» BÖLÜM – 5. BENZİNLİ ARAÇLARIN LPG DÖNÜŞÜMÜ YAPILMIŞ HALLERİ İLE MUKAYESE EDİLMESİ

5.1. Karbüratörlü Araçlarda Mukayesenin Yapılması

1600 cm³, 4 silindirli, 4 zamanlı karbüratörlü Ford 2264E model motorun önce LPG ile çalışacak şekilde dönüşümü yapılmıştır. Daha sonra Tofaş 131 Serisi otomobillerde kullanılan üç yollu katalitik konvertör eg­zoz sistemine monte edilmiştir. 6^o ateşleme avansı değerinde LPG'nin ve katalitik konvertörün motor per­formansı ve egzoz emisyonlarına olan etkisi incelenmiştir. Sonuçlar kurşunsuz benzinle yapılan deneyle­rin sonuçları ile karşılaştırmıştır. Motor performans parametreleri; motor torku, mil gücü, mil özgül yakıt tüketiminin değişimleri grafikler şeklinde verilmiştir. LPG ile yapılan deneylerde, motor mil veriminin daha yüksek olduğu görülmüştür. Bunun nedeni LPG'nin alt ısıl değerinin daha yüksek olmasıdır. LPG gaz ya­kıt olduğu için, volumetrik verim daha düşük olduğundan motorun maksimum gücü LPG ile çalışmada bir miktar daha düşüktür. Egzoz emisyonlar; (hidrokarbon, karbonmonoksit ve azotoksit) ve hava fazlalık kat­sayısı ölçümleri motor devri 40 dev/s sabit tutularak, sıfır yükten tam yüke kadar %20'lik artışlarla artırıla­rak ölçülmüştür. Egzoz emisyonlarından karbon monoksit, hidrokarbon ve azotoksit emisyonlarının deği­şimleri de grafiklerle verilmiştir. LPG gaz yakıt olduğu için silindirde yanma iyileşmekte bunun sonucunda karbonmonoksit emisyonları azalmaktadır. Hidrokarbon emisyonları ise yüksüz durumdan tam yüke doğ­ru önce azalmakta sonra artmakta ve tekrar azaldıktan sonra artarak tam yükte maksimum değerine ulaş­maktadır. LPG'nin alt ısıl değeri kurşunsuz benzininkinden daha yüksek olduğundan silindir içerisindeki yanma sıcaklığı artmakta, azotoksit emisyon oluşumunda bir miktar artma görülmektedir. Katalitik konver­törün dönüştürme verimi de incelenmiş ve sonuçlar grafikler şeklinde sunulmuştur.

Hava kirliliğinin önemli ölçüde etkili olduğu büyük şehirlerde hava kalitesinin korunabilmesi için taşıtların egzozlarından mümkün mertebe daha az zararlı egzoz emisyonlarının yayılması gerekmektedir. Bunu sağlayabilmek için LPG gibi alternatif yakıtların kullanımı ve katalitik konvertör uygulaması gibi art işlem­lere gereksinim duyulmaktadır. Karbüratörlü motorlara sahip taşıtların yoğun olduğu ülkemizde ikisinin bir arada kullanılarak motor performansının ve egzoz emisyonlarının nasıl değiştiği incelenmiştir. /1/

5.1.1. Deney Düzeneği

Deneyler, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Motorlar Laboratuvarında yapılmıştır. Deney düzeneği Ford marka 2264E model karbüratörlü bir motor, Froude marka hidrolik dinamometre, Lovato marka LPG dönüşüm kiti, Tofaş marka üç yollu katalitik konvertör, egzoz gazı analiz cihazlarından oluş­maktadır. Deney seti şematik olarak Şekil 1' de gösterilmiştir. Deney motoru, 4 zamanlı, 4 silindirli ve mo­tor hacmi 1600 cm³'dir. Buji ateşlemen, su soğutmalı olan motor, motor test yatağında bulunan eşanjörler ile soğutulmaktadır. Motorun karbüratöründe LPG ile çalışmasını sağlayacak dönüşüm yapılmıştır. Hidro­lik dinamometre bir kaplın ile motora bağlanmıştır. Benzin yakıt tüketiminin ölçülmesinde 50 ve 100 cc ha­cimli iki haznesi bulunan bir cam pipet kabı ve yakıtın bu kaptaki akış süresini ölçmek için 1/100 hassasi-yetli kronometre kullanılmıştır. LPG yakıt tankı olarak Türk standartlarına uygun 2,5 kg'lık tüpler kullanıl­mıştır. Motorun tükettiği LPG miktarını ölçmek için Setra marka 12000L model 1/10 g hassasiyetinde öl­çüm yapabilen dijital terazi kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan Tofaş marka katalitik konvertör aktif mad­de olarak palladyum ve rodyum içermektedir. Katalitik konvertörün kanal yoğunluğu 400 kanal/inç²'dir. Sun marka MGA1200 model gaz analiz cihazı ile CO, HC gazları ve I ölçümleri, ETS marka Enerak 80 model gaz analiz cihazı ile de NOx ölçümleri yapılmıştır. /1/

