Biyodizel ve EGR Kullanılan Bir Dizel Motorunda Motor Performansını ve NO Emisyonunu Etkileyen Faktörlerin Taguchi Yöntemi ile Optimizasyonu

Abstract

Araç motorlarında petrol kökenli yakıtlara bağımlı kalındığı sürece çevre kirliliğinin tehlikeli boyutlara ulaşması yadsınamaz bir gerçektir. Ayrıca fosil yakıt kaynaklarının azalması farklı yakıt arayışlarını zorunlu hale getirmiştir. Dolayısıyla günümüzde alternatif yakıtları geliştirme çabaları ve bu yakıtların araç motorlarında kullanılması yaygınlaşmaktadır. Bunun yanı sıra egzoz emisyon standartlarındaki kısıtlayıcı yasalar gereği yenilenebilir alternatif yakıtlarla birlikte emisyon azaltıcı yöntemlerin de kullanılması gereklidir. Bu amaçla bu çalışmada, tek silindirli direkt püskürtmeli ve tam yükte çalışan bir dizel motoruna farklı oranlarda biyodizel (B10, B20 ve B50) ve egzoz gazı resirkülasyonu (EGR) (%10, %15 ve %20) uygulanarak motor performans ve NO emisyonlarındaki değişimler deneysel olarak araştırılmıştır. Deney tasarımının Taguchi optimizasyon yöntemi ile yapıldığı çalışmada L16 ortogonal dizisi kullanılmış, böylece deneyler esnasında zaman ve maliyetten tasarruf edilerek motor performansı ve NO emisyonunun optimizasyonu yapılmıştır. Motor performansı ve NO emisyonu üzerinde etkili faktörler olarak biyodizel, EGR ve devir seçilmiş ve bu faktörlerin farklı seviyeleri kullanılmıştır. Sinyal/Gürültü (S/N) analizi sonucunda motor parametreleri açısından en iyi kombinasyonlar belirlenmiştir. Daha sonra faktörlerin etki dereceleri ANOVA (varyans) analizi ile test edilmiştir. Son olarak doğrulama deneyleri yapılmış ve Taguchi optimizasyonu sonucu elde edilen iyileşmeler standart motor sonuçlarıyla karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Motor döndürme momenti ve özgül yakıt sarfiyatı (ÖYS) açısından optimum sonuçlar B20 yakıtında, EGR uygulanmadığında (EGR0) ve 1600 d/d’da elde edilmiştir. Taguchi optimizasyonu sonucu momentte %1,11’lik, ÖYS’de ise %0,67’lik bir iyileşme kaydedilmiştir. NO emisyonunda ise Taguchi optimizasyonu sonucunda %92,3’lük bir iyileşme meydana gelmiştir. ANOVA analizi sonucunda faktörlerin performans parametreleri üzerinde %99 ile %99,99 arasında etkili oldukları saptanmıştır.

Keywords

• Biyodizel
• EGR
• Taguchi optimizasyonu
• Motor performansı
• NO emisyonu

Optimization of Factors Affecting Engine Performance and NO Emissions in a Diesel Engine Using Biodiesel and EGR by Taguchi Method

Abstract

It is an undeniable fact that environmental pollution reaches dangerous levels as long as the use of petroleum-based fuels in vehicle engines. In addition, the decrease in fossil fuel resources has made it necessary to search for different fuels. Therefore, efforts to develop alternative fuels and the use of these fuels in vehicle engines are becoming widespread today. In addition, in accordance with the restrictive laws in the exhaust emission standards, emission reduction methods should be used together with renewable alternative fuels. For this purpose, in this study, changes in engine performance and NO emissions were investigated by applying different rates of biodiesel (B10, B20 and B50) and exhaust gas recirculation (EGR) (10%, 15% and 20%) to a single cylinder direct injection diesel engine operating at full load. The L16 orthogonal sequence was used in the study where the experimental design was made with Taguchi optimization method, thus optimization of engine performance and NO emission was performed by saving time and cost during the experiments. Biodiesel, EGR and speed were selected as factors affecting engine performance and NO emission, and different levels of these factors were used. As a result of Signal/Noise (S/N) analysis, the best combinations in terms of engine parameters were determined. Then, the effect degrees of the factors were tested by ANOVA (variance) analysis. Finally, validation experiments were conducted and improvements obtained as a result of Taguchi optimization were given in comparison with standard engine results. Optimum results in terms of engine torque and brake specific fuel consumption (BSFC) were obtained in B20 fuel, when EGR is not applied (EGR0) and at 1600 rpm. As a result of Taguchi optimization, an improvement of 1.11% in moment and 0.67% in BSFC was recorded. An improvement of 92.3% was achieved in NO emission as a result of Taguchi optimization. As a result of ANOVA analysis, factors were found to be effective between 99% and 99.99% on performance parameters.

