Birçok batı ülkesinde doğal gazın araçlarda kullanımıyla ilgili çalışmalar ve araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Bu konuda, dünyada en fazla kara nakil aracı kullanılan ABD’yi incelemek gerekir. Dünyada mevcut 520 milyon otomobil ve kamyonun 190 milyonu bu ülkededir. Hava kirliliğinin ortalama %50’sinin bu araçların egzozlarından ortaya çıktığı ABD’de, CNG’li araçların üretildiği ve mevcut araçların bir kısmının da CNG’ye dönüştürüldüğü bilinmektedir. Ülkemizde de; İstanbul, Ankara, Adana, Sakarya, Bursa, Afyon, Bolu ve Eskişehir’de belediye otobüslerinin egzoz gazlarının neden olduğu hava kirliliğini azaltmak için birtakım projeler geliştirilmekte olup doğal gaza dönüşümleri tamamlanan otobüslerin kullanımına başlanmıştır. Yeni Zelanda’daki NGV Global firmasının 2011 yılı verilerine göre; dünyada doğal gazla çalışan araçların sayısı 15.192.844, dolum istasyonu sayısı 18.202, Türkiye’de doğal gazla çalışan araçların sayısı 3339, dolum istasyonu sayısı ise sadece 12’dir.
Kaynaklarda, doğal gazın hem buji ile ateşlemeli hem de sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda önemli dönüşümleri gerektirmeksizin ve dikkate değer performans kaybına yol açmaksızın kullanılabileceği ifade edilmektedir. Yapılan bir deneysel çalışmada, benzin motorunun doğal gazla çalıştırılmasının tork ve güç değerlerini bir miktar azalttığı, ancak özgül enerji maliyetinin düşük olması nedeniyle, hem benzin motorunda, hem de dizel motorundaki çift yakıtlı kullanımında, benzinli ve dizel çalışmalarına göre daha ekonomik olduğu tespit edilmiştir.
Yüksek performansa ve düşük emisyonlara sahip bir doğal gaz motorunun yapımı, doğru sıkıştırma oranının tespiti ile sağlanmaktadır. Bu oran her motor için değişebilir. Sıkıştırma oranının artırılmasını motor vuruntusu sınırlamaktadır. Doğal gazın yüksek oktan sayısına sahip olması sıkıştırma oranının artırılabilmesini sağlamaktadır. Genel olarak benzin motorlu taşıtlarda sıkıştırma oran 10:1 ve benzinin oktan sayısı 90’dır. Fakat ortalama olarak doğal gaz motorunda sıkıştırma oranı 12:1 ve doğal gazın oktan sayısı ROS 130, MOS 105’dir. Oktan sayısı yakıtın kalitesine göre daha da az olabilmektedir. Yüksek oktan sayısı demek; vuruntunun ortadan kalkması, daha uzun buji ömrü, yağlama yağının daha fazla kullanımı ve soğuk havalarda iyi çalışma demektir. Doğal gaz motorlarında sıkıştırma oranının mümkün olduğunca yüksek tutulması önemlidir. Sıkıştırma oranının artırılması ısıl verimin yükselmesini sağlar. Isıl verimin yükselmesi de yakıt tüketiminde azalma demektir.
Araçların Doğal Gaz Dönüşümünde Kullanılan Parçalar
Araçların doğal gaz dönüşümünde kullanılan parçalar genel olarak; tüp, regülâtör, gaz karıştırıcı, emniyet valfi ve elektronik kontrol ünitesi (ECU veya ECM) şeklindedir. Aşağıda görevleri ve genel özelikleri açıklanan bu parçalara ilişkin resimler, Şekil 1’de gösterilmiştir.
Tüp: Doğal gazı depolamaya yarayan elemandır. Şekil 1a’da gösterildiği gibi genellikle bagaja konulur. Bazı durumlarda tavana ya da araç altına da monte edilebilir. Sistemin en yüksek emniyete sahip olması gereken parçasıdır. Çeşitli büyüklüklerde olabilir.
