Dizel/B2O3 nanoparçacık karışımlarının dizel motor karakteristiklerine etkilerinin yanıt yüzey metodolojisi ile incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of the effects of diesel/B2O3 nanoparticle mixtures on diesel engine characteristics using response surface methodology
Yazar: ŞULE SARAL
Danışman: DOÇ. DR. SAMET USLU
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünyanın en büyük çevre sorunlarından biri olan hava kirliliğinin temel sebeplerinden biri olan içten yanmalı motorlu taşıtların kullanılabilmesi için gerekli olan yakıtların tükenmekte olması sebebi ile alternatif yakıtlar üzerine yapılan araştırmalar ve yatırımlar önemli ölçüde artmıştır. Dizel motorlarda özellikle azot oksit (NOx) emisyonlarının yüksek olması sebebi ile alternatif yakıtların üretilmesi çevre kirliliğinin azaltılması oldukça önemlidir. 

Bu çalışmada bor oksit (B2O3) nanoparçacığı ve dizel yakıt karışımlarının emisyonlara ve motor performansına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deney yakıtları, B2O3 nanoparçacığının dizel yakıtın içerisine 10, 20 ve 30 ppm miktarlarında eklenmesi 
sonucunda elde edilmiştir. Deneyler tek silindirli ve düşük güçlü bir dizel motor kullanılarak farklı motor yüklerinde gerçekleştirilmiştir. Dizel yakıta 20 ppm B2O3 eklenmesi ile elde edilen yakıtla yapılan testlerde en düşük özgül yakıt tüketimi (ÖYT) elde edilmiştir. 3000 watt motor yükü altında B2O320 yakıtı ile yapılan deneysel çalışmada ÖYT değeri dizel yakıta göre %1,75 oranında azalmıştır. B2O310 yakıt ile 1000 watt motor yükü altında yapılan deneysel çalışmada %35,13 oranında artış ile maksimum ÖYT değerine ulaşılmıştır. Karışımın içerisindeki B2O3 katkısı arttıkça ÖYT'de artış olduğu görülmüştür. Dizel yakıta eklenen B2O3 katkısı ile oluşturulmuş yeni yakıtlar ile yapılan deneyler, katkı olarak kullanılan B2O3 miktarının artması ile doğru orantılı olarak NOx emisyonlarının da arttığını ortaya koymuştur. Nanoparçacık katkısının 20 ppm'e kadar artışı NOx miktarını arttırırken, 30 ppm de düşme eğilimi görülmüştür. En yüksek NOx miktarı B2O320 yakıtı ile 3000 watt motor yükünde yapılan deneyde elde edilirken, en düşük NOx miktarı katkısız dizel yakıt ile 500 watt motor yükünde yapılan deney sonucunda elde edilmiştir. B2O320 yakıtı ile yapılan deneysel çalışmada NOx emisyonunun miktarı %52,21'lik bir artış oranı ile dizel yakıta göre en yüksek artışı göstermiştir.  

Kullanılan nanoparçacığın zengin oksijen içeriği sebebi ile yakıt içerisindeki B2O3 miktarı arttıkça is emisyonları, hidrokarbon (HC) ve karbonmonoksit (CO) emisyonları azalmıştır.  En düşük is emisyonu katkısız dizel yakıt ile 500 watt motor yükünde, en yüksek is emisyonu B2O310 yakıtı ile 3000 watt motor yükünde elde edilmiştir. HC emisyonunun %62,12'lik oranda azalması ile maksimum iyileşme 500 watt motor yükünde B2O330 yakıtı ile yapılan deneysel çalışmada elde edilmiştir. CO emisyonunun %57,14'lük oranda azalması ile maksimum iyileşme 2500 watt motor yükünde B2O310 ve B2O320 yakıtları ile yapılan deneysel çalışmalarda elde edilmiştir. Dizel yakıta eklenen B2O3 nanoparçacığı ile elde edilen yakıtlar katkı oranı fark etmeksizin dizel yakıttan daha iyi emisyon sonuçları sağlamıştır. Karbondioksit (CO2) emisyonu için en düşük sonuçlar saf dizel yakıt ile elde edilirken artan B2O3 miktarı ile CO2 emisyonları da artış göstermiştir. CO2 emisyonunu miktarında dizel yakıta göre en çok artış %19,01'lik oran ile B2O330 yakıtının 1000 watt motor yükü altında test edilmesi sonucunda ortaya çıkmıştır. 

