Yanma odası yüzeyleri Zro2, Mgo ve Al2o3 ile yalıtılmış bir dizel motorunda biyoyakıt kullanımının performans, emisyon ve yanma karakteristiklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of using biofuel on the performance, emission and combustion characteristics of a diesel engine's combustion chamber surfaces insulated with Zro2, Mgo and Al2o3
Yazar: SELMAN AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. CENK SAYIN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Bu çalışmada, insan sağlığı ve çevre açısından zararlı olan pamuk yağı kökenli atık kızartma yağlarından yeniden esterleştirme yöntemi ile biyoyakıt üretilmiştir. Deneylerde kullanılmak üzere, biyoyakıt ve standart dizel yakıtı ile B5, B20, B50 ve B100 karışım yakıtları hazırlanmıştır. Bu karışımlı yakıtlar ve dizel yakıtı dört zamanlı 3LD 510 Lambordini dizel motorunda, tam yükte ve 1200, 1500, 1800, 2100 ve 2400 devirlerinde test edilmiştir. Daha sonra motorun yanma odasına bakan piston ve supaplarının alın yüzeyleri, motorun sıkıştırma oranı değişmeyecek şekilde, plazma sprey yöntemi ile 100 μm kadar NiCrAl astar tabaka ve bu tabakanın üzerine 400 μm olmak üzere %88 ZrO2, %4 MgO ve  %8 Al2O3 ana kaplama malzemesi ile kaplanmıştır. Kaplama işleminden sonra yukarıda bahsedilen test yakıtları termal bariyer kaplamalı (TBK) motorda, aynı deney şartlarında test edilerek motor performansı, egzoz emisyonu ve yanma karakteristik verileri alınmıştır. TBK'lı dizel motordan alınan sonuçlar, standart (STD) tip dizel motordan alınan test sonuçları ile karşılaştırıldığında; motor momenti, efektif güç, efektif verim ve egzoz manifold sıcaklığında kısmi artışlar görülürken, özgül yakıt tüketiminde ve motor gürültüsünde ise kısmi azalmalar görülmüştür. Egzoz emisyon verilerinde ise karbon monoksit (CO), karbon dioksit (CO2), hidrokarbon (HC) ve duman koyuluğu emisyonlarında kısmi azalmalar olurken, azot oksit (NOx) emisyonlarında ise kısmi artışlar görülmüştür. Termal bariyerle kaplanmış motordan elde edilen silindir gaz basınç değerlerinin, STD tip motordan elde edilen silindir gaz basınç değerlerinden hemen hemen daha yüksek olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca, her iki motorda test yakıtlarının kullanılması ile ölçülen maksimum basınçlar ÜÖN'dan sonra gerçekleşmiştir. Her iki motorda, aynı deney şartlarından elde edilen ısı açığa çıkış hızları ise birbirlerine çok yakın ve ÜÖN'dan önce meydana gelmiştir. Ayrıca, ısı açığa çıkış miktarları da her iki motorda da birbirlerine yakın çıktığı görülmüştür. TBK malzemesi ile kaplanmış bu dizel motorda tam yükteki testler bittikten sonra yine aynı motor yüksüz durumda, 1800 d/d'da B20 yakıtı ile 50 saat çalıştırılarak biyoyakıtın motor parçaları ve TBK malzemesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Uzun süreli bu testler sonucunda TBK'lı emme ve egzoz supaplarında herhangi bir sorun görülmezken yalnızca pistonun bir kenarında kısmi bir deformasyon olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, biofuel was produced from cottonseed oil based cooking oil that is harmful for human health and environment, by transesterification method.  B5, B20, B50 and B100 blend fuels were prepared with this biofuel and standard diesel fuel. These blend fuels and diesel fuel were tested in a four stroke, 3LD 510 Lombardini brand diesel engine under full loads and 1200, 1500, 1800, 2100 and 2400 rpm engine speeds. Then the piston and valve surfaces in the combustion chamber of the engine were coated via plasma spray method with 100 μm of NiCrAl as lining layer and the same parts were then coated with 400 μm of the mixture of 88% of ZrO2, 4% of MgO and 8% of Al2O3 without changing the compression ratio of the engine.  After coating process, the above mentioned test fuels were tested in the thermal barrier coated (TBC) diesel engine under same conditions and the performance, emissions and combustion characteristics values were obtained. When the values derived from the TBC diesel engine are compared with those obtained from standard (STD) diesel engine, torque, effective power, effective efficiency and exhaust manifold temperature values slightly increased while brake specific fuel consumption and engine noise values were partially decreased. As for emission values, CO (carbon monoxide), CO2 (carbon dioxide), HC (hydrocarbon) and smoke opacity emissions were partially decreased while NOx (nitrogen oxide) emissions were slightly increased.  It was observed that the cylinder gas pressure values obtained from TBC engine were almost higher than those obtained from STD engine.  Besides, maximum pressure values were observed at after top dead center (TDC) for test fuel usage in both engines and under full loaded engine operation conditions. In both engines, under the same conditions, the heat release rates were close to each other and were observed before TDC. Heat release values were also similar in both engines. After all of the tests were completed, the TBC engine was run with B20 fuel for 50 hours at 1800 rpm engine speed under unloaded conditions in order to find out the effects of biofuel on engine parts and ceramic coating material. It was found that, after these long tests, there were not any problems on exhaust and intake valves however with on a minor crack on one end of the piston.