Hidrojenle zenginleştirilmiş biyodizel-dizel yakıt karışımı ile beslenen bir motorda yanma, performans, emisyon ve titreşim karakteristiklerinin incelenmesi
Investigation of combustion, performance, emission and vibration characteristics of an engine fueled with a hydrogen-enriched biodiesel-diesel fuel blend
Yazar: NECDET ALÇELİK
Danışman: PROF. DR. SUAT SARIDEMİR
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Karbon ayak izi, bireyler, kurumlar ve ülkeler tarafından atmosfere salınan toplam sera gazı miktarını gösterir. Fosil yakıtların yaygın kullanımı karbon ayak izini artıran büyük bir etkendir. Bu nedenle enerji üretimi ve tüketiminde sürdürülebilir alternatiflere yönelmek, fosil yakıtların tükenmesini önleme çabalarının yanı sıra iklim değişikliği ile mücadelede de etkili bir adımdır. Bu bakımdan biyodizeller fosil yakıtların tükenmesine karşı bir çözüm sunsa da bu avantajla birlikte üretim süreçleri ve kullanımının çevresel sürdürülebilirlik üzerindeki etkileri de göz önünde bulundurulmalıdır. Birçok bilimsel çalışma biyodizel yakıt ile motor performansının standartların altında kaldığını göstermiştir. Yukarıda bahsedilen olumsuz durumların üstesinden gelmek için silindirde enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılabilirliği son zamanlarda alternatif yakıt araştırmacıları için popüler bir konu haline gelmiştir. Bu çalışmada, dizel-biyodizel-hidrojen yakıtları belirli oranlarda karıştırılarak test yakıtları elde edilmiştir. Elde edilen yakıtların 3 silindirli, su soğutmalı ve ön yanma odalı dizel bir motorda yanmaya, performansa, emisyonlara ve titreşime olan etkilerini incelemek amacı ile deneyler yapılmıştır.  Deneyler sabit 2200 d/d sabit motor devrinde ve farklı farklı yükler (15, 30, 45 ve 60 Nm) altında gerçekleştirilmiştir. Öncelikle referans verileri elde etmek için geleneksel dizel yakıtı (D) kullanılmış, ardından atık yemek yağlarından üretilen biyodizel, hacimce %20 oranında geleneksel dizel yakıt ile karıştırılmasıyla elde edilen B20 yakıtı kullanılmıştır. Kalan 4 yakıt ise B20 yakıtına ek olarak emme manifoldundan farklı akış debilerde (10, 20, 30 ve 40 L/dak) hidrojen gazı verilerek elde edilen test yakıtlarıdır. Bu yakıtlar sırasıyla B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2 ve B20+40 Lpm H2 olarak adlandırılmıştır. Sonuç olarak, B20 yakıtının özgül yakıt tüketimi değeri dizel yakıta kıyasla %8,78 oranında artmış ve ardından hidrojen ilavesi özgül yakıt tüketimi değerini B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2 ve B20+40 Lpm H2 için sırasıyla %8,8, %13,02, %17,16 ve %22,12 oranında düşürmüştür. Hidrojen zenginleştirmenin ayrıca termik verim üzerinde olumlu bir etkisi olmuştur. Termik verim, dizele kıyasla B20 yakıtında %6,14 oranında düşmesine rağmen, B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2 ve B20+40 Lpm H2 yakıtlarında sırasıyla %4,51, %5,05, %5,62 ve %7,12 oranında artmıştır. B20 yakıtına 10, 20, 30 ve 40 Lpm H2 eklenmesi NOx emisyonlarını sırasıyla %31,25, %33,08, %38,87 ve %41,46 oranında azaltırken, CO emisyonlarını da sırasıyla %17,47, %30,73, %51,8 ve %59,04 oranında azaltmıştır. Ortalama titreşim değerleri (at) tüm motor yüklerinde D yakıtına kıyasla B20 yakıtı ile %0.55 oranında azalmış ve B20 yakıtına kıyasla B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2, B20+40 Lpm H2 yakıtları sırasıyla ortalama %2,34, %4,07, %6,38 ve %22,84 oranında artmıştır.

Abstract:
The carbon footprint shows the total amount of greenhouse gases emitted into the atmosphere by individuals, organizations and countries. The widespread use of fossil fuels is a major factor that increases the carbon footprint. Therefore, turning to sustainable alternatives in energy production and consumption is an effective step in combating climate change as well as efforts to prevent the depletion of fossil fuels. In this respect, biodiesel offers a solution against the depletion of fossil fuels, but with this advantage, the impacts of its production processes and use on environmental sustainability should also be considered. Many scientific studies have shown that engine performance with biodiesel fuel is substandard. To overcome the aforementioned negative aspects, the use of hydrogen as an energy carrier in the cylinder has recently become a popular topic for alternative fuel researchers. In this study, test fuels were obtained by blending diesel-biodiesel-hydrogen fuels in certain ratios. Experiments were conducted to investigate the effects of the obtained fuels on combustion, performance, emissions and vibration in a 3-cylinder, water-cooled, pre-combustion chamber diesel engine.  The experiments were carried out at a constant engine speed of 2200 rpm and under different loads (15, 30, 45 and 60 Nm). First, conventional diesel fuel (D) was used to obtain reference data, followed by B20 fuel, which is obtained by mixing biodiesel produced from waste cooking oils with conventional diesel fuel at 20% by volume. The remaining 4 fuels are test fuels obtained by introducing hydrogen gas from the intake manifold at different flow rates (10, 20, 30 and 40 Lpm) in addition to B20 fuel. These fuels are named as B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2 and B20+40 Lpm H2 respectively. As a result, the specific fuel consumption value of B20 fuel increased by 8.78% compared to diesel fuel and then hydrogen addition reduced the specific fuel consumption value by 8.8%, 13.02%, 17.16% and 22.12% for B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2 and B20+40 Lpm H2, respectively. Hydrogen enrichment also had a positive impact on thermal efficiency. Although thermal efficiency decreased by 6.14% for B20 fuel compared to diesel, it increased by 4.51%, 5.05%, 5.62% and 7.12% for B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2 and B20+40 Lpm H2, respectively. Addition of 10, 20, 30 and 40 Lpm H2 to B20 fuel decreased NOx emissions by 31.25%, 33.08%, 38.87% and 41.46% respectively, while CO emissions decreased by 17.47%, 30.73%, 51.8% and 59.04% respectively. The average vibration values (at) decreased by 0.55% with B20 fuel compared to D fuel at all engine loads and increased by 2.34%, 4.07%, 6.38% and 22.84% with B20+10 Lpm H2, B20+20 Lpm H2, B20+30 Lpm H2, B20+40 Lpm H2 compared to B20 fuel.