                

1.Motor                                                    6. Dijital terazi                  11.Benzin selenoid valfi

2.Hidrolik dinamometre                         7. LPG tüpü                      12. Benzin deposu

3.Motor soğutma eşanjörü                   8. LPG selenoid valfi        13. Katalitik konvertör

4.Soğutma kulesi                                    9. Buharlaştırıcı                 14. Nox ölçüm analizörü

5.Yağ soğutma eşanörü                    10. Yakıt seçme anahtarı     15. Gaz analizörü                                                                                               

Şekil – 5.1. Deney Seti /1/

5.1.2. Deney Yöntemi ve Ölçümler

Deneyler sırasında, öncelikle motorun benzinle çalışması durumundaki performansı belirlenmiştir. Tam açık gaz kelebeği konumunda motorun devir sayısı 20 ile 64 dev/sn arasında değiştirilerek, hidrolik dina­mometrenin terazisinde bunlara karşılık gelen kuvvetler okunmuştur. Bu değerler yardımıyla motor torku, mil gücü, mil verimi ve mil özgül yakıt tüketimi (BÖYT) hesaplanmıştır. Motor performansının benzin kul­lanılarak belirlenmesinden sonra, motor LPG ile çalıştırılarak deneyler yapılmıştır. LPG karıştırıcısı olarak karışık sistem olarak bilinen karıştırıcı kullanılmıştır. Bu sistem karbüratörün ventürisine delik delinmesi ile yapılmıştır. Emisyon deneylerinde motorun emisyon davranışı ile ilgili testlerde motor 40 d/sn sabit hızda tutularak, %100, %80, %60, %40, %20 ve %0 motor yüklerinde egzoz emisyonları ölçülmüştür. Gaz ana-lizörleri yardımıyla hava fazlalık katsayısı (I), zararlı egzoz emisyonlarını oluşturan hidrokarbon (HC), kar-bonmonoksit (CO) ve azotoksit (NOx) emisyonları ölçülmüştür. /1/

5.1.3. Deneysel Sonuçlar

5.1.3.1. Performans Deneyleri

6° ateşleme avansı değerinde yapılan deneylerde elde edilen deney sonuçları aşağıda verilmiştir. Şekil 2'de kurşunsuz benzin ve LPG ile çalışmada elde edilen motor torku grafiği verilmektedir. Katalitik konver-törün egzoz sistemine monte edilmesinden sonra yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar gösterilirken (TWC =Three Way Catalytic Converter) ile gösterilmiştir. /1/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Şekil - 5.2.  6⁰ ateşleme avansında kurşunsuz benzin ve LPG kullanıldığında motor torkunun değişimi ve katalitik konvertörün etkisi /1/

Şekil – 5.2.'de üç yollu katalitik konvertör takıldıktan sonra yapılan deneylerden elde edilen tork değerleri de bu grafikte sunulmaktadır. Katalitik konvertör bir direnç oluşturduğu ve motorun egzoz basıncı arttığı için; katalitik konvertör takıldıktan sonra motor torkunda ortalam %6 civarında bir azalma olmaktadır.

Şekil – 5.3. 6⁰ ateşleme avansında kurşunsuz benzin ve LPG kullanıldığında mil gücünün değişimi ve katalitik konvertörün etkisi /1/

Şekil – 5.3.'de ise motorun kurşunsuz benzin ve LPG ile çalıştırılmasında ve katalitik konvertör takıldıktan son­raki mil gücü değerleri verilmektedir. Gerek benzinle gerekse LPG ile çalışmada katalitik konvertör takıl­dıktan sonra %5'lik bir azalma olmaktadır.

