzin karışımı olan yakıtlarda faz ayrışmasınaneden olabilir. İçerisinde su bulunmayan alkolve benzini karıştırmak mümkün olmasınarağmen az miktarda su ihtiva eden karışımlardabu mümkün olmamakta ve faz ayrışmasıoluşmaktadır. Metanolün diğer olumsuz yönlerizehirli ve gözü tahriş eder bir nitelikteolmasıdır.

Yapılan çalışmalar sonucu metil alkolünbenzinli motorlarda daha verimlikullanılabilmesi için bazı değişikliklere ihtiyaçolduğu tespit edilmiştir. Bu değişiklikleraşağıdaki gibi özetlenebilir:

Metil alkolün alt ısıl değeri benzine nazaran çokdaha düşüktür. Aynı gücü elde edebilmek içinmotora daha çok yakıt sevk edilmelidir. Metilalkol için gerekli hava-yakıt oranı 8.5:1olduğundan istenilen performans değerlerinielde etmek için yakıt meme çapıbüyütülmelidir.

Metil alkolün buharlaşması için benzinenazaran daha fazla ısı enerjisine ihtiyaçduyulmakta ve buharı da daha düşüksıcaklıklarda yoğuşmaktadır. Bunun sonucu,motorun ilk harekete geçmesi için sıcak havayaihtiyaç duyulmakta ve buharın yoğuşması içinde ısının yüksek tutulması gerekmektedir.

Metil alkolün saflık derecesinin yüksek olmasıtercih edilmektedir. Saflık derecesi arttıkçaenerji kapasitesi artar. Saflığın derecesininyeterli olmadığı durumda karbüratördekorozyon oluşur. Sıkıştırma oranı 8.5 olan birmotor, metil alkol kullanılması durumundasıkıştırma oranı 11'e yükseltilmelidir. Metilalkol kullanılması durumunda silindire alınanyakıt miktarının fazla olmasından dolayıvolümetrik verimi arttırmak için emme subapıçaplarının büyütülmesi gereklidir. Yukarıdabelirtilen şartlar sağlandığı taktirde, metil alkolOtto motorlarda motor yakıtı olarak verimli vetemiz bir şekilde kullanılabilecektir.

2.3. ETANOL

Etanol, içerisinde etil alkol bulunan, şeker,şekeri çevrilebilen selüloz veya nişasta gibimaddelerin fermantasyonu sonucu elde edilenalkol türüdür. Etanol patates, tahıllar, şekerkamışı ve şeker pancarı gibi tarım ürünlerindenelde edilir.

Etanolun motorlarda kullanımı düşüncesi tarımürünlerinin bolca yetiştirildiği ülkeler içingeçerlidir. Bu sebeple etanol yakıtının alternatifbir yakıt olarak motorlarda kullanılması dünyaçapında sınırlı kalmıştır. Ayrıca günümüzdekietanol üretimindeki enerji dengesi negatiftir.Yani etanolun üretimi için, yanması sonundavereceği enerjiden fazla enerjiye gereksinim vardır.

Etanol temiz, renksiz ve zehirli olmayan birsıvıdır. Etanolun ısıl değeri benzinden dahadüşüktür. Etanol su ile her oranda karışabilmeözelliğine sahiptir. Etanolun, yüsek oktansayısına sahip olmasına karşın çok düşük setansayısına sahip olması ve kendi kendine tutuşmadirenci nedeni ile dizel motorlarda kullanımındabirtakım problemler yaratır. Fakat kendikendine tutuşma direnci, Otto motorlarındasıkıştırma oranının arttırılmasına olanaksağladığından etanolun Otto motorlarındakullanımı daha avantajlıdır. Bu sebepten dolayıetanol, dizel motorlarında ancak bujikullanılması durumunda veya dizel yakıtlakarıştırılması durumunda kullanılabilir.

Düşük setan sayısına sahip olan yakıtların dizelmotorlarındaki yanmasını düzeltmek içinbirtakım çalışmalar yapılmaktadır. Tablo 4'deuygulanabilecek metodlar ve bu metodlarınavantaj ve dezavantajları gösterilmektedir.


Yeni v e Yeni lenebi l i r Enerji K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Sergis i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 Kayser i

Tablo 4. Etanolun Dizel Motorlannda Kullanımı için Geliştirilen 'Metodlar

MetodKimyasal katkı maddesi

Emilsyon

Etanolun ve dizelenjektörlerinin ayrı kullanımıYüzey ateşlemesi

Buji ateşlemesi

AvantajlarMotorda değişikliğe gerek yok

Motorda çok az değişildikgerektirirPilot enjeksyon için az miktardadizel yakıtı gereksinimiTek bir yakıt gerektirmesi


DezavantajlarıKatkı maddelerinin pahalı olması vegerekli miktarının çokluğuYakıtın % 50'sinin dizel olması nedeniile iki ayrı yakıt tankı gerektiriyorKarmaşık kontrol sistemi ve iki ayrıenjeksiyon sistemi gereksinimiSıcak yüzey eldesi için gerekli enerjininbüyük olmasıAteşleme sisteminin fiyatı

Etanolun ısıl değeri petrole göre daha düşüktür,buharlaşma ısısı yüksek, buhar basıncıdüşüktür. Buharlaşma ısısının yüksek oluşumotorlarda soğujcta ilk hareketizorlaştırmaktadır. Etanolun en önemlidezavantajlarından biri içinde bulunan suyunyakıt donanımı ve emme sistemi üzerindekikorozif etkisidir. Etanolun korozif özelliklerinedeni ile korozyonu önlemek için yakıt veemme sistemi, koruyucu maddelerlekaplanmaktadır. Ayrıca etanolun nem tutuculuközelliğinin yüksek olması ve kolaylıklanemlenmesi etanol benzin karışımı olanyakıtlarda faz ayrışmasına neden olabilir.İçerisinde su bulunmayan alkol ve benzinikarıştırmak mümkün olmasına rağmen azmiktarda su ihtiva eden karışımlarda bumümkün olmamakta ve faz ayrışmasıoluşmaktadır.

Çeşitli deneyler sonucunda varılan sonuçlar şuşekilde sırlanabilir:Benzine etil alkol katılması yanmayıiyileştirmekte vuruntuya dayanıklılığıartırmaktadır. En iyi karışımın % 10 hacimseloranlı etil alkol-benzin karışımı olduğubelirlenmiştir. Bu karışımda düşük sıkıştırmaoranlarında (8=7.5 için) %7; yüksek sıkıştırmaoranlarında (e=9.5 için) %15 verim artışısağlanmaktadır. Ayrıca alkol kullanımı havakirliliğini önemli düzeyde azaltmaktadır.Alkollerin buhar basıncı düşük olduğundanalkol karışımları kullanıldığında özellikle soğukhavalarda ilk harekette emme sistemindebuharlaşmayı iyileştirici önlemler almakgerekir. Ayrıca alkolün (ve içindebulunabilecek suyun) emme ve yakıt sistemi vediğer motor elemanları üzerindeki korozif ve

aşındırıcı etkileri incelenmeli, bu etkilere karşıgerekli önlemler alınmalıdır.

Güncel tekniklerde etil alkol üretimi pahalıdırve genellikle gıda kaynaklarına dayanmaktadır.Ucuz alkol üretimi için yeni yöntemlergeliştirilmelidir. Etanolun motorlarda kullanımıdüşüncesi daha çok geniş tarım alanlarına sahipülkelerde yaygındır. ABD'de tarımla uğraşılaneyaletlerde, %80 etanol %20 benzin karışımıolan E80 yakıtı, yıllardan beri otomobillerdeyakıt olarak kullanılmaktadır. Petrolrezervlerinin hemen hemen olmadığı fakatözellikle şeker kamışının bol bulunduğuBrezilya'da otomobiller 15 yıldan fazla birsüredir etanolle çalışmaktadır.

2.4. BİODİESEL

Bitkisel yağların alternatif dizel yakıtı olarakkullanılabilmesi ile ilgili çalışmalar uzunsüreden beri devam etmektedir. Geçmişte de birçok araştırmada dizel yakıtı olarak bitkiselyağların kullanımı gerçekleştirilmiştir. 1920'lerden daha önceleri de bitkisel yağlardenenmiştir. Fakat en yoğun çalışmalar 1970'liyılların petrol krizi boyunca petrol yerinekullanılması düşünülen alternatif yakıtlarınaraştırılması ile başlamıştır. Bir çok devlette buyönde bir teşvik olmuştur. Bu devletler,enerjiye gerekli önemi verip kendimemleketlerindeki petrol dışı enerjikaynaklarını kullanmaya çalışmıştır. Bitkiselyağlar ile ilgili başlıca çalışmalar; soyafasulyesi, ayçiçeği, yer fıstığı, pamuk çekirdeği,zeytin, kolza tohumu, palmiye ve susamyağları ile bunların karışımları veya bunlarınayrı ayrı esterleri üzerinde yapılmaktadır.Yenilenebilir enerji kaynakları olarak araştırılan



bu bitkisel yağların bir çoğu dizel motorları içinkullanılabilir bir yakıt olarak görülmüştür; buyağların kendisi veya diğer yakıtlar ile bellioranlardaki karışımları içten yanmalımotorlarda işler bir hale getirmeye yardımcıolacaktır. Tablo 5'de Rafine edilmiş ayçiçekyağının fiziksel ve kimyasal özellikleribelirtilmiştir. Değişik araştırmalar, büyük birpotansiyele sahip olan ayçiçek yağının dizelmotorları için bir alternatif yakıt olarakkullanımının uygun olacağını göstermiştir. Biralternatif yakıtın kolay elde edilmesi, onunistenilen derecede üretim miktarına bağlıdır.Ayçiçek yağının üretimi ekim yapılan alanlarıngenişliğine bağlı olarak değişmektedir.

