Tek duvarlı karbon nanotüp ile emülsifiye edilmiş dizel yakıtı tutuşma gecikmesinin yanma ve dizel makinesi verimleri üzerine olan etkisinin değerlendirilmesi

Dizel motorlar tarafından yakılan hidrokarbon tabanlı sıvı yakıtların mekanik güç ihtiyacının karşılanmasındaki önemi maliyet, güç ve çevre sorunları nedeniyle güncelliğini korumaktadır. Bilimsel yayınlar bio-yakıtlara eklenen mikro katalizörlerin yanma verimini yaklaşık %10 artırdığını ve atmosfere salınan yanma ürünlerinin miktar ve kalitesinde olumlu sonuçlar elde edildiğini belirtiyor. Diğer taraftan gelişen teknoloji nano malzemenin bu alandaki üretim, denetim ve kullanımına ışık tutuyor. Sunulan çalışma da, devam eden bu gayretlerden biridir. Ateşleme gecikmesi (ID), dizel motorlarda yanma aşamasının başlangıcı olup, yanma ve motor verimliliğini etkileyen geri dönüşü olmayan zincir olayları içeren çok işlevli bir polinomdur. Bu polinomu oluşturan fonksiyonlarda yer alan olay, faktör ve parametreler yakıtın yanma kalitesini iyileştirmek için üzerinde çalışılan önemli konulardır. Bu çalışma birbirini tamamlayan iki ardışık bölümde yapıldı. Birinci bölümde tutuşma gecikmesinin gelişiminde baskın rolü olduğu düşünülen makine geometrisi, yakıt/hava ilişkisi ve silindir içi dinamikleri gerekli düzeyde incelendi. Bu çalışmada sırasıyla Moleküler-parçacık balistik çarpışma yoğunluğu, Van der Waals bağlarının bozulması, fonon yayılımı, silindir içi sıcaklık artışı ve aktivasyon enerjisi tutuşma gecikmesini oluşturan etkili olaylar olarak kabul edildi. 2. bölüm, taban yakıt içine farklı miktarda SWCNT ve MWCNT ilave ederek elde edilen test yakıtlarının uzayan tutuşma gecikmesinden etkilenen ısı yayılımı, indike güç, tork, fren gücü, yakıt tüketimi, makine verimi ve yanma verimiyle ilgili sayısal hesaplama ve analizleri içermektedir. Yakıt molekülleri ile demetlenmiş karbon nanotüplerin tutuşma gecikmesinin, kimyasal kinetiğin ön plana çıktığı kendiliğinden yanma aşamasında enjekte edilen yakıt damlacıklarının kinetik enerjisine ve momentumuna katkı sağlayacağı ve girdaplı ortama daha hızlı ve kolay nüfuz ederek molekül ve tanecikler arası balistik çarpışma yoğunluğunu artıracağı düşünülmüştür. Bu varsayım ile taban yakıt olarak seçilen DMA-ISO8217'ye eklenecek karbon nanotüp taneciklerinin tutuşma gecikmesini uzatarak yanma verimini artırabileceği düşünülmüştür. Tutuşma gecikmesi ve yanma verimliliğindeki olası gelişmeyi belirlemek için, henüz kesin ölçüm yöntemleri tamamlanmasa da, katkı maddesi olarak diğer malzemelere göre yüksek ısıl iletkenliğe ve ısı yayma özelliklerine sahip tek ve çok duvarlı karbon nanotüpler seçilmiştir. Taban yakıt olarak kabul edilen DMA-ISO8217 hassas olarak tartılan 4 litrelik şişeler halinde TÜPRAŞ' tan temin edildi. Tek ve çok duvarlı karbon nanotüpler %95 saflıkta sırasıyla 1g ve 2g olarak NANOGRAFİ firması tarafından kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi ile üretildi. Bu üretimde tek duvarlı karbon nanotüpün fiziki özellikleri sertifikasında belirtildi. Ancak, grafen tabakaların karmaşıklığı, ölçüm tekniği ve yöntem eksikliği nedeniyle çok duvarlı karbon nanotüplerin fiziki boyutları ölçülemedi. Ağırlığı hassas olarak ölçülen 4 adet 4 litrelik taban yakıt içine, ağırlıkları Piri Reis Üniversitesi Fizik Laboratuvarında 0,001 hassasiyette ölçülen, farklı ağırlıkta iki adet tek ve iki adet çok duvarlı karbon nano tüp ilave edildi. Elde edilen örnekler bir saat süreyle 25000 devir/dakika süratte karıştırıldı. Elde edilen test yakıtlarının özellikleri tekrar TÜPRAŞ Laboratuvarlarında sertifikalı olarak belirlendi. Test yakıtlarıyla yapılan ölçümler Yıldız Teknik Üniversitesi Otomasyon Laboratuvarında bulunan su soğutmalı, tabii hava emişli, doğrudan enjeksiyonlu, tek silindirli, yüksek devirli 3LD510 Lombardini Dizel motoru ve yük jeneratöründen oluşan düzenekte aynı yöntem ve şartlar altında gerçekleştirildi. Motor sürati, silindir-içi basınç, tork, yakıt ve hava tüketim değerleri mevcut sensörler vasıtasıyla ölçüldü. Ölçümler her test yakıtı için tam yükte, 1300-3000 RPM aralığında beş kez tekrarlandı. Ölçülen değerler AVL programı veri tabanına kaydedildi. Isı salınım miktarı, indike güç, fren-gücü, mekanik ve termal verim değerleri deneysel ölçümlerden elde edilen veriler kullanılarak sayısal olarak hesaplandı. Her test-yakıtının fiziki ve kimyasal tutuşma gecikmesi aşamasında yer alan enjeksiyon, spontane yanma ve otomatik yanmanın başladığı krank açıları ölçüm grafiklerinden belirlenerek taban yakıtla olan fark ve sapmalar belirlendi. Farklı miktarlarda SWCNT ve MWCNT içeren test yakıtlarının uzatılmış ateşleme gecikmesinin indike-güç (Pi), ısı salınımı (Q), tork (τ), yakıt tüketimi (foc), fren gücü (Pb), mekanik verimlilik ( ηmec) ve ısıl verimliliği (ηth) ikili ilişkilerle analiz edildi. Deneylerde, farklı miktarlarda SWCNT ve MWCNT içeren ve motor hızına bağlı olarak tüm test yakıtlarının tutuşma gecikmesi taban yakıt DMA-ISO8217'ye göre 0,5-1,5 derece ötelenerek uzamıştır. Her sürat kademesinde tüketilen SWCNT ve MWCNT katkılı test-yakıtı miktarı ve buna karşılık elde edilen tork dikkate alınarak hesaplanan fren-gücü göreceli olarak taban yakıt DMA-ISO8217' den yüksek olmuş, termal verim %4-6 artmıştır