DEU Mh Fak Makina Mhendislii Blm Motorlar Dersi

DEU Müh. Fak. Makina Mühendisliği Bölümü Motorlar Dersi 2007 -2008 Bahar Dönemi HİBRİT MOTORLAR ve HİDROJEN YAKITLI MOTORLAR 2008/13 24/04/2008 Hazırlayan: Yalçınkaya ÖZEN 2003508059

ENERJİ KAYNAKLARI VE ENERJİNİN KULLANIMINDA ALTERNATİF ÇÖZÜMLERE YÖNELİM n n n Dünya enerji tüketiminin, nüfus artışına, sanayileşmeye ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak hızla artması. Fosil enerji kaynaklarının rezervlerinin hızla azalması. Fosil yakıtların yakılması ile meydana gelen zararlı gaz salınımları ve sera etkisi.

ALINAN ÖNLEMLER ve KYOTO PROTOKOLÜ n n Kyoto protokolü 1997’de imzalanan, 2005’de Rusya’nın da dahil olmasıyla yürürlüğe giren ve sera gazlarının salınımlarını azaltmaya yönelik bir sözleşmedir. Alınan önlemler: Yakıt tüketiminin azaltılması. Alternatif yakıtların kullanılması. Ulaşım planlaması, trafik düzenlenmesi.

BÖLÜM 1 - HİBRİT MOTORLAR n n Hibrit motorlar kullanılan yakıt miktarının azaltılmasına yönelik bir önlemdir. Öz Türkçesi “melez” olan “hibrit” iki farklı türün bir araya gelmesiyle oluşan demektir.

Toyota’nın bir hibrit motorlu aracı ile dizel motorlu eşdeğer bir aracın karşılaştırılması.

TARİHÇE 1902, Ferdinand Porsche, Mixte-Wagen araç bir gurup aküyü şarjambargosu eden bir n Bu 1970’ler, büyük yakıt ile fosil yakıt fiyatları dinamoyu tetikleyen bir benzinli motora önemli ölçüde arttı ve hibrit araçlara olan ilgi gelişti. n sahipti. Elektrik motoru ön tekerleğin göbeğine yerleşikti. Bu yüzden de şaftlara, dişlilere, transmisyona, n kayışa, 1997: zincire Yeni veya nesilkavramaya hibrit ihtiyaç duymuyordu. araçlar içinde ilk ticari seri üretime Toyota markası “Prius” modeliyle başladı.

HİBRİT MOTORLAR n n En yaygın olanı, içten yanmalı motor ve elektrik motorunun beraber kullanıldığı hibrit taşıtlardır. Yakıt hücrelerinin, gaz türbinlerinin, dizel ve benzinli motorların mekanik enerji depolama sistemlerinin (flywheel), bataryaların ve ultrakapasitörlerin değişik kombinasyonlarının kullanıldığı bir çok hibrit taşıt sistemi mevcuttur. Günümüzde hibrit motor tanımı genelde bir içten yanmalı motor ve elektrikli motor kombinasyonlarını tanımlar. Burada içten yanmalı motor elektrik motorunu besler ve tekerlekleri tahrik eder. Elektrikli motorlar ise yine tekerlekleri tahrik ettiği gibi frenleme gibi enerji kayıplarının yaşanacağı durumlarda jeneratörü besler.

HİBRİT MOTOR ÇALIŞMA PRENSİBİ n Aracın kalkışında sadece gücünü pilden alan elektrik motoru çalışır. İçten yanmalı motor ise kapalıdır. İçten yanmalı motorlar düşük devirlerde elektrik motorları kadar yüksek tork üretemezler. Bu yüzden kalkışta kullanılan elektrik motoru sayesinde iyi karşılık veren ve oldukça yumuşak bir kalkış elde edilir. n. Düşük ve orta hızda sürüşlerde içten yanmalı motorlar enerji bakımından verimli değildir. Öte yandan elektrikli motorlarda aksine daha verimlidir. Bu yüzden düşük ve orta hızlarda araç elektrik motorlarını kullanmak için pillerde depolanan enerjiyi kullanır. nİçten yanmalı motorlar kendilerinden en iyi verim alındığı zamanlarda kullanılır. Ortalama sabit bir hızla hareket ederken içten yanmalı motorun ürettiği güç tekerlekleri doğrudan yönetmek için kullanılırken gücün bir bölümü de jeneratöre ayrılır. Jeneratörde üretilen güçle içten yanmalı motoru desteklemesi için elektrik motorlu beslenilir. İçten yanmalı motor ve elektrik motorunun aynı anda çalışması sayesinde içten yanmalı motor tarafından üretilen enerji yol yüzeyine en az kayıpla transfer edilir.