Tablo 5: Rafine Edilmiş Ayçiçek Yağının Fiziksel veKimyasal Özellikleri:

Özgül kütleVizkozite 38üC'de

Parlama Noktası

Asit Değeri

Nem Değeri

Isıl Değeri

(gr/ml)(mm'Vs)

(°C)

(mg/g)

(%)(kj/kg)

0.917

33.9275

0.1

0.0340600

Ayçiçek yağının dizel motorlarında yakıtamaçlı olarak kullanılabilmesi için bazıözelliklerinin dizel yakıtınkine yakın olmasıgerekir. Bu sağlandığı taktirde motor üzerindehiç bir değişiklik yapılmadan bu yağın motoryakıtı yerine geçebilmesi için çalışmalaryapılmıştır. Ayçiçek yağının yakıt olarak bazıavantajları vardır: Yakıtın sıvı oluşu ve sıvılargibi taşınabilirliği, ısıl değerinin yüksek oluşugibi. Tabi bunun yanında dezavantajları davardır: Yüksek vizkozitesinden dolayı makineparçalan arasında yavaş akma, düşük uçuculukve doymamış hidrokarbon zincirinden dolayıreaksiyona girebilme yeteneğinin az olmasıdır.Ayçiçek yağının setan sayısı 35-40 civarındaolup yağın kalitesine bağlı olarakdeğişmektedir.

2.4.1. Motor Performansı

Yakıt olarak ayçiçeği yağı kullanılarak yapılanilk deneylerde motorun ilk harekete zor geçtiği,düşük devirlerde motorun vuruntulu çalıştığı,deneysel çalışmalardan sonra enjektör memeucunun karbon birikintileri ile kaplı olduğugörülmüştür. Piston başının tamamı üniform birkarbon birikimi göstermiştir. Manifold ve

emme kanallarının cidarları ve egsoz sisteminincidarları normal bir görünüm göstermiştir.Egsoz ve emme subapları başlarında ayçiçekyağı ve dizel yakıtı için kısa süreli çalışmalardafazla bir fark gözlenmemiştir. İyi bir yanmasağlayabilmek için püskürtülen yakıttaneciklerinin %20'sinin çapı 0.005 mm'den,%30'unun çapı 0.015 mm'den ve kalankısmının 0.06 mm'den büyük olması gerekir.Yakıt taneciklerinin büyüklüğü, tutuşmagecikmesi peryodu ve buna bağlı olarakvuruntu üzerinde etkisi büyüktür. Yüksekviskozitenin enjektör memesinin (orifıs)daralması, segman yapışması ve karbonbirikintilerine sebep olduğu, ayrıca motorun ilkçalışmasını zorlaştırdığı ve vuruntuyu arttırdığıbilinmektedir. Vizkoziteyi düşürmek ve setansayısı için yakıt ısıtılmıştır. Ayçiçek yağının145°C'ye kadar ısıtılması ile 40°C'deki dizelyakıtının viskozitesine yaklaştığı görülmüştür.Isıtılmış olarak silindir içerisine püskürtülenyağ, püskürtme karakterleri önemli ölçüdeiyileşmektedir. 145°C'de setan sayısı da 39'ayükselip bu dizel yakıtına yakın görülmüştür.

2.5. HİDROJEN

Fosil kökenli yakıtların teknolojisinin gelişmesive aşırı kulanım sonucu hızla tükenmesi,araştırmacıları alternatif yakıt arayışına itmiştir.Sudan elde edilebilirliği sayesinde sonsuz birenerji kaynağı olan hidrojen günümüzteknolojisi ile motorlu taşıtlarda yakıt olarakkullanılabilme sınırına gelmiştir. Hidrojeninçevre dostu olması ve geleneksel yakıtlara göreavantajlarının bulunması, yakın gelecekte engözde enerji kaynağı olmasını sağlamaktadır.

2.5.1. Motor yakıtı olarak hidrojen

Uzunca bir süreden beri hidrojenin motorlardayakıt olarak kullanılma imkanlarıaraştırılmaktadır. Günümüzde yakıt seçimindeölçüt olarak alman ulaştırma yakıtı olmaözelliği, çok yönlü kullanıma uygunluk,kullanım verimi, çevresel uygunluk, emniyet vemaliyet açısından yapılan değerlendirmelerhidrojen lehine sonuç vermektedir. 1970'lerdehidrojenin alternatif motor yakıtı olarakkullanılması yeniden gündeme gelmiştir. Egzozemisyon değerlerinin düşük olması, petrole olan



bağımlılığı azaltması hidrojenin uzun yıllarönceden tespit edilmiş olan avantajlarıdır.

Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığıyüksek olmasına rağmen, hidrojen-havakarışımlarının tutuşturulabilmesi için gereklienerji miktarı düşüktür. Tutuşma aralığınıngeniş olması, hidrojenin daha geniş karışımaralığında düzgün yanmasını sağlar ve yanmasonucunda daha az kirletici oluşur. Benzinmotorları ise stokiyometrik orana daha yakınoranlarda yada zengin karışım oranlarındaçalıştırılmak zorunda olduklarından egzozgazlarında önemli miktarda azot oksit (NOXı),karbonmonoksit (CO) ve yanmamışhidrokarbon (HC)'lar oluşur. Hidrojenmotorları, maksimum yanma sıcaklığınıazaltacak biçimde fakir karışım ileçalıştırılabilirler. Böylece daha az NOX

oluşurken, HC ve CO emisyonları oluşmaz.Alev hızının yüksek olması ise Ottomotorlarında ideale yakın bir yanmanınoluşmasını sağlayarak, ısıl verimi arttırır. Geniştutuşma aralığı sayesinde, gaz kelebeğine gerekkalmadığından, karışımın silindirlere

kısılmadan gönderilmesi sonucu pompalamakayıpları azaltılmış olur.

Hidrojenin yüksek sıkıştırma oranlarında, fakirkarışım ile yanabilmesi yakıt tüketiminiazalttığı gibi, yanma sonucu oluşan maksimumsıcaklığı da azaltır. Yanma sonucu partikülmadde oluşmadığından bujiler kirlenmez. Alevparlaklığının düşük olması, diğer karbon esaslıyakıtlara göre radyasyon yolu ile olan ısıkaybını azaltacağından daha yüksek verimsağlar. Hidrojenin alev hızının yüksek olması,buji kıvılcımından sonra karışımın başkanoktalardan tutuşma (detenasyon) ihtimaliniazaltır. Bu durum sıkıştırma oranınınarttırılmasını sağlayacağından motorun gücü deartar.

2.5.2. içtenkullanımı

yanmalı motorlarda hidrojen

Hidrojenin içten yanmalı motorlarda yakıtolarak kullanılması konusunda bir çok çalışmayapılmaktadır. Fakat bu çalışmalarda benzinegöre tasarlanmış olan motorlar kullanılmaktadırve bu motorlar hidrojen kullanıma imkan

sağlayacak şekilde modifıye edilmişlerdir.Hidrojenin içten yanmalı motorlardakullanılmasına ilişkin yapılan ilk incelemelerdeaşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.

• Bazı küçük değişikliklerle benzinmotorları hidrojen ile çalışır durumagetirilebilirler. Isıl verimleri benzinmotorununkine yakındır.

• Stokiyometrik çalışma şartlarındahidrojen motorunda yüksek miktardaNOX oluşur. Fakat silindirleregönderilen karışım fakirleştirilerek NOX

oluşumu azaltılabilir.• Benzin motorundan hidrojen motoruna

çevrilmiş motorda, stokiyometrikhidrojen-hava karışımında %20 güçkaybı meydana gelir.

• Karbüratörlü motorlarda emmemanifoldun da ki alev tepmesi önemlibir problemdir.

Hidrojen motorunun bu dezavantajları, onunbenzin motoru ile rekabet etme şansınıazaltmaktadır. Fakat günümüze kadar yapılançalışmalar ile bu problemler çözülerek,hidrojenin motor verimine ve hava kirliliğininazaltılmasına olan katkıları görülmüştür.Hidrojenin sıkıştırma oranı yüksek olanmotorlarda kullanılması ile de sebep olduğu güçkaybı azaltılabilir. Ayrıca aşırı doldurmauygulanarak ilave güç sağlanabilir. Sıkıştırmaoranının arttırılması ve fakir karışım ilehidrojen motorunun ısıl veriminde, benzinlimotora göre %25'lik bir artış sağlanabilir. Fakirkarışım ile alev tepmesi önemli miktardaazaltılır. Akaryakıt motorlarında görülen buhartıkacı, soğuk yüzeylerde yoğuşma, yeterincebuharlaşmama gibi sorunlar hidrojenmotorlarında yoktur. Hidrojen motorları 20,13°K'de (-253°C) ilk harekete geçerken bile sorunçıkarmaz.

3. SONUÇ VE ÖNERİLER

Dünya nüfusuyla birlikte kullanılan motorlutaşıt sayısının artması bu taşıtların egzozlarınınneden olduğu hava kirliliğinin, kalıcı önlemlergerektiren bir çevre sorunu haline gelmesi,kullanılan enerji kaynaklarının siyasal krizlernedeniyle ekonomikliklerini yitirmesi ve bukaynakların zamanla hızla tükenmesi, bizleri bu

Makina Mühendisleri Odası

Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r Ener j i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Serg i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

enerji kaynaklan yerine alternatif enerjikaynakları aramaya yöneltmiştir.

Yapılan bu çalışmada, taşıtlardakullanılabilecek alternatif yakıt çeşitlerindenhidrojen, metanol, etanol, LPG, doğalgaz vebiodizel incelenmiştir.

Taşıtlarda kullanılabilecek alternatif yakıttiplerinden en uygununu seçebilmek için yakıtınkolay buharlaşabilmesi, hava ile kolaykarışabilmesi, birim hacminden yüksek enerjisağlanabilmesi, kolay tutuşabilir ve dünyanınher yerinde kolay bulunabilir özellikte olmasıkriterleri dikkate alınarak ve bu kriterleredayanılarak hangi alternatif yakıtın hangiortamlarda daha uygun veya avantajlı olduğuaraştırılmıştır.

