İç yanmalı motorların keşfi ve geliştirilmesi 18. Yüzyılın
sonlarında başladı, Rudolf Dizel 1892’de kömür tozuyla çalışan iç yanmalı
pistonlu motor patentini aldı, fakat bu yakıtla çalışılamadı. Dizel, sıvı
petrol yan ürünlerinin daha iyi bir motor yakıtı olacağı görüşünden hareketle
bu ürünlerden biriyle çalışmalarını sürdürdü. Bu çalışmalarla paralel olarak
motor dizaynında da değişikliler yapılarak üç yıl kadar sürdü ve 1895 yılında
prototip bir motor bir motor üretildi.
1922 yılında Robert Bosh dizel motorları için yakıt
injeksiyon sistemi geliştirmeye başladı ve 1927’de ilk injeksiyon pompasını
yaptı. Büyük hacimli ve düşük hızlarda çalışan ilk dizel motorları önceleri
endüstriyel alanlarda, gemilerde ve trenlerde kullanıldı. 1930’lu yıllarda
tankerler ve otobüsler de dizel yakıtı kullanmaya başladı. Takibeden yıllarda
sırasıyla Fransa, İngiltere, Amerika ve Japonya’da ’da çeşitli dizel motorları
üretilmeye yapılmaya başlandı. II. Dünya savaşından sonra araştırmalara kaldığı
yerlerden hızla devam edildi. Bugün dizel motorları ve dolayısıyla dizel
yakıtları hemen her alanda kullanılmaktadır; taşıma, güç üretimi, endüstri,
ısıtma, zirai işletmeler, v.s. gibi.
Bazı petrol ürünleri birbirlerine benzerler, ancak
karşıladıkları şartnameler ve fiziksel özellikleri tümüyle aynı değildir.
Örneğin, No.2 dizel yakıtı, No.2 fuel oil ile 2-GT gaz türbin yakıtına, No.1
dizel yakıtı da 1-GT gaz türbin fuel oil, Jet A uçak türbin yakıtı ve gazyağına
benzer. Ancak her bir yakıtın kullanım yerine göre kendilerine özgü özellikleri
içeren ayrı şartnameleri vardır.
1. DİZEL YAKITLARI
Dizel yakıtlarını da içine alan genel sınıflama “Distilat
Fuel Oiller” olarak tarif edilebilir; bu sınıflama, dizel yakıtları (ASTM D
975) ve fuel oilleri (ısıtma yağları, ASTM D 396) kapsayan genel bir
sınıflamadır.
Tablo-1: Dizel
Fuel Oil, ASTM D 975-04a
Numarası (*)
|
Bileşimi
|
Kullanım
yeri
|
No. 1-D S15
|
Hafif orta distilat yakıt
|
Dizel motorları
|
No. 1-D S500
|
||
No. 1-D S5000
|
||
No. 2-D S15
|
Orta distilat yakıt
|
Dizel motorları, özellikle değişken hız
ve yük altında çalışanlar
|
No. 2-D S500
|
||
No. 2-D S5000
|
||
No. 4-D
|
Distilat ve kalıntı yağ harmanı
|
Düşük ve orta hızlı dizel motorlarında;
sabit hız ve sabit yük altında çalışanlar
|
1.1. BİLEŞİMİ VE ÖZELLİKLERİ
a. Bileşimi
Dizel yakıtı ham petrolden elde edilir. Tüm ham petroller
parafinik, naftenik ve aromatik hidrokarbonlardan oluşur. Her hidrokarbon
sınıfı kendi içinde geniş bir molekül ağırlığı dağılımı içerir.
Normal parafinlerin setan sayıları çok yüksektir, ancak
düşük-sıcaklıkta akışkanlık özellikleri iyi değildir ve volumetrik ısı
değerleri düşüktür.
Aromatik bileşikler düşük-sıcaklık özellikleri ve volumetrik
ısı değerleri çok iyidir, buna karşın setan sayıları çok düşüktür.
İzoparafinler ve naftenlerin bu özellikleri, normal parafinler ve aromatikler
arasındadır.
Dizel yakıtı No.1 (gazyağı) hampetrolün atmosferik
distilasyonundan çekilen orta fraksiyonun hafifleridir. Bu yakıt C9-C16
arasında karbon içeren hidrokarbonlar karışımıdır; kaynama aralığı 260-570 0F,
yoğunluğu 0.81 g/cm3 tür, buharlaştırıcı tip beklerde kullanılır
Dizel yakıtı No. 2, No.1’den biraz daha ağır bileşenler
içerir (C9-C24), kaynama aralığı 320-680 0F, yoğunluğu 0.82-0.86
g/cm3 tür. Straight run distilat ve katalitik olarak parçalanmış
akımların karışımıdır; bunlar, straight-run orta distilat, sülfürü giderilmiş
orta distilat, hafif katalitik ve termal proseslerle parçalanmış (krak) distilatlardır.
