Biyodizel kullanılan bir dizel motorda termoelektrik jeneratör uygulanması ve performans karakteristiklerinin incelenmesi

Abstract

Termoelektrik sistemlerle atık ısıl enerjinin geri kazanımı ve içten yanmalı motorların performans ile yanma karakteristiklerinin iyileştirilmesi, araştırmacıların üzerinde durduğu önemli konulardandır. Bu çalışmanın amacı; biyodizel kullanılan içten yanmalı bir dizel motorda termoelektrik jeneratör kullanılarak elektrik enerjisi elde edilmesi ve performans karakteristiklerinin deneysel incelenmesidir. Çalışmada bitkisel kaynaklı biyodizel yakıt, beş farklı hacimsel (%0, %10, %20, %50 ve %100) oranda dizel yakıtla harmanlanarak test yakıtları elde edilmiştir. Motor deneyleri tek silindirli, 1,12 litre silindir hacmine sahip, common rail enjeksiyon sistemli, ön püskürtmeli bir dizel motorda yapılmıştır. Çalışmada, beş farklı yakıt (B0, B10, B20, B50 ve B100) için üç farklı motor hızında (1000 d/ d, 1250 d/ d ve 1500 d/ d), dört farklı motor yükünde (%25, %50, %75 ve %100), alternatör kullanılarak ve alternatör devre dışı bırakıldığı ortamda 360 adet deney gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerde termoelektrik sistemden elde edilen elektrik enerjisi, motor performansı, yanma karakteristikleri, egzoz emisyonları karşılaştırılmıştır. Motor devrinin artmasıyla özgül yakıt tüketimi ve hidrokarbon emisyonlarının düştüğü buna karşılık efektif verim, silindir içi basınç, egzoz gazı sıcaklığı, termoelektrik güç ile karbonmonoksit, karbondioksit ve azot oksit emisyonlarının arttığı görülmüştür. Motor yükünün artmasıyla özgül yakıt tüketimi ve karbonmonoksit emisyonlarının düştüğü, ancak efektif verim, egzoz gazı sıcaklığı, termoelektrik güç, silindir içi basıncı, hidrokarbon, karbondioksit ve azot oksit emisyonlarının arttığı tespit edilmiştir. Biyodizel oranı artışında ise efektif verim, egzoz gazı sıcaklığı, silindir içi basınç ile karbonmonoksit ve hidrokarbon emisyonlarında düşüş görülürken, özgül yakıt tüketimi, termoelektrik güç, karbondioksit ve azot oksit emisyonlarında artış görülmüştür. Deneyde altı adet modülden oluşan termoelektrik sistemde en yüksek sıcaklık farkı, 1500 d/ d'da, %100 motor yükünde ve dizel yakıtında elde edilmiştir. Üretilen en yüksek elektrik enerjisi 4,98 Watt’tır. Çalışmada sekizgen bir egzoza seri bağlanmış 126 modülden oluşan yeni bir egzoz tasarımı önerilmiştir. Çalışmada oluşturulan çok kriterli karar modeliyle, 180 farklı çalışma şartı arasından en uygun yakıtın standart püskürtme avansında, %25 motor yükünde ve 1500 d/ d motor devrindeki %20 biyodizel karışımlı yakıt olduğu tespit edilmiştir.

Recovery of waste thermal energy through thermoelectric systems and the enhancement of performance and combustion characteristics in internal combustion engines are key research areas. The aim of this study is to experimentally investigate the generation of electrical energy using a thermoelectric generator and the performance characteristics of a biodiesel-fueled internal combustion diesel engine. In the study, biodiesel derived from vegetable sources was blended with diesel fuel at five different volumetric ratios (0%, 10%, 20%, 50%, and 100%) to produce test fuels. Engine experiments were conducted on a single-cylinder diesel engine with a 1.12-liter cylinder capacity, equipped with a common rail injection system and pilot injection. A total of 360 experiments were carried out using five different fuels (B0, B10, B20, B50, and B100) at three engine speeds (1000 rpm, 1250 rpm, and 1500 rpm), four engine load levels (25%, 50%, 75%, and 100%), and with or without an alternator in operation. During these experiments, the electrical energy generated by the thermoelectric system, engine performance, combustion characteristics, and exhaust emissions were compared. The results showed that as engine speed increased, specific fuel consumption and hydrocarbon emissions decreased, while effective efficiency, in-cylinder pressure, exhaust gas temperature, thermoelectric power, and emissions of carbon monoxide, carbon dioxide, and nitrogen oxides increased. With increasing engine load, specific fuel consumption and carbon monoxide emissions decreased, whereas effective efficiency, exhaust gas temperature, thermoelectric power, in-cylinder pressure, hydrocarbons, carbon dioxide, and nitrogen oxide emissions increased. When the biodiesel ratio increased, reductions were observed in effective efficiency, exhaust gas temperature, in-cylinder pressure, as well as carbon monoxide and hydrocarbon emissions. However, specific fuel consumption, thermoelectric power, carbon dioxide, and nitrogen oxide emissions increased. In the thermoelectric system consisting of six modules used in the experiments, the highest temperature difference was achieved at 1500 rpm, under 100% engine load, with diesel fuel. The maximum electrical energy generated was 4.98 Watt. Additionally, a new exhaust design consisting of 126 modules connected in series to an octagonal exhaust was proposed. Using a multi-criteria decision-making model, the study determined that among 180 different operating conditions, the most suitable fuel was a 20% biodiesel blend at standard injection timing, 25% engine load, and 1500 rpm.