Dizel-biyodizel yakıt karışımlarına nano parçacık (B2O3) ilavesinin motor performansına ve emisyonlara etkisinin incelenmesi, ekserji analizi ve optimizasyonu
Investigation of the effect of addition of nano particles (B2O3) to diesel-biodiesel fuel mixtures on engine performance and emissions, exergy analysis, and optimization
Yazar: GÜRŞAH GÜRÜF
Danışman: DOÇ. DR. SAMET USLU
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
İçten yanmalı motorlu araçların kullanımının artması neticesinde emisyon değerlerinin yüksek miktarlara ulaşması nedeniyle araştırmacılar fosil yakıtlara alternatif olabilecek yakıt arayışına doğru yönelmişlerdir. Sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda hali hazırda dizel yakıt kullanılmaktadır. Dizel yakıta alternatif olabilecek doğalgaz, hidrojen gibi alternatif yakıtlar motor üzerinde belli başlı modifikasyonlara ihtiyaç duymaktadır. Maliyetler ve kimyasal özellikler düşünüldüğünde dizel yakıta en iyi alternatifin biyodizel olabileceği öngörülmektedir. Biyodizel yakıtlar dizel yakıt ile karıştırılarak kullanılabileceği gibi tek başına da kullanılabilmektedir. Araştırmacılar biyodizel yakıtların motor performanslarını iyileştirmek adına son yıllarda yakıt katkı maddeleri kullanmıştır. Bunun ile birlikte biyodizel-dizel yakıt karışımlarının yakıt katkı maddeleri ile birlikte kullanımı sonucunda motor performansı ve emisyonları incelenmiş ve dizel yakıta en iyi alternatif yakıt elde edilmeye çalışılmıştır.
 
Bu çalışma kapsamında, hayvansal yağlardan elde edilen biyodizel (HYB) ve atık kızartma yağından elde edilen biyodizel (AKYB) yakıtlar 4 farklı oranda (%10, %20, %30 ve %40) dizel yakıt ile karıştırılarak 8 farklı yakıt karışımı elde edilmiştir. Elde edilen bu yakıt karışımları içerisinde en yüksek ekserji verimine ve en düşük emisyonlara sahip yakıt hesaplamalar ve ölçümler vasıtası ile bulunmuş ve bu yakıta 3 farklı miktarda (20 ppm, 40 ppm ve 60 ppm) bor oksit (B2O3) nano parçacığı ilave edilmiş ve 3 farklı yakıt karışımı elde edilmiştir. Bu çalışma kapsamında ekserji verimi yüksek ve emisyonları düşük olan optimum nano parçacık miktarı ve motor yükü yanıt yüzey yöntemi (RSM) vasıtası ile belirlenmiştir.

Deneylerden elde edilen sonuçlara göre AKYB'nin emisyon ve ekserji verimi özelinde en iyi sonuçları verdiği görülmektedir. Emisyonlar özelinde yakıt karışımı içerisindeki AKYB oranı artıkça emisyonlarda azalma meydana geldiği fakat %40 oranına gelindiğinde viskozitenin de artmasına bağlı olarak emisyonlarda artış olmaya başladığı gözlemlenmiştir. Aynı şekilde ekserji verimine bakıldığında emisyon ile ters olarak ekserji veriminin arttığı ve %40 oranına gelindiğinde azalmaya başladığı görülmektedir. D70B30 olarak isimlendirilen %30 AKYB yakıt içeren yakıt karışımı emisyonları en düşük değerlere sahipken ekserji veriminde de en yüksek değere sahip olduğu bulunmuştur. D70B30 yakıtı D100 yakıtı ile kıyaslandığında karbonmonoksit (CO) ve hidrokarbon (HC) emisyonlarını sırası ile %52 ve %41 oranında azalttığı ve karbondioksit (CO2), azot oksit (NOx) ve ekserji verimini ise sırası ile %36, %34 ve %13,87 oranında artırmıştır. 

