Gemi Dizel Motorlarında Doğal Gazın Kullanılması
Yazar: YAŞAR DURAN AYTAŞ
Doğal gazın dizel motorlarında kullanılması dizel çevriminin özelliği nedeni ile beraberinde çözüm gerektiren bazı problemler getirmektedir. Bunların başında gelen problem, dizel yakıt 330?C sıcaklıkta tutuşurken, doğal gaz 650?C sıcaklıkta tutuşmaktadır [1,2]. Doğal gazın sıkıştırma stroku sonunda silindire sokulması güçlüğü problemi vardır. Yüksek sıkıştırma oranı (18) vuruntu tehlikesi oluşturur. Doğal gazın emme strokunda emme havası ile birlikte motora alınması kolayca sağlanabilmektedir. Bu durumda da yakıtın tutuşmaya hazırlık süresi uzadığından vuruntu tehlikesi de artmaktadır. Ancak doğal gazın oktan sayısının yüksek oluşu (130) uygun bir tutuşma ortamı sağlandığından, dizel çalışması sırasında vuruntudan kaçınılabilme imkanı da sağlar [2,3,4]. Dizel motorlarda doğal gazın kullanılması ile oluşacak problemlere çözüm bulmak için çeşitli ateşleme sistemleri de geliştirilmiştir [2,3].Yakıt sistemiÇift yakıt kullanılan bir sistemdir. Doğal gaz ile çalışan dizel motorlarda, hava ve doğal gaz karışımının ilk tutuşması bir pilot püskürtme ile sağlanır. Bu amaçla silindire sokulan toplam enerjinin % 5- % 10 kadarına karşılık gelen miktarda dizel yakıt sıkıştırma stroku sonunda silindire püskürtülür. Pilot püskürtme demetinin enerjisi buji ile sağlanan enerjinin 100 -10000 katı kadardır. Böylece hava fazlalık katsayısının 1.4 ile 2?lik değerlerinde de ilk tutuşma garanti edilmektedir. Pilot püskürtme ile yanma odası şekline uygun püskürtme demeti oluşturularak, silindir içinde oluşturulan hava hareketinin yardımı ile yanmanın odanın her noktasında aynı anda başlaması sağlanmaktadır. Rölanti durumunda ise dizel yakıt kullanılmaktadır [2,3,4].Çift yakıtlı dizel motorlarÇift yakıtlı dizel motoru, doğal gazın küçük miktarda dizel yakıtla ateşlendiği motorlardır. Klasik dizel motordan biraz farklıdır. Çift yakıtlı dizel motorda iki çalışma modu vardır. Dizel çalışma modu ve çift çalışma modudur. Çift yakıtlı dizel motorla, klasik dizel motor arasındaki ana farklar şunlardır [2,3]. Çalışma İşlemi: Doğal gaz silindire emme strokunda silindir kafasında bulunan gaz enjeksiyon valfinden verilir. Doğal gaz ve hava birbirine karışır. Sıkıştırma strokunda sıkıştırılır. Bu karışım sıkıştırma strokunun son aşamasında karışım halindeki gazı ateşlemek için küçük miktarda pilot yakıt (dizel) püskürtülür. Çift yakıtlı motorun diğer çalışma işlemleri klasik dizel motorda olduğu gibidir. Dört stroklu çift yakıtlı dizel motor için yakıt sistemi şekil 1.?de görülmektedir.
Şekil 1.Çift yakıtlı motorda yakıt sistemiHava Yakıt Oranı: Dizel motor geniş bir hava yakıt oranı bölgesinde çalışır. Bir çift yakıtlı motor dolgu havasının by pass alkışını kontrol ederek doğal gaz karışımına göre hemen hemen sabit bir hava-yakıt oranında çalışır. Egzoz gazındaki sıcaklık ve oksijen oranı da bu dolgu havasının çıkışı ile kontrol edilir. Şekil 2?de hava-yakıt oranı kontrol sistemi görülmektedir.Pilot Yakıt: Silindirdeki karışımın ateşlenmesi, bir doğal gaz motorunun ateşleme bujisi karşılığı olarak küçük miktarda püskürtülen pilot yakıt ile gerçekleştirilir. Dizel çalışmasında pilot yakıtın minimum miktarı yaklaşık maksimum sıvı yakıt miktarının % 10?u kadardır.Doğal Gaz Valfi: Çift yakıtlı motoru silindir kafasındaki sıvı yakıt enjeksiyon valfine sahiptir. Bununla doğal gazın silindire akışı kontrol edilir. Şekil 3.?de çift yakıtlı motor enjeksiyon sistemi görülmektedir.