No.2 yakıtı genellikle atomize tip beklerde kullanılır.
Dizel yakıtı No.1D ve No.2D yakıtların bileşimleri
Tablo-2’de gösterilmiştir.
Tablo-2: Tipik bir
dizel yakıtı No. 1 ve No.2’nin
bileşimi, %
hacimce
Hidrokarbon
tipi
|
No.1
|
No.
2
|
Parafinik
|
50.5
|
55
|
Naftenik
|
30.9
|
12
|
Aromatik
|
18.6
|
24
|
Olefinik
|
5
|
|
Kalıntı
|
4
|
(Her iki dizel yakıtına da teknik şartnameleri
karşılayacak tipte ve miktarlarda katkı maddeleri ilave edilmiştir.)
Dizel yakıtı, çoğu 9-24 karbon içeren ve temel olarak
parafinik, naftenik ve aromatik yapılı binlerce bileşiğin karışımıdır. Bu üç
hidrokarbon grubu farklı fiziksel ve kimyasal özelliklerdedir ve her bir dizel
yakıtında değişik oranlarda bulunurlar; bu da bir dizel yakıtının diğerinden
farklı olmasına, dolayısıyla yakıtın özelliklerine ve motor performansına yansır.
Dizel yakıtında bulunan hidrokarbon tipleri grafikle
gösterilmek istendiğinde Şekil-1’deki eğriye benzer eğriler elde edilir.
Şekilde, No.2D dizel yakıtının karbon sayısı dağılımını görülmektedir.
Şekil-1.: Tipik karbon sayısı dağılımı (No.2 dizel yakıtı)
Aşağıda, tipik bir dizel yakıtında bulunan hidrokarbon
tiplerinin kimyasal formülleri verilmiştir.
Dizel Yakıtının Kararsızlığı
Dizel yakıtı atmosferdeki oksijenle uzun süre temas ettiğinde
bir miktar vernik ve karbonlu kalıntılar oluşur; yani bazı gerekli katkı
maddeleri içermeyen dizel yakıtı kararsızdır.
Bir karışımın kararsızlığı, çoğunlukla bazı moleküllerin,
çözünürlüğü az olan veya çözünmeyen daha büyük molekül ağırlıklı maddelere
dönüşmesinden kaynaklanır; bunlar bazı nitrojenli ve/veya sülfürlü bileşikler,
organik asitler ve reaktif olefinlerdir. Dönüşüm prosesi bu tip maddelerin
oksitlenmesiyle olur. Yakıtın içerdiği bazı çözünmüş metaller, özellikle de
bakır, oksidasyon katalizörü işlevi yaparak reaksiyonları hızlandırır.
Çözünmeyen maddeler, asitle katalizlenmiş ortamda
fenalenonlar ve indollerin kompleks indolilfenalen tuzlarına dönüşmesiyle
oluşurlar.
Fenalenonler bazı reaktif olefinlerin oksidasyonuyla,
indoller, dizel yakıtında bulunan bazı komponentlerden doğal olarak meydana
gelirler. Organik asitler yakıtın içinde bulunabileceği gibi, merkaptanların
sülfonik asitlere oksidasyonuyla da oluşabilir. Bu mekanizma çeşitli şekillerde
engellenebilir; örneğin, yakıt harmanında asidik bileşikleri gidermek,
hidrotreating prosesiyle oksitlenmeye yatkın bileşikleri temizlemek, veya
yakıta antioksidan veya bazik stabilizör katkı maddeleri ilave etmek gibi.
Setan sayısı yükseltici 2-etilheksil nitrat (EHN) maddesi de
dizel yakıtının kararsızlığını artırır; Çünkü EHN maddesinin parçalanması,
yüksek molekül ağırlıklı bileşenlerin oluşmasını kolaylaştırır. Reaksiyonlar
aşağıdaki sırayı izler.
b. Özellikleri
Motor performans özellikleri çok çeşitlidir ve motorun
tipine ve iş alanına göre önemlilik sırası farklıdır; bunlar, ilk çalışma
kolaylığı, yeterli güç, düşük gürültü, yakıt ekonomisi, düşük aşınma, düşük
sıcaklıkta çalışabilme, uzun filitre dayanımı (kararlılığı) ve düşük
emisyonlardır. Bu özelliklerin karşılanmasında motorun dizaynı çok büyük önem
taşır.
Dizel motorunun ilk çalıştırılmasında yakıtın özelliği önem
taşır; tam yanan bir yakıt motorun kolay harekete geçmesini sağlar. Örneğin
aynı motor, sadece setan sayıları farklı iki değişik yakıtla çalıştırıldığında,
yüksek setan sayılı yakıtla ilk çalışmayı daha kolay alır.