n Bu esnada içten yanmalı motor gerekenden fazla enerji üretirse üretilen bu enerji pillerde depolanır. n Araçtan güçlü bir ivmelenme istenildiğinde pillerde depolanan enerji elektrik motorunu çalıştırır ve içten yanmalı motorla kombine olarak gerekli olan güç tekerlere aktarılır. n Frenleme ve yavaşlama sırasında elektrik motorunun dönmesine izin veren tekerlekler rejeneratör görevi yapar ve aracın kinetik enerjisinden faydalanılır. Normalde sürtünme ve ısıya dönüşen yavaşlamadaki bu enerji yeniden kullanılmak üzere pillere depolanmış olur. n Duraklama sırasında içten yanmalı motor, elektrik motoru ve jeneratör kapanır. Böylece gereksiz enerji kullanımının önüne geçilmiş olur.

HİBRİT MOTORLARDA ENERJİ KULLANIMI

HİBRİT MOTORLU TAŞITLARIN EMİSYON DEĞERLERİNİN İNCELENMESİ Dışarı Atılan Gazlar NOx CO HC Standart VW Golf dizel taşıtı 0, 9 gr/km 0, 18 gr/km Hibrid Golf dizel taşıtı 0, 22 gr/km 0, 4 gr/km 0, 1 gr/km

SERİ ÜRETİMDEKİ BAZI HİBRİT ARAÇLAR n Sedan Segmenti (Honda Civic Hybrid) n Honda’nin Civic Hybrid modeli gerekmediği zaman bütün motor silindirlerini deaktive eden kısıtlı sayıdaki araçlardan biri. Bu süreç boyunca araç elektrikli motor tarafından yürütülüyor. Bunun dışındaki zamanlarda ise silindir çalışma ve elektrik motoru kombinasyonuyla en doğru performans ve verim oranı yakalanıyor. Araçta 1. 4 litrelik 4 silindirli bir içten yanmalı motor ve 20 bg’ lik bir elektrik motoru toplam 110 bg’ lik güç üretebiliyor.

n SUV Segmenti (Ford Escape Hybrid) n SUV (Spor Utility Vehicle – Spor Aktivite Aracı) segmentinde ise hibrit araç seri üretimine başlayan ilk marka Ford Escape dünyanın ilk hibrit motorlu suv segment aracı, Amerika’nınsa ilk hibrit aracı. Ford Escape aynı zamanda Detroit’te 2005 yılında dünyanın en iyi SUV aracı ödülünü aldı. Bundan sonraki iki yıl içinde de SUV segmentinde hibrit motor fikri yaygınlaşmış ve Lexus markası Rx 400 h, Toyota da Highlander Hybrid modelleriyle bu segmentteki yerlerini almıştır. Ford Escape 2008, 2. 3 litrelik SULEV ll (Super Ultra Low Emissions ll) salınım standartlarından geçmiş bir içten yanmalı motora ve içten yanmalı motoru kullanmadan 25 mph elde edebileceğiniz bir elektrikli motora sahip.

n Hibrit araç segmentleri bunlarla da sınırlı değil. Hibrit teknolojisi, otobüste, iki tekerli araçlarda, iş makinalarında ve trenlerde de kullanılmakta. e. Cycle Inc. Dizel-elektrik motorsiklet, New Flyer Industries, Gillig, Motor Coach Industries, Orion Bus Industries, ve North American Bus Industries, dizel-elektrik hibrid otobüsler üzerinde çalışmakta. GM ise bir dizel-hibrit-yakıt pili kombinasyonlu askeri aracı 2003’te tanıttı. Kamyonet-kamyon segmentinde ise Mercedes Benz Sprinter ve Micro-Vett SPA modellerini 2005 de duyurdu. GM ise 2007 de Los Angeles’in Union İstasyonunda ilk hibrit lokomotifini çalıştırmaya başladı. Görüldüğü üzere birçok marka birçok segmentte hibrit motor seçeneğini kullanmakta. Kiha E-200. Dünyanın ilk hibrit motorlu treni.