Keywords

• Biodiesel
• EGR
• Taguchi optimization
• engine performance
• NO emission

References

1. [1] H. Karabaş, “Tütün tohumu yağı metil esterinin dizel motorlarında yakıt olarak kullanılma imkanlarının araştırılması,” Doktora tezi, Teknik Eğitim Fakültesi, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye, 2009.
2. [2] K.A. Abed, M.S. Gad, A.K. El Morsi, M.M. Sayed and S.A. Elyazeed, “Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions,” Egyptian Journal of Petroleum, vol. 28, no. 2, pp. 183-188, 2019.
3. [3] M. Arslan ve K. Alibaş, “Laboratuvar ölçekli biyodizel üretim tesisinin projelendirilerek imal edilmesi ve bu tesiste çeşitli bitkisel yağ kaynaklarından biyodizel üretimi,” Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, c. 29, s. 1, ss. 107-113, 2015.
4. [4] C. Haşimoğlu, “Düşük ısı kayıplı bir dizel motorunda biyodizel kullanımının performans ve emisyon parametrelerine etkisi,” Doktora tezi, Makine Mühendisliği Bölümü, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye, 2005.
5. [5] C. Haşimoğlu, Y. İçingür ve H. Öğüt, “Dizel motorlarında egzoz gazları resirkülasyonunun (EGR) motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisinin deneysel analizi,” TÜBİTAK, s. 26, ss. 127-135, 2002.
6. [6] M.E. Tat, “Investigation of oxides of nitrogen emissions from biodiesel-fueled engine,” Ph.D. dissertation, Iowa State University, Iowa, USA, 2003.
7. [7] V. Ayhan, İ. Özsert, Y. Çay, A. Çoban ve İ. Cesur, “DI bir dizel motorunda optimum buhar püskürtme oranı ve yakıt püskürtme zamanının taguchi metodu ile deneysel olarak belirlenmesi,” Journal of New Results in Engineering and Natural Science, s. 8 ss. 128-136, 2018.
8. [8] S. Manigandan, P. Gunasekar, J. Devipriya and S. Nithya, “Emission and injection characteristics of corn biodiesel blends in diesel engine,” Fuel, vol. 235, pp. 723–735, 2019.