Regülâtör: Genel görünümü Şekil 1b’de gösterildiği gibidir. CNG gaz fazında yüksek basınçla valften geçip regülâtöre ulaşır. Regülâtörde basınç düşürülür ve atmosferik değerde tutulur. Regülâtörde basınç 3 kademede düşürülür; 1. kademede 200 bar’dan 5 bar değerine, 2. kademede 1.5-2 bar değerlerine, 3. kademede ise 650-800 mbar değerlerine getirilir. Donmayı önlemek için motor soğutma suyu devresine yakın bağlanır.
Gaz karıştırıcı: Hava ile yakıtın karıştırıldığı merkezdir ve yapısı Şekil 1c’de gösterilmiştir.
Emniyet valfi: Şekil 1d’de gösterildiği gibi mekanik ya da elektronik olabilirler. Manüel olarak ya da tehlike anında otomatik olarak kapatılabilirler.
Elektronik kontrol ünitesi: Şekil 1e’de fotoğrafı ve Şekil 1f’de ise içyapısı verilen ECU, belirli noktalardan aldığı verileri analiz ederek motorun yakıt yönetimini sağlayan birimdir.
Dizel Motorlarda Doğal Gazın Tek Yakıt Olarak Kullanılması
Tek yakıtlı sistemlerde motorun çalışma prensibi, dizel çevrimden Otto çevrimine dönüştürülür. Dizel motorlar CNG’ye dönüştürülürken, yanmanın düzenli ve kontrollü olması için benzinli motor prensibine (Otto çevrimine) geçilmesi zorunludur. Böylece, buji ile ateşlemeli motora geçilmiş olur. Bunun için enjektörler bujilerle değiştirilir, motorun silindir kafasında değişiklikler yapılır. CNG’ye dönüştürülmüş motorların yakıt sarfiyatlarının azalmasına karşılık dönüşüm maliyetleri yüksektir.
Dizel – CNG Çift Yakıt Sistemleri
Çift yakıtlı motorlarda silindir içindeki doğal gaz-hava karışımının tutuşmasını sağlamak amacıyla, motorun kendi püskürtme sistemi ve püskürtme pompası kullanılarak pilot dizel yakıtı püskürtülür. Bu amaçla, silindire sokulan toplam enerjinin %5-10 kadarına denk miktarda dizel yakıt, sıkıştırma zamanı sonunda silindire püskürtülür. Püskürtme anında tutuşan pilot yakıt yardımıyla karışım tutuşur. Motor yükünün değişmesi halinde dizel yakıt miktarının sabit kalmasına karşılık doğal gaz miktarı değişmektedir. Böylece kısmi yüklerde doğal gaz oranı düşmekte, rölantide çalışmada ise hiç doğal gaz kullanılmamaktadır.
Pilot püskürtme demetinin enerjisi, bujide sağlanan enerjinin 102-104 katı kadardır. Böylece, hava fazlalık katsayısı olan λ’nın, 1.4-2’lik değerlerinde de ilk tutuşma garanti edilmektedir. Daha da önemlisi, pilot püskürtmeyle oda şekline uygun püskürtme demeti oluşturularak, ayrıca silindir içinde yaratılan hava hareketinin de yardımıyla yanmanın, odanın her noktasında aşağı yukarı aynı anda başlaması sağlanmaktadır. Bu şekilde 16 17’lik sıkıştırma oranlarında vuruntusuz yanma elde edilebilmektedir. Pilot püskürtme dizel motorunun orijinal enjektörü ile yapılırsa, bu enjektörün deliği pilot püskürtme debileri için göreceli olarak büyük kaldığından, demetin kalitesi kötü olacaktır; yani demet derinliği az, damlacık çapları büyük olacaktır. Yanma odası içine oldukça homojen dağılmış olan gaz hava karışımı, bazı noktalarda tam olarak yanamaz. Bu durumda zararlı egzoz emisyonlarında ve yakıt tüketiminde artış görülmektedir. Ancak orijinal püskürtme enjektörü kullanmanın en büyük avantajı motorun çalışması sırasında doğal gaza veya dizel yakıtına geçişe olanak sağlamasıdır.
Delik çapı, pilot püskürtmenin yakıt debisine uydurulmuş, daha küçük delikli enjektör kullanılırsa, yanma verimi ve emisyon açısından bir sorun olmayacaktır. Bu durumdaki yakıt tüketimi ve emisyon değerleri yaklaşık normal dizel yakıtıyla elde edilen seviyeye, bazen de daha aşağıya inmektedir.