Motor gücü doğrudan motorun dizaynına bağlıdır; yakıtın
şartname sınırları içinde olması koşulu ile güce önemli derecelerde etkisi
olmaz. Ancak viskozitenin sınırlar dışına çıkması yanma özelliğini bozar, güç
azalmasına ve ekonomik kayba neden olur.
Bir dizel motorunun gürültüsü, yanma ve mekanik olmak üzere
iki nedenden kaynaklanır. Yakıtın özellikleri sadece yanma gürültüsünü etkiler.
Yakıt, yanma hücresine injeksiyonun başlamasından çok kısa bir süre sonra
yanar; bu süre içinde yakıt buharlaşır ve havayla karışır, hızla ısı çıkar ve
basınç oluşur. Hızlı basınç yükselmesi “dizel vuruntusu” denilen gürültüye
neden olur. Setan sayısının yüksekliği, tutuşması için gerekli bu süreyi,
dolayısıyla vuruntuyu azaltır.
Tablo-3: Dizel
Yakıtları İçin ASTM D 975
(ve EMA) Sınırlamaları
(ve EMA) Sınırlamaları
Özellik
|
No.1
|
No.2
|
Test
ASTM*
|
API gravite, maks.
|
43
|
39
|
D 287
|
Alevlenme noktası, 0C, min.
|
38
|
52
|
D 93
|
Bulanma noktası, ºC, maks.
veya düşük sıcaklıkta
çalışma
|
D 2500
D 4539, IP309
|
||
Distilasyon, % hac., 0C
|
D 86
|
||
90 toplanan
|
288 maks.
|
282-338
|
|
Viskozite, 40 0C
|
1.3-2.4
|
1.9-4.1
|
D 445
|
Isı Değeri
|
|||
Setan sayısı, min.
|
40
|
40
|
D 613
|
Setan indeks (düşük S) min.
|
40
|
40
|
D 976
|
veya aromatikler, maks.
|
35
|
35
|
D 1319
|
Oksidasyon stabilitesi, mg/L, maks.
|
15
|
15
|
D 2274
|
Yağlayıcılık, g. dak.
|
3100
|
3100
|
D 6078, 6079
|
Yakıt injektörü temizliği
|
L-10 İnjektör
|
||
Akış kaybı, % maks..
|
6
|
6
|
Depozit testi
|
CRC derecesi, % maks.
|
10
|
10
|
Deterjan testi.
|
Korozyon, Cu, 3sa. 50 0C, maks.
|
No. 3
|
No. 3
|
D 130
|
Su, ppm, maks.
|
200
|
200
|
D 1744
|
Tortu, ppm
|
10
|
10
|
D 2276, 5452
|
Su ve tortu, %hac. maks.
|
0.05
|
0.05
|
D 2709, 1796
|
Sülfür, % ağ. maks.
|
0.50
|
0.50
|
D 2622
|
Düşük sülfürlü yakıt)
|
(0.05)
|
(0.05)
|
|
Karbon kalıntısı, son %10’da, maks.
|
0.15
|
0.35
|
D 524
|
Kül, %ağ. maks.
|
0.01
|
0.01
|
D 482
|
(Dizel yakıtında bulunan bazı hidrokarbonların yoğunluk ve
yanma ısıları için EK-9, kaynama ve donma noktaları için EK-10, setan sayıları
için EK-11’e bakınız.)
API Gravite
Dizel yakıtının API gravitesi motor performansında oldukça
etkilidir. Genel bir kural olarak API derecesinde her 10 birim artma, yakıtın
termal enerjisini %3-5 kadar düşürür; bu da aynı derecede motor performansında
düşmeye neden olur. Yüksek API dereceli (düşük yoğunluklu) yakıt kullanımı da
daha fazla yakıt harcanmasına yolaçar. Şartnamede API derecesinin maksimum
değerle sınırlandırılması yakıt tüketimini minimumda tutmayı amaçlar.
Eski teknolojilerle üretilmiş dizel motorlarında kullanılan
yakıtın yakıt yoğunluğunun düşmesiyle NOx emisyonu da düşer; bu etki elektronik
injeksiyonlu ve bilgisayar kontrollü modern motorlarda görülmez.
Alevlenme Noktası
Uçucu bir sıvının buharları havayla karışır ve karışım
belirli bir buhar/hava ora nında bir alev teması olduğunda alevlenir; bu andaki
sıcaklık alevlenme noktasıdır. Alevlenme noktası değeri yakıtın uçuculuğuyla
ters orantılıdır. Dizel yakıtının alevlenme noktasının düşük olması motor
performansını etkilemez, yakıtın tutuşma sıcaklığını veya diğer yanma
özelliklerini bozmaz. Ancak yakıtın güvenli bir şekilde taşınması, doldurulup
boşaltılması için alevlenme noktası minimum değerlerle sınırlandırılır.