9. [9] N. Usta, Ö. Can ve E. Öztürk, “Alternatif dizel motor yakıtı olarak biyodizel ve etanolün karşılaştırılması,” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 11, s. 3, ss. 325-334, 2005.
10. [10] V. Ayhan, S. Tunca, İ. Cesur, İ. Özsert ve G. Ergen, “Ayçiçek yağı metil ester karışımlarının di bir dizel motorunun performans ve emisyonlarına etkisi,” Akademik Platform Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, c. 7, s. 1, ss. 67-73, 2019.
11. [11] A. Keskin ve K. Ekşi, “Dizel motorlarda mısır yağı biyodizelinin yakıt olarak kullanımının motor performans ve emisyonuna etkisi,” Celal Bayar Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 2, s. 1, ss. 49-55, 2006.
12. [12] P. Rosha, S.K. Mohapatra, S.K. Mahla, H. Cho, B.S. Chauhan and A. Dhir, “Effect of compression ratio on combustion, performance, and emission characteristics of compression ignition engine fueled with palm (B20) biodiesel blend,” Energy, vol. 178, pp. 676-684, 2019.
13. [13] L.A. Raman, B. Deepanraj, S. Rajakumar and V. Sivasubramanian, “Experimental investigation on performance, combustion and emission analysis of a direct injection diesel engine fuelled with rapeseed oil biodiesel,” Fuel, vol. 246, pp. 69-74, 2019.
14. [14] A. Tok, “Egzoz gazı resirkülasyonunun (EGR) motor performansı üzerindeki etkisinin incelenmesi,” Yüksek Lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Uludağ Üniversitesi, Bursa, Türkiye, 2010.
15. [15] S. Verma, L.M. Das, S.C. Kaushik and S.S. Bhatti, “The effects of compression ratio and EGR on the performance and emission characteristics of diesel-biogas dual fuel engine,” Applied Thermal Engineering, vol. 150, pp. 1090–1103, 2019.
16. [16] M.H.M. Yasin, R. Mamat, A.F. Yusop, D.M.N.D. İdris, T. Yusaf, M. Rasul and G. Najafi, “Study of a diesel engine performance with exhaust gas recirculation (EGR) system fuelled with palm biodiesel,” Energy Procedia, vol. 110, pp. 26-31, 2017.
17. [17] T. He, Z. Chen, L. Zhu and Q. Zhang, “The influence of alcohol additives and EGR on the combustion and emission characteristics of diesel engine under high-load condition,” Applied Thermal Engineering, vol. 140, pp. 363–372, 2018.
18. [18] V. Ayhan, Ç. Çangal, İ. Cesur, A. Çoban, G. Ergen, Y. Çay, A. Kolip and İ. Özsert, “Optimization of the factors affecting performance and emissions in a diesel engine using biodiesel and EGR with Taguchi method,” Fuel, vol. 261, 2020, Art. no. 116371.
19. [19] P. Bhowmick, A.K. Jeevanantham, B. Ashok, K. Nanthagopal, D.A. Perumal, V. Karthickeyan, K.C. Vora and A. Jain, “Effect of fuel injection strategies and EGR on biodiesel blend in a CRDI engine,” Energy, vol. 181, pp. 1094-1113, 2019.
20. [20] Ö. Can, E. Öztürk, H. Solmaz, F. Aksoy, C. Çınar and H.S. Yücesu, “Combined effects of soybean biodiesel fuel addition and EGR application on the combustion and exhaust emissions in a diesel engine,” Applied Thermal Engineering, vol. 95, pp. 115-124, 2016.
21. [21] X. Shi, B. Liu, C. Zhang, J. Hu and Q. Zeng, “A study on combined effect of high EGR rate and biodiesel on combustion and emission performance of a diesel engine,” Applied Thermal Engineering, vol. 125, pp. 1272-1279, 2017.
22. [22] M.H.M. Yasin, R. Mamat, A.F. Yusop, P. Paruka, T. Yusaf and G. Najafi, “Effects of exhaust gas recirculation (EGR) on a diesel engine fuelled with palm-biodiesel,” Energy Procedia, vol. 75, pp. 30-36, 2015.
23. [23] Ç. Sarpkaya, “Taguchi metoduna dayalı gri ilişkiler analizi ile haşıl prosesinin optimizasyonu,” Doktora tezi, Tekstil Mühendisliği Bölümü, Çukurova Üniversitesi, Adana, Türkiye, 2014.
24. [24] Z.Y. Wu, H.W. Wu and C.H. Hung, “Applying Taguchi method to combustion characteristics and optimal factors determination in diesel/biodiesel engines with port-ınjecting LPG,” Fuel, vol. 117, pp. 8–14, 2014.
25. [25] H. Wu and Z. Wu, “Using Taguchi method on combustion performance of a diesel engine with diesel/biodiesel blend and port-ınducting H2,” Applied Energy, vol. 104, pp. 362–370, 2014.
26. [26] D.H. Lee, J.S. Park, M.R. Ryu and J.H. Park, “Development of a highly efficient low-emission diesel engine-powered co-generation system and its optimization using Taguchi method,” Applied Thermal Engineering, vol. 50, pp. 491-495, 2013.
27. [27] M. Balkı, C. Sayın and M. Sarıkaya, “Optimization of the operating parameters based on Taguchi method in an SI engine used pure gasoline, ethanol and methanol,” Fuel, vol. 180, pp. 630–637, 2016.
28. [28] T. Ganapathy, K. Murugesan and R.P. Gakkhar, “Performance optimization of jatropha biodiesel engine model using Taguchi approach,” Applied Energy, vol. 86, pp. 2476–2486, 2009.
29. [29] Ç. Çangal, “Farklı yakıt karışımları ve emisyon azaltma teknikleri uygulanan bir dizel motorda optimum parametrelerin Taguchi yöntemi ile belirlenmesi, Yüksek Lisans tezi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Sakarya, Türkiye, 2019.
30. [30] N.A. Ansari, A. Sharma and Y. Singh, “Performance and emission analysis of a diesel engine implementing polanga biodiesel and optimization using Taguchi method,” Process Safety and Environmental Protection, vol. 120, pp. 146–154, 2018.
31. [31] Z.Ö. Özdemir ve H. Mutlubaş, “Biyodizel üretim yöntemleri ve çevresel etkileri,” Kırklareli University Journal of Engineering and Science, s. 2, ss. 129-143, 2016.
32. [32] S. İzgiz, Deney Tasarımı ve Taguchi Metodu - Ürün ve Proseslerin Optimizasyonu, 1. baskı, Kocaeli, Türkiye: Federal Mogul, 1999, böl. 5, ss. 87-110.
33. [33] M. Şirvancı, Kalite İçin Deney Tasarımı, 1. baskı, İstanbul, Türkiye: Literatür Yayıncılık, 1997, böl. 1, ss. 11-16.
34. [34] R. Behçet ve F. Oral, “Dizel motor performans ve emisyonları üzerindeki biyodizel-dizel karışım yakıtların etkisi,” Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, c. 3, s. 1, ss. 15-23, 2014.
35. [35] A.N. Özsezen ve M. Çanakçı, “Biyodizel ve karışımlarının kullanıldığı bir dizel motorda performans ve emisyon analizi,” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 15, s. 2, ss. 173-180, 2009.
36. [36] A. Jamrozik, “The effect of the alcohol content in the fuel mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends,” Energy Conversion and Management, vol. 148, pp. 461–476, 2017.
37. [37] E. Turgut, G. Çakmak and C. Yıldız, “Optimization of the concentric heat exchanger with injector turbulators by Taguchi method,” Energy Conversion and Management, vol. 53, pp. 268-275, 2012.