Yapılan deneysel çalışmaların sonucunda elde edilen veriler yanıt yüzey metodoloji ile optimizasyon için Minitab uygulamasında kullanılmıştır. Uygulama sonucunda motor yükü ve B2O3 miktarı için optimum değerlere, ÖYT ve emisyonlar için optimum yanıtlara ulaşılmıştır. B2O3 için optimum değer 2,12 ppm iken motor yükü için optimum değer 1409,09 watt olarak tespit edilmiştir. ÖYT için 333,57g/kWh, is emisyonu için %0,45, NOx emisyonu için 439,66 ppm, CO2 için %4,61 ve HC emisyonu için 25,77 ppm olarak tespit edilmiştir. 

Dizel yakıt ile kullanıldığında bazı emisyon değerlerini iyileştirirken bazı emisyon değerlerini arttıran B2O3 nanoparçacığı ÖYT'yi de artırmıştır. Emisyon değerlerinin düşürülmesi hedeflendiği için kullanımı is emisyonları, HC ve CO emisyonları için avantaj sağlarken, NOx ve CO2 emisyonları için dezavantaj sağlamıştır. Elde edilen sonuçlar neticesinde B2O3 nanoparçacığının motor özelliklerinde değişikliğe gidilmeden dizel yakıt katkı maddesi olarak kullanılabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
The experimental investigation of the effects of boron oxide (B2O3) and diesel fuel blends on emissions and engine performance has been conducted in this study, focusing on the primary cause of air pollution, which is the depletion of fuels necessary for the operation of motor vehicles. Due to the high nitrogen oxides (NOx) emissions in diesel engines, the production of alternative fuels is crucial for reducing environmental pollution.
The experimental fuels were obtained by adding boron oxide nanoparticles to diesel fuel at concentrations of 10, 20, and 30 ppm. The experiments were carried out using a single-cylinder, low-power diesel engine at different engine loads. The tests conducted with the fuel obtained by adding 20 ppm boron oxide to diesel fuel resulted in the lowest specific fuel consumption (SFC). In the experimental study conducted with 3000 watts of engine load using B2O320 fuel, the specific fuel consumption 
value decreased by 1,75% compared to diesel fuel. In the experimental study conducted with B2O310 fuel at 1000 watts of engine load, a 35,13% increase was achieved, reaching the maximum SFC value. An increase in B2O3 content in the mixture led to an increase in SFC. Experiments with the newly created fuels, which included boron oxide as an additive, revealed that the amount of NOx emissions increased proportionally with the increase in the amount of boron oxide used as an additive. While the addition of nanoparticle content up to 20 ppm increased NOx levels, a decreasing trend was observed at 30 ppm. The highest NOx level was obtained in the experiment with B2O330 fuel at 3000 watts of engine load, while the lowest NOx level was obtained in the experiment with pure diesel fuel at 500 watts of engine load. The experimental study with B2O330 fuel showed a 52,21% increase in NOx emissions compared to diesel fuel.

Due to the rich oxygen content of the used nanoparticle, as the boron oxide content in the fuel increased, particulate matter (PM) emissions, hydrocarbon (HC), and carbon monoxide (CO) emissions decreased. The lowest PM emissions were obtained with pure diesel fuel at 500 watts of engine load, while the highest PM emissions were obtained with B2O310 fuel at 3000 watts of engine load. The maximum improvement in HC emissions, with a decrease of 62,12%, was achieved in the experimental study with B2O330 fuel at 500 watts of engine load. The maximum improvement in CO emissions, with a decrease of 57,14%, was achieved in the experimental studies with B2O310 and B2O320 fuels at 2500 watts of engine load. Fuels obtained by adding boron oxide nanoparticles to diesel fuel provided better emission results than diesel fuel, regardless of the additive ratio.

While the lowest carbon dioxide (CO2) emission results were obtained with pure diesel fuel, increasing boron oxide content also increased CO2 emissions. The highest increase in CO2 emissions, with a rate of 19,01%, was observed when testing B2O330 fuel at 1000 watts of engine load.

The data obtained from the experimental studies were used in the Minitab application for response surface methodology optimization. As a result, optimum values were reached for engine load and boron oxide concentration, as well as optimum responses for emissions. The optimum value for boron oxide was determined to be 2,12 ppm, while the optimum value for engine load was 1409.09 watts. The responses were determined as 333.57 g/kWh for specific fuel consumption, 0,45% for PM emissions, 439,66 ppm for NOx emissions, 4,61% for CO2 emissions, and 25,77 ppm for HC emissions.

When used with diesel fuel, boron oxide nanoparticles improved some emission values while increasing others, resulting in an increase in specific fuel consumption. Although the use of boron oxide nanoparticle as a diesel fuel additive provides advantages for reducing PM emissions, HC, and CO emissions, it poses a disadvantage for NOx and CO2 emissions. The results indicate that boron oxide nanoparticle can be used as a diesel fuel additive without altering engine characteristics