Düşük-Sıcaklıkta Çalışma
Bulanma ve akma noktası düşük-sıcaklık çalışmasını etkileyen
özelliklerdir. Yakıtın bulanma noktası içerdiği hidrokarbonlardan parafin
vaksların kristallenmeye başladığı sıcaklıktır. Akma noktası, bir deney
tüpündeki örneğin tüp aşağı doğru eğildiğinde akma hareketi yapabildiği en
düşük sıcaklıktır; bu noktadan sonraki sıcaklık donma noktasıdır.
Düşük sıcaklık çalışma özelliği orta distile yakıtlar
için önemlidir; çünkü bu fraksiyonlarda kış aylarında (düşük sıcaklıklar)
katılaşan doğrusal ve dallanmış hidrokarbonlar (vakslar) bulunur. Bu bileşikler
donduğunda yakıt filtresinin tıkar veya yakıtın tümüyle jel haline gelmesine
neden olur ve motora yakıt akması önlenir.
Bu sorun kısmen motor dizaynıyla kısmen de yakıt
performansıyla çözülür. Motor dizaynında yakıt pompası ve filtre sistemleri
motorun sıcaklığını algılayabilecek yerlere konulur. Yakıtın düşük
sıcaklıklarda iyi performans özellikleri göstermesi için rafinerilerde çeşitli
önlemler ve yöntemler uygulanır; bunlar arasında,
·
Yakıtın üretildiği ham petrolün vaks miktarı çok
az olması,
·
Yakıtın distilasyon son noktasının düşük olması
(vaksların kaynama ve donma noktaları yüksektir),
·
Yakıtın, vaks miktarı düşük bir başka yakıtla
seyreltilmesi (örneğin gazyağı gibi),
·
Yakıta bir “düşük sıcaklık katkı maddesi” ilave
edilmesi sayılabilir.
Düşük sıcaklık çalışma performansı genellikle diğer bazı
testlerle tanımlanır; bunlar, Bulanma noktası, soğukta filtre tıkanması,
değişik sıcaklıkta akış testidir. Bulanıklık noktası testi kalite kontrol testi
olarak çok pratik ve kolay olduğundan tercik edilir.
Distilasyon
Distilasyon testi bir yakıtın uçuculuğunu veya buhar haline
geçmesi için gerekli sıcaklık aralığını gösterir. Uçuculuk, No.1 ve No.2 dizel
yakıtları arasındaki en önemli farklılıktır; No.1, diğerine kıyasla daha
uçucudur.
Dizel yakıtının uçuculuğu, yakıtın hacimce %90’ının
distillendiği sıcaklıkla (T90) tanımlanır (Şekil-2); T90’ın düşük olması,
yakıtın yanmasında NOx emisyonunu biraz azaltırsa da hidrokarbonlar ve karbon
monoksit emisyonlarının artmasına neden olur. Tanecik emisyonu ise etkilenmez.
Son nokta, distilasyonda ulaşılan en yüksek sıcaklıktır.
Yakıtın özellikleri tanımlanırken distilasyon son noktasının maksimum kaç
derece olacağının belirtilmesi ideal olanıdır, ancak bu değerin saptanmasında
kararlı bir tekrarlanabilirlik sınırları olmadığından tercih edilmez. Son nokta
tayini yerine ASTM D 975 şartnamesinde %90’ın distillendiği sıcaklık kabul
edilmiştir.
Şekil-2.: Tipik distilasyon profili (No.2 dizel yakıtı)
Viskozite
Dizel yakıtı, injektörler ve yakıt pompalarının hareketli
bazı parçalarını yağlama görevi yapmalıdır; bu nedenle yakıtın viskozitesi
önemli bir özelliktir ve belirli sınırlar içinde olmalıdır. Uygun viskozitede
olamayan yakıt bu malzemelerin aşınmasına neden olur. Yakıta ayrıca az bir
miktar aşınma önletici katkı maddesi konularak yağlanan yüzeyler üzerinde
koruyucu bir film tabakası oluşturulması sağlanır.
Dizel motoru yakıt sisteminde olabilecek aşınmanın tek
nedeni sadece yetersiz yağlama değildir. Yakıttaki inorganik tanecikler de
yakıt sisteminde ve piston sekmanlarında aşınmaya neden olur. Ayrıca organik
asitler yakıt sisteminde korozif aşınma yaparlar; fazla sülfürlü bileşikler
aşınma mekanizmasını artırırlar.
Viskozite, injektör yağlamasını ve yakıtın atomizasyonunu
etkiler; düşük viskoziteli yakıtlar injeksiyon sisteminde yeterli yağlama
yapamazlar ve sonuçta aşınmaya ve sızıntıya yolaçarlar. Yüksek viskoziteli
yakıtlar injeksiyonda iri damla cıklar oluşturur, yanmanın fena olmasına neden
olur ve eksozdan is çıkmasına, emisyonların artmasına sebep olur. Şartname
sınırları içinde olmayan yakıtlar motor performansını düşürürler.
