bujiile2
2. DİREKT PÜSKÜRTMELİ BENZİN MOTORLARI
DP ve emme kanalına yakıt püskürtmeli (EKYP) motorlar arasındaki temel fark karışımın hazırlanmasındadır (Şekil 3).
Şekil 3. Direkt püskürtmeli ve emme kanalına yakıt püskürtmeli motorlar [7,8]
EMKP motorda yakıt her bir silindirin emme portuna püskürtülür ve püskürtme ile yakıt/hava karışımının silindire alınması arasında bir zaman farkı vardır. Günümüz otomobil motorlarının büyük çoğunluğunda emme supabının kapanma zamanına kadar, supabının arkasına yakıt püskürtülmesi devam eder. Soğukta ilk hareket esnasında, emme supabı port yüzeylerinde sıvı yakıt taneciklerinin oluşturduğu geçici bir film veya birikinti oluşur. Bu durumda yakıtın dağıtılması gecikir ve yakıtın kısmi buharlaşmasından dolayı, doğal bir ölçme hatası olarak ideal stokiyometrik oranı yakalamak için püskürtülen yakıt miktarı önemli miktarda arttırılır. Bu yakıt birikintisi ve zaman gecikmesi, motorun ilk 4-10 çevriminde kısmi yanma sebebiyle yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonlarında önemli bir artışa sebep olur. Alternatif olarak yakıtın direkt olarak silindirlerin içerisine püskürtülmesi ile yakıtın port duvarlarını ıslatması problemi tamamen ortadan kaldırılmıştır. Ayrıca yakıtın silindir içerisine gönderilme zamanı kısalmakta ve her bir yanma olayı için yakıt çok daha hassas bir şekilde ölçülebilmektedir. Herhangi bir çevrimde silindirlere giren gerçek yakıt miktarı direkt enjeksiyon sistemi ile EKYP sistemlerine göre, çok daha gerçekçi bir şekilde kontrol edilebilmektedir. DP motorlarda, karışım daha fakir, yakıt/hava karışımının silindirden silindire değişimi daha az ve özgül yakıt tüketimi daha düşüktür. Ayrıca, soğukta ilk harekette yanmamış HC emisyonları daha az ve motorun geçiş tepkisi daha iyidir. DP sisteminde yakıt basıncı daha yüksek olduğundan, EKYP motorlara göre silindir içerisinde daha iyi atomize olmakta ve özellikle soğuk çalışma şartlarında yakıtın çok daha iyi buharlaşması sağlanmaktadır. DP yakıt sisteminde, ortalama tanecik boyutu 16 mikron iken, EKYP sisteminde 120 mikron olmaktadır. DP benzin motorlarında yakıtın silindir içerisine direkt olarak püskürtülmesi, yakıt filmi oluşması problemini tamamen ortadan kaldırmamaktadır. Piston tepesinde ve yanma odasının diğer yüzeylerinde oluşan ıslaklık, geçici film oluşumu ve buharlaşmanın değişimi bakımından önemlidir [1].
DP yakıt sistemi, port duvarlarının ıslanması probleminin dışında, EKYP motorlardaki bir çok sınırlamaları ortadan kaldırmaktadır. Şekil 4’de DP ve EKYP motorlarda, motor çalışana kadar püskürtülmesi gereken yakıt miktarları görülmektedir [9]. DP yakıt sisteminde motorun ilk harekete geçmesi için gerekli olan yakıt miktarı çok daha azdır ve ortam sıcaklığı azaldıkça bu farkta büyümektedir.
Şekil 4. DP ve EKYP yakıt sistemlerinde, farklı ortam sıcaklıklarında motorun ilk harekete geçmesi için gerekli yakıt miktarı [9]
EKYP motorlarda diğer bir sınırlama da, yük kontrolünün kelebek vasıtası ile yapılmasıdır. EKYP motorlarda kelebek ile yük kontrolü geçerliliği kabul edilmiş ve güvenli bir mekanizma olmasına rağmen, kısılma ile meydana gelen kayıplar önemli boyuttadır. Düşük motor yüklerinde, yük seviyesini ayarlamak için kelebeğinin kısılması ile pompalama kayıpları ve termik verimde azalma meydana gelmektedir. Günümüz EKYP motorları hala yük kontrolü için kelebek kullanmaktadırlar. Ayrıca bu motorlarda emme portunda sıvı yakıt filmi oluşumu devam etmektedir. Bu iki temel çalışma gereksinimi, EKYP motorlarda yakıt ekonomisi ve emisyonlara karşı yapılan çalışmaların önünde büyük engel oluşturmaktadır. EKYP motor teknolojisinde sürekli iyileştirmeler yapılsa da, hem yakıt ekonomisi hem de emisyonları birlikte iyileştirmek mümkün gözükmemektedir. DP motorlarda teorik olarak, hem bu iki önemli problem ortadan kaldırılmakta hem de performans sınırları genişletilmektedir. DP motorların EKYP motorlara teorik olarak üstünlükleri aşağıda özetlenmiştir:
· Yakıt ekonomisinde iyileşme (% 25’e ulaşan potansiyel iyileşme)
· Pompalama kayıplarında azalma
· Isı kayıplarında azalma
· Daha yüksek sıkıştırma oranı (emme esnasında püskürtme ve yakıtın buharlaşması ile silindirdeki havanın soğutulması motorun vuruntu temayülünü azaltmaktadır. Bu durum, yüksek sıkıştırma oranı ve yanma veriminde iyileşme sağlamaktadır)
Şekil 5. DP ve EKYP motorlarda sıkıştırma oranı değişimi