PROTOTİPLER ve HİBRİT MOTORLARIN GELECEĞİ n Hibrit teknolojisinin geleceğini anlayabilmenin en iyi yollarından biri concept araçlardan gecmekte. Birçok marka concept ürünlerinde yoğulukla hibrit motora yer veriyor. Saab dünyanın ilk sıfır emisyonlu hibrit motorlu aracını prototip olarak ve Saab’ın gelecekteki yüzü olarak duyurdu. Saab Bio Power Hybrid içten yanmalı motorunda %100 bioethanol yakıt kullanarak zararlı gazlarda sıfır emisyona ulaşmış. Araç “zero” modunda yani içten yanmalı motor kapatıldığında sadece elektrikli motoruyla 10 -20 km yol katedebiliyor. İçten yanmalı motor 260 bg ve 375 Nm tork üretebiliyor ve aynı zamanda arac dort ceker sistemine sahip.

Toyota da prototip olarak tanıttığı 10 aracından 5’inde hibrit motor 1 tanesinde de yakıt pili kullanmış. Hibrit motor birçok markada Super. Car segmentinde de prototip olarak kullanılıyor. Toyota Alessandra Volta Prototype (Super Car Segmenti) e. Cycle ec 1 concept hybrid Toyota, Lexus, Honda, Saturn, Chevrolet, GMC, Ford, Mazda, Mercury, Nissan gibi markalar hibrit araç üretimine şu anda devam ederken BMW, Honda, Chevy, Ford, Mercury, Mitsubishi, Opel, Subaru, Volvo ve daha bir çok marka ürettikleri prototiplerde hibrit motor kullanıyor. Bu da gösteriyor ki hibrit motor, üreticiler tarafından gelecek vadeden bir teknoloji olarak görülüyor.

BÖLÜM 2) HİDROJEN YAKITLI MOTORLAR n n n n HİDROJEN Doğadaki en hafif element olan hidrojen, renksiz, kokusuz, tatsız ve saydam bir yapı sergiler. Hafif olması nedeniyle (0 °C ve atmosfer þartlarýnda 1 litre hidrojen 0, 0898 gr kütlededir. ) yeryüzünde serbest halde çok az bulunur. Hidrojen sıvılaştırılması oldukça güç olan bir elementtir. Yaklaşık olarak 20 K sıcaklık ve 2 bar basınçta sıvı faza geçer ve oldukça iyi bir ısıl iletkendir. YAKIT OLARAK HİDROJEN Hidrojen çok hafif bir gaz olması nedeniyle herhangi bir olağanüstü durumda ortamdan uzaklaşır ve tehlike riskini azaltır. Uygun şartlar sağlandığında sıvı ve gaz fazında depolanabileceği gibi tankerler ve boru hatlarıyla da sevk edilebilecek bir yakıttır. Hidrojenin kimyasal yapısı itibariyle karbon ve kükürt içermemesi, zararlı atıklar olarak bilinen CO, CO 2 ve SO 2 oluşumunu da önler. Yalnızca havada yer alan azot nedeniyle NOx oluşumu söz konusu olmaktadır. Geniş bir aralıkta tutuşabilir olması, geniş bir aralıkta düzgün olarak yanmasını sağlar. Hidrojende NOx oluşumunu minimum düzeye indirebilmek için fakir karışımda bir yanma sağlanabilir. Hidrojenin yüksek bir alev hızına sahip olması, ideale yakın bir yanma sağlayarak ısıl verimi arttırır. Düşük alev parlaklığı ile yanıyor olması, radyasyon yolu ile gerçekleşen ısı transferini de azaltacaktır.

HİDROJEN ÜRETİMİ Hidrojen doğada saf halde bulunmaz. Bu nedenle çeşitli bileşiklerden ayrıştırılması gerekir. Bu anlamda temel olarak hidrojenin; mevcut fosil yakıtlardan, biyokütleden ve elektroliz yöntemiyle sudan üretimi üzerinde çalışılmaktadır. Günümüzde en çok kullanılan yöntem, hafif karbonların özel olarak da doğal gazın reformasyonu yöntemidir. Ancak doğal gaz bir fosil yakıttır. Günümüzde tek potansiyeli olan yöntem elektroliz olarak öngörülmektedir. Elektroliz yöntemiyle hidrojen üretiminin, günümüzde maliyetli de olsa yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının gelişmesiyle, öneminin artması beklenmektedir.

