Termal bariyer kaplı bir dizel motorda biyodizelin yanmaya olan etkilerinin incelenmesi
An investigation of the effects of biodiesel on combustion in a thermal barrier coated diesel engine
Yazar: SEVDA MERT
Danışman: PROF. DR. SUAT SARIDEMİR
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Disiplinlerarası Kompozit Malzeme Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dizel motorlar = Diesel engines ; Mikroyapı = Microstructure ; Termal bariyer kaplama = Thermal barrier coating ; Yanma = Combustion

Özet:
Bu çalışmada, TS EN 14214 standartlarına uygun olan ayçiçeği yağı metil esterinden elde edilen biyodizel yakıtların termal bariyer kaplı(TBK) dizel motorlar için alternatif bir yakıt olarak kullanılabilirliği deneysel olarak incelenmiştir. Bunun için, tek silindirli bir dizel motorun yanma odası elemanları olan piston, silindir kapağı ve supaplarının yüzeyleri plazma sprey yöntemi ile 250 µm kalınlığında seramik kompozit Al2O3-ZrO2 (%20-%80) ana kaplama malzemesi ve 100 µm kalınlığında NiCrAl ara tabaka malzemesi ile kaplanmıştır. Biyodizel yakıt, rafine edilmiş ayçiçeği yağından transesterifikasyon yöntemi ile üretilmiştir. Ayçiçeği yağı metil esteri, B0, B6, B12 ve B25 yakıt karışımlarını elde etmek içinhacimsel olarak %0, %6, %12 ve %25 oranlarında standart dizel yakıtı ile karıştırılmıştır.B6, B12, B25 biyodizel yakıtları ve B0 yakıtı, tek silindirli standart (STD) ve TBK'lı dizel motorunda tam yük altında ve 1400 d/d, 1800 d/d, 2200 d/d, 2600 d/d ve 3000 d/d devir sayılarında yanma karakteristiklerine olan etkileri incelenmiştir. Silindir basıncı, ısı açığa çıkış oranı, basınç artış oranıve kümülatif ısı yayılımına ait verilerin alınmasında LabVIEW tabanlı Febris yanma analizi yazılımı kullanılmıştır. Maksimum silindir basıncı; TBK'lı motorda, 1400 d/d'de KB12 yakıtı ile ÜÖN' dansonra4° de 83,65 bar olarak elde edilmiştir. Deney yakıtlarının TBK'lı motorda kullanılmasıyla artan sıcaklığa bağlı olarakmaksimum silindir içi gaz basınç değerlerinin, STD motordan elde edilen maksimum silindir içi basınç değerlerine göre arttığı belirlenmiştir. Hem TBK'lı hem de STD motorda elde edilen maksimum silindir içi gaz basınç değerleri ÜÖN'dan sonra meydana gelmiştir. Maksimum ısı çıkış oranı STD motorda 1400 d/d'de B0 yakıtı ile ÜÖN' dan 6° önce 45,53 J/°KA oluşmuştur. Ayrıca, B0 (standart dizel), B6 ve B12 yakıt karışımları, TBK'lıyüzeylerde, aynı şartlar altında 50 saat süre ile dizel motorda test edilmiştir. Seramik kompozit ana kaplama malzemesi ile kaplanan pistonların SEM görüntüleri ve EDS analiz sonuçları incelendiğinde, kaplama malzemesinin oldukça homojen bir şekilde yüzeylere nüfuz ettiği, çalışma sırasında yüzeylerde herhangi bir bozulmaya meydan vermeden yüksek performans ile çalışmaya imkan sağladığı görülmüştür.

Abstract:
In this study, biodiesel fuels produced from sunflower oil methyl ester in accordance with TS EN 14214 standards was investigated as an alternative fuel source for thermal barrier coated diesel engines. For this purpose, the surfaces of the piston, cylinder head, and valve parts of the combustion chambers for a single cylinder diesel engine were coated at 250 µm thick ceramic composite Al2O3-ZrO2 (20-80%) main coating material and 100 µm NiCrAl interlayer material. The biodiesel fuel is produced from refined sunflower oil by the transesterification method. The sunflower oil methyl ester was mixed with standard diesel fuel in volumes ratio of 0%, 6%, 12% and 25% to obtain B0, B6, B12 and B25 fuel mixtures, respectively.B6, B12, B25 biodiesel fuels and B0 fuel were investigated the effects on combustion characteristics in a single cylinder standard (STD) and thermal barrier coated (TBC) of diesel engine under full load and 1400, 1800, 2200, 2600 and 3000 rpm engine speeds. Febris combustion analysis software based LabVIEWwas used to obtain data on cylinder pressure, heat release rate, rate of pressure increase, cumulative and heat release. Maximum cylinder pressure was obtained 83.65 bar in TBC engine with KB12 fuel at 1400 rpm and at 4° after top dead center (TDC). Depending on the increasing temperature with the use of test fuels in the engine with TBC, it was determined that the maximum in-cylinder gas pressure values increased compared to the maximum in-cylinder pressure values obtained from the STD engine. Maximum in-cylinder gas pressure values obtained in both TBC and STD engine occured after TDC.Maximum heat release rate was obtained 45.53 J/°CA in STD engine with B0 fuel at 1400 rpm and at 6° before TDC. Also B0, B6 and B12 fuel blends were tested on a diesel engine with thermal barrier-coated surfaces for 50 h under the same conditions. When the Scanning Electron Microscope(SEM)images and the EDS analysis results of the pistons covered with the ceramic composite main coating material are examined, it has been seen that the coating material permeates the surfaces in a very homogeneous manner and allows to work with high performance without causing any deterioration on the surfaces during working.