Şekil 2. Hava/yakıt oranı kontrol sistemi,Çift Yakıtlı Motor Kontrolü: Çift yakıtlı motor, doğal gaz besleme sistemi, hava akış kontrol sistemi ve çift yakıt modu ile dizel modu arasındaki dönüşüm sistemlerine sahiptir. Şekil 4 ?de dört stroklu çift motor kontrol sisteminin prensibi görülmektedir. LNG taşıyan gemilerde doğal gazın kullanılmasıSıvı doğal gaz (LNG) taşıyan gemilerde tahrik için buharlaşan gazı yakıt olarak verimli bir şekilde kullanmak için çift yakıtlı dizel motor kullanılır. LNG taşıyan gemiler, ayrı ayrı taşıma hacimlerine sahiptir. Şekil 5? de bir LNG taşıyıcısı görülmektedir. Tanklardaki sıvı doğal gaz, taşımanın, çevre ve deniz suyu sıcaklığının etkisi ile buharlaşır. Mevcut olan buhar fazındaki doğal gazı çift yakıtlı dizel motorda kullanılmaktadır. Buharlaşan doğal gaz tam olarak tahrik gücünü sağlamaya yetmeyecek miktarda olursa herhangi bir oranda doğal gaz ile karıştırılmış sıvı yakıt çift yakıtlı motoru çalıştırabilir. Hiç gaz mevcut olmasa bile çift yakıtlı dizel motor sadece sıvı yakıt ile çalıştırılır. Böylece LNG taşıyıcıları için çift yakıtlı dizel gemi motoru en uygun olanıdır. Bir LNG taşıyıcısının sıvılaştırma akışı şekil 6?da görülmektedir.
Şekil 3. Çift yakıtlı motor enjeksiyon sistemi
Şekil 4. Çift yakıtlı motor kontrol sistemi
Şekil.5. LNG taşıyıcısı 
Şekil 6. LNG sıvılaştırma akış diyagramı3.Çift yakıtlı dizel motorun test sonuçlarıAltı silindirli 155 cm stroklu ve 76 cm çapındaki 2 stroklu gemi dizel motoru,119 d/d devirli ve 6600 kW nominal gücünde (ortalama efektif basınç 8 bar) elde edilen performans sonuçları şekil 7?de görülmektedir. % 100 yükte elde edilen ısı tüketimi 9137 kJ/kWh olup, % 5 pilot sıvı yakıt değere dahildir. [2,3,5,6,7].Şekil 7?de türbinden önce egzoz sıcaklığının 330 ?C olması oldukça ilginçtir. Aynı güçteki dizel motor çalışmasında ölçülen sıcaklıktan 50 ?C daha azdır. Bu önemli nokta dizel motora 
Şekil. 7. Çift yakıtlı bir gemi motorun performansı
Sekil.8. Gemi motorunun dizel ve doğal gaz ile çalışma esnasındaki piston sıcaklıkları göre çift yakıtlı motorun belirli avantajıdır. Her şeyden önce yakıtın temiz olması nedeni ile temiz çalışır. Bundan başka pratik olarak aşındırıcı kül parçalarının olmaması silindirde iki şeyi gösterir. Birincisi, piston segmanlarında düşük aşınma ve ikincisi yağlama yağı maliyetinin azalmasıdır. Üçüncü olarak, yanmanın parlak olmayan alevle nispeten sönük yandığı ve alevin daha düzgün olarak yayıldığıdır. Böylece pistondaki sıcak noktalardan kaçınılmış olunur. Şekil 8 ?de tek silindirli 76 cm çapındaki test motorunun dizel çalışması ve doğal gaz ile çalışması esnasındaki piston sıcaklık değerleri görülmektedir. Pistonun tepe noktasında 55?C, piston kenarında ise 155 ?C sıcaklık farkı oluşmaktadır.Çift yakıtlı gemi motoru (7 silindirli ve 90 cm çapında) ve klasik gemi dizel motorundan daha iyi performans sonuçları elde edildiği şekil 9 ?da görülmektedir. Burada dikkati çeken fark doğal gazlı gemi motorunun türbin önündeki egzoz sıcaklığı, klasik gemi dizel motorunda egzoz sıcaklığından 80 ?C daha düşüktür. Özgül yakıt tüketimi de % 90 yükten sonra çift yakıtlı motorda azalmaktadır. % 100 yükte çift yakıtlı gemi motorunun klasik dizel motora göre özgül yakıt sarfiyatı % 1 ve %110 yükte özgül yakıt sarfiyatı % 2 oranında azalmaktadır. Bu önemli bir avantajdır. Klasik gemi dizel motorun özgül yakıt sarfiyatı düşük yüklerde daha iyidir. Emisyon yüzdesi, yük artıkça çift yakıtlı motorda azalmaktadır. Bu da çift yakıtlı motorun diğer bir avantajıdır.