Doğal gazın silindir içerisine enjekte edilmesi istendiğinde motor konstrüksiyonunda değişiklik yapılması gerekmektedir. Motor silindir kafasında değişiklik yapılmalı ve yakıt olarak gelen doğal gazın basıncı yükseltilmelidir. Sıkıştırma işlemi sonuna doğru, gaz yakıt ayrı bir enjektör vasıtasıyla silindir içerisine enjekte edilir. Burada sıkıştırma sonunda silindir içerisine enjekte edilen pilot yakıtın püskürtme avansı önemlidir. Bu avansın azaltılması gerekir, azaltılmadığı takdirde güçte düşme yaşanır. Pilot yakıt yardımıyla sıkıştırma sonunda silindir içerisinde tutuşma temin edilir. Bu sistemde, silindir kafası içinde, biri gaz diğeri pilot yakıt olmak üzere iki enjeksiyon valfine ihtiyaç duyulmaktadır. Motorun normalde olduğu gibi aynı güçte çalışabilmesi için ya yüksek basınçlı gaz enjeksiyonu ya da gaz yakıtla beraber dizel yakıtının kullanılması gerekmektedir.
Motor Gücü Açısından Değerlendirme
Dizelden CNG’ye dönüştürülmüş bir motorun gücünde bir miktar düşüş olduğu bilinmektedir. Fakat bu tip dönüşümlerde, emisyondaki azalma ve ekonomik kazançlar düşünüldüğünde %20’ye kadar olan kayıplar kabul edilebilir sayılmaktadır. Şekil 8 incelendiğinde; deney motoru dönüştürülmeden önce 1500 d/dk’da 32 kW güç üretmekte iken, dönüşüm yapıldıktan sonra aynı devir sayısı için bu değer 25 kW’a düşmüştür. Bu devir sayısı için bu düşüş, motor gücünde yaklaşık %22’lik bir düşüş demektir ve kabul edilebilir sınırlar içerisindedir. Aynı şekilde dönüşümden önce 2000 d/dk’da 42 kW olan güç, 34 kW’a inmiştir. Bu da yaklaşık %19’luk bir düşüş anlamına gelmektedir. Grafikteki diğer veriler de incelendiğinde; motor gücündeki azalmaların yaklaşık %15.56 ile %23.68 arasında değiştiği görülebilir. Deneylerde kullanılan karbüratörlü motorun gücündeki bu azalmalar, kaynaklarda verilen %20 düşüş oranıyla da uyumludur.
Emisyon Açısından Değerlendirme
Şekil 9 incelendiğinde; dönüşümden önce motorun CO emisyonu hacimsel olarak %0.12 iken dönüşümden sonra %50 azalarak %0.06 değerine düştüğü görülmektedir. CNG dönüşümüyle sağlanan bu emisyon azalması, kilometre başına yaklaşık 0.35 g emisyona karşılık gelmektedir. Şehir içinde taşımacılık yapan ticari bir aracın günde en az 100 km yol kat ettiği düşünülerek, CNG’ye dönüşümle araç başına günde 35 g civarında bir CO emisyon azalması sağlanabileceği düşünülmektedir. Bu değer aylık olarak düşünüldüğünde araç başına 1 kg, yıllık olarak da 12 kg emisyon azalması anlamına gelecektir. Bu dönüşümün herhangi bir büyükşehirde 1000 araç tarafından uygulanması, CO emisyonunda yıllık olarak yaklaşık 12 tonluk bir azalmaya tekabül edecektir.
CO2 emisyonuna bakıldığında ise bu kazancın, CO emisyonuna göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Şekil 10 incelendiğinde; dönüşümden önce motorun CO2 emisyonu hacimsel olarak %17.8 iken dönüşümden sonra yaklaşık %53.93 azalarak %8.2 değerine düşmüş olduğu görülmektedir. CNG’ye dönüşümle temin edilen bu emisyon azalması, kilometre başına 150 g’dan daha fazla emisyon kontrolü demektir. Yukarıda yapılan değerlendirmeler CO2 emisyonu için de uygulanırsa, günlük olarak 15 kg, aylık olarak ise 450 kg değerinde bir kazanım mümkün olacaktır. Bu da araç başına senelik 5400 kg emisyon kazancı anlamına gelmektedir. Yine, 1000 araçlık bir CNG dönüşümü sonunda ise bu kazanç 5400 ton olacaktır.