HİDROJENİN DEPOLANMASI n n Hidrojenin üretilmesini takiben depolanması gerekir. Genel olarak hidrojenin kullanıldığı her yerde depolanmasına ihtiyaç vardır. Taşıtlarda hidrojenin kullanılması durumundaysa depolama daha fazla önem kazanmaktadır. Taşıtlar için tasarlanan depolama şekillerinde yaygın olarak 3 yöntem üzerinde yoğunlaşılmaktadır. Bunlar; gaz hidrojen, sıvı (karyojenik) hidrojen ve metal hibritler şeklinde depolamadır.

Hidrojen yakıtlı motorlar güç üretim yöntemi bakımından 2 kategoriye ayrılabilir. n Hidrojen Yakıtlı İçten Yanmalı Motorlar n Hidrojen Yakıt Pilli Motorlar

HİDROJEN YAKITLI İÇTEN YANMALI MOTORLAR n n n Hidrojenin kendiliğinden tutuşma sıcaklığının yüksek oluşu (1 Atm basınçta 847 -867 K) ve oktan sayısının yüksekliği hidrojenin dizel motorlardan çok, otto motorlarda daha uygun bir yakıt olacağını göstermektedir. Yüksek alev hızına, geniş alev cephesine sahip olup, kontrolsüz yanmaya karşı dayanıklıdır. Sahip olduğu bu yüksek alev hızı, otto motorlarda ideale yakın bir yanma ve ısıl verimde artışlar sağlar. Hidrojen yakıtlı motorun ısıl verimi benzin motorununkine oldukça yakındır. Hatta sıkıştırma oranının arttırılması ve fakir karışım sağlanmasıyla ısıl verim % 25'lik bir artış sağlanabildiği tespit edilmiştir.

n n Hidrojen-hava karışımını ateşlemek için gerekli enerji miktarı da diğer yakıtlara oranla çok düşüktür ve bu da tutuşma garantisini sağlar. Yanma sonucunda zararlı gazlardan sadece NOx oluşur. Genellikle NOx hava fazlalık katsayısı ve karışım yerel sıcaklığına bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. HİDROJENİN İÇTEN YANMALI MOTORLARDA KULLANILMASININ EKSİLERİ Hidrojenin içten yanmalı motorlarda kullanılmasıyla birlikte bir takım problemler de oluşmaktadır. Bunlardan en önemlileri; geri tutuşma ve erken ateşlemedir. Yanma odasına gönderilen hava-yakıt karışımının silindire girmeden önce tutuşması sonucu, motor emme manifoldu içinde geriye doğru alev tutuşması meydana gelmektedir. Bu ise emme sisteminde yer alan elemanları tahrip etmekte ve bu da emniyet sorunları doğurmaktadır.

Motorun yüksek yükte çalışması durumunda; yanma odasındaki sıcak noktalar karışımın erken ateşlenmesine sebep olur. Hidrojenin düşük tutuşma enerjisine sahip olması erken ateşlemeye yol açabilmektedir. Buna; yanma odasındaki sıcak noktalar, supap bindirmesinde sıcak egzoz gazları, motor yağından gelen sıcak partiküller yol açabilmektedir. Bunun önlenebilmesi için yanma odasını sıcaklığının düşürülmesi yoluna gidilir ki bu amaçla; karışımın bir miktar fakirleştirilmesi, egzoz gazları resirkülasyonu (EGR), sıvı hidrojen kullanımı (düşük sıcaklıkta olması nedeniyle) gibi çeşitli yöntemlere başvurulmaktadır. Ancak erken ateşlemeyi öngören bu tedbirler; verimde ve motorun düzenli çalışmasında bir takım olumsuzlukları da beraberinde getirecektir.

HİDROJEN YAKIT PİLLİ MOTORLAR n n Yakıt pilleri, temiz, çevreye zarar vermeyen ve yüksek verime sahip enerji dönüşüm teknolojileridir. Bir buhar kazanı veya türbin kullanılmadan, sadece kimyasal reaksiyon ile elektrik enerjisi üretilir. Hidrojen (H 2) ve oksijen (O 2) arasındaki elektrokimyasal reaksiyon ile elde edilen ve toplam verimlilikleri % 80'lere kadar ulaşabilen yakıt pilleri, sürekli çalışan piller veya elektrokimyasal makinalar olarak da bilinir. Yüksek saflıkta hidrojen ya da hidrojence zengin gaz karışımları yakıt olarak kullanılabilmektedir.