Şekil – 5.4. 6⁰ ateşleme avansında kurşunsuz benzin ve LPG kullanıldığında mil özgül yakıt tüketiminin motor hızıyla değişimi ve katalitik konvertörün etkisi /1/

Özgül yakıt tüketimi grafiği incelendiğinde katalitik konvertör egzoz sistemine takıldıktan sonra mil özgül yakıt tüketiminde artış olmaktadır. LPG'nin ısıl değerinin kurşunsuz benzinden daha yüksek olmasından dolayı birim güç başına tüüketilen yakıt miktarı daha az olmaktadır. Burada katalitik konvertörün motora ilave bir direnç getirdiği ve yakıt sarfiyatında artışa neden olduğu açıkça görülmektedir. Yakıt sarfiyatında kurşunsuz benzin ile çalışırken ortalama %5 civarında, LPG ile çalışırken yüksek devirlerde %10 civarına kadar artış olmaktadır. /1/

Şekil – 5.5. Farklı ateşleme avansı değerlerinde kurşunsuz benzin ile çalışmada mil veriminin devir sayısı ile değişimi /1/

 

Şekil – 5.6. Farklı ateşleme avansı değerlerinde LPG ile çalışmada mil veriminin devir sayısı ile değişimi /1/

Mil verimi grafikleri incelendiğinde LPG ile çalışmada mil veriminin kurşunsuz benzinle çalışmaya nazaran daha yüksek olduğu görülmektedir. LPG'nin alt ısıl değerinin benzinden yüksek olması nedeniyle mil veri­mi daha yüksek çıkmaktadır. LPG için maksimum verimin daha yüksek ateşleme avanslarında (8°-10°) el­de edildiği görülmektedir. Özgül yakıt tüketimi, mil verimi ile ters orantılı olduğu için, LPG kullanımında öz­gül yakıt tüketimi daha düşük olmaktadır. /1/

5.1.3.2. Emisyon Deneyleri

40 dev/s sabit motor hızında motor yükünün değiştirilerek yapılan deneylerin sonuçları aşağıda verilmiş­tir. Bu deneyler yapılırken ölçümler katalitik konvertörün öncesinde ve sonrasında alınmıştır. Bu ölçülen değerlere göre aşağıdaki emisyon grafikleri oluşturulmuştur. Grafiklerde katalitik konvertör öncesinde alı­nan ölçüm değerleri için BTWC , sonrasında alınan ölçüm değer­leri için ATWC ekleri kullanılmıştır. /1/

 

Şekil - 5.7. Katalitik Konvertör öncesinde ve sonrasında egzost gazındaki CO emisyonu konsantrasyonu  /1/

Yukarıdaki grafik incelendiğinde LPG'nin daha az CO emisyonu ürettiği görülmektedir. Kurşunsuz benzin ile çalışmada karbüratörün çalışması gereği motor yüksüz konumda iken zengin karışımla çalışmaktadır.

Motor yükü arttıkça yakıt hava karışımı fakirleşmekte ve CO emisyonu konsantrasyonu azalma göster­mektedir. Katalitik konvertör sonrasında ise CO emisyonu konsantrasyonu yüksüz konumda sıfıra yaklaş­makta, ara yüklerde (%20, %40, %60, %80) sıfır olmakta ancak tam yükte karışım aşırı zengin olduğu ve yeterli oksijen bulunmadığığ için CO emisyonu dönüşümü düşük olmaktadır. LPG ile çalışmada ise düşük olan CO emsiyonu konsantrasyonu sıfır olmaktadır. Katalitik konvertörde CO emisyonunun tamamı CO₂'ye dönüştürülmektedir.

Şekil – 5.8. Katalitik konvertör öncesinde ve sonrasında egzoz gazındaki HC emisyonu konsantrasyonu /1/

Egzoz içerisinde bulunan yanmamış hidrokarbonların konsantrasyonları ile ilgili yukarıdaki grafik incelen­diğinde kurşunsuz benzin ile çalışmada HC emisyonu konsantrasyonu karbüratörün çalışma prensibine bağlı olarak orta yüklerde azalmakta sonra tekrar artmaktadır. LPG ile çalışmada ise HC emisyonu kon­santrasyonu yüksüz konumda yük arttıkça artmakta daha sonra azalmakta ve tekrar artmaktadır. Katalitik konvertör sonrasında ise kurşunsuz benzinle çalışmada %80 yüke kadar HC emisyonu konsantrasyonu sıfır olarak elde edilmekte, bu yükten sonra ise karışım zengin olduğu için artmaktadır. LPG ile çalışmada ortaya çıkan HC emisyonu yüksüz konumdan %80 yüke doğru azalmakta sonra tekrar artmaktadır. /1/

