Hidrojenin buji ile ateşlemeli motorlarda kullanımı
Hidrojen-hava karışımı birinci yöntem olarak, değişmez bir oranda silindirlerin giriş manifolduna verilmekte olup, motor gücü hidrojen-hava karışımı miktarlarını değiştiren bir valf vasıtasıyla ayarlanmaktadır. Sisteme, özellikle yüksek hızlarda düzgün çalışmayı sağlamak için, hidrojen-hava karışımına su buharı ilave edilmektedir. İkinci bir yöntemde ise hidrojen gazı basınçlı olarak silindire püskürtülmektedir. Hava ise emme manifoldundan silindire alınmaktadır. Böylece hidrojen-hava karışımının silindir dışında değil silindir içerisinde oluşması sağlanmaktadır. Bu yöntem ilk tarif edilen sisteme göre daha emniyetlidir. Burada motor gücü, hidrojen gazı basıncının değiştirilmesi suretiyle ayarlanmaktadır.
Bir diğer yöntem ise ikinci yönteme benzer şekilde hidrojen ve hava, silindirlere ayrı ayrı verilmektedir. Ancak yüksek basınç yerine hidrojen, normal veya orta basınçta silindirlere püskürtülür. Motor gücü hidrojen miktarını değiştirmek suretiyle ayarlanır. Böyle bir ayarlama hidrojen-hava karışım oranının oldukça geniş bir aralıkta yanma özelliğine sahip olması nedeniyle kolaylıkla gerçekleşebilmektedir.
Hidrojenin, motorlarda tek yakıt olarak kullanımında bazı problemler ortaya çıkmaktadır. Bu problemlerin başında, sıkıştırma oranına ve sıcak noktalara bağlı olarak erken ateşleme (preignition) ve geri tutuşma (back flash) gelmektedir. Yanma odasına gönderilen yakıt-hava karışımının silindirlere girmeden önce tutuşması sonucunda motorun emme manifoldu içerisinde alevin geriye doğru ilerlemesi geri yanma olarak tanımlanmaktadır. Bu olay emme sistemi elemanlarını tahrip etmektedir. Yanma odası içerisine gönderilen karışımın sıcak odaklar tarafından tutuşturulması sonucu yanmanın istenilenden önce başlaması da erken ateşleme olarak tariflenmektedir. Bu problem, motorda güç ve verim düşüklüğüne sebep olmaktadır. Ayrıca vuruntu ve mevcut depolama yöntemlerinin ağırlıklarının fazla, depolanan hidrojen miktarının düşük olması, mevcut içten yanmalı motorlar üzerinde yapılması gereken düzenlemeler ve ilavelerin maliyetinin yüksek olması da diğer problemler olarak ortaya çıkmaktadır.
Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığı yüksek olmasına rağmen, hidrojen hava karışımının tutuşturulabilmesi için gerekli olan enerji miktarı düşüktür. Tutuşma aralığının geniş olması, hidrojenin daha geniş karışım aralığında düzgün yanmasını sağlamakta ve yanma sonunda daha az kirletici emisyon oluşumu meydana gelmektedir. Hidrojen motorları maksimum yanma sıcaklığını azaltacak biçimde fakir karışım ile çalıştırılabilir. Böylece daha az NOx oluşurken, HC ve CO emisyonları oluşmamaktadır. Alev hızının yüksek olması ise Otto motorlarında ideale yakın bir yanmanın oluşmasını sağlayarak ısıl verimi artırmaktadır. Geniş tutuşma aralığı sayesinde, gaz kelebeğine gerek kalınmadan, karışım silindire kısılmadan gönderilir ve böylece pompalama kayıpları azaltılmıştır.
Hidrojenin yüksek sıkıştırma oranlarında, fakir karışım ile yanabilmesi yakıt tüketimini azalttığı gibi, yanma sonucu oluşan maksimum sıcaklığı da azaltmaktadır. Yanma sonucu partikül madde oluşmadığından bujiler kirlenmemektedir. Alev parlaklığının düşük olması, diğer karbon esaslı yakıtlara göre radyasyon yolu ile ısı kaybını azaltacağından daha yüksek verim sağlamaktadır. Benzin motoruna hidrojen takviyesi ile yanmamış hidrokarbon emisyonları azaltılarak ısıl verim iyileştirilmektedir.