Isı Değeri
Motor gücünde ve yakıt ekonomisinde de motor dizaynı çok
önemlidir. Yakıt ekonomisi, ayrıca yakıtın enerjisine de bağlıdır ve ısı değeri
doğrudan yakıtın viskozitesiyle orantılıdır. ASTM standartları bir yakıtın ısı
değerinin ne olması gerektiğini belirlemiştir. Yakıt viskozitesinin artırılması
yakıtın kimyasının (aromatiklerin artırılmasını) veya distilasyon profilinin (İKN,
SKN veya her ikisinin de artırılmasını) değiştirilmesini gerektirir. Oysa
aromatik bileşikler setan sayısını düşürdüğünden, miktarı setan sayısı ile
sınırlandırılmıştır. (Bölüm 3’de dizel yakıtı hidrokarbonlarının ısı değerleri
verilmiştir.)
Setan Sayısı
Dizel yakıtının önemli özelliklerinden biri, yakıtın tam
yanmasını ve dolayısıyla motorun kolay çalışmasını tanımlayan “setan
sayısı”dır. Dizel motorunda, piston sıkıştırma basıncı, ortam sıcaklığı veya
soğutucu sıcaklığı gibi değişkenlerin düşük olması sonucu, sıkıştırma sıcaklığı
da azalacağından, motorun kolay çalışması ve yakıtın tam yanması için yüksek
setan sayısına gerek olur; tam yanma olmazsa eksozdan duman şeklinde yakıt
atılır. Modern dizel motorlarında bu değerin en az 40 olması istenir (ASTM D
975).
Motor çalışmaya başladıktan sonra yanma hücresinin sıcaklığı
hala düşüktür ve injekte edilen yakıt tam olarak yanamaz; yanmamış yakıt ve
kısmen yanmış yakıt tanecikleri eksozdan beyaz bir duman (sis) halinde atılır.
Setan sayısı yüksek bir yakıt kullanıldığında bu sorunla karşılaşılmaz.
Bir yakıtın tutuşma süresini içerdiği bileşenler, yani
kimyası belirler. Sıcak bir motorda gecikme süresi, yakıtın fiziksel
özelliklerinden (yoğunluk, viskozite gibi) bağımsızdır. Setan sayıları sadece
distile yakıtlara uygulanır, petrol kalıntıları içeren yakıtlara (deniz
yakıtları) uygulanmaz.
Motor gürültüsü iki nedene dayanır; yakıtın yanma gürültüsü
ve mekanik gürültü. Yakıtın özellikleri sadece yanma gürültüsünde etkilidir.
Yüksek setan sayısı yakıtın zamanında yanmasını sağlar ve gürültü oluşmasını
azaltır.
Setan sayısının tayininde referans olarak iki özel
hidrokarbon kullanılır; dizel motorunda iyi yanmayan ve setan sayısı 0 kabul
edilen 1-metilnaftalin ile çok iyi yanan ve setan sayısı 100 olan n-heksadekan.
Sıfır setan sayılı referans 1-metilnaftalin kararsız bir
bileşiktir, pahalıdır ve test motorunda sorunlar yaratan bir bileşiktir. Bu
dezavantajlar nedeniyle 1962 yılında 1-metilnaftalin yerine setan sayısı 15
olan 2,2,4,4,6,8,8-heptametilnonan (izosetan da denir) kullanılmaya başlandı.
Bu değişiklik üzerine setan sayısı skalası aynı kalacak
şekilde setan sayısının hesaplandığı eşitlik yenilendi.
setan sayısı = % n-setan + %
0.15 heptametilnonan
Yüksek setan sayılı yakıt kolay ve tam yanar, dolayısıyla
motorun NOx emisyonu düşer, PM emisyonu azalır, ancak bu kirlilik daha çok
motor dizaynına bağlıdır.
Setan İndeks
Setan sayısı deneysel olarak özel bir test motorunda
saptanır; işlem zor ve pahalıdır. Böyle bir motorun el altında bulunmaması veya
yeterli miktarda yakıt örneği olmaması veya kısa sürede sonuç almak istendiği
hallerde uygun bir setan sayısı tahmini yapabilmek için çeşitli yöntemler
geliştirilmiştir. Bu yöntemlerle elde edilen değerler, motor testlerinden
alınan değerlerden farklılaştırmak için “setan indeksi” olarak tanımlanır.
Setan indeksi önceleri ASTM D 976 metoduna göre
hesaplanmaktaydı. 1988 yılından sonra
geliştirilen ASTM D 4737 metoduna göre hesaplanmaya başlandı; yakıtın
yoğunluğu ile distilasyonda %10, 50, 90 hacim fraksiyonlarının toplandığı
sıcaklıklar kullanılarak aşağıdaki eşitlik kullanılır.