Şekil 11 incelendiğinde; dönüşümden önce motorun HC emisyonu 63 ppm iken dönüşümden sonra yaklaşık %33.33 artarak 84 ppm değerine yükseldiği görülmektedir. CNG’ye dönüşümden sonra HC emisyonundaki bu artış; ulaşılan değerin, limit değer olan 1200 ppm’nin yine de çok altında olması nedeniyle önemsenmeyecek bir artış olarak değerlendirilebilir.
Doğal gaza dönüşümün en önemli etkisi PM emisyonunda görülmektedir. Deneysel çalışmaya konu olan motor, dönüşümden önce bakanlık tarafından konulan limitlerin yaklaşık 2 katı kadar bir emisyon üretmekteyken, dönüşümden sonra PM emisyonu 0 seviyesine yaklaşmıştır. Şekil 12 incelendiğinde; dönüşümden önce motorun k değeri 4.7 1/m3 iken dönüşümden sonra yaklaşık %99.36 azalarak 0.03 değerine düşmüş olduğu görülmektedir. Partikül madde insan sağlığı açısından en tehlikeli emisyon ürünüdür. PM, oksitlenmemiş karbon moleküllerinin bir araya toplanmasıyla oluşur ve ciğerlere yapışarak kanserojen etki gösterir. PM emisyonunun sıfıra yaklaşması bile, bu dönüşümün başlı başına ne kadar önemli olduğunun bir göstergesidir.
Ekonomik Açıdan Değerlendirme
Ocak 2013 itibarıyla dizel yakıtının (motorinin) fiyatı 4.16/lt CNG’nin fiyatı ise 2.37/m3 civarındadır. 100 kilometrede ortalama 10 lt dizel yakıt tüketen bir araç, doğal gaza dönüştürüldüğünde yine 100 kilometrede ortalama 11 m3 CNG tüketmektedir [8]. Bu da günde 100 km yol kat eden bir araç için günlük; (4.16)(10) – (2.37)(11)=15.53 veya %37.33 kazanç anlamına gelmektedir. Yani böyle bir aracın doğal gaz dönüşümü, araç başına aylık yaklaşık 466 , yıllık da 5591 kazanç sağlayacaktır.
Yukarıdaki ekonomik değerlendirmeye, söz konusu motorun CNG’ye dönüşüm maliyetinin de eklenmesi gerekir. Buna göre; CNG tankı, elektronik kontrol ünitesi, regülâtör, gaz vanası, lamda sensörü, bujiler, bakır boru, pistonların genişletilmesi ve işçilik gibi bileşenlerin maliyetlerinden müteşekkil dönüşüm maliyeti, yapılan güncel bir piyasa araştırmasıyla yaklaşık olarak 2500 olarak belirlenmiştir. Bu durumda; yukarıdaki şartlarda çalışan söz konusu motor, ilk altı aylık dönemde dönüşüm maliyetini, diğer bir ifadeyle, amortisman süresini karşılamış olacaktır. Geriye kalan sürelerdeki kazanç, net kazanç olarak değerlendirilebilir.
Yapılan bu deneysel çalışmayla; gerekli yatırımlar yapıldığında, emisyon açısından çevreye büyük zararları olan, özellikle eski tip dizel taşıtların doğal gaza dönüşümünün, uzun vadede hem ekolojik hem de ekonomik açıdan büyük faydalar sağlayacağı sonucuna ulaşılmıştır. Gerekli desteğin sağlanması ve sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) dolum istasyonlarının sayısının artırılmasıyla araçlarda doğal gaz kullanımının önümüzdeki yıllarda yaygınlaşacağı düşünülmektedir. Bu durum; hem kısmen bir doğal gaz üreticisi olan ülkemizin petrol alanındaki dışa bağımlılığını azaltacak hem de yeni nesillere daha temiz bir çevre bırakmamızı sağlayacaktır.
Kaynak: Burak Sezgin, Mak. Yük. Müh., Kemal Bilen Yrd. Doç. Dr. Makina Mühendisliği, Veli Çelik Prof. Dr. Makina Mühendisliği