Dünyada ve Türkiye'de oluşan enerji açığınabir çözüm bulabilmek ve egzoz emisyonunuazaltmak için bahsedilen alternatif yakıtlarıntümü motorlu taşıtlarda kullanılabilir. Etanol veyağlar tarım ürünlerinden, metanol, doğalgaz veLPG ise fosil yakıtlardan elde edildikleridüşünülürse, bunlara geleceğin yakıtlarıgözüyle bakmak pek gerçekçi olmaz. Ancakher yerde bulunabilen suyun elektrolizi ile eldeedilen hidrojenin depolanması ve sudan eldeediliş maliyetinin azaltılması sorunlarıçözüldüğü taktirde, hidrojen gelecekte araçlardakullanılan yakıt haline gelebilir.

Doğalgaz ve LPG ise günümüz alternatifyakıtları arasında şu anda avantajlı durumdagözükenleridir. Ülkemizde özellikle LPG,fiyatının diğer yakıtlara göre ekonomik olmasıve dağıtım ağının geniş olması sebebi ile büyükbir kesim tarafından araçlarda yakıt olaraktercih edilmektedir.

KAYNAKLAR

[1]. Ayhaner, M., Araçlarda LPG Kullanımıylailgili Dünyada ki genel durum ve Türkiye'dekigelişmeler, Mühendis ve Makine, No: 429,Ekim, 1995.

[2]. Hidrojen Enerjisi, www.tusiad.org.tr/turkish/rapor/enerji/htm/secl4.html[3]. Ergeneman, M., Soruşbay, C, Benzinlimotorlu taşıtların LPG kullanımına dönüşümü,Mühendis ve Makine, No: 441, Ekim, 1996.[4]. Soruşbay, C, Arslan, E. ve Ergeneman, M.,Hidrojenin yakıt olarak yanma performansınınincelenmesi, İ.T.Ü Makine Fakültesi OtomotivAna Bilim Dalı, 80191 Gümüşsüyü, İstanbul.[5]. Borat, O., Balcı, M., ve Sürmen, A., İçtenYanmalı Motorlar, Teknik Eğitim VakfıYayınları 2, cilt 1, ekim 1995, Ankara.[6]. Yücel, N., Dinler, N., Alternatif yakıtolarak LPG kullanan iki motorunperformansının deneysel incelenmesi, Tesisatmühendisliği, sayı:73, Ocak- Şubat 2003.[7]. Alternatif Fuel Data Center Web Page,Department of Energy, USA.[8]. Kaplan, C, Ulusoy, Arslan, R., Kullanılmışbitkisel yağ metil esterlerin dizel motorlardaalternatif yakıt olarak kullanılması,Yenilenebilir enerji Kaynakları Sempozyumuve Sergisi, 12-13 ekim 2001, Kayseri.[9]. Cragg, C, Cleaning up motor car pollution:New fuels and techonology, Financial timesManagement Report, FT Business InformationLtd., London, 1992.[10]. Electronics World - Wireless World,Science: The Hydrogen economy, page 668-671, August 1991.

ÖZGEÇMİŞ

Yrd.Doç. Dr. Nafiz KAHRAMAN

1963 yılında Kayseri'de doğdu. 1983 yılındaErciyes Üniversitesi Mühendislik FakültesiMakine Mühendisliği Bölümünden mezun oldu.1987 yılında Erciyes Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsü'nde yüksek lisansını tamamladı. 1992yılında aynı üniversitede doktorasınıtamamladı. Halen Erciyes ÜniversitesiMühendislik Fakültesi Makine MühendisliğiBölümünde Yrd.Doç.Dr. olarak görev yapmaktadır.


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r Ener j i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Serg i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

DIESEL MOTORLARıNDA ETANOL FUMIGASYONUNUN MOTORKARAKTERISTIKLERINE ETKISININ TEORIK INCELENMESI

Zehra ŞAHİN Orhan DURGUN

KTÜ, Deniz Bilimleri Fak. Gemi İnşaatı Mühendisliği Böl., Sürmene/[email protected] [email protected]

Tel: 0462 752 2805/110

ÖZET

Sunulan çalışmada; Diesel motoru çevrimleriiçin; Shahed ve daha sonra Ottikkutti tarafındanönerilen termodinamik esaslı çok bölgelimatematiksel modele dayalı olarak daha öncegeliştirilmiş olan bir matematiksel model bazıek düzenlemelerle yeniden düzenlenmiş vehafif yakıt fumigasyonu durumu içinuyarlanmıştır. Geliştirilen bu model Dieselmotoru çevrimlerini; hem Diesel yakıtı, hem dehafif yakıt fumigasyonu durumları için yeterlidoğrulukta hesaplayabilmededir. Bu modeldepüskürtülen yakıt demeti çok sayıda bölgeyeayrılmıştır. Söz konusu bölgeleretermodinamiğin birinci kanunu ve diğertermodinamik temel denklemler uygulanaraksilindir basıncı ve bölge hacimleri için adi birdiferansiyel denklem takımı elde edilmiştir. Budiferansiyel denklem takımı 4. derecedenRunge-Kutta yöntemi ile çözülerek silindirbasıncı, bölgelerin hacimleri ve sıcaklıklarıhesaplanmıştır. Motor çevrimi hesaplandıktansonra motorun efektif veriminin, efektifgücünün, özgül yakıt tüketiminin ve eksozgazları emisyonlarının etanol fumigasyonu ilenasıl değiştiği belirlenebilmektedir.

Bu çalışmada; örnek iki Diesel motorundayapılan sayısal uygulamalarda, % (25,5,15,10,15,20) hafif yakıt (etanol) fumigasyonu durumlarıincelenmiştir. Sonuçta genel olarak motorunefektif veriminin ve efektif gücünün etanolfumigasyonu ile sürekli olarak arttığıbelirlenmiştir. Özgül yakıt tüketiminin isedüşük devir sayılarında yaklaşık sabit kaldığı,yüksek devir sayılarında ise azaldığı, etanolfumigasyonunun ekonomik olmadığı ve COoranının ise etanol fumigasyonu ile arttığıbelirlenmiştir.

1. GİRİŞ

Motorların çoğunda ham petrolün damıtılmasıile elde edilen sıvı yakıtlar kullanılmaktadır vemotorlar 1970'lere kadar bu yakıtlara uygunolacak şekilde geliştirilmiştir. Özellikle 1973petrol krizinden ve daha sonra 1991 körfezsavaşından sonra dünya petrol fiyatları aşırıderecede yükselmiştir [1]. Her yıl trafiğe çıkanaraç sayısının artması hem çevre kirliliğini hemde yakıt tüketimini hızlı bir şekildeartırmaktadır. Günümüzdeki tüketim eğilimlerigöz önüne alındığında doğal gazın 123, hampetrolün 67 ve kömürün ise 123 yıllık rezervleriolduğu tahmin edilmektedir. Bu durumda yakıtkaynaklarının yakın bir gelecekte tükeneceğigerçeği ile yüz yüze kalınmaktadır [2, 3].Ayrıca yapılan bir tahmine göre her yılatmosfere yaklaşık 200 milyon tondan fazlakarbonmonoksit (CO), 146 milyon tonkükürtdioksit (SO2) ve 53 milyon ton azotoksit(NOX) emisyonu atılmaktadır [2]. Bukirleticilerin büyük bir bölümü motorlutaşıtlardan kaynaklanmaktadır.

Yukarıda özetlenen nedenlerden dolayı bilimadamları sınırlı petrol yakıtlarının yerinialabilecek ve daha az çevre kirliliği yaratacakalternatif yakıtlarla ilgili çalışmaları yaygın birşekilde yapmaktadırlar [2, 4-25]. Son yıllardaDiesel motorlarında alternatif yakıtlara ilişkinyapılan değişik çalışmalar; Diesel yakıtınadeğişik oranlarda alternatif yakıtların doğrudan(direkt olarak) karıştırılması (karışım), kendikendine tutuşma özelliği az olan alternatifyakıt-hava karışımının püskürtülen Dieselyakıtı demeti ile tutuşturulması (çift yakıtlıuygulamalar) ve bir karbüratörde hazırlananfakir alternatif yakıt-hava karışımı üzerinesilindir içinde Diesel yakıtının püskürtülmesi(fumigasyon) şeklinde üç gruba ayrılabilir.



Diesel motorlarında Diesel yakıtına direktolarak alternatif yakıtların karıştırılması [6-10] veçift yakıtlı çalışmalar [11-13] çok yaygın olarakyapılmaktadır. Bununla birlikte fumigasyonyöntemi diğer yöntemlere göre daha yenidir ve buyöntemle ilgili çalışmalar son yıllardayaygınlaşmıştır [4,14-23].

Etanolun oktan sayının yüksek olmasınedeniyle benzine belirli oranlarda karıştırılarakkullanıldığında verimin arttığı ve eksoz gazlanemisyonlarının azaldığı belirlenmiştir [1, 4]. Bunedenle etanol benzin motorları için tercihedilen alternatif yakıtlar arasında yeralmaktadır. Fakat, etanolun cetan sayısınındüşük olması ve Diesel yakıtı ile homojen birşekilde karı şamaması nedenleriyle Dieselmotorlarında direkt karışım olarak kullanılmasıpek uygun olmamaktadır. Ayrıca etanolun ısıldeğeri Diesel yakıtından daha düşüktür. Bunedenle aynı gücü elde edebilmek için dahafazla etanol kullanmak gerekmektedir [4]. Buolumsuzlukları gidermek üzere alternatifyakıtların (alkoller, benzin, vb) Dieselmotorlarında kullanılması ile ilgili değişikteknikler geliştirilmiştir. Bunlar arasında enyaygın olarak kullanılanı fumigasyonyöntemidir.

