Katalog

E N ERJİ İçten yanmalı motorlar için alternatif yakıt: Hidrojen Petrol'ün hem tükenmekte olması hem de çevre kirliliğine neden olması, hidrojeni alternatif yakıt haline getirdi. Hidrojen, taşıtlarda depolama sorununun çözülmesini, üretim maliyetlerinin azaltılmasını bekliyor. Doç. Dr. Cetn Soruşbay İ.T.Ü. Makina Fakültesi Motorlar ve Taşıtlar Birimi otekı yakıtlara oranla daha yuksek oktan sayısınada sahıptır (130 ROS) /1/Ancak hıdrojenın dıfuzyon yolu ıle çeşıtlı metallerden geçebılmesı, depolanmasına ılışkın sorunlar yaratmaktadır Hidrojenin Motor Performansı Üzerindeki Etkileri Hidrojen yakıtlı motorlarda, yanmanın olusumunu ve egzoz gazları ıçmdekı kırletıcı bıleşenlerın mıktarını, dolayısı ıle motor performansını etkıleyen en onemlı etken karışımın hazırlanış yonetımıdır 121 Hıdrojenın hava ıle karıştırılması yanma odasında veya emme kanahnda sırasıyla dahılı ve harıcı olarak adlandırılan yontemlerle, hidrojen bır gaz kanştırıcı yardımıyla hava ıle karıştırılır Ayrıca motorun emme kanalına duşuk basınçla hıdrojenın kesıklı veya sureklı olarak gonderılmesı de mumkundur Hıdrojen hava karışımlarının genış tutuşma sınırlarına sahıp olmasından yararlanıp, dızel ılkesıne gore çalışan motorlardakı gıbı yuk durumuna gore karışım ıçmdekı yakıt mıktarı ayarlanarak motor çalıştırılabılmektedır Bu durumda, motordan ıstenılen guce gore mıktarı ayarlanan yakıt kesıklı olarak emme kanalına gondeıılecektır Boylece karburatordekı gaz kelebeğı ortadan kaldırıldığı ıçın gırıştekı kısılma kayıpları azalmakta ve volumetrık verımde artış sağlanmaktadır Dolayısı ıle motorun gucu de artacaktır Ancak harıcı karışım hazırlama yontemının getırdığı bazı sorunlar da vardır Hidrojen yakıtlı motorlarda ortaya çıkan en onemlı ıkı sorun gerı tutuşma ve erken tutuşma olaylarıdır Gerıtutuşma, yanma odasına gonderılmekte olan karışımın sılındıre gırmeden once tutuşması sonucu motorun emme kanahnda gerıye doğru ılerleyen alev cephesının oluşmasıdır Bu olay emme sıstemı elemanlarını tahrıp etmekte ve emnıyet açısından da sakıncalı olmaktadır Erken tutuşma ıse yanma odasındakı karışımın, bujıde kıvılcım çakmadan once tutuşarak yanmayı ıstenılenden once başlatmasıdır Hıdrojenın tutuşma enerjısının duşuk olması bu ıkı sorunu yaratır Yanma odasındakı veya emme sıstemındekı sıcak noktalar karışımın tutuşması ıçın yeterlı olmaktadır Bu nedenle, karışımın fakırleştırılmesı (ıçındekı yakıt mıktarının azaltılması), karışımın egzoz gazları resırkulasyonu ıle seyreltılmesı, yanma odasına su puskurtulmesı, sıvı hıdrojen kullanılması sonucu gırış havasının soğutulması vb yontemler uygulanarak yanma odası sıcaklıklarının duşurulmesı gerekmektedır Gerıtutuşma ve erken tutuşma sorunlarına etkılı çozumlerden bırı de karışımın yanma odası ıçınde hazırlanmasıdır Hıdrojen 10 MPa mertebelerınde yuksek basınçla emme supabının kapanmasından sonra yanma odasına gonderıldığınde, karışımın geç hazırlanması ve emme kanalı ıçınde yanıcı karışımın bulunmaması sırası ıle