Şekil 9. Bir çift yakıtlı gemi motoru ile dizel motorunun performansı4.SonuçDoğal gaz düşük karbon-hidrojen oranından gelen avantajı ve hava karışım yeteneğinden dolayı tam olarak yandığı için reaksiyona giren HC ve CO emisyonları büyük oranda (% 35 ila % 50) azalır. Kalan HC atıkları büyük ölçüde reaktif değildir. Böylece duman azalır. Ayrıca yakıttan kaynaklanan SO2, SO3 ve NOx emisyonları da oluşmaz, yakıt temizdir.LNG taşıyıcıları için çift yakıtlı dizel motor en uygun olanıdır. Tanklarda buharlaşan doğal gaz kullanılarak dizel veya ağır yakıttan (FO) ekonomi sağlanır.Dizel motorlarda doğal gazın kullanılması ile motor elemanlarının (segman, silindir gömleği, piston vs.) ömrü % 50 kadar uzayacaktır. Ovehol periyodu da buna bağlı olarak uzayacaktır. Böylece motora az bakım masrafı gerekecektir. Ayrıca motorda gürültü ve titreşimli çalışma da dizel motora göre oldukça azalır.Gemi dizel motorlarında doğal gazın kullanılması çift yakıtlı motora dönüşümü yapılarak kullanılmaktadır. Doğal gaz kullanılan çift yakıtlı motorların gemilerde kullanılması ile yakıttan tasarruf sağlanacak ve gittikçe artan petrol fiyatları nedeniyle kısmen etkilenilmemiş olunacaktır. Kaynaklar1.Rosen J., Running on Methane, Mechanical Engineering, May 1990, pp.66-71.2.Sözbir N. , Mevcut Diesel Motorların doğal Gaz Yakıtlı motorlara Dönüştürülmesinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Üniversitesi fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1991.3.Saraç H.İ., Güven H.R. ve Sözbir N., Büyük Güçlü Diesel Motorlarda Doğal Gazın Kullanılması, Termodinamik, Sayı 9, pp.35-40, Mayıs 1993.4.Saraç H.İ.,Sözbir N. ve Yiğit K.S., Diesel Motorlu Taşıtların Doğal Gazın Kullanılması, Termodinamik, Sayı.7, pp.39-44, Mart 1993.5.Steiger H.A., development and pratical Application of Slow Speed Two stroke Crosshead Dual fuel Engine, Sulzer Review.6.Engesser b. And Zehnder H., Sulzer RTA Dual Fuel Marine Engines, Sulzer Review.7.Smit J.A. and Steiger H.A. , Economic Improvements due to the Utilisation of Slow speed Dual Fuel Engines for Propulsion of LNG Tankers, Sulzer Review.Yaşar Duran Aytaş Denizcilik MüsteşarlığıGemi İnşa ve Tersaneler Genel Müdürü Nedim SözbirSakarya ÜniversitesiMakine Bölümü Öğretim ÜyesiTürksat A.Ş. Danışmanı
http://www.virahaber.com/ sitesinden 24.05.2012 tarihinde yazdırılmıştır.