Fumigasyon yöntemi, mevcut Dieselmotorlarında herhangi bir değişiklik yapmadanemme kanalına basit bir karbüratör eklenerekbasit şekilde uygulanabilmektedir. Söz konusuteknik kullanılarak literatürde geçençalışmalarda eksoz gazlan emisyonlarındaönemli bir azalmanın olduğu değişik bilimadamları tarafından gösterilmiştir [4, 16, 18,19]. Ayrıca Diesel motorlarında alternatif yakıtolarak benzin fumigasyonu durumundamotorun yanma veriminin ve efektif verimininarttığı ve yakıt tüketiminin ise azaldığı deneyselolarak belirlenmiştir [14, 15, 17]. Sunulan

dV / * dpf 3u , r 3Rİ . /— = (p + <pp) = ~-f m- + <pV - cpmT— + m ir(cpRT-1dü dü|_ dp dp j b

çalışmada da; Diesel motorlarında hafif yakıt(etanol) fumigasyonunun motor performansına,yanmaya ve eksoz gazları emisyonlarınaetkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Buamaçla önce Diesel motoru çevrimlerinihesaplayabilen çok bölgeli termodinamik birmodel geliştirilmiştir. Daha sonra bu modelfumigasyon için yeniden düzenlenmiştir. Bunedenle burada önce Diesel motoru çevrimi içingeliştirilen model kısaca anlatılacaktır, dahasonra da geliştirilen modelde fumigasyon içinyapılan düzenlemeler sunulacaktır.

2. DİREKT PÜSKÜRTMELİ (DP) DİESELMOTORU ÇEVRİMLERİNİN MATEMATİKMODELLERİ

Literatürde, Diesel motorlarının performans-larını ve eksoz gazları emisyonlarını belirlemekiçin termodinamik esaslı modeller ve boyutlumodeller şeklinde iki temel yaklaşımınuygulandığı görülmektedir. Boyutlumodellerde; kütlenin, momentumun veenerjinin korunumu denklemleri silindirdolgusuna uygulanmaktadır. Bu modeller;denklemleri zaman ve uzaysal boyutlara bağlıoldukları için, akış alanına ilişkin daha ayrıntılıbilgi verirler [23, 24]. Termodinamik esaslımodellerde ise, termodinamiğin birinci kanunu(enerji eşitliği) motor çevrimini oluşturanemme, sıkıştırma, yanma, genişleme ve eksozişlemleri boyunca silindir dolgusunauygulanmaktadır [23-30].

Açık bir termodinamik sistem olan motorsilindir dolgusuna termodinamiğin birincikanunu ve diğer termodinamik bağıntılaruygulanarak silindir hacmi ve basıncı içinaşağıdaki gibi verilen adi bir diferansiyeldenklem takımı elde edilmektedir [21, 23].

da d0 • . . .- m — — + Q (1)u + h . -m ApRT-u + h ç ı k/+cpmT

ae âj) de

dp_

n ( \ n

Z i|/.ih. cp.R.T.-u.+h. . - £' x i V ' ' ' ' ı S I V

hx'gir

cp.R.T. -u. +h. .> ı ' ı ' 'S ı r .

n dR. ckj). n du. d|>. n n dVY. V|/.(p.m.T. — - — L - Z V|/.m. — - — - + E \|/.Q - £ —-

I=ı " " 1 1 3 * İ « i t i ' »at», de {zx '^ i t j d e

3u. 3R.3R-m- —-+vı/.(p.V. -u/.m.m.T. —-

(2)



Burada;

3u.cp = m — -

ı 13T.1/

3R.m.R. +m.T -

ı ı ı ı ar.

dir. (1) ve (2) adi diferansiyel denklem takımımotor çevrimi boyunca 4. dereceden Runge-Kutta yöntemi ile çözülerek silindir basıncı vebölgelerin hacimleri gibi termodinamiközellikler hesaplanmaktadır. Silindiriçerisindeki karışımın sıcaklığı ise silindirbasıncı ve bölge hacimleri kullanılarak idealgaz bağıntısından belirlenebilir.

(1) ve (2) eşitliklerinden yararlanarak Dieselmotoru çevrimlerinin hesaplanabilmesi için sözkonusu denklemlerde yer alan ısı transferi, Rİ7

uİ7 hi gibi termodinamik özellikleri ve bunların3R,/3Tj, 3R/3p, 3Ri/a<j>i, 3UJ/3TI, 3u;/3p, dujd^gibi kısmi türevleri, her bir bölgedeki anlıktoplam kütle miktarı ve bölgelere giren ve çıkanm •, m t anlık kütle oranlan ve bölgelere

gır ÇıK &

giren ve çıkan kütlelerin özgül entalpileri gibibüyüklüklerin bilinmesi gerekmektedir. Sözkonusu büyüklüklerin hesaplanması aşağıdakısaca anlatılmaktadır.

Yanma ürünlerinin mol oranlarını ve bunlarabağlı olarak R,, UI, h; gibi termodinamiközellikleri ve bunların 3Rj/3Tj, dRJdp, 3R;/3(j)[,3u,/3Tj, 3u*/3p, 3u/3())j gibi kısmi türevlerininhesaplanması için Olikara ve Borman [30]tarafından geliştirilen yöntem kullanılmıştır. Isıtransferini belirlemek için Annand [31]tarafından verilen ampirik bağıntıkullanılmıştır. Bölgelerdeki kütle miktarlarınınve kütlesel değişimleri hesaplamak için yanmaodasına püskürtülen yakıt demetiningeometrisinin bilinmesi gerekmektedir.

2.1 Demet Geometrisi

Sıkıştırılmış hava içerisine püskürtülen yakıt,meme çıkışında genellikle koni biçiminde birdemet şeklinde gelişir [32]. Söz konusu demetise kopma uzunluğu, damlacık çapı, demet

boyu ve açısı ile karakterize edilmektedir.Sunulan çalışmada demet bir buhar jeti olarakalındığı için demeti karakterize edenparametreler demet boyu ve açısı olmaktadır.Damlacık boyutu dağılımının belirlenebilmesiiçin genellikle Sauter ortalama çapı kullanılır(Sauter mean diamether) [33]. Burada El-Kotb[3] tarafından geliştirilen ampirik bağıntıkullanılmıştır. Bu bağıntı kullanıldığındaseçilen örnek motorlar için yapılan sayısaluygulamalarda Sauter ortalama çapı (23-28) [imhesaplanmıştır. Damlacık çapı değeri genellikle25 ı̂m olduğunda püskürtülen yakıt demetibuhar jeti olarak alınabilmektedir [21, 23, 34,35]. Bu nedenle sunulan çalışmada püskürtülenyakıt demetinin bir buhar jeti olarak alınmasıuygun yaklaşımdır.

Demet boyu için Dent [36] ve demet açısı içinHeywood [32] tarafından verilen ampirikbağıntılar ve Wakuri ve arkadaşları [37]tarafından geliştirilen ve demet açısını, yakıtınyoğunluğunun havanın yoğunluğuna oranınabağlı olarak gösteren eğri kullanılmıştır. Demetboyu ve açısı için literatürde verilen bağıntılargirdapsız durum için geçerlidir. Girdaplıdurumda ise demet boyu ve açısı Hiroyasu [38]tarafından geliştirilmiş düzeltme faktörlerikullanılarak düzeltilmektedir [23, 25].

Demeti oluşturulan bölgelerdeki anlık kütlemiktarının belirlenebilmesi için demetiçersindeki Diesel yakıtının uzaysal dağılımınınbilinmesi gerekmektedir. Sunulan modelde,literatürdeki verilerden yararlanarak demetekseni boyunca yakıt konsantrasyonununhiperbolik dağılıma, buna karşın radyal yöndekiyakıt konsantrasyonu dağılımının normaldağılıma uyduğu varsayılmıştır [21,23,34,39,40].Bu varsayımdan ve her hangi bir krank açısıkonumunda silindire püskürtülen toplamyakıtın, demetteki yakıtın kütlesine eşit olduğuyaklaşımlarından da yararlanarak demettekiDiesel yakıtının dağılma faktörü belirlenebilir.Bu konu ile ilgi ayrıntılı bilgi [21, 23, 39, 40]nolu kaynaklarda bulunabilir.

2.2 Bölgelerdeki Kütlelerin Hesaplanması

Şekil l'de görüldüğü gibi yanma odasınapüskürtülen yakıt demeti çok sayıda bölgeyeayrılmaktadır. Söz konusu bölgelerin sınırlarısabit ekivalans oranları ile belirlenmektedir.


Yeni v e Yeni lenebi l i r Enerji K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Serg i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

Şekil la'da tutuşma gecikmesinden hemen öncesilindir içerisinde üç bölgenin bulunduğugörülmektedir. Burada A hava bölgesini, Cyakıtça zengin özü ve Bı yanabilecek ekivalansoranı sınırları içerisinde bulunan bölgeyigöstermektedir. A bölgesinde yakıtça fakir birkarışım (((KO.6) ve C bölgesinde de yakıtça çokzengin bir karışım ((|»2.88) bulunduğundan sözkonusu bölgelerde yanma gerçekleşmemek-tedir. Bı bölgesinin ekivalans oranı sınırları(0.6«)><2.88) yanabilme sınırları içerisindeolduğundan söz konusu bölge tutuşmagecikmesi sonunda anlık olarak yanmaktadır.

Havanın* demete çekilmesi

Diesel yakıtı

(a)

Tutuşma gecikmesi süresi dolduktan ve dahasonra Bı bölgesi anlık olarak yandıktan sonra;demet, çevresindeki havayı yavaş yavaşiçerisine çekmeye devam etmektedir. Havademet içerisine çekildikçe yanmaya hazır yakıt-hava karışımı bölgeleri oluşmaktadır. Şekillb'de görüldüğü gibi Bj bölgesi yanmaya hazır,henüz C'den ayrılmamış, yakıt-hava karışımıbölgesini göstermektedir. Söz konusu bölgeninyeni bir bölge oluşturması için gerekli kriteraşağıda verilmiştir.

