Hava Yakıt Karışımı Çeşitleri ve Homojen - Katmanlı Karışım

Katmanlı (Kademeli) Karışım ve Homojen Karışım Nedir?

Direkt benzin enjeksiyon sistemindeki hava-yakıt karışımına hem katmanlı karışım (katmanlı enjeksiyon), hem de homojen karışım olarak ayarlanabilmektedir.

Katmanlı (Kademeli) Şarj:Katmanlı karışıma (yakıt enjeksiyonu), kademeli karışım, kademeli şarj, katmanlı şarj gibi isimler de verilmektedir. Katmanlı karışımla (hava-yakıt karışımı) motor çalıştığında, yakıt tüketimi daha düşük gerçekleşmektedir.

Enjektör; benzini, emme zamanından sonra yani silindire hava alındıktan sonra, piston üst ölü noktaya (ÜÖN) hareket ederken sıkıştırma zamanının son kısmında püskürtmektedir. Benzin, sıkıştırma zamanının son kısmında, bujiye yakın noktaya püskürtüldüğünden, o küçük alanda bir zengin karışım oluşur, o alanın çevresindeyse daha az yakıt içerek fakir karışım oluşur. Sisteme kademeli-katmanlı şarj denmesinin sebebi budur, önce bujiye yakın kısımdaki zengin karışımlı kısım yanar, ve alev kademeli olarak yayılarak çevresindeki fakir karışımı yakar.

Sonuç olarak yanma odasına az miktarda püskürtülen yakıt (ve oluşan fakir karışım), kademeli olarak yakılmış olur. Bu yakıt enjeksiyonu, düşük yakıt sarfiyatı sağlar, fakat bu mod orta ve düşük motor devirlerinde veya yüklerinde kullanılabilir. Yüksek motor performansı talep edildiğinde (hızlanırken-yokuş çıkarken vb.), sistem homojen şarj (homojen hava-yakıt karışımı moduna geçer. Benzinli motorda fakir karışım yeterli motor gücü üretemediğinden, motor sürekli fakir karışımla (katmanlı şarjla) çalıştırılamaz. Dizel motorlarsa sürekli fakir karışımla (hava fazlasıyla) çalışır.

Direk benzin enjeksiyonlu motorlarda, katmanlı (kademeli) karışımla beraber; piston kafasına şekil (oyuk yapı) verilir, emme manfoldu hava kanallarına klapeler (türbülans klapeleri) yerleştirilmesiyle (değişken yollu emme manifoldu), emilen havanın hızı arttırılır, yanma odasına girdiğinde türbülanslı bir dönüş hareketi sağlanır, karışımın bujiye yakın bir noktada oluşması sağlanır.

Katmanlı halde karışım (bujiye yakın zengin karışım ve onu çevreleyen fakir karışım) olmasaydı ve yanma odasında homojen olarak fakir karışım oluşsaydı, yanma düzensiz olurdu ve motor tekleyerek çalışırdı.

Katmanlı karışımla çalışan motor için Volkswagen FSI - TSI motor örnek verilebilir.

Homojen Karışım: Homojen karışımda enjektör; benzini, silindire hava emilirken (emme zamanında) püskürtür. Homojen karışımla çalışan motorun performansı daha yüksek olmaktadır, fakat yakıt sarfiyatı artmaktadır. Yakıtın, emme zamanında silindire havanın büyük bir hızla alınması sırasında püskürtülmesi sayesinde, hava ile yakıt çok iyi şekilde karışır ve homojen bir yapı oluşur; homojen karışım adı buradan gelir. Homojen karışımda, hava ve yakıt zerrecikleri karışımın tüm bölgelerinde aynı oranda bulunur ve buji kıvılcımıyla başlayan yanma düzenli ve hızlı bir şekilde gerçekleşir.

Benzinli motorda;

Fakir hava-yakıt karışımı fakir olursa, bu durumda silindirlere çok fazla hava ve az yakıt alınıp yakılıyor demektir. Fakir karışımda lambda 1’den büyüktür (lambda > 1). Yakıt sarfiyatını düşürmek için karışım uygun miktarda fakirleştirilebilir, yanma odasına fazladan hava (oksijen) alındığından, yakıtın tamamı yakılabilir. Bu durumda motor performansı azalır ve diğer emisyonlar azalır fakat oksijen fazlalığı ve yüksek sıcaklık sebebiyle NOx emisyonları artar. Motor çok fakir karışımla çalışırsa vuruntu meydana gelir.

Zengin hava yakıt karışımı olursa, bu durumda motora çok yakıt ve az hava alınıyor demektir. Zengin karışımda lambda 1’den küçüktür (lambda < 1). Motor performansını yükseltmek için karışım uygun miktarda zenginleştirilebilir, yanma odasına biraz fazla yakıt alındığından motor performansı artar ama, görece ortamda daha az hava olduğundan, yakıtın tamamı yakılamaz, yakıt sarfiyatı artar ve egzoz emisyonları da artar.

İdeal hava yakıt karışımı (Stokiyometrik Oran) olduğunda, kimyasal olarak 1 gram yakıtın tam olarak verimli bir şekilde yakılabilmesi için 14,7 gram hava ile karıştırılması gerekir. Bu ideal oran, püskürtülen benzinin tam olarak yakılmasını sağlar. Bu durumda egzozda oluşan zararlı emisyonlar %99 oranında üç yollu katalitik konvertörle zararsız hale dönüştürülür.

Klasik çok nokta enjeksiyonlu atmosferik bir benzinli motorda, hava yakıt karışımı lamda=1 (stokiyometrik oran - ideal hava yakıt karışımı) olarak ayarlanır. Motor kontrol ünitesi (ECU) bu hava yakıt oranını tutturabilmek için, benzin enjeksiyonunu ve emilen hava miktarını sürekli ayarlar. Bu ayarlamayı yapabilmek için lamda (oksijen) sensörünün sinyallerini temel alır; gaz kelebeğine ve enjektörlere müdahale eder.

Görüldüğü gibi benzinli motorda hava yakıt karışımının ayarlanmasında sınırlar vardır, her zaman zengin veya her zaman fakir karışımla motoru çalıştırmak, değişen beklentileri (performans ve yakıt ekonomisi beklentisi) aynı anda karşılamamaktadır. Bunun dışında benzin-hava karışımında aşırı fakir ve aşırı zengin karışım oluşması, yanma verimini düşürecektir. Bu sebeple hava-yakıt karışımının (lamda) ayarlanması belirli limit değerler aralığında olmaktadır (lambda 0,5 ila 4 arasında olduğunda benzin tutuşabilir).

Direkt benzinli enjeksiyonlu motorda, katmanlı enjeksiyonda, hava-yakıt karışımı oranı ideal oran ile fakir (lambda > 1) arasında değişken olarak çalıştırılabilmektedir. Yani lamda oranı 1 ila 3 arasında değişebilmektedir. Enjeksiyon hem homojen (yüksek performans), hem de katmanlı enjeksiyon (düşük yakıt tüketimi) modlarını sunabilir.