TARİHÇE n n İlk yakıt hücresi 1839 yılında Sir William Grove tarafından tasarlanmıştır. 1939 yılında Thomas Bacon tarafından alkalin yakıt pilleri üzerinde yapılan çalışmalara lisans verilmiş ve NASA tarafından kullanılmıştır. 1980’lerde petrol krizinden sonra yakıt pilleri önem kazanmıştır. 2002’de Honda Motor Co. ‘nun FCX modeli, Amerikan hükümeti tarafından ilk onaylı dünyanın ilk yakıt hücreli otomobili oldu.

YAKIT PİLİNİN GENEL YAPISI n Bir yakıt pilinin merkezi iki elektrot arasına yerleştirilmiş elektrolitten meydana gelmiştir. Hava, katot yüzeyi üzerinden geçer. Elektronlar katoda doğru bir dış devre yoluyla taşınırken hidrojen iyonları da elektrolit yoluyla oksijen elektroda göç ederler. Katotta oksijen ve hidrojen iyonları ile elektronların reaksiyona girmesiyle su elde edilir. n Enerjiyi kendine hidrojen sağlandığı sürece verir. Yakıt pilinin plaka yüzeyi akım şiddetini, plakaların seri bağlanması ise voltajı oluşturur. Bir çok plakanın yanyana bağlanması ile elde edilen sisteme yığın adı verilir.

YAKIT PİLİ TİPLERİ n n n n Yakıt pilleri genellikle çalışma sıcaklıklarına göre; düşük, orta ve yüksek sıcaklık yakıt hücreleri olarak sınıflandırılabilirler. Esas olarak ise kullanılan elektrolite göre sınıflandırılırlar. Buna göre üzerinde çalışılan başlıca yakıt pili tipleri şunlardır: - Alkalin Yakıt Pili (Alkaline Fuel Cell - AFC) - Erimiş Karbonat Yakıt Pili (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC) - Fosforik Asit Yakıt Pili (Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC) - Katı Oksitli Yakıt Pili (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) - Proton Değişim Zarlı Yakıt Pili (Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC) - Direkt Metanol Yakıt Pili (Direct Methanol Fuel Cells - DMFC) - Regenerative Yakıt Pili (Regenerative Fuel Cells - RFC) Günümüzde özellikle yakıt pilinin taşıtlarda uygulamasında Proton geçirgen membran yakıt pili kullanılmaktadır.

PEM YAKIT PİLİ

ŞEMATİK YAKIT PİLLİ ARAÇ SİSTEMİ

GÜNÜMÜZDE KULLANIMI n Günümüzde birçok otomobil üreticisi hidrojeni yakıt olarak kullandığı otomobilleri tanıtmıştır. Bunların başlıcaları; Audi, BMW, Chrysler, Daihatsu, Fiat, Ford, GM, Honda , Hyundai, Kia, Mazda, Mercedes, Mitsubishi, Nissan, Peugeot, Suzuki, Toyota’ dır. Bu üreticilerin büyük bir bölümü henüz araçlarını Concept olarak tanıtmış olsalar da seri üretime geçenler de vardır.

Seri üretim Yakıt Pilli araçlara örnekler

Hidrojen yakıtlı içten yanmalı motor kullanılmış prototip araç. Giugiaro Vadho Concept. İçten yanmalı BMW V 12 motor – 260 HP

Hidrojen yakıt pilli prototip araç. Toyota FINE-S. Toyota bu modelinde hidrojen pileri sayesinde ağırlık merkezinin yere yakınlığına dikkat çekiyor ve sloganında “Geleceğin yüzü” ifadesini kullanıyor.

KAYNAKLAR n n n n n 1) “Toyota Motor Sales” www. toyota. com 2) “Toyota Hybrid Synergy Drive” www. hybridsynergydrive. com 3) “General Motors Corporation” www. gm. com 4) “Honda” www. honda. com. tr 5) “Saab Automobile Global” www. saab. com 6) “TUBİTAK Marmara Araştırma Merkezi” www. mam. gov. tr 7) “Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi” www. obitet. gazi. edu. tr 8) “Wikipedia The Free Encyclopedia” en. wikipedia. org 9) www. hybridtechnologies. com 10) www. hybrid-vehicles. net 11) www. hybrid-vehicle. org 12) www. hybridcars. com 13) www. fueleconomy. gov 14) www. alternative-energy-news. info 15) auto. howstuffworks. com 16) autotimemachine. blogsome. com 17) www. mmo. org. tr 18) www. hydrogencarsnow. com

Teşekkürler… Yalçınkaya Özen