\ A,

A=A,+A2

<t>=2.88 <j)=0.6 d)=0

Havanın demete çekilmesi

Havanın* demete çekilmesi

Diesel yakıtı

(c)

*: Diesel yakıtı-hafif yakıt karışımı durumunda; demete, çevreden hava ve hafifyakıtın yanması sonucu oluşan yanma ürünleri çekilmektedir.

Şekil 1. Demetin bölgelere ayrılmasının gösterimi [ 21, 23, 34, 39, 40].

Sunulan modelde yeni bölgelerin oluşturulmasıyanmış bölgelerde yaklaşık aynı miktardaDiesel yakıtı kütlesi bulunduğu varsayımındanyararlanarak yapılmaktadır. Genellikle B;

bölgelerindeki Diesel yakıtının kütlesi Bıbölgesinde yanan Diesel yakıtının belirlioranlarındaki katları alınarak belirlenmektedir[21, 23]. Böylece geçici Bj bölgesindeki yakıt

miktarı gerekli değere ulaşınca C bölgesindenayrılmakta ve daha sonra da söz konusu bölgeanlık olarak yanmaktadır. Bu şekilde yanmaodasındaki yakıtın yanması tamamlanana kadarbölgelerin oluşumu devam etmektedir. Böyleceyanma odası içerisindeki B; bölgelerindekiDiesel yakıtının miktarları yaklaşık olarak eşitolmaktadır. Bı bölgesinden sonraki Bj bölgelerinin



oluşumu ve daha sonra yanmaları yanmaya hazır yakıt-havaoranı ile kontrol edilmektedir.

Yeni oluşturulan bir bölgenin anlık yanmasıdurumunda; C ve A gibi yanma olmayan vedaha önce yanmış bölgelerin izantropik olaraksıkıştırıldığı varsayılmaktadır. Anlık olarakyanmış bölgenin durumu ise, yanma olmadanönceki toplam iç enerjisinin yanma olduktansonraki toplam iç enerjiye eşit olacağıdüşünülerek hesaplamaktadır.Her bir bölgedeki yakıtın ve havanın kütlesi iseaşağıdaki bağıntılardan belirlenmektedir.

Xt yty)m B. = 2TC | 1 cpyckdy (3a)

" ' XLy(<t».+l)

t im h B . = 2n 1 | (l-c)pydxdy (3b)

' ı Kj^yOHj+l)A ve C bölgelerindeki hava ve yakıt kütleleriyukarıdaki eşitliklerde yer alan y(<t>j) değerleriuygun şekilde seçilerek belirlenebilir. Budurumda bölgelerin y((|)j) sınırları biliniyorsa(3a) ve (3b) eşitlikleri kullanılarak her birbölgedeki yakıtın ve havanın kütlesihesaplanabilir. Söz konusu denklemlerdeki ydeğerleri, ekivalans oranına bağlı olarakbelirlenebilir [23, 6].

Peş peşe gelen B; bölgelerinin yeni y(<|)i)değerleri, bölgelerdeki yakıt miktarınındeğişmediği varsayımından yararlanarakbulunmaktadır. Sunulan modelde; A, B] ve B;bölgelerindeki yakıt miktarlarıdeğişmemektedir. Bununla birlikte demetioluşturan bütün bölgelere hava çekilmektedir.Bu durumda demet ilerledikçe ve bölgelerehava çekildikçe her bir bölgenin sınırlarıbölgelerdeki hava miktarı değiştiğinden dolayıdeğişmektedir. Bu nedenle seçilen A9adımlarında söz konusu bölgelerin sınırlarınınyeniden hesaplanması gerekmektedir. Her birbölgenin ekivalans oranı sınırı belirlendiktensonra (3a) ve (3b) denklemleri çözülerek bubölgelerdeki yakıtın ve havanın kütlesihesaplanabilir [21,23].

Bölgelerdeki yakıtın ve havanın kütlesibelirlendikten sonra kütlelerdeki ve ekivalansoranındaki değişim oranı aşağıdakibağıntılardan hesaplamıştır.

m vv«» = •

(4)

(5)

Böylece (1) ve (2) adi diferansiyel denklemtakımındaki bilinmeyenler belirlenmiş olur. Budenklem takımı yanma işlemininbaşlangıcından silindir içerisindeki tüm yakıtyanana kadar çözülerek silindir basıncı,bölgelerin hacimleri ve sıcaklıkları belirlenmişolur. Sıkıştırma işleminde ve tüm yakıtyandıktan sonraki genişleme işleminde; silindirbasıncı ve silindir hacmi için Heywood [9]tarafından verilen p ve t için düzenlenmiş adidiferansiyel denklem takımı kullanılmıştır.Ayrıca sunulan çalışmada emme ve eksozişlemi Durgun [41] tarafından geliştirilen basityaklaşımla hesaplanmıştır. Diesel motoruçevrimi bu şekilde tamamlandıktan sonra bumodel fumigasyon durumu için aşağıdaki gibidüzenlenmiştir.

3. FUMİGASYON DURUMU İÇİNMODELDE YAPILAN DEĞİŞİKLİKLER

Diesel motorlarında emme işleminde çevredenhava emilmekte ve söz konusu hava sıkıştırmaişlemi süresince sıkıştırılmaktadır. Sıkıştırmaişleminin sonuna doğru Diesel yakıtısıkıştırılmış havanın içerisinepüskürtülmektedir. Oysa hafif yakıtfumigasyonu durumunda, emme kanalınaeklenen basit bir karbüratörle, hafif yakıtemilmekte olan havanın içerisinepüskürtülmektedir. Bu durumunda hafif yakıtyanma odasına girerken burarlaşmaktadır veçevreden buharlaşma ısısını çekmektedir.Böylece emme sonu sıcaklığı normal Dieselmotorundakinden daha düşük değerlerde olmaktadır.

Sıkıştırma işlemi boyunca hava-hafif yakıtkarışımı sıkıştırılmakta, ardından bu karışımıniçerisine Diesel yakıtı püskürtülmektedir.Tutuşma gecikmesi sonucu biriken Diesel yakıtıyandıktan sonra, yani kendi kendine ilktutuşmanın ardından çevredeki hafif yakıtıntamamının anlık olarak yandığıvarsayılmaktadır. Sunulan çalışmada budurumlar göz önüne alınarak; Diesel motoru


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r Ener j i K a y n a k l a r ı S e m p o z y u m u v e S e r g i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

çevrimleri için hazırlanmış çevrim modeli,fumigasyon durumu için uyarlanmıştır.Fumigasyon durumunda da çevrim boyuncatermodinamik özellikler (l)ve(2) adi diferansiyeldenklem takımı çözülerek belirlenmektedir.Yalnız bu denklemlerde bulunan bazıterimlerde fumigasyon durumu için bazıdeğişiklikler yapmak gerekmektedir.Fumigasyon durumunda modelde yapılandüzenlemeler aşağıda verilmiştir.

3.1.Fumigasyon Durumu İçin Emme ve Sıkıştırmaİşlemi Boyunca Silindirdeki DolgununTermodinamik Özelliklerinin Belirlenmesi

Hafif yakıtın buharlaşması sonucu emme sonusıcaklığı azalmaktadır. Söz konusu azalma;geliştirilen aşağıdaki basit buharlaşma formülüile hesaba katılmıştır.

T1

TQ + AT + YrTr Mfum

M 1 C P"fum (6)

Burada Q f u m hafif yakıtın buharlaşma ısısı,1 kg Diesel yakıtı için emme kanalına püskürtülenhafif yakıtın mol sayısı, yr artık gazlar katsayısı ve Mt

emilen taze dolgunun mol sayısıdır [23].

Sıkıştırma işlemi süresince karışımıntermodinamik özellikleri hesaplanırken hafifyakıtın özelliklerinin de hesaba katılmasıgerekmektedir. Hesaplar 1 mol hava başınayapılmaktadır. Bu durumda 1 mol hava içinXı(|)£m mol kadar Diesel ve X2(|)em mol kadarhafif yakıt kullanılmaktadır. Burada X] ve X2karışımdaki Diesel yakıtının ve hafif yakıtınhacimsel oranlarıdır. Böylece fumigasyondurumu için sıkıştırma işleminde her birmaddenin mol oranları belirlenebilir [23].

3.2 Fumigasyon Durumunda Demet ÇevresindekiHava-Hafif Yakıt Karışımının Anlık Yanması

Sıkıştırma sonunda; Diesel yakıtı, sıkıştırılmışhava-hafif yakıt karışımının içerisinepüskürtülmektedir. Fumigasyon durumunda,püskürtülen Diesel yakıtının koni biçimindekibir demet şeklinde geliştiği varsayılmıştır vedemet boyunun, açısının ve damlacık boyutudağılımının belirlenmesinde Diesel motoruçevrimlerini hesaplamak için kullanılan ampirikbağıntıların aynısı kullanılmıştır. Literatürdefumigasyon için yapılan teorik çalışmalarda dademet karakteristikleri normal Diesel motoru

için geliştirilen ampirik bağıntılar kullanılarakbelirlenmektedir [21,22,23,28,29].

Tutuşma gecikmesi sonunda; Diesel motoruçevrimlerini hesaplamak için hazırlananmodelde olduğu gibi, yanma odasındaki karışımüç bölgeye ayrılmaktadır. Tutuşma gecikmesisonunda yanabilecek ekivalans oranı sınırlarıiçerisinde karışıma sahip olan Bı bölgesininanlık olarak yanacağı varsayılmıştır. Demetçevresindeki hava-hafif yakıt karışımıbuharlaşmış ve yanmaya hazır durumdadır. Sözkonusu karışım bir kıvılcım iletutuşturulduğunda yanmaya başlayabilir. Bunedenle Bı bölgesinin yanmasının bir kıvılcımgörevi gördüğü düşünülerek çevredeki hava-hafif yakıt karışımın tamamının anlık olarakyandığı varsayılmıştır.

