Pirolitik yakıt ile biyogazın bir dizel motorda kullanımın deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the use of pyrolytic fuel and biogas in a diesel engine
Yazar: NURİ TUNÇ
Danışman: PROF. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun artması ve hızlı sanayileşme, modern ekonomiyi büyütmekte ve daha fazla enerji talebine sebep olmaktadır. Yenilenemeyen yakıt kaynaklarının tükenmesi ve enerji fiyatlarının artmasına ek olarak, üretim için gerekli temel enerji kaynağı olan yakıtların ve türevlerinin çevreye verdikleri zararlı etkileri azaltmak için alternatif yakıtlar araştırılmaktadır. Araştırılan alternatif yakıtların atıklardan elde edilmesi durumunda, hem fosil kökenli yakıtlara alternatif sağlanırken hem de atıkların bertarafı sağlanmış olacaktır. Atıklardan elde edilen yakıtlara kullanılmış araç lastikleri ve farklı organik atıklardan elde edilebilen biyogaz örnek olarak verilebilir.
Bu çalışmada, araç lastiklerinden elde edilen pirolitik yakıtın dizel motorda saf dizel yakıt ile kullanımıyla artan egzoz emisyon değerlerinin, yine atıklardan elde edilen biyogazın saf dizel-pirolitik yakıt karışımına eklenmesi yoluyla iyileştirilmesine odaklanılmıştır. Çalışmada, atık araç lastiklerinden elde edilen pirolitik yağın yakıt özellikleri iyileştirilmiş ve farklı oranlarda (%10, %30 ve %50) dizel yakıta karıştırılmıştır. Oluşturulan sıvı yakıt karışımı enjektörden püskürtülürken, emme manifoldundan farklı debilerde biyogaz (1, 3 ve 5 L/dk sabit debilerde) hava ile karıştırılarak dizel bir motorda testler gerçekleştirilmiştir. Testler tek silindirli, direk enjeksiyonlu, hava soğutmalı, sıkıştırma ile ateşlemeli bir motorda sabit motor devrinde (3000 rpm), ve 0,25 ile 1 kW arasında değişen dört farklı motor yükünde gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, pirolitik yakıt-dizel yakıtına biyogaz eklenmesinin etkisini gözlemlemek için performans, yanma, emisyon özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca, test yakıtları (DF90PY10 ve farklı biyogaz debileri (1-3-5 L/dk)) için yakıtlar ekonomik olarak incelenmiş ve çevre kirliliği maliyet analizleri yapılmıştır. 
Elde edilen sonuçlarda, dizel yakıta pirolitik yakıt eklenmesiyle NOx emisyonlarında %43,4'e varan oranda artış olduğu, bu yakıt karışımına biyogaz eklenmesiyle, %16,16'ya varan oranda azalma olduğu, dikkate değer bir değişiklik olmamakla birlikte CO ve HC emisyonlarının arttığı görülmüştür. Bunlara ek olarak, özgül yakıt tüketiminin ise artış eğilimi gösterdiği tespit edilmiştir. Bu testlerde çevre kirliliği maliyet analizi açısından DF90PY10-B1 test yakıtının referans yakıt olan saf dizel ve diğer test yakıtlarına göre daha iyi sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. Değişken oranlarda pirolitik yakıt-dizel yakıt karışımları, herhangi bir motor modifikasyonu yapılmadan dizel motorlarda saf dizel yerine alternatif yakıt olarak kullanılabilir. Motor üzerinde ufak modifikasyon yapmak üzere pirolitik yakıt-dizel yakıt karışımlarına biyogaz eklenerek NOx emisyonları önemli oranda azaltılabilir. Yapılacak bu gibi uygulamalar ile, bir taraftan organik atıkların ve atık araç lastiklerinin bertarafı sağlanırken, diğer taraftan da yenilenemeyen yakıtlara olan bağımlılık azaltılabilir.

Abstract:
The increase in the world population and rapid industrialization cause a growth in the modern economy and more energy demand. In addition to the depletion of non-renewable fuel resources and the increase in energy prices, alternative fuels are being researched in order to reduce the harmful effects of fuels and their derivatives, which are the basic energy sources required for production. In case the researched alternative fuels are obtained from wastes, both alternative fuels of fossil origin will be provided and waste disposal will be ensured. Used vehicle tires and biogas, which can be obtained from different organic wastes, can be given as examples of fuels obtained from wastes.
In this study, it is focused on improving the exhaust emission values, which are increased by the use of pyrolytic fuel obtained from vehicle tires with pure diesel fuel in a diesel engine, by adding the biogas obtained from the wastes to the pure diesel-pyrolytic fuel mixture. In the study, the fuel properties of pyrolytic oil obtained from waste vehicle tires were improved and mixed with diesel fuel at different rates (10%, 30% and 50%). The tests were examined while the liquid fuel mixture formed was sprayed from the injector, biogas at different flow rates (at constant flow rates of 1, 3 and 5 L/min) was mixed with air from the intake manifold in a diesel engine. The tests were examined in a single-cylinder, direct injection, air-cooled, compression-ignition engine at constant engine speed (3000 rpm) and at four different engine loads ranging from 0.25 to 1 kW. Then, in order to observe the effect of adding biogas to pyrolytic fuel-diesel fuel, performance, combustion, emission properties were experimentally investigated. In addition, fuels for test fuels (DF90PY10 and different biogas flow rates (1-3-5 L/min)) were economically examined and environmental pollution cost analyzes were made.
In the results obtained, it was observed that there was an increase of up to 43.4% in NOx emissions with the addition of pyrolytic fuel to the diesel fuel, a decrease of up to 16.16% with the addition of biogas to this fuel mixture, although there was no remarkable change, the emissions of CO and HC increased. In addition to these, it was determined that the specific fuel consumption showed an increasing trend. In these tests, it has been determined that DF90PY10-B1 test fuel gives better results than pure diesel and other test fuels, which are reference fuels, in terms of environmental pollution cost analysis. Variable ratios of pyrolytic fuel-diesel fuel mixtures can be used as an alternative fuel instead of pure diesel in diesel engines without any engine modification. NOx emissions can be significantly reduced by adding biogas to pyrolytic fuel-diesel fuel mixtures to make minor modifications to the engine. With such applications to be made, on the one hand, the disposal of organic wastes and waste vehicle tires can be ensured, on the other hand, the dependence on non-renewable fuels can be reduced.