erken tutuşma ve gerıtutuşma sorunlarını çozumleyecektır Bu yontemle hassas ölçumler yapılabılmekte ve karışım oranı değıştırılerek yuk ayarı sağlandığında motorun gucu arttırılabılmektedır Benzın motorlarında, stokıyometrık karı şım oranında tam buharlaşmış benzının yanma odası ıçınde kapladığı hacım %1 7 oranındadır Buna karşılık, gaz halındekı hıdrojen, stokıyometrık karışım oranında yanma odası hacmının %30 kadarını kaplayacağı ıçın eşdeğer motordan alınacak maksimum guç mıktarında %15 dolayında azalma olacaktır Dahılı karışım sağlandığında ıse durum farklıdır Yanma odasına emme sırasında sadece hava emılecek ve emme supabı kapandıktan sonra bu ortama hıdrojen puskurtulecektır Boylece benzın motoruna oranla %20 dolayında, ön karışımlı hıdrojen motoruna oranla da %40 dolayında guç artışı sağlanacaktır (Şekıl 1 ) 131 Ancak bu yontemde puskurtme ışlemı yuksek basınçta yapıldığından, daha pahalı ve karmaşık mekanızmalar gerektırmektedır Hidrojenin Çevre Kirliliği Açısından Sağladığı Yararlar Içten yanmalı motorlarda egzoz gazları ıle atmosfere atılan kırletıcı bıleşenler arasında genellıkle azot oksıtler, karbon monoksıt ve hıdrokarbonlarbulunmaktadır Ancak hıdrojenın hava ıle yanması sonucunda, yakıtta karbon bulunmaması nedenıyle, yanma urunlerı arasında CO, CO2 ve HC olmayacaktır Sadece, motorun yağlama yağın.n yanması sonucu oluşan çok az mıktarda HC egzoz gazları arasında yer alabılmektedır NO x oluşumu ıse genelde oksıjen konsantrasyonunun ve yanma odasındakı yerel sıcaklıkların fonksıyonu olarak değışmektedır Hıdrojen yakıtlı motorlarda, NO x emısyonu benzın motorlarına gore ılk bakışta daha fazla olmaktadır Hıdrojenhava karışımlarının genış tutuşma sınırlarına sahıp olmasından yararlanılarak, motor NO * uretımının daha az olduğu fakır karışım bolgesınde çalıştırıldığında bu soruna çozum getırılebılır Ayrıca azot oksıt emısyonunun azaltılması ıçın yanma odası sıcaklığını duşurucu çeşıtlı onlemler alınabılır Boylece erkentutuşma açısından da yarar sağlanacaktır Sonuç olarak temız yakıt olan hıdrojenın motorlarda kullanımı, çevre kırlılığı sorununa çozum getırmesı açısından da onem taşımaktadır D unya nufusundakı ve uygarlık duzeyındekı ariışlar toplam enerjı gereksınımını de arttırmaktadır Buna karşın mevcut enerjı kaynaklarının hızla tükenmekte olması, alternatif kaynakların bulunmasını gerektırmektedır 197O'lı yıllarda başlayan petrol krızı nedenıyle, gunumuzde benzın ve mazot gıbı petrol kokenlı konvansıyonel yakıtlarla çalışmakta olan taşıt motorları ıçın de yakın gelecekte alternatif yakıtlar gerekecektır Ayrıca taşıtlar tarafından uretılen kırletıcı egzoz gazlarının çevre kırlılığı açısından yarattığı sorunlar, emısyon bakımından ustun nıtelıklere sahıp alternatif yakıtların kullanılmasını zorunlu hale getırmektedır Hıdrojenın motorlarda yakıt olarak kullanımına ılışkın çalışmalar 1900'lu yılların başlarından berı yurutulmektedır Ancak enerjı krızı ve çevre kırlılığı sorunları etkısı altında, bu çalışmalar