Literatürde yapılan fumigasyon çalışmalarında,demet çevresindeki hava ve hafif yakıtınbirlikte demete çekilerek adım adım yandığıvarsayılmaktadır. Bu şekilde yanma odasındakiDiesel yakıtının yanması tamamlandıktan sonrada çevrede kalan hafif yakıt karışımınınyanmaya devam ettiği varsayılmaktadır. Böylebir yaklaşımda; hafif yakıtın büyük bir miktarıgenişleme sonuna doğru yandığı için enerjisitam olarak hesaba katılamamaktadır [16, 21,29]. Sunulan çalışmada ise tutuşma gecikmesisonucu Diesel yakıtı yanmaya başladıktansonra hafif yakıtın tamamının anlık olarakyandığı varsayılmaktadır. Böylece söz konusuani yanmanın silindir içerisinde bir girdaphareketi oluşturduğu ve Diesel yakıtı ile havayıdaha iyi karıştırdığı düşünülmektedir.

Demet çevresindeki hafif yakıtın anlık yanmasısonucu silindir dolgusunun basıncı, bölgelerinhacimleri ve sıcaklıkları, her hangi bir B;

bölgesinin anlık yanmasında kullanılan hesap•yönteminin benzeri uygulanarak belirlenmiştir.Hava-hafif yakıt karışımının yanması sonucuoluşan yanma ürünlerinin mol oranları tamyanma varsayımı ile hesaplanmaktadır. Molsayıları belirlendikten sonra yanma ürünlerininmol oranlan ve karışımdaki her bir bileşeninentalpi, entropi ve sabit basınçtaki özgül ısı gibitermodinamik özellikleri Ferguson [42]tarafından verilen fonksiyonlardanbelirlenebilir. Demetin çevredeki hava-hafifyakıt karışımının yanması sonucu oluşacak O,N, H, NO, OH gibi yanma ürünlerinin mol



sayılan çok küçük olduğundan; daha sonra sözkonusu yanma ürünleri, demete çekilmedurumunda, hesap kolaylığı için, göz ardı edilmiştir.

3.3.Fumigasyon İçin Yüksek Sıcaklıktaki KarışımınTermodinamik Özelliklerinin Belirlenmesi

Demetin bölgelere ayrılması ve söz konusubölgelerin anlık yanması ile ilgili tüm hesaplar

Diesel motoru çevrimleri için hazırlananmodeldekinin benzeri şeklinde yapılmaktadır.Burada C ve Bj bölgelerine çevreden hava (O2,N2) ve aynca CO2 ve H2O gibi yanmışmaddeler çekilmektedir. Böylece fumigasyondurumunda yüksek sıcaklıktaki maddelerin moloranlarını belirlemek için yanma denklemiaşağıdaki gibi yazılabilir.

13C HUO N +

c h oy n

(c + 0.25h - 0.5oy) CL +3.7274N_ + 0.0444 Ar

+ bH2O + cN 2

CO + y 7NO +

—>

(7)

Fumigasyon durumunda yanma ürünlerinin moloranları Diesel çevriminde kullanılan yöntemlehesaplanmıştır. Yalnız burada atom denklemleriyazılırken yanma denkleminin sol tarafınaeklenen aCO2, bH2O ve cN2 maddeleri de gözönüne alınmalıdır. Burada a, b ve c katsayıları4.7718 mol hava için gerekli COj, H2O veN2'nin mol sayılarıdır. Mol oranlarınınbelirlendikten sonra gaz karışımıntermodinamik özellikleri ve bunların sıcaklık,basınç ve ekivalans oranına göre türevleriFerguson [42] tarafından verilenfonksiyonlardan hesaplanmıştır. A ve Cbölgesinde bulunan maddelerin mol oranlan vetermodinamik özellikleri de aşağıdaki gibibelirlenebilir.

A bölgesinde hava-hafif yakıt karışımının tamyandığı ve sonuçta CO2, H2O, N2 ve O2 gibimaddelerin oluştuğu varsayılmaktadır. Silindirbasıncının ve A bölgesinin sıcaklığınındeğişmesi durumunda bu karışımıntermodinamik özellikleri de değişmektedir. Abölgesindeki karışımın termodinamiközellikleri; sıcaklık ve basınca bağlı olarakbelirlenebilir. C bölgesinde Diesel yakıtı veçevreden çekilen CO2, H2O, N2 ve O2 gibimaddeler bulunmaktadır. Söz konusu bölgeninsıcaklığı genellikle 1000 K'den düşük olur vebu nedenle C bölgesinde her hangi bir yanmareaksiyonunun meydana gelmediği

varsayılabilir. Silindir basıncı ve bölge sıcaklığı

değiştikçe karışımın termodinamik özellikleride değişmektedir.

Fumigasyon durumunda, demet ile ilgili tümparametrelerin ve demetteki hava ve Dieselyakıtı miktarlarının belirlenmesi, bölgelerinoluşturulması ve yanmaya hazır Bj bölgelerininanlık yanması ile ilgili hesaplamalar Dieselmotoru çevrimleri için geliştirilen modeldekininbenzeri şeklinde yapılmaktadır.

3.4.Etanol Fumigasyonu İçin GeliştirilenÇevrim Modelinin Doğruluğunun Kontrolü

Diesel motoru çevriminin doğruluk kontrolüŞekil 2 a ve b gösterilmiştir. Bu konu ile ilgiliayrıntılı bilgi [23] nolu kaynakta bulunabilir.Diesel motoru çevrimlerini hesaplayanmatematiksel modelin doğruluğu kontroledildikten sonra söz konusu model fumigasyondurumu için uyarlanmıştır. Daha sonrafumigasyon için geliştirilen modelin doğrulukkontrolü yapılmıştır. Şekil 2'de görüldüğü gibisunulan modelden hesaplanan efektif verim veefektif güç değerleri Kızıltan [6]'in deneyselsonuçları ile karşılaştırılmıştır. Buradan sunulanmodelden hesaplanan sonuçların yeterliduyarlılıkta olduğu görülmektedir. Ayrıcageliştirilen modelden benzin fumigasyonu içinelde edilen sonuçlar Ayvaz'nin [14] deneyselsonuçlarıyla da uyumlu çıkmıştır. Bu konu ileilgili ayrıntılı sonuçlar daha sonra yapılmasıdüşünülen çalışmalarda sunulacaktır.


Y e n i v e Yeni lenebi l i r Enerji K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Sergis i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 Kayser i

Tablo 1. Teorik hesaplarda kullanılan motoriann bazı özellikleri. Burada n delik sayısıdır.

Gupta [24]Ottikkutti [21,40]Li [26]Deney motoru [6, 14]

814.616.814.5

18-24

D (mm)

95106.5139.7

90

H (mm)

110127

152.4120

PP (bar)170

250-490-

90-250

6S(derece)-15-15-14-22

d,, (mm)

0.20.3

0.270.36

Z1461

n

3461

160

140

120

100

80

60

40

20

0

-20

Sunulan modelLi[26]

n= 1900 dev/dak

e=14.5

-250 -200 -150 -100 -50 0 50

KMA (derece)

(a)

100 150 200 250

""'CV. Sunulan model^ Gupta [24]***>, Kamimoto [24]

n= 1250 dev/dak e=14.6

D=95mm, H=110mm

80

70

60

S 50

î 4 0

3 30

« 20

10

o-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

KMA (derece)(b)

Şekil 2. (a) ve (b) sunulan modelden elde edilen basınç değerlerinin Li[26] ve Gupta'nin [24] teorik sonuçlan ile karşılaştırılması.

0.480.44

S 0.36

| 0.32

w 0.28

0.24

0.2

Sunulan modelKjzıltan [6]

n= 1200 dev/dake=18

- 4 - 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(a)

0.60.55

0.50.45

0.40.35

0.30.25

0.20.15

**•*» Sunulan model^ O ^ Kızıltan[6]

n= 1200 dev/dak,6=21

m- * • •G — e e — o — *

h*— - "! Q O

- 4 - 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(b)

10

O":3cm

Sunulan modelKızıltan [6]

n=1200 dev/dak

e=18

-e-

- 4 - 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(c)

10

i> * v Sunulan model^ Kızıltan [6]

n=1200 dev/dak£=21

•—m—•—•m m •• - - "a—o©—e—e©—e

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(d)Şekil 3. (a), (b), (c), (d) sunulan modelden bulunanefektif verim ve efektif güç değerlerinin Kızıltan [6]'indeneysel sonuçlan ile karşılaştırılması.

4. SAYISAL UYGULAMALAR

Bu bölümde değişik etanol fumigasyonuoranları için motor karakteristiklerinin ve COoranının değişimleri Şekil 4'te ve Tablo 2'degösterilmiştir. Burada Ottikkutti [22, 40] ve Li[35] tarafından verilen aşırı doldurmalı motorlarkullanılmıştır ve bu motorlarla ilgili sayısalbilgiler Tablo l'de sunulmuştur. Burada;Ottikkitti tarafından verilen motordan yükseksıkıştırma oranlı motor (e=16.8) şeklinde ve Litarafından verilen motordan da düşüksıkıştırma oranlı (e=14.5) motor şeklinde sözedilecektir. Her iki motor için seçilen üç farklıdevir sayısında değişik teorik hesaplaryapılmıştır. Yüksek sıkıştırma oranlı motor içinseçilen devir sayıları 1500, 1700 ve 2100dev/dak ve düşük sıkıştırma oranlı motor için


Y e n i v e Yeni leneb i l i r Ener j i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e Serg i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

seçilen devir sayıları ise 1600, 1900 ve 2100dev/dak'dır. Yüksek sıkıştırma oranlı motorunnominal devir sayısı 1700 dev/dak ve düşüksıkıştırma oranlı motorun nominal devir sayısıise 1900 dev/dak'dır. Sunulan çalışmada; sözkonusu motorların nominal devirlerinden düşükdevir sayılarından düşük devir sayısı ve yüksekdevir sayılarından ise yüksek devir sayısışeklinde söz edilecektir.

