Atık zeytinden ultrasonik yöntem ile üretilen biyodizelin bir dizel motorda performans ve yanma karakteristikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of biodiesel produced from waste olive by ultrasonic method on performance and combustion characteristics of a diesel engine
Yazar: HÜSEYİN SÖYLER
Danışman: PROF. DR. CENK SAYIN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA KEMAL BALKİ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Biyodizel = Biodiesel ; Biyoyakıtlar = Biofuels ; Dizel yakıtlar = Diesel fuels

Özet:
Bu çalışmada, doğal yollarla toprağa düşmüş ve gıda niteliği taşımayarak atık zeytin adlandırılan ürün biyodizel üretimi için hammadde kaynağı olarak kullanılmıştır. Kullanılan yağın biyodizel üretimine uygun hale getirilmesi için ön iyileştirme yapılmıştır. Bu işlemde deney sayısını azaltmak ve optimum şartları belirlemek amacıyla Taguchi deney tasarımı kullanılmıştır. Bu hammaddeden elde edilmiş serbest yağ asidi yüksek olan atık zeytin yağından ultrasonik destekli biyodizel üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen biyodizel altı farklı hacimsel oranda (%0, %20, %40, %60, %80 ve %100) harmanlanarak test yakıtları oluşturulmuştur. Motor deneyleri tek silindirli, 1,12 litre silindir hacmine sahip, common rail yüksek basınçlı enjeksiyon sistemli, ön püskürtmeli, motor yağlama ve soğutma sistemi şartlandırılmış dizel bir motorda yapılmıştır. Deneyler, motorun maksimum momentin elde edildiği 1500 d/d sabit motor hızında ve dört farklı motor yükünde (%25, %50, %75 ve %100) gerçekleştirilmiştir. Her bir yakıt, dört farklı püskürtme basıncı (-100, STD, +100 ve +200 bar) ve yine dört farklı püskürtme avansında (-2, STD, +2 ve +4 KA) test edilmiştir. Deneyler sonucunda biyodizel ve karışım yakıtlarının dizele göre performans, yanma ve egzoz emisyon analizleri yapılarak değerlendirilmiştir. Deneylerde en yüksek motor gücü değerleri, dizel yakıtı ile yapılan deneylerde elde edilmiştir. Genel olarak dizel yakıtına hacimsel olarak %40'a kadar biyodizel ilavesi motor gücünde olumlu sonuçlar vermiş, ancak karışım içerisindeki biyodizel oranının %40'ı geçmesiyle motor gücünün azaldığı, özgül yakıt tüketiminin ise arttığı görülmüştür. Karışım içerisindeki biyodizel oranının artmasıyla maksimum silindir basıncı değerinin azaldığı görülmüştür. Benzer şekilde, azot monoksit ve karbondioksit emisyonları da aynı eğilimi göstermiş ve biyodizel oranının artmasıyla azalmıştır. Isı açığa çıkışlarında ise genel olarak dizele göre biyodizel içeren yakıtlardan daha erken olduğu görülmüştür. Püskürtme avansının azaltılması motor gücünde, azot monoksit ve karbondioksit emisyonunda düşüşe sebep olurken özgül yakıt tüketimi ve hidrokarbon artışa sebep olmuştur. Püskürtme avansının motorun STD değerine göre artırılmasıyla motor gücü ve karbondioksit artarken, özgül yakıt tüketimi ve hidrokarbon azalmıştır. Püskürtme basıncının 100 bar azaltılması deney yakıtlarının tümünde motor gücünde düşüşe ve özgül yakıt tüketiminde ise artışa yol açmıştır. Ayrıca, basıncın düşürülmesi karbondioksit ve azot monoksit emisyonunu azaltırken hidrokarbon oluşumunu arttırmıştır.  Püskürtme basıncının 100 ve 200 bar artırılması durumlarında ise motor gücünde nispeten artış gözlemlenmiştir. Püskürtme basıncının artmasıyla azot monoksit ve karbondioksit emisyonlarının yükseldiği ve hidrokarbon oluşumunun ise azaldığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the product known as waste olive, which naturally falls to the ground and is not food grade, was used as a feedstock source for biodiesel production. To make the waste oil suitable for biodiesel production, esterification was carried out. The Taguchi L16 experimental design was used to reduce the number of experiments and determine the optimum conditions. Ultrasound-assisted biodiesel production was carried out from waste olive oil with a high content of free fatty acids from this feedstock. Test fuels were prepared by blending the produced biodiesel at six different volume ratios (0%, 20%, 40%, 60%, 80%, and 100%). The engine tests were conducted in a single cylinder with 1.12 liter cylinder, common rail high pressure injection system, pre-injection, conditioned engine lubrication and cooling system. The tests were conducted at a constant engine speed of 1500 rpm, at which the maximum torque of the engine was reached, and at four different engine loads (25%, 50%, 75%, and 100%). Each fuel was tested at four different injection pressures (-100, STD, +100 and +200 bar) and at four different injection feed rates (-2, STD, +2 and +4 CA). The tests evaluated the performance, combustion and exhaust emissions of biodiesel and fuel blends compared to diesel. During the trials, the highest engine performance was obtained with diesel fuel. In general, blending biodiesel with diesel fuel up to a volume fraction of 40% produced positive results in engine performance, but it was found that engine performance decreased, and specific fuel consumption increased when the biodiesel fraction in the blend exceeded 40%. It was observed that the maximum cylinder pressure value decreased with the increase of biodiesel content in the mixture. Nitrogen monoxide and carbon dioxide emissions also showed the same trend and decreased with increasing biodiesel content. On the other hand, it was found that heat release generally occurred earlier with the biodiesel-containing fuels than with diesel. Decreasing the injection timing resulted in a decrease in engine power, nitrogen monoxide and carbon dioxide emissions, while BFSC and hydrocarbon increased. Increasing the injection timing to match the STD value of the engine increased engine power and carbon dioxide, while BFSC and hydrocarbon decreased. Decreasing the injection pressure by 100 bar resulted in a decrease in engine power and an increase in BFSC for all test fuels. In addition, lowering the pressure increased hydrocarbon formation, while carbon dioxide and nitrogen monoxide emissions decreased. In the cases where the injection pressure was increased by 100 and 200 bar, a relative increase in engine performance was observed. It was determined that the nitrogen oxide and carbon dioxide emissions increased, and the hydrocarbon formation decreased with the increase of the injection pressure.