SI =
45.2 + 0.0892 (t10 - 215) + 0.131 (t50 - 260) + 0.0523 (t90
- 310) + 0.901·b
(t50 - 260) – 0.420·b (t90 - 310) + 0.00049 (t10
- 215)2 – 0.00049
(t90 - 310)2 + 107.0·b + 60.0·b2
t10, t50, t90 değerleri
distilasyonda %10. %50 ve %90 distilatların toplandığı sıcaklıklardır (0C,
standart barometrik basınca göre düzeltilmiş değerler)
b =- exp [-3500 (ρ - 850)] – 1
ρ = 15°C’deki yoğunluk, kg/m3
Setan indeks formülü, yakıta setan sayısı yükseltici katkı
maddesi konulmadığı durumlarda setan sayısı ile bağlantılıdır. Katkı maddeli
yakıtlarda setan sayısı değeri ancak motor testi ile saptanabilir.
Setan Sayısı ve Oktan Sayısı: Dizel yakıtlarında
setan sayısı, benzinde ise oktan sayısı yakıtın ani yanma özelliğini tanımlar.
Setan sayısı skalasında yüksek setan sayıları, dizel yakıtının aniden ve kolay
yanmasını, oktan sayısı skalasındaki yüksek oktan sayıları ise tersine,
benzinin ani yanmaya karşı direncini ifade eder. Her iki skalada da yüksek
değerler yakıta motor performansını artırıcı özellik kazandırır. Yüksek setan
sayılı yakıtların oktan sayıları, yüksek oktan sayılı yakıtların da setan
sayıları düşüktür.
Oksidasyon Stabilitesi
Dizel yakıtı normal depolama ve kullanım koşullarında
kararlı olmalıdır; kararsız yakıtın rengi koyulaşır, siyah tanecikler oluşur ve
yakıt bulanıklaşır. Böyle bir yakıt motorun yakıt sisteminde gum kalıntıları
bırakır.
Yakıtın kararlılık özelliği depolama stabilitesi (ASTM D
4625, 5304)) ve termal stabilite testleriyle saptanır.
Yağlayıcılık
Dizel yakıt pompalarının bazı hareketli parçaları ve
injektörler yakıt tarafından yağlanır; dolayısıyla yakıtın bir dereceye kadar
yağlayıcı özelliği olması gerekir. Bu özellik dizel yakıtında hidrokarbonlar dışında
bulunan eser miktarlardaki oksijen ve nitrojenli bileşikler ile bazı aromatik
bileşik türleri tarafından kazandırılır. Ayrıca dizel yakıtı harmanına 10 ppm
kadar yağlayıcı katkı maddesi ilave edilerek aşınmanın en düşük düzeye
indirilmesi sağlanır; katkı maddesinin fazlası motorda tortu birikmesine ve
dolayısıyla başka zararlara neden olur.
Yakıt İnjektörü Temizliği
Sülfür miktarı ve termal stabilitesi düşük olan yakıtların
karbon kalıntıları fazladır. Dizel yakıtlarına deterjan katkı maddeleri ilave
edilerek yakıt injektörleri üzerinde karbon birikimi ve kirlenmeler önlenir.
Kirlenmiş injektörler tüm ekipmanlarda ve yakıt sisteminde yüksek seviyelerde
is oluşturarak yakıt akışını bozar, dolayısıyla motorda güç kaybına neden olur.
Korozyon
Bakır şerit korozyon testi bakır, pirinç veya bronzdan
yapılmış yakıt sistemi elemanlarıyla yakıtın uyumluluğunu gösteren bir testtir;
yakıtın zamanla bu malzemeler üzerinde yapacağı korozyon ve hasar hakkında
bilgi verir. Şartnamelerde standart test koşulları altında bakır test
şeritlerin renginin değişmemesi için gerekli zaman sınırlandırılarak yakıt
sisteminin korunması sağlanır.
Su ve Tortu
Dizel yakıtındaki su ve tortu yakıt filtrelerini ve
injektörleri etkileyerek ömürlerini azaltır. Ayrıca ortamda su bulunması sistem
malzemelerinin korozyonunu hızlandırır, mikrobiyal çoğalmaya neden olur. Yakıt
tanka konulmadan önce süzülür ve tank tam olarak doldurulur. Kısmen dolu
tankta, sıcaklık değişiklikleri nedeniyle tankın nefes almasıyla fazla miktarda
su buharı yoğunlaşması olur.
Aromatikler
Aromatikler, dizel yakıtının rafinasyonuyla meydana gelen
hidrokarbon bileşiklerinde doğal olarak bulunan benzen grubu bileşiklerdir.