 

 

Şekil – 5.9. 6° ateşleme avansında katalitik konvertör öncesinde ve sonrasında egzost gazındaki  NO_X  emisyonu konsantrasyonu /1/

NOx oluşumunda yakma havasının içinde bulunan azotun etkisi vardır. Azotoksit yakıtın silindirlerde yan­ması sonucunda sıcaklık ve basıncın etkisiyle azotun oksijenle reaksiyona girmesi sonucunda oluşur. Şe­kil – 5.9.'da LPG ile çalışma sonunda ortaya çıkan NOx emisyonu konsantrasyonunun daha yüksek olduğu gö­rülmektedir. LPG'nin ısıl değerinin yüksek olması nedeniyle silindir içindeki sıcaklık artmakta ve NOx kon­santrasyonu artmaktadır. Katalitik konvertör sonrasında ise NOx emisyonu konsantrasyonunun CO ve HC gibi etkili şekilde azaltılamadığı görülmektedir. Bunun sebebi ise karbüratörlü bir motorun egzoz sistemine üç yollu katalitik konvertörün doğrudan bağlanmasıdır. Yakıt hava karışımının stokiometrik oranda tutula­maması sonucunda bu durum ortaya çıkmaktadır. Kapalı devre katalitik konvertör sistemlerinde ise NOx ortalama %80 verimle dönüştürülerek azaltabilmektedir. /1/

Şekil – 5.10. 6⁰ ateşleme avansında kurşunsuz benzinle çalışmada katalitik konvertörün motor yüküne bağlı olarak kirletici emisyonları dönüştürme grafiği/1/

Şekil – 5.10.'daki grafik incelendiğinde katalitik konvertörün hava kirletici emisyonlardan CO ve HC emisyonla­rını özellikle orta yüklerde etkili bir şekilde dönüştürdüğü görülmektedir. NOx emisyonlarında ise hava faz­lalık katsayısının , 1 civarında tutulamadığı için katalitik konvertörle, etkin bir dönüştürme yapılamamak­tadır.

Şekil – 5.11. 6⁰ ateşleme avansında LPG ile çalışmada katalitik konvertörün motor yüküne bağlı olarak kirletici emisyonları dönüştürme grafiği /1/

 

 

Motorun yakıt olarak LPG kullanılarak çalıştırılması durumunda katalitik konvertörün dönüştürme verimi yukarıda verilmektedir. CO emisyonu konsantrasyonu tamamen dönüştürülürken, HC emisyonu konsant­rasyonu %50'den daha fazla bir verimle dönüştürülmekte, fakat NO_x emisyonu ise önemli oranlarda dönüştürülememektedir. /1/

5.1.4. Deneylerin Değerlendirilmesi

Deneylerin sonucunda motor performansı açısından incelendiğinde iyi ayarlanmış bir karışımla LPG ile ça­lışmada kurşunsuz benzinle elde edilen performansa yaklaşılmaktadır. Motor torku, mil gücü grafiklerinde bu görülmektedir. LPG'nin alt ısıl değerinin yüksek olmasından dolayı mil verimi daha yüksek, özgül yakıt tüketimi ise daha az seviyededir. Katalitik konvertör ise motor üzerine ilave yük getirdiği için performansı azaltıcı etki göstermektedir. Egzoz emisyonları incelendiğinde LPG'nin silindirler içerisinde daha homojen karışım olarak girmesi nedeniyle daha verimli yanma olmakta ve CO, HC emisyonları kurşunsuz benzine göre daha az olmakta; alt ısıl değerinin yüksek olması nedeniylede NOx emisyonu konsantrasyonu art­maktadır. Katalitik konvertör uygulaması sonucunda CO ve HC emisyonlarının dönüşümü tatmin edici iken, NOx emisyonunun dönüşümü verimli olmamaktadır. Üç yollu katalitik konvertör elektronik kontrol üni­tesi olmadan tek başına çalıştığından dolayı oksidasyon katalizörü gibi çalışmaktadır. /1/

5.2. Enjeksiyonlu Araçlarda Mukayesenin Yapılması

BP Oil Co. Ltd‘de LPG kullanan taşıtların performans ölçümü ile ilgili denemeler yapılmıştır.