0.64

0.6

1 0.56oS 0.52

1 0.48â

0.440.4

n=l 500 dev/dakn=1700 dev/dakn=2100 dev/dak

e=16.8

-4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(a)

2.88

2.86

2.84

2.82-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(b)1009590858075706560555045

n= 1500 dev/dakn=1700 dev/dakn=2100 dev/dak

e=16.8

"-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(C)

340

330

320

310

300

290

280

270

260

250

"^•k n= 1600 dev/dak^•k n= 1900 dev/dak""••̂ n=2100 dev/dak

E=14.5 ^___*—•—— •

"-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(d)

0.39

0.37-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(e)

0.26

0.25

0.24

0.23

0.22

0.21

0.2

0.19

O 0.18

n= 1500 dev/dakn= 1700 dev/dakn=2100 dev/dak

E=16.8

'-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(0

- 4 - 2 0 2

140

120

100

80

60

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

% Etanol

(g)

i 40

» 20

0

-20

% 0 etanol% 2.5 etanol% 5 etanol% 7.5 etanol% 10 etanol% 15 etanol% 20 etanol

n=1600 dev/dakE=14.5 —

20-370-310-250-190-130 -70 -10 50

KMA (derece)

110 170 230

Şekil 4. (a)ekivalans oranının, (b) tutuşma gecikmesinin, (c)ve (d) efektif gücün, (e) efektif verimin, (f) özgül yakıttüketiminin, (g) CO oranının % etanol oranına ve (h) farklıetanol oranlan için basıncın krank mili açısına göredeğişimi.


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r Ener j i K a y n a k l a n S e m p o z y u m u v e S e r g i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

Tablo 2. Farklı etanol fumigasyon oranlan için efektif güç, efektif verim, özgül yakıt tüketimi ve fiyatın Diesel yakıtına görekarşılaştırma oranlan

e=16.8

% etanol oranlan

2.5

5

7.5

10

15

20

n=1500dev/dak

%

ANe/Ne

-0.056

-0.053

0.228

0.748

1.401

1.341

%

Abe/be

0.472

0.892

1.102

1.102

1.417

2.571

% Aîie/rie

0.340

0.748

1.428

2.334

3.761

4.441

% AF/F,

3.506

6.998

10.298

13.391

19.997

27.770

n=2100dev/dak

% ANe/Ne

1.886

3.907

5.185

7.401

10.681

12.793

% Abe/be

-1.336

-2.717

-3.341

-4.766

-6.459

-7.038

% Arie/Tie

2.189

4.511

6.086

8.623

12.547

15.243

%AF/F,

1.680

3.188

5.497

6.773

10.685

16.818

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Yapılan teorik hesaplardan vedeğerlendirmelerden elde edilen sonuçlaraşağıda sırasıyla verilmiştir.

1. Sunulan model Diesel motoru çevrimlerini;hem Diesel yakıtı hem de fumigasyondurumları için yeterli doğruluktahesaplayabilmektedir.

2. Etanol fumigasyon oranı arttıkça efektifverim, efektif güç artmakta öte yandanözgül yakıt tüketimi ise azalmaktadır.Yüksek sıkıştırma oranlı motorda efektifverimdeki artma oranı % 15.2 ve efektifgüçteki artma oranı ise % 12.8 düzeyindebulunmuştur. Düşük sıkıştırma oranlımotorda ise efektif verimdeki maksimumartma oranı 8.7 ve efektif güçtekimaksimum artma oranı % 6.5 düzeyindehesaplanmıştır. Her iki motor için düşükdevir sayılarında özgül yakıt tüketimiartmakta veya yaklaşık sabit kalmaktadır.Nominal devir ve yüksek devir sayılarındaise, özgül yakıt tüketimi azalmaktadır.Fakat özgül yakıt tüketimindeki azalmaoranı düşük olduğu için etanol fumigasyonuekonomik olmamaktadır. Bununla birlikteetanol fumigasyonu, ekonomikliğin çokönemli olmadığı maksimum güç ve verimistenen uygulamalarda kullanılmasıönerilebilir.

3. Etanol fumigasyonu için CO oranıartmaktadır. Yüksek sıkıştırma oranlımotorda CO'daki artma oranı % 912 vedüşük sıkıştırma oranlı motorda CO'dakiartma oranı ise % 185 düzeyindebulunmuştur. Ayrıca etanol fumigasyonoranı arttıkça tutuşma gecikmesiartmaktadır.

4. Sunulan modelde; vuruntu göz önünealınamadığından, etanol fumigasyonudurumlarında, fumigasyon oranı arttıkçamotor karakteristiklerindeki artış veyaazalma oranlan sürekli bir değişimgöstermektedir. Oysa yüksek fumigasyonoranlarında vuruntu görülebileceğindendeğişimler sürekli olmayabilir. Yapılançalışmalar sonunda etanol fumigasyonu için% (7.5-12.5) oranının en iyi fumigasyonoranları olduğu söylenebilir.

5. Sunulan modelde hafif yakıtın yanmasısonucu oluşacağı öngörülen akımkarışıklıkları ve girdap hareketleri hesabakatılamamıştır. Sunulan matematikselmodel girdap oranının verilmesi durumundada motor çevrimini hesaplayabilmektedir.Ancak eklenen hafif yakıtın ani yanmasınınhangi büyüklükte girdap hareketlerioluşturacağı bilinmemektedir. Bu nedenlefumigasyonun etkisinin sonuçlara tamolarak yansımadığı söylenebilir.



6. Fumigasyon durumunda demet boyunun veaçısının Diesel yakıtı durumuna göre dahabüyük olacağı düşünülmektedir. Bu nedenleDiesel motorları için kullanılan bağıntılarabir iyileştirme faktörlerinin eklenmesigerekmektedir. Fakat literatürde bu tür birbilgiye ulaşılamamıştır. Fumigasyondurumu için yapılan çalışmalarda demetboyu ve açısı için saf Diesel yakıtıdurumunda verilen ampirik bağıntılarkullanılmıştır [22, 23, 28, 29, 40]. Buetkiler de sunulan modelde hesabakatılamamıştır. Bununla birlikte anlıkyanma sonucu basınç ve sıcaklığın artmasıdemet boyu üzerinde iyileştirici etkiyapmaktadır.

6. SEMBOLLER

be Özgül yakıt tüketimi (kgy/kWh)c r a Demet ekseni boyunca yakıt

konsantrasyonu

cp Sabit basınçtaki özgül ısı (kJ/kgK)D Silindir çapı (m)DP Direkt püskürtmeli

DSoç Sauter ortalama çapı (^ım)

d n M e m e çapı (m)

F s t Stokiometrik yakıt-hava oranıh Entalpi (U/kg)H Strok uzunluğu (m)KMA Krank mili açısı (°)m Toplam kütle (kg)n Devir sayısı (dev/dak)Ne Efektif güç (kW)p Anlık silindir basıncı (bar)pp Püskürtme basıncı (bar)R Gaz sabiti (kJ/kgK)T Sıcaklık (K)To Dış ortam sıcaklığı (K)Tr Eksoz gazlarının sıcaklığı (K)AT Taze dolgunun ön ısınması (C)u İç enerji (kJ/kg)V Anlık silindir hacmi (m3)Vy Bir çevrim boyunca püskürtülen yakıt

miktarı (mm3)XL Demetin kuyruk kısmının memeden

olan uzaklığı (m)Xt Demetin yanma odasına girme derinliği

(demet boyu) (m)yi Yanma ürünlerinin mol oranıZ Silindir sayısı

a Diesel yakıtının demetteki dağılmafaktörü

E Sıkıştırma oranı

9 Krank mili açısı (°)

9d Demet açısı (°)

8S Püskür tme avansı (°)

p Yoğunluk (kg/m 3)

()) Ekivalans oranı

Yr Artık eksoz gazlan katsayısı

7. KAYNAKLAR

1. Durgun, O., Motorlarda Benzin-Etil Alkol-İzopropanol Karışımlarının Kullanılması,İkinci Yanma Sempozyumu, 18-20 Eylül1989, İstanbul, Bildiriler Kitabı, 325-335.

2. Bilgin, A., Durgun, O., Şahin, Z., DieselYakıtına TMBE Katılmasının MotorPerformansına Etkisi, ULIBTK'01 13.UlusalIsı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Eylül 2001,Kmya, Bildiriler Kitabı, 141-146.

3. G. L. Borman, K. W. Ragland, CombustionEngjneering, McGraw-Hill Book Company, New

York, 1988.4. Abu-Qudais, M., Haddad, O., Qudaisat, M.,

The Effect of Alcohol Fumigation onDiesel Engine Performance and Emissions,Energy Conversion and Management, 41 ,sno. 389-399, 2000.

5. Seko, T., Hori, M., Suto, H., Kobayashi, S.,Methanol Diesel Engine and ItsAsnolication to a Vehicle, SAE Paper No.840116, sno.1676-1683, 1984.

6. Kızıltan, E., Motor Yakıtlarına AlkolKatılmasının Motor Performansına Etkisi,Yüksek Lisans Tezi, KTÜ Fen BilimleriEnstitüsü,Trabzon, 1988.

7. Şahin, Z., Durgun, O., Bilgin, A., TheEffect of Using Bycosin 1030 as anAdditive to Diesel Fuel on the EnginePerformance, 11* International Conferenceon Thermal Engineering andThermogrammertry (THERMO 99), July1999, Budapest, Hungary, Bildiriler Kitabı,267-272.

8. Caro, P. S., Mouloungui, Z., Vaitilingom,G., Berge, J. Ch., Interest of Combining anAdditive with Diesel-Ethanol Blends forUse in Diesel Engines, Fuel, 80, sno. 565-574,2001.