Ayrıca yakıtın harmanlanması sırasında toluen, ksilen ve naftalin gibi daha
ağır aromatik bileşikler de ilave edilir. Aromatik bileşikler yakıtın yanma
sıcaklığını düşürür.
Yakıtta aromatik bileşiklerin azaltılması bazı motorlarda
NOx ve PM10 emisyonlarını düşürür; son çalışmalar bu etkinin polinükleer
aromatik bileşiklerden kaynaklandığı, tek halkalı bileşiklerin emisyonunda
etkili olmadığı yönündedir.
Sülfür
Sülfür bileşikleri yakıtın yanmasıyla egzoz gazlarında
sülfatlara dönüşen SO2 ve SO3 gibi asidik yan ürünlere
dönüşerek motorda aşınmayı hızlandırır, kalıntı ve partiküller madde emisyonlarını
artırır. Dizel yakıtındaki sülfürlü bileşiklerin miktarı üretildiği hampetrolün
kalitesine ve harmanlanan fraksiyonların bileşimlerine bağlı olarak değişir.
Rafinerilerde hidrojenle işlemleme yapılarak yakıttaki sülfür miktarı
düşürülür.
Dizel yakıtının kararlı olması istenir; kararsız bir yakıt
uzun süreli depolamada veya motorun yakıt sisteminde polimerik kalıntı (gum) ve
partiküller oluşmasına neden olur. Düşük sülfürlü dizel yakıtları yüksek
sülfürlü olanlardan daha kararlıdır.Sülfür bileşiklerinin yakıtın yağlayıcı
özelliğini yükseltme gibi bir işlevi vardır; ancak düşük sülfürlü yakıtlarda bu
özellik azalacağından yakıt injeksiyon sisteminin zarar görmemesi için yakıta
yağlayıcılık kazandıran katkı maddesi ilave edilir.
Karbon Kalıntısı ve Kül
Karbon kalıntısı, yanmayı etkileyen kalıntı miktarını
tanımlar. Dizel yakıtının bir motorda bırakacağı karbon kalıntısı distilasyonla
%90’ı ayrılan kalıntıda yapılan standart testle saptanır. Kül değeri, yakıttaki
inorganik maddelerden dolayı oluşan kalıntıyı belirtir. Az miktarlarda
inorganik madde tüm petrol ürünlerinde vardır, ancak ürünün tipine göre farklı
sınırlamalar getirilmiştir. Külün yüksek olması injektör uçlarında tıkanmalara,
yanma kalıntılarına ve injeksiyon sisteminde aşınmalara neden olur.
c. Katkı
Maddeleri
Dizel yakıtı katkı maddeleri dört genel grup altında
toplanabilir (Bak. Katkı Maddeleri):
a.
Motor performansı katkı maddeleri: Setan sayısı
artırıcılar, injektör temizleyiciler, yağlayıcılar ve is önleyici katkı
maddeleridir
b.
Kullanma kalitesini artıran katkı maddeleri:
Köpük önleyiciler, buzlanma önleyiciler (anti-icing), düşük sıcaklık
düzenleyiciler, sürtünme düşürücü (drag reducers) katkı maddeleridir
c.
Yakıt Kararlılığı (Stabilite) Katkı Maddeleri:
Oksidasyon İnhibitörleri (antioksidanlar), stabilizörler, metal deaktivatörler,
dispersanlar
d.
Kirlilik Kontrolü Katkı Maddeleri: Biyosidler,
emülsiyon önleyiciler (demülsifiyerler), korozyon inhibitörleri
(Dizel motorları için EK-12’ye bakınız)
1.2. ÜRETİM
Ham petrolün işlenmesinde uygulanan çeşitli rafineri
prosesleri vardır; bunlar, temel olarak distilasyon, kraking, reforming,
alkilasyon, polimerizasyon, izomerizasyon, hidrotreating, desülfürizasyon,
olefinlerin eterleştirilmesi, izobüten dimerizasyonu ve harmanlama prosesleridir.
a. Rafinasyon
Diğer petrol ürünlerinde olduğu gibi dizel yakıtı üretimi de
ön-işlemlemelerden geçirilmiş hampetrolün distilasyonuyla başlar. Distilasyon
atmosferik basınçta ve vakumda olmak üzere iki aşamada yapılır. Her iki
distilasyon kolonundan alınan fraksiyonlardan dizel yakıtı üretiminde
kullanılacak olanlar diğer bazı proseslerden geçirilerek elde edilen
şartnamelere uygun akımlar dizel yakıtı harmanlama ünitesine verilir.
Modern ve entegre bir rafinerinin şematik diyagramı
Şekil-3’de verilmiştir. Hampetrol atmosferik distilasyon kolonuna beslenir,
buradan straight run nafta, gazyağı ve dizel yakıtı alınır. Kolon dibine yakın
bir seviyeden alınan gaz oil (AGO) dizel yakıtı hammaddelerinden biridir,
hidrokraking ünitesine beslenir.