· Daha düşük oktan sayılı benzin gereksinimi (emme esnasında püskürtme ile dolgunun soğutulması)
· Volumetrik verimde artış (emme zamanında püskürtme ve yakıtın buharlaşması ile dolgunun soğutulması, ayrıca yukarıya doğru ve düz emme portları daha iyi hava akışı sağlanarak volumetrik verimde artış sağlanmaktadır) (Şekil 6)
Şekil 6. DP ve EKYP motorlarda volumetrik verim değişimi [10]
· Taşıtın yavaşlaması sırasında yakıt kesme (manifoldda yakıt filmi oluşmamakta)
· Motor performansında artış (EKYP motorlarla karşılaştırıldığında, DP motorlar bütün motor devirlerinde yaklaşık % 10 daha yüksek çıkış gücü ve motor momenti sağlar)
Şekil 7. DP yakıt sistemleri ile motor gücü ve momentte iyileşme [11]
· İyileştirilmiş geçiş tepkisi
· Taşıtın ivmelenmesi esnasında zengin karışım gereksiniminin azaltılması
· Daha iyi taşıt ivmelenmesi (DP motorlar çok yüksek ivmelenme yeteneğine sahiptir)
Şekil 8. Taşıtın ivmelenmesi yönünden DP ve EKYP motorların karşılaştırılması [10]
· Daha kusursuz yakıt/hava oranı kontrolü
· Daha çabuk ilk hareket
· Soğukta ilk harekette daha az ek yakıt ihtiyacı
· Daha geniş egzoz gazı resirkülasyonu (EGR) tolerans sınırı
· Emisyon yönünden sağlanan avantajlar
· Soğukta ilk harekette yanmamış HC emisyonlarının azaltılması
· Daha az karbondioksit (CO2) emisyonları
“Common-rail” DP enjeksiyon sistemlerinde enjeksiyon basıncının, EKYP sistemlere göre önemli ölçüde büyük olması hem yakıtın atomizasyon derecesini hem de buharlaşma hızını arttırmaktadır. Böylece, bir veya ikinci enjeksiyondan sonra fazla yakıt gerektirmeden, yanma daha kararlı hale gelmektedir. Bu sebeple, DP motorlarda soğukta ilk harekette oluşan yanmamış HC emisyonları, kararlı çalışma şartlarındaki seviyeye yaklaşabilmektedir. Prototip bir Nissan DP motorunda soğukta ilk çalıştırmada oluşan yanmamış HC emisyonları, EKYP motora göre % 30 daha düşük çıkmıştır [12]. DP yakıt sisteminin diğer bir avantajı da yavaşlama esnasında yakıtın kesilmesidir. Bu sistem hem yakıt ekonomisinde, hem de yanmamış HC emisyonlarında önemli bir iyileşme sağlamaktadır. EKYP motorlarda yavaşlama esnasında yakıt kesilecek olursa, emme portunda oluşan yakıt filmi tabakası azalacaktır. Bu durumda, yanma birkaç çevrim boyunca fakir karışımla olacağından genellikle geri tepme meydana gelir. Bu yüzden yavaşlamada yakıt kesme sistemi EKYP motorlarda uygulanabilir değildir.
EKYP motorların da DP motorlara göre bazı sınırlı avantajları vardır. EKYP motorlarda emme sistemi bir ön buharlaşma odası olarak görev yapar. Yakıt silindir içerisine direkt olarak püskürtüldüğünde, karışımın hazırlanma zamanı önemli ölçüde azalmaktadır. Sonuç olarak, yakıt spreyinin atomizasyonu, püskürtme ve ateşleme zamanları arasındaki sınırlı zamanda yakıtın buharlaşmasına yetecek kadar iyi olmalıdır. Buharlaşmamış yakıt damlacıkları, yayılan alev dalgasına kapılarak yanmamış HC emisyonu olarak ortaya çıkacaktır. Ayrıca, silindir içerisine direkt olarak püskürtülen yakıt piston tepesine veya silindir duvarlarına beklenmedik bir şekilde çarpabilir. Eğer motor tasarımında bu faktörler ortaya konulmazsa, yanmamış HC ve partikül emisyonu seviyesinin artması ve silindirlerin aşınması, iyi tasarlanmış bir EKYP motorundan daha fazla olabilir. DP motorların sağladığı önemli avantajların yanında, çözüm bekleyen bazı problemleri vardır. Bunlar, aşağıda sıralanmıştır.
· Bütün çalışma aralıklarında karışım oluşturma zorlukları,
· Kademesiz yük değişimleri için karmaşık kontrol sistemleri gereksinimi,
· Enjektörde yüksek oranda birikinti oluşumu,
· Kısmi yüklerde yüksek oranda yanmamış HC emisyonları oluşumu,
· Tam yük çalışma koşullarında daha yüksek oranda (azot oksit) NOx emisyonları,
· Kısmi yük çalışma şartlarında bölgesel NOx oluşumunda artış,
· Tam yük çalışma şartlarında is oluşumu,
· Partikül emisyonlarında artış,
· 3 yollu katalizör kullanımında verim düşmesi,
· Yüksek basınç ve yakıtın yağlama özelliğinin az olması sebebiyle yakıt sistemi elemanlarında çabuk aşınma,
· Silindir aşıntısının artması,
· Enjektörler ve yakıt sisteminin diğer elemanları için elektrik güç ihtiyacında artış.
Bütün bu problemlerine rağmen, geliştirilmiş EKYP motorlarla karşılaştırıldığında DP benzin motorları gelecek için yeni bir ufuk açmaktadır. Bu motorlarla hem yakıt ekonomisi, hem de yanmamış HC emisyonlarındaki azalma aynı anda sağlanabilmektedir
