Üretilen farklı yakıt katkılarıyla bir dizel motorunun yanma, performans ve emisyon karakteristiklerinin iyileştirilmesinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the improvement of combustion, performance and emission characteristics of a diesel engine by using produced different fuel additives
Yazar: ABDÜLVAHAP ÇAKMAK
Danışman: PROF. DR. HAKAN ÖZCAN
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dizel motorlar = Diesel engines ; Dizel yakıtlar = Diesel fuels ; Kömür yanması = Coal combustion ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Bu tez çalışmasında gliserin eterleri, kömür nanoparçacıkları ve bor oksit nanoparçacıklarının dizel yakıt katkısı olarak kullanımı araştırılmıştır. Bu çerçevede gliserinden kimyasal yöntemle gliserin eterleri sentezlenmiş ve spektroskopik teknikler ile karakterizasyonu yapılmıştır. Sentezlenen gliserin eterleri dizel-biyodizel yakıt karışımı ile %2 ve %5 hacimsel oranda harmanlanmış ve bazı önemli yakıt özelikleri belirlenmiştir. Gliserin eterlerinin motor performansı, egzoz emisyonları ve yanma karakteristiklerine etkileri farklı sıkıştırma oranları ve püskürtme avanslarında gerçekleştirilen kapsamlı motor testleri ile araştırılmıştır. Mevcut metalik nanoyakıt katkılarına alternatif olma potansiyeline sahip kömür nanoparçacıkları bilyeli değirmende yaş ortamda öğütme yöntemi ile üretilerek taramalı elektron mikroskobu ve partikül boyutu ölçüm cihazı ile karakterizasyonu yapılmıştır. Kömür nanoparçacıkları ultrasonik yöntemle dizel ve dizel-biyodizel yakıt karışımına (B20) 100 ppm, 200 ppm ve 300 ppm oranında eklenerek nanoyakıtlar hazırlanmıştır. Kömür nanoparçacık içeren nanoyakıtın kararlılık testleri gerçekleştirildikten sonra önemli yakıt özellikleri belirlenmiş ve ardından motor performans ve emisyon testleri yapılmıştır. Bor oksit (B2O3) nano parçacıkları dizel-biyodizel karışımı (B20) ile 50 ppm, 100 ppm ve 200 ppm konsantrasyonunda harmanlanmıştır. Hazırlanan nanoyakıtların yakıt özellikleri ölçülmüş ve standart motor ayarlarında motor testleri gerçekleştirilmiştir.
Yakıt özellikleri, motor performansı ve egzoz emisyonları açısından değerlendirildiğinde gliserin eterlerinin %2 oranında kullanılabileceği belirlenmiştir. Bu orandaki gliserin eterleri, motor performansını kötüleştirmeden ortalama NOX ve is emisyonlarını eş zamanlı olarak sırasıyla %34,96 ve %15,79 oranında azaltmıştır. Kömür nanoparçacıkları dizel yakıtına 300 ppm oranında eklenmesi halinde motor performansının artığı ve is emisyonu hariç egzoz emisyonlarının azaldığı tespit edilmiştir. Elde edilen tüm bulgular kömür nanoparçacıklarının dizel yakıtı için nanoyakıt katkısı olarak kullanılma potansiyelinin yüksek olduğunu ortaya koymuştur. Bor oksit nanoparçacıklarının motor performansı açısından 100 ppm oranında kullanılması gerektiği belirlenmiş ancak bor oksit nanoparçacıklarının yüksek fiyatı nedeniyle birim efektif güç için hesaplanan maliyet %123 oranına kadar artmıştır. Bu nedenle bor oksit nanoparçacıklarının yakıt katkısı olarak kullanımının ekonomik olmayacağı değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this thesis, the usability of glycerin ethers, coal nanoparticles, and boron oxide nanoparticles as diesel fuel additives were investigated. For this, glycerin ethers were synthesized from glycerin by the chemical route and characterized by various spectroscopic techniques. The produces glycerol ethers were blended with a diesel-biodiesel fuel mixture at the rate of 2% and 5% (by volume) and then some important fuel properties of fuel blends were determined. The effects of glycerin ethers on engine performance, exhaust emissions, and combustion characteristics were investigated by extensive engine tests performed at different compression ratios and fuel injection timings. Coal nanoparticles, which have the potential to be an alternative to existing metallic nano-fuel additives, were produced by the wet grinding process in a ball milling machine and were characterized by scanning electron microscope and particle sizer analyzer. Coal nanoparticles were doped with diesel and a diesel-biodiesel blend (B20) in the concentration of 100 ppm, 200 ppm, and 300 ppm using the ultrasonication technique. Once performing the stability tests of the nano-fuel containing coal nanoparticles, the important fuel properties were measured and then engine performance and emission tests were carried out. Boron oxide (B2O3) nanoparticles were dispersed in the diesel-biodiesel mixture (B20) at concentrations of 50 ppm, 100 ppm, and 200 ppm. The fuel properties of the prepared nano-fuels were measured and engine tests were conducted at standard engine settings.
It is determined that glycerol ethers can be blended by 2% with a diesel-biodiesel mixture when an evaluation in terms of fuel properties, engine performance, and emissions is made. 2% glycerin ethers reduced the average NOX and soot emissions by 34.96% and 15.79% simultaneously, respectively, without deteriorating the engine performance. It was determined that incorporation of coal nanoparticles into diesel fuel at 300 ppm concentration led to an increase in engine performance and a significant reduction in exhaust emissions except for soot emission. All the findings obtained indicated that coal nanoparticles have a high potential for utilization as a nano fuel additive to diesel fuel. It was observed that boron oxide nanoparticles can be used at a concentration of 100 ppm regarding improvement in engine performance, but because of the high price of boron oxide nanoparticles, the cost per unit of effective power increased up to 123%. For this reason, it was concluded that