Atmosferik kolonun dibi vakum distilasyon kolonuna verilerek
katalitik kraking veya hidrokraking hammaddesi olan vakum gaz oil (VGO)
çekilir. VGO gerekli hallerde katalitik kraking prosesine verilmeden önce
içerdiği sülfür ve nitrojen bileşiklerinden arındırılmak için hidrotreating
işleminden geçirilir; bu gibi safsızlıklar FCC katalizörünün aktivitesini
düşürürler. Vakum distilasyonunun dibi yüksek kükürtlü fazla değeri olmayan,
fuel oil ve asfalt amaçlı kullanılan kalıntıdır.
Modern fabrikalarda vakum kalıntısı bazı proseslerden
geçirilerek değerli ürünler de içeren karışımlara dönüştürülür; bunlar kalıntı
kraker, solvent ekstraksiyon ve koklaştırıcı gibi kalıntı dönüştürme
prosesleridir.
Harmanlama
Dizel yakıtı uygun rafineri akımlarının harmanlanmasıyla
elde edilir; bunlar atmosferik distilasyondan çekilen straight-run (SR) dizel
fraksiyonu, katalitik kraking (FCC) hafif saykıl yağı, hidrokraked atmosferik
ve vakum gaz oillerdir. SR dizel fraksiyonu doğrudan harmanlamaya
verilebileceği gibi sülfür içeriğine bağlı olarak hidrotreater işleminden
geçirildikten sonra da harmana gönderilebilir. Harmanlamaya verilen akımlar
ilgili şartnamelere uygun ürünler elde etmeye elverişli olmalıdır. Bu amaçla
geliştirilmiş sofistike programlı bilgisayarlar kullanılmaktadır.
Şekil-3: Modern ve entergre bir rafinerinin şematik diyagramı
b. Premium Dizel
Yakıtı
Premium (geliştirilmiş) dizel kavramı, premium benzinle aynı
anlamı taşımaz. Bazı benzin motorları ve piston sıkıştırma oranlarının vuruntusuz
çalışması için daha yüksek oktan sayılı yakıta gereksinimi vardır; bunun için
farklı bileşimlerde benzin harmanları hazırlanarak “premiun” adıyla tanımlanır.
Oysa premium dizel yakıtında, normal dizel yakıtının sadece bir veya birkaç
özelliği değiştirilir; bunlar setan sayısı, düşük sıcaklıkta-çalışma
performansı, kararlılık, yağlayıcılık, temizleyicilik ve ısı değeri gibi
özelliklerdir.
‘Premium Dizel’ olarak adlandırılan bu yakıtların mevcut
dizel yakıtlarının (ASTM D 975) şartnamelerini ve ayrıca Tablo-4’de belirtilen
özelliklerden en az ikisini karşılaması gerekmektedir.
Tablo-4: Premium
Dizel Yakıtı İçin Ek Özellikler
Özellik
|
Şartname
|
Test
ASTM
|
Isı değeri, Btu/gal,min.
|
138700
|
D 240
|
Setan sayısı, min.
|
47.0
|
D 613
|
Düşük sıcaklıkta çalışma
|
(D 975) maks. >2 0C
|
D 2500-4539
|
Termal stabilite, 3 sa. 150 0C, min.
|
% 80
|
Octel F21-61
|
Yakıt injektörü temizliği
|
L-10 İnjektör
|
|
Akış kaybı, % maks..
|
6
|
|
CRC derecesi, % maks.
|
10
|
c. Biyodizel
Biyodizel, petrol bazlı dizel yakıtına alternatif olarak
üretilmeye başlanmış olan bir dizel motor yakıtıdır; en önemli avantajı
yenilenebilir bir enerji kaynağı olmasıdır. Genel olarak ‘biyodizel’ terimi
bitkisel veya hayvansal yağlardan elde edilen çok sayıda ürünü kapsar. (Bak.
‘Bölüm Alternatif Yakıtlar, 6.4.2. 2. Biyodizel Üretimi)
d.
Fischer-Tropsch Dizeli (FTD)
Fischer-Tropsch dizeli doğal gaz, kömür, rafineri dip ürünleri, ağır yağlar ve
biyokütleden elde edilebilen sentetik bir üründür; GTL (gazdan-sıvıya;
Gas To Liquid) dizeli olarak da tanımlanır. FTD hampetrolden üretilen dizel
yakıtına kıyasla bazı avantajlara sahiptir; bunlardan en önemlileri setan
sayısının çok yüksek olması ve sülfür içermemesidir. (Bak. ‘Bölüm Alternatif Yakıtlar, 6.1.1. Biyogazdan Fischer-Tropsch Dizel
yakıtı)