Glasson ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarda hidrojen takviyesi yapılan Otto motorlarında küçük bir ön yanma odası kullanmışlardır. Yanma odasını bujinin yerine yerleştirmişlerdir. Bu ön yanma odası içerisinde hidrojen enjektörü ile buji vardır. Esas yakıt ise (benzin, metanol, propan vs.) emme portlarındaki enjektörlerden püskürtülerek silindirlere gönderilmektedir. Hidrojen takviyesi ile esas yanma odası içinde yakılan hidrokarbon esaslı yakıtların çok fakir karışım oranlarında düzgün bir şekilde yakılması sağlanmaktadır. Böylece ısıl verim artırılarak, azot oksit emisyonları önemli derecede azaltılmaktadır.
Hidrojenin hava ile yanması sonucunda, yakıtta karbon bulunmaması nedeni ile yanma ürünleri arasında CO, CO2 ve HC’ler mevcut olmayacak, sadece motorun yağlama yağının yanması nedeni ile çok az miktarda oluşan HC’ler egzoz gazları arasında bulunmuş olacaktır. Diğer yandan bu motorlarda, yüksek yanma sıcaklıkları nedeni ile havanın kimyasal reaksiyonu sonucu azot oksitler bol miktarda üretilmektedir.
Hidrojen yakıtlı motorlarda egzoz gazları içerisinde hava kirliliğini etkileyecek tek ürün olarak bulunan NOX’lerin miktarı, yanma odası sıcaklıklarının azaltılması, oksijen konsantrasyonunun azaltılması veya yanma süresinin kısaltılması sonucu düşürülebilmektedir.
Inert egzoz gazlarının resirkilasyonu sonucu, özellikle fakir karışımlarda oksijen konsantrasyonu düşürüldüğü için etkin bir şekilde NOx azalmaktadır. Ancak bu durumda motorun gücü de bir miktar azalmış olacaktır. Motorun emme manifolduna su püskürtülmesi sonucunda karışım sıcaklığı düşmekte, yanma hızı azalmakta ve sonuç olarak NOX emisyonu da azalmaktadır.
Ateşleme zamanının geciktirilmesi motorun termik verimini bir miktar azaltmasına rağmen, maksimum sıcaklıkları düşürmekte ve dolayısı ile de NOX emisyonunu azaltmaktadır. Hidrojenin direkt olarak yanma odasına püskürtülmesi de NOX emisyonunu azaltıcı yönde etki etmektedir. Bu durumda püskürtme zamanının etkileri de önem kazanmaktadır.
Hidrojen yakıtlı motorlarda hava-yakıt oranı 0,8 olduğunda egzoz gazları içindeki NOX miktarı maksimum olmaktadır. NOX oluşumunu azaltmak için hidrojene saf oksijen de ilave edilebilmektedir. Bu durum ise sistemi daha karmaşık hale getirmekte ve taşıt ağırlığını artırmaktadır. Bu sorunun çözümü için kullanılan yöntemlerden biri; taşıt üzerinde suyu elektroliz ederek, açığa çıkan hidrojen ve oksijenin basınç altında depo edilebilmesidir. Hidrojen-hava karışımı içindeki su buharı yanma sıcaklığını azaltacağından maksimum basıncın, dolayısıyla gücün, azalmasına sebep olmaktadır. Bunun için karışım içindeki su buharı bir yoğuşturucudan geçirilerek su deposuna geri döndürülmektedir. Yanma odası içinde bırakılan su buharı miktarı ayarlanarak yanma hızı ve vuruntu oluşumu kontrol edilebilmektedir.
Hidrojenin tek başına kullanımında ortaya çıkan bu problemler aşılana kadar, benzine ilave yakıt olarak kullanılabilir ve böylece hidrojenin mükemmel yakıtsal özelliklerinden faydalanılabilir. Ana yakıtın hidrojence zenginleştirilme düşüncesi ilk olarak Amerika’da, Jet Propulsion Laboratory’de Bresheas tarafından NOX emisyonlarını azaltmak için motorun fakir karışımda çalışabilmesini sağlamak amacıyla ortaya atılmış ve NOX konsantrasyonunun yakıt fakirleştikçe azaldığını ve yakıtın içine hidrojen katılmasıyla karışımın fakir çalışma sınırının genişletildiğini ve motorun termal veriminin %20–%50 arası değişen oranlarda arttığı sonucuna varmışlardır.