Bu çalışmanın ikinci aşamasında D70B30 yakıtına nano parçacık ilavesi gerçekleştirilmiş ve RSM ile optimizasyon yapılmıştır. Gerçekleştirilen deneyler ve hesaplamalar kapsamında emisyonlar ve ekserji verimleri RSM ile analiz edilerek korelasyon denklemleri oluşturulmuş ve bu denklemler vasıtası ile optimum parametreler belirlenmiştir. RSM amacı olarak ise ekserji veriminin maksimum, diğer bütün emisyonların minimum olması istenmiş ve bu amaca göre optimizasyon yapılmıştır. Yapılan optimizasyon neticesinde D70B30 yakıtına 10 ppm miktarında B2O3 nano parçacığı ilavesinin 1250 W motor yükünde optimum sonuçları vereceği bulunmuştur. Sonrasında aynı şartlarda deney yapılarak optimizasyonun sonuçları doğrulanmış ve ortalama %2,30 bağıl hata ile optimizasyonun başarılı olduğu belirlenmiştir.

Bu çalışma sonucunda AKYB'nin dizel yakıt ile karıştırılarak iyi bir alternatif yakıt olabileceği ve B2O3 nano parçacığının 10 ppm miktarında eklenerek yakıt özelliklerinde iyileştirme sağlayabileceği ortaya çıkmıştır. Ayrıca birçok parametre özelinde yakıtların incelenmesi gerektiğinden dolayı RSM yönteminin uygun olduğu yapılan doğrulama deneyi ile tespit edilmiştir.

Abstract:
As a result of the increasing use of internal combustion engine vehicles, which has led to high emission levels, researchers have turned towards the search for alternative fuels to fossil fuels. Compression ignition engines currently use diesel fuel. Alternative fuels such as natural gas and hydrogen, which could replace diesel fuel, require certain modifications to the engine. Considering costs and chemical properties, biodiesel is anticipated to be the best alternative to diesel fuel. Biodiesel fuels can be used either mixed with diesel fuel or alone. In recent years, researchers have used fuel additives to improve the performance of biodiesel fuels in engines. Additionally, the use of fuel additives with biodiesel-diesel fuel blends has been studied to examine engine performance and emissions, aiming to obtain the best alternative fuel to diesel. 

Within the scope of this study, biodiesels obtained from animal fats (HFB) and waste cooking oil (WCO) were mixed with diesel fuel in 4 different proportions (%10, %20, %30, and %40) to obtain 8 different fuel blends. Among these fuel blends, the fuel with the highest exergy efficiency and the lowest emissions was determined through calculations and measurements. To this fuel, varying amounts of boron oxide (B2O3) nanoparticles were added in 3 different quantities (20 ppm, 40 ppm, and 60 ppm), resulting in 3 different fuel blends. In this study, the optimum amount of nanoparticles and engine load, which yield high exergy efficiency and low emissions, were determined using the response surface methodology (RSM).

According to the results obtained from the experiments, it is observed that WCO the best results in terms of emissions and exergy efficiency. Concerning emissions, it has been observed that as the proportion of WCO in the fuel blend increases, emissions decrease; however, when it reaches 40%, there is an increase in emissions due to the increase in viscosity. Similarly, when looking at exergy efficiency, it is observed that exergy efficiency increases inversely with emissions and starts to decrease when it reaches 40%. The fuel blend containing 30% WCO, denoted as D70B30, has been found to have the lowest emissions and the highest exergy efficiency. When compared to D100 fuel, the D70B30 blend has reduced carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) emissions by 52% and 41%, respectively, and increased carbon dioxide (CO2), nitrogen oxide (NOx), and exergy efficiency by 36%, 34%, and 13.87%, respectively.

In the second phase of this study, nanoparticle addition was performed on the D70B30 fuel blend, and optimization was carried out using the RSM. Through experiments and calculations, emissions and exergy efficiencies were analyzed with RSM to form correlation equations, and optimal parameters were determined using these equations. The objective of RSM was to maximize exergy efficiency while minimizing all other emissions, and optimization was performed accordingly.  As a result of the optimization, it was found that adding 10 ppm of B2O3 nanoparticles to the D70B30 fuel blend would yield optimum results at a 1250 W engine load. Subsequently, experiments were conducted under the same conditions to verify the results of the optimization, and it was determined that the optimization was successful with an average relative error of 2.30%.
As a result of this study, it has been revealed that blending WCO with diesel fuel can be a good alternative fuel, and the addition of B2O3 nanoparticles at a concentration of 10 ppm can improve fuel properties. Furthermore, it has been determined through validation experiments that RSM is suitable due to the need for examining fuels across various parameters.