Y e n i v e Y e n i l e n e b i l i r Ener j i K a y n a k l a r ı S e m p o z y u m u v e Serg i s i 3 - 4 E k i m 2 0 0 3 K a y s e r i

9. Ajav, E. A., Singh, B., Bhattacharya, T. K.,Experimental Study of Some PerformanceParameters of a Constant Speed StationaryDiesel Engine Using Ethanol-Diesel Blendsas Fuel, Biomass and Bioenergv. 17, sno.357-365, 1999.

10. Bilgin, A., Durgun, O., Şahin, Z, The Effectof Diesel-Ethanol Blends on Diesel EnginePerformance, Energy Sources, 24, sno. 431-440, 2002.

11. Mbarava, M., Milton, B. E., Casey, R. T.,Miao, H., Fuel Injection Characteristics ofDiesel-Stimulated Natural Gas Combustion,International Journal of Energy Research,23,1359-1371,1999).

12. Park, T., Dual Fuel Conversion of a DirectInjection Diesel Engines, Master Thesis,West Virginia University, Morgantovvn,1999.

13. Gunea, C. D., Examination of the Effect ofthe Pilot Fuel Quality on the Performanceof Gas Fueled Diesel Engines, MasterThesis, Calgary University, Alberta, 1997.

14. Ayvaz, Y., Diesel Motorlarında DieselYakıtı-Benzin Karışımlarının Kullanılması,Yüksek Lisans Tezi, KTÜ Fen BilimleriEnstitüsü, Trabzon, 1991.

15. Durgun, O., Ayvaz, Y., The Use of DieselFuel-Gasoline Blends in Diesel Engines,First Trabzon International Eneryg AndEnvironment Sysm., Temmuz 1998,Trabzon, Bildiriler Kitabı, Olt2,905-912

16. Jiang, O., Ottikkutti, P., Gerpen J., VanMeter, D., The Effect of AlcoholFumigation On Diesel Flame Temperatureand Emissions, SAE, Paper No. 900386,sno. 1-24, 1990.

17. Kotani, D., Yoshida, K., Shoji, H., Tanaka,H., Study on Combustion Characteristic ofLean Mixture Ignited by Diesel FuelInjection, JSAE Review, 19, sno. 311-317,1998.

18. Ajav, E. A., Singh, B., Bhattacharya, T. K.,Performance of a Stationary Diesel EngineUsing Vaporized Ethanol asSusnolementary Fuel, Biomass andBioenergv. 15 sno. 493-502, 1998.

19. Chen, J., Gussert, D., Gao, X., Gupta, C,Foster, D., Ethanol Fumigation of aTurbocharged Diesel Engine, SAE PaperNo. 810680, sno. 1-14, 1981.

20. Kwon, S., Arai, M., Hiroyasu, H., Effectsof Fumigated Fuel on the Ignition andInitial Combustion Stages in a D.I. DieselEngines, ŞAE Paper No. 891880, (1989)1847-1854.

21. Ottikkutti, P., Gerpen, J. V., Cui, K.R.,Multizone Modeling of a Fumigated DieselEngine, SAE Paper No. 910076, sno. 1-21,1991.

22. Mathur, H. B., Gajendra Babu M. K, Prasad, Y.N.,AThermodynamic Simulation Model ForaDual Fuel Öpen Combustion ChamberCompression Ignition Engines, SAE PaperNo. 861275, sno. 233-245,1986

23. Şahin, Z., Diesel Motorlarında DieselYakıtı-Hafif Yakıt KarışımlarınınKullanılmasının Yanmaya ve MotorPerformansına Etkisi, Doktora Tezi, KTÜFen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, 2002.

24. Bayraktar, H., Benzin-EtanolKarışımlarının Benzin Motorlarında Yanmave Motor Çevrimi Üzerindeki EtkilerininTeorik Olarak İncelenmesi, Doktora Tezi,KTÜ Fen Bil. Enst,Trabzon, 1997.

25. Gupta, A. K., Mehta, P. S., Gupta, C. P.,Model for Predicting Air-Fuel Mixing andCombustion for Direct Injection DieselEngine, ŞAE Paper No. 860331, sno. 2503-2521, 1986.

26. Li, Q., Development of a Quasi-Dimensional Diesel Engine Simulation forEnergy and Avability Analysis, Ph.D.Thesis, University of Illinois, Urbana-Champaign, 1992.

27. Primus, L. P., Wong, V. W, Performanceand Combustion Modeling ofHeterogeneous Charge Engines, SAE PaperNo. 850343, sno. 100-110, 1985.

28. islam, R., Subrahmanyam, J.P. ve Babu, M.K. G., Computer Simulation Studies Of AnAlcohol Fueled Low Heat Reception DirectInjection Diesel Engines, Alternative Fuels,SAE 1997, Vol. 1298, sno. 73-84, 1997.

29. X., Gao, J. Chen, Z., Ye, D., Foster, G.Borman, Ignition Delay and Heat ReleaseAnalysis of an Ethanol Fumigated DieselEngines, ASME Paper, 83, DGP-1,sno.321-329, 1983.

30. Olikara, C, Borman, G. L., A ComputerProgram for Calculating Properties ofEquilibrium Combustion Products with



Some Applications to I.C. Engines, SAEPaper No. 750168, sno.1-21,1975.

31. Annand, W. J. D., Heat Transfer in theCylinders of Reciprocating InternalCombustion Engines, Proc. Instn. Mech.Engrs., 177, sno. 793-990, 1963.

32. Heyvvood, J.B., Internal CombustionEngines Fundametals, McGraw Hill-Book,NewYork, 1989.

33. Hiroyasu, H. ve Kadota, T., Fuel DropletSize Distribution in Diesel CombustionChamber, SAE Paper No. 740715, sno.2615-2624, 1974.

34. Shahed, S. M., Flynn, P. F., Lyn, W. T., AModel for The Formation of Emissions inA Direct-Injection Diesel Engine,Combustion Modeling in ReciprocatingEngines, Edited By J. N. Mattavi ve C. A.Amann, Plenum Press, New-York, sno.345-368, 1980.

35. Lipkea, W. H., DeJoode, A. D., A Model ADirect Injection Diesel Combustion Systemfor Use in Cycle Simulation AndOptimization Studies, SAE, Paper No.870573, sno. 1-11, 1987.

36. Dent, J. C, A Basis for Comparison ofVarious Experimental Methods forStudying Spray Penetration, SAE Paper No.710571, sno. 1881-1884, 1971.

37. Wakuri, Y., Fujii, M., Amitani, T.,Tsuneya, R., Studies on the Penetration ofFuel Spray in a Diesel Engine, Bulletin ofJSME.3, 9, sno. 123-130, 1960.

38. Hiroyasu, H., Kadota T., Arai, M., FuelSpray Characterization in Diesel Engines,Combustion Modeling in ReciprocatingEngines, Edited By J. N. Mattavi ve C. A.Amann, Plenum Press, New-York, sno. 369-404,1980.

39. Chiu, W. S., Shahed, S. M., Lyn, W. T., ATransient Spray Mixing Model for DieselCombustion, SAE Paper No. 760128, sno.502-512, 1976.

40. Ottikkutti, P., Multizone Modeling of AFumigated Diesel Engine, Ph.D. Thesis,Iowa State University of Science andTechnology, Ames, Iowa, 1989.

41. Durgun, O., Motor Çevrimleri İçin Pratik BirYöntem, TMMOB Mühendis ve Makine Dergisi383(1991)18-29.

42. Ferguson, C.R., Internal CombustionEngines, Applied TTıerrnosciences, John Wiley &Sons, New York, 1986.

ÖZGEÇMİŞ

Öğr. Gör. Dr. Zehra ŞAHİN

15.07.1970 yılında Trabzon'un Sürmeneilçesinde doğdu. İlk ve orta okulu aynı ilçedetamamladıktan sonra Sürmene Lisesindenbirincilikle mezun oldu. Akabinde 1989 yılındakontenjanla girdiği Makine MühendisliğiBölümü'nden 1993 yılında makine mühendisiunvanı ile mezun oldu. Aynı yıl yüksek lisanseğitimine başladı. 04.09.1996 yılında yükseklisans eğitimini tamamladı. Ardından15.10.1996 yılında doktora eğitimine başladı.Doktora çalışmaları sırasında TÜBİTAKtarafından 4 yıl süreli Yurt İçi Doktora Bursunukazandı. 1994 Ağustos ayında KTÜ FenBilimleri Enstitüsünde araştırma görevlisiolarak çalışmaya başladı ve 2001 Kasım ayınakadar bu görevine devam etti. 15.11.2002tarihinde doktora eğitimini tamamladı. HalenKTÜ Deniz Bilimleri Fakültesi Gemi İnşaatıMühendisliği bölümünde öğretim görevlisiolarak çalışmaktadır.

Prof. Dr. Orhan DURGUN

1951 de Trabzon'un Çaykara ilçesinde doğmuş;ilk ve orta öğrenimini Trabzon'datamamladıktan sonra, yüksek öğrenimini 1968-1973 yılları arasında İTÜ Makine Fakültesi'ndegörmüş ve doktora çalışmasını İTÜ Gemiİnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde1983'te tamamlamıştır. Halen KTÜ MakineMühendisliği Bölümü İçten Yanmalı MotorlarBilim Dalı'nda Prof.Dr. olarak çalışmakta, aynızamanda KTÜ Gemi İnşaatı MühendisliğiBölümü Bölüm Başkanlığı görevini deyürütmektedir. İçten Yanmalı Motorlar,Motorlu Taşıtlar, Alternatif Yakıtlar, GemiHidrodinamiği ve Trabzon Folkloru alanlarındaçeşitli bilimsel araştırmaları ve yayınları vardır.


tmmob makina mühendisleri odası - Erim SEVER · 2012-03-09 · Boost tipi DC-DC dönüştürücü...

Documents

Transcript of tmmob makina mühendisleri odası - Erim SEVER · 2012-03-09 · Boost tipi DC-DC dönüştürücü...