Hidrojen yakıtlı motorların çevre kirliliği üzerindeki etkileri ilk kez Murray ve Schoeppel tarafından ele alınmıştır. NOX emisyonlarını, diğer hidrokarbon yakıtlı motorlarla mukayese etmişler ve stokiyometrik karışımda bile, hidrojen motorlarının hidrokarbon yakıtlı motorlara göre daha az NOX emisyonu verdiğini belirtmişlerdir. Fakat hidrojen yakıtlı motorların, benzinli motorlara göre egzoz gaz sıcaklıklarının daha yüksek olduğunu tespit etmişlerdir. Bu nedenle hidrojen yakıtlı motorların daha fazla NOX emisyonu verdiğini belirlemişlerdir. Bu olay, zengin karışımlarda daha açık hale gelmektedir.
Furuhama, hidrojeni –30 °C ve 1 MPa basınçta sıvı olarak sıkıştırma zamanında silindire vermiş ve daha sonra karışım buji kıvılcımı ile tutuşturulmuştur. Bu çalışma şartlarında, motor gücü %10-20 artmış ve kısmi yüklerde fakir karışımlı yanmadan dolayı ısıl verim artmıştır.
Abdul ve Al-baghdadi, dört zamanlı buji ile ateşlemeli bir motorda etilalkol-hidrojen ilavesinin motor performansı ve egzoz emisyonlarına etkisini incelemişlerdir. Çalışma sonucunda bütün performans parametrelerinin iyileştiği görülmüştür. Alkol ilavesi ile faydalı sıkıştırma oranı artarken, NOx emisyonları azalmış ve hidrojen ilavesi ile de motor gücü artmıştır. Deney, sıkıştırma oranı 9 ve motor devri 1500 d/dak’da yapılmıştır ve benzine %30 etilalkol karıştırılarak kütlece %8 hidrojen ilave edilmiştir. Bu şartlarda CO emisyonları %48,5, NOx emisyonları %31,1 ve özgül yakıt tüketimi %58,5 azalmıştır. Ayrıca motorun ısıl verimi %10,1 ve çıkış gücü %4,72 artmıştır.
Al-Janabi ve Al-Baghdadi tarafından yapılan diğer araştırmada ise benzin ve hidrojen karışımının buji ile ateşlemeli Ricardo E6/US marka motorda, termodinamik çevrim parametrelerine ve motor performans ve emisyonlarına etkisi araştırılmıştır. Çalışma, motorun en iyi torku verdiği 7,5:1 sıkıştırma oranında, 1500 d/dak’da, optimum ateşleme avansı ve stokiyometrik karışım oranında gerçekleştirilmiştir. Ek yakıt olarak kullanılan hidrojenin, CO emisyonlarını ve özgül yakıt tüketimini önemli miktarda azalttığını tespit etmişlerdir. Motor termik verimi; stokiyometrik karışım için hidrojenin yakıttaki kütlesel oranı %8 oluncaya kadar, φ=8 eşdeğerlilik oranı için ise % 8 oluncaya kadar arttığı ve volümetrik verimin düştüğünü tespit etmişlerdir. Hidrojen, benzinli motorlarda önemli bir değişikliğe gidilmeden ek yakıt olarak kullanılabileceği, NOX emisyonlarının azaltılması için fakir karışımın ideal olduğu, yanmanın iyileştiği, tutuşma gecikmesinin azaldığı, sonucuna varılmıştır.