Yapılan denemelerde kullanılan yakıtlar; benzin, doğal gaz, LPG ve dizeldir. Denemeler suresince kullanılan benzin püskürtmeli taşıtlar ise; Honda Civic 1.6 Esi, Lancia Thema 2.0i 16v, Opel Vectra 1.6i, Volvo 850 GLT, VW Transporter 2.0i’dir.

Bu taşıtlarda kullanılan yakıtlar sonucunda ölçülen değerler ise, CO, HC, NO_x, NO₂, CO₂, polinükleer aromatik hidrokarbonlar ve aldehit miktarlarıdır.

Deney sonuçlarının eldesinde beş değişik test sürüş metodu kullanılmıştır. Bu  metotlar ;

Soğuk iklimli Avrupa ülkelerinde çalışma koşulları, ılık iklimli Avrupa ülkelerinde çalışma koşulları, US75 standartlarındaki çalışma koşulları, gerçek şehir içi çalışma koşulları ve gerçek sıkışık şehir içi trafik çalışma koşulları , şeklindedir.

5.2.1. Deney Sonuçları

1⁰) CO emisyon değerleri (g/km)

CO, yakıt içindeki karbon ve havada bulunan oksijenin kombinasyonu ile meydana gelir. C₆H₁₄ konsantrasyonu öncelikli olarak hava ve yakıt oranına bağlıdır. Oldukça toksitlidir, çünkü kandaki hemoglobin ile kolaylıkla birleşerek karboksi- hemoglobin oluşturur. Eğer, kandaki karboksihemoglobin konsantrasyonu %50’ ye ulaşırsa, oksijen asimilasyonu bozulur ve boğulma yolu ile ölüme neden olur.

Avrupa ülkelerinde belirtilen standartlarda, emisyondaki CO için limit değer 2,72 g/km ile 2,2 g/km arasındadır.

Değişik yakıtlarla yapılan deneyler  sonucunda elde edilen CO  emisyon değerleri Şekil – 5.12.’ de verilmiştir.

Şekil – 5.12. CO emisyon değerleri

2⁰) HC emisyon değerleri (g/km)

Yakıtın yakıldığı bölümde ateşin yetişemediği ve yanmamış yakıt partiküllerinden oluşur. Yüksek miktarda solunum sistemine tahriş etkisi vardır. Kanseronejik oldukları düşünülmektedir.

Değişik yakıtlarla yapılan deneyler sonucunda elde edilen HC emisyon değerleri Şekil – 5.13.’ da verilmiştir.

Şekil – 5.13. HC emisyon değerleri

3⁰) NO_x emisyon değerleri (g/km)

Nitrojenoksit (NO) veya nitrojendioksit (NO₂) olabilirler. Yanma süresinde oksijen ve nitrojenin kombinasyonundan oluşur.Konsantrasyonlarını,  yanma süresinde  ulaşılan ısı ve kullanılan karışımın oksijen miktarı belirler. Her ikiside kanda toksittir.Değişik yakıtlarla yapılan deneyler sonucunda elde edilen NO_x emisyon değerleri Şekil – 5.14.’ da verilmiştir.

Şekil – 5.14. NO_x emisyon değerleri

4⁰) Partikül emisyon değerleri (g/km)

Değişik yakıtlarla yapılan deneyler sonucunda elde edilen partikül emisyon değerleri Şekil – 5.15.’de verilmiştir.

Şekil – 5.15. Partikül emisyon değerleri

5⁰) Polinükleer aromatik hidrokarbon emisyon değerleri (g/km)

Değişik   yakıtlarla   yapılan   deneyler   sonucunda   elde   edilen   polinükleer aromatik hidrokarbon emisyon değerleri Şekil – 5.16.’ da verilmiştir.

 

Şekil – 5.16. Polinükleer aromatik hidrokaron emisyon değerleri

6⁰) Formaldehit emisyon değerleri (mg/km)

Değişik   yakıtlarla   yapılan   deneyler   sonucunda   elde   edilen   formaldehit emisyon değerleri Şekil – 5.17.’ de verilmiştir.

Şekil – 5.17. Formaldehit emisyon değerleri

 

7⁰) Benzen, toluen ve xylene emisyon değerleri (BTX) (mg/km)

Değişik yakıtlarla yapılan deneyler sonucunda elde edilen BTX emisyon değerleri Şekil – 5.18.’ de verilmiştir.