özellıkle 19701ı yıllardan başlayarak daha da onem kazanmıştır olan "yenılenebılır" yakıt turu oluşturmaktadır Hidrojenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Hidrojen, su kaynaklarından elektrolız yontemı ıle veya termokımyasal çevrımlerle elde edılır Ayrıca gasıfıkasyon yontemı ıle komurden de uretılır Hıdrojenhava karışımlarının yanması sonucu ortaya çıkan ana yanma urunlerınden bırı tekrar su olmaktadır Bu nedenle hidrojen, tukenmeyen kaynakları Hıdrojenın ıçten yanmalı motorlarda yakıt olarak kullanılması, fiziksel ve kimyasal ozellıklerı nedenıyle onemlı yararlar sağlamaktadır Hidrojen, ötekı motor yakıtlarına oranla daha yuksek alt ısıl değere sahıptır (120 MJ/kg) Ancak hacımsal olarak hıdrojenın ısıl değerı otekı yakıtlardan daha duşuktur (8 4 MJ/kg) Bu durum, belırlı sılındır hacmına sahıp bır motordan alınacak en yuksek gucu kısıtlar Ancak yakıt ıle havanın karışım yontemı ayarlanarak bu sorun çozumlenebılmektedır Hıdrojenhava karışımlarının hacımsal olarak %4 ıle °/o75 arasında bulunan genış tutuşma sınırlarına sahıp olması da motorlarda yakıt olarak kullanımı açısından onemlı yararlar sağlar Ayrıca bu karışımları ateşlemek ıçın gereklı enerjı mıktarı da otekı yakıtlara gore çok duşuktur Hıdrojenın alev hızının çok yuksek olması (stokıyometrık karışımlar ıçın benzıne gore dort kez daha fazla) yanma performansı açısından yarar sağlarken, dıfuzyon katsayısının da ötekı yakıtlardan fazla olması, karışımın oluşturulmasında yardımcı olmaktadır Hidrojen ayrıca Sonuç Ilk olarak Ingıltere'de 1820 yılında Reverend Cecil tarafından yakıt olarak kullanımı tasarlanan hıdrojen gunumuzde hâlâ taşıt motorlarında yaygın uygulama olanağı bulamamıştır Ancak petrol kokenlı konvansıyonel yakıt rezervlerının gıderek tukenmesı, çevre kırlılığı sorununa gereken ılgının gosterılmeye başlanması, alternatif yakıtlara olan ılgıyı de arttırmaktadır Uretım maliyetlerinin daha azaltılması ve taşıtlardakı mevcut depolama sorunlarının çozumlenmesı ıle bırlıkte, egzoz gazları emısyonu, motor performansı açılarından ustun olan ve yenılenebılırlık ozellığı bulunan hıdrojen geleceğın motor yakıtları arasında en kuvvetlı aday olacaktır [ Pfinjın Kaynaklar: 1 Gallopoulos, N E Alternatıve Fuels for Recıprocatıng Internal Combustıon Engınes, Alternatıve Hydrocarbon Fuels Combustıon and Chemıcal Kınetıcs, ed C T Bowman ve J Bırkeland, AIAA Progress ın Astronautıcs and Aeronautıcs, V 62, 1978 2 Soruşbay, C ve T N Vezıroğlu, Mıxture For matıon Technıques for Hydrogen Fueled Internal Combustıon Engınes, Hydrogen Energy Progress VII Proc 7th World Hydrogen Energy Conf, V 3, p 1909, Moscovv, 1 988 3 Furuhama, S ve Y Kobayashı, Hydrogen Cars vvıth LH2Tank, LH2Pump and Cold GH2lnjectıon TwoStroke Engınes, SAE Paper No 820349, 1982 tahıt hacmı Hova hacmı kctlrnfth tvnnı deoe' (".) ı7cm( 983cm' (IOO) İOOcm 5 7OOcm 5 960cm' IOOOCTI' (83) (II9) 1000 cm3 strok haclmli bir motor için yanma paasındakı havayakıt karışımlarının maksimum kalorifik değerlen