Al-Baghdadi ve Al-Janabi tarafından yapılan diğer bir araştırmada, hidrojen–etil alkol–benzin karışımı ile çalışan buji ile ateşlemeli dört zamanlı bir motor için ayrıntılı simülasyon modeli kullanılmıştır. Bununla hidrojen ve etil alkol karışımlarının buji ile ateşlemeli motorlar üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Çalışmalar bütün motor parametrelerinde iyileşme olduğunu ortaya koymuştur. Benzin-hidrojen karışımı ile çalışan motorlarda havanın akışı engellendiği için maksimum güç düşmektedir. Silindir içerisindeki maksimum sıcaklık arttığı için NOX emisyonları artmaktadır. NOX emisyonlarını azaltmak için hidrojen fakir karışımda eklenmektedir. Bu durumda benzinli çalışmaya göre daha düşük düzeyde NOX emisyonları tespit edilmiştir. Fakat motor gücünde daha fazla bir düşme görülmüştür. Bu çalışmada, hidrojen ilave edilmiş motorda motor gücünü iyileştirmek ve NOX emisyonlarını azaltmak amacıyla motor yakıtına belirli hacimsel oranlarda etil alkol karıştırılmıştır. %0 ile %20 arasında hidrojen karışımı ve %0 ile %40 etil alkol karışımının motor performansına ve emisyona olan etkisinin ölçülen değerleri verilmiştir. Kullanılan motor buji ateşlemeli Ricardo E6/US’dir. Çalışma, motorun en iyi torku verdiği 7,5:1 sıkıştırma oranında 1500 d/dak’da stokiyometrik karışım oranında ve optimum ateşleme avansında yapılmıştır. %4 hidrojen, %30 etil alkol karışımı ile yapılan çalışmada karbon monoksit emisyonları %49, NOX emisyonları %39, özgül yakıt tüketimi %49 düşmüştür. Bununla birlikte termik verim %5, güç ise %4 artmıştır. Yapılan çalışma sonucunda; hidrojen oranı %2’den fazla olunca motor volümetrik veriminin ve karışım yoğunluğunun azalmasından dolayı motor gücü düşmüştür. Hidrojenin karışımdaki oranı %8’e çıkıncaya kadar motorun termal verimi iyileşmiştir. Termal verimin %8’den sonra düşmesi volümetrik verimin azalmasına bağlanmıştır. Motor gücü ve termal verim, benzin içerisindeki metil alkol oranı %30’a çıkıncaya kadar artmıştır. %30 alkol oranında, karışım yoğunluğu ve motor volümetrik oranının artışından dolayı, maksimum güç ve termal verim elde edilmiştir. Alkol oranı %30’un üzerine çıkarıldığında yakıtın tamamı buharlaştırılamamaktadır. Hidrojen oranı %6’ya çıkıncaya kadar, motor özgül yakıt tüketimi azalmıştır. CO konsantrasyonu hidrojen yüzdesindeki artışa bağlı olarak azalmıştır. Bunun nedeni karışım yakıt içerisindeki karbon atomu konsantrasyonunun azalması, hidrojenin yüksek difüzyon yeteneğinin karışım oluşumunu ve yanmayı iyileştirmesidir. Alkol oranı yakıt içerisinde %0-%30 arasında olduğu zaman karbon monoksit emisyonunda bir değişiklik olmamıştır. %40 olduğunda ise silindir içerisinde eksik yanmaya bağlı olarak karbon monoksit emisyonu artmıştır. NOX emisyonları yakıt içerisindeki hidrojen miktarına bağlı olarak artmıştır. Nedeni ise ulaşılan maksimum sıcaklık ve basıncın artmış olmasıdır. NOX emisyonları karışım içerisindeki etil alkol oranına bağlı olarak azalmıştır.
Al-Baghdadi tarafından yapılan diğer bir araştırmada, hidrojen ve etil alkol karışımları yakıt olarak değerlendirilmiş ve karbüratörlü bir motorda alternatif yakıt olarak kullanılmıştır. Dört zamanlı tek silindirli buji ateşlemeli bir motorda, performans ve egzoz emisyonları ölçülmüştür Deneyler hidrojen ve etil alkol karışımlarının motorun en iyi torku verdiği 1500 d/dak’a stokiyometrik (λ=1) oranda optimum ateşleme zamanında ve 7–12 sıkıştırma oranlarında yapılmıştır. Hidrojen oranı alkole göre %2 ile %12 arasında eklenmiştir. Bütün değerler benzinle elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Ayrıca hidrojen ve etil alkolün değişik oranlarının motor gücü, özgül yakıt tüketimi, karbon monoksit ve NOX emisyonları üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Etil alkolün ısıl değeri daha düşük olduğu için özgül yakıt tüketimi daha yüksektir. Aynı sıkıştırma oranı ve lamda da etanolun yakıt tüketimi benzininkinden %40 daha fazladır. Artan sıkıştırma oranı, yakıt tüketimini azaltmıştır. Bununla beraber 12:1 sıkıştırma oranındaki etanolun yakıt tüketimi, 7:1 sıkıştırma oranındaki benzinin yakıt tüketiminden %25-%28 daha fazladır. Hidrojenin yüzde artışına bağlı olarak özgül yakıt tüketimi azalmıştır. Hidrojen-etil alkol karışımlı yakıtın 7:1 sıkıştırma oranında optimum ateşleme zamanında ve 1500 d/dak’da yapılan testinde eqivalans oranı ve hidrojenin kütlesel oranına bağlı olarak benzine göre daha yüksek ve daha düşük NOx emisyonları ölçülmüştür. Hidrojen oranındaki kütlesel artışa bağlı olarak NOx emisyonlarının arttığı tespit edilmiştir.
Sher ve Hacohen, 2310 cm3 hacminde, 4 silindirli bir motorda, çeşitli benzin-hidrojen karışımlarında çalışmalar yapmışlardır. %2 ile %6 arası kütlesel hidrojen ilavesi durumunda özgül yakıt tüketimi %10 ile %20 arasında azalmıştır. %6’nın üzerine çıkılması yakıt tüketiminde kısmi bir etki yaptığı görülmüştür. Çalışmada ayrıca, stokiyometrik çalışma koşulları civarında hidrokarbon (HC) ve karbon monoksit (CO) emisyonlarının azaldığı fakat yüksek reaksiyon sıcaklığı dolayısıyla NOx emisyonlarında artış olduğu belirlenmiştir.
Lucas ve Richards, 1275 cm3 hacminde ve sıkıştırma oranı 8,9:1 ile 11,7:1 arasında ayarlanabilen bir motorda çalışma yapmışlardır. Burada hidrojen akışı, benzinsiz çalışma ve tam açık gaz kelebeği durumunda motoru rölantide çalıştırabilmek için 69,5 mg/s’e ayarlanmıştır. Hidrojen akışı bu debinin üstüne çıkmamakta, yüklenme sırasında gerekli güç benzin ile sağlanmaktadır. Bu şekilde çalışma, kısmi yük bölgesinde termal verimin artmasını ve özgül yakıt tüketiminin de %30’lara varan ölçüde azalmasını sağlamıştır. Fakat maksimum güçte, hidrojenle çalışan tüm motorlarda olduğu gibi, bir miktar azalma meydana gelmiştir. Bunun sebebi, gerekli hidrojenin benzine göre fazla yer kaplaması nedeniyle daha az havanın yanma odasına girebilmesi, yani volümetrik verimin düşmesidir. Çalışmanın ikinci aşamasında hidrojen debisi 89 mg/s’e çıkarıldığında kısmi yük termal verimi daha da artmış, fakat güçte daha fazla düşme meydana gelmiştir. Bu çalışma, gaz kelebeği konumu değiştirilmeden yapıldığı için, eqivalans oranı vehidrojen enerji oranının motor performansına birleşik etkisi incelenmiştir. Çalışma sonucunda, hidrojen ilavesinin NOX ve CO emisyonlarını azalttığı gözlenmiştir.
Yi ve ark, su soğutmalı, dört zamanlı, tek silindirli ve sıkıştırma oranı 8,5:1 olan bir benzin motorunda karışım oluşumunun motor performansına etkisini incelemişlerdir. Bunun için biri emme manifolduna yakıt püskürtürken diğeri de silindir içerisine yakıt püskürten iki yakıt enjeksiyon sistemi tasarlamışlardır. Çalışma sonunda, düşük yüklerde emme manifolduna enjeksiyonun motorun ısıl verimini artırdığını ve motorun düzgün çalıştığını görmüşlerdir. Diğer yöntemin ise yüksek yüklerde verimli olduğu saptanmıştır.
Hoehn ve Dowdy’nin çalışmalarında, 0,53 ve daha düşük eqivalans oranlarında, NOX ve CO emisyonlarının çok düşük olduğu ve benzinli çalışmaya göre termal verimin yüksek olduğu sonucuna varmışlardır.
Kaynak: İhsan Batmaz’ın Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Dergisinde (Cilt 22, No 1, 137-147, 2007) yayımlanan “Buji Ateşlemeli Motorlarda Yakıta Hidrojen İlavesinin Motor Performansına ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Deneysel Analizi” isimli makalesinden derlenmiştir.
