Page 1

YAKITLAR VE YANMA YANMA Bir yakıtın oksijenle birleşerek ısı ve ışık meydana getirmesine yanma denir. Yanma olabilmesi için yakıt ve oksijenle birlikte ısı da gerekir. Oksijen havadan alınır. Isı ise dizel motorlarında sıkıştırma zamanında hava sıkıştırılarak elde edilir. Yanma Çeşitleri 1- Yavaş yanma 2- Hızlı yanma a- Tam yanma b- Eksik yanma 1-Yavaş yanma: Bir maddenin uzun zaman içinde yavaş, yavaş oksitlenmesidir. 2-Hızlı Yanma: Hızlı yanmada yakıt, yüksek sıcaklık ve basınç etkisiyle esas elemanları olan hidrojen ve karbona ayrışır, her ikisi de ayrı ayrı oksitlenerek su buharı (H2O) ve karbondioksit (CO2) meydana getirir. Yakıtların yanması oksijenle birleşme durumuna göre tam yanma ve eksik yanma olarak iki şekilde ifade edilir. a-Tam yanma: Yakıtın tamamının oksijen bulup yanabilmesi durumudur. Yanma sonucunda karbondioksit (CO2) gazı çıkar. Bu gaz renksiz, kokusuz ve zehirleyici değildir. Yakıt + Oksijen + Isı = Karbondioksit + Su + oksijen + Isı + Işık C16 H 34 + 25 1/2 O2 + Isı = 16 CO2 + 17 H2 O + O2 + Isı + Işık b- Eksik yanma: Yakıtın, yeteri kadar oksijen bulamadan yanmasıdır. Yanma sonucunda hidrojen, karbon ve zehirli, siyah renkte bir gaz olan karbon monoksit (CO) meydana gelir. C16 H 34 + 19 1/2 O2 + Isı = 13 CO2 + 12 H2 O + CO + 2C + 10 H + Isı + Işık Hava Fazlalık Katsayısı Yakıttan tam enerji alabilmek için, yakıtın tamamının yanması şarttır. Bunun için yeteri kadar oksijene, yani havaya ihtiyaç vardır. Bu nedenle dizel motorlarında yakıtın tamamen yanabilmesi için silindire, teorik olarak girecek havadan daha fazla hava gönderilir. Silindire gönderilen hava ile teorik hava miktarı arasındaki orana hava fazlalık katsayısı denir. Bu değer dizel motorlarında 1,2 civarındadır.

Dizel Motorlarında Yanma 11


YAKITLAR VE YANMA Dizel motorlarında yanma olayı şu evrelerden meydana gelir.

AÖN 1234-

ÜÖN

AÖN

Tutuşma gecikmesi Kontrolsüz yanma Kontrollü yanma Gecikmiş yanma

1-Tutuşma Gecikmesi Sıkıştırma periyodu sonunda, yakıtın silindir içine püskürmeye başladığı andan, tutuşmaya kadar geçen zamandır. Yakıt zerrelerinin tutuşabilmesi için önce oksijenle karışması ve tutuşma sıcaklığına yükselmesi gerekir. Bu nedenle belirli bir zamana gerek vardır ve bu zamana tutuşma gecikmesi denir. Bu süre 2000 dev/ dakika da çalışan bir motorda yaklaşık 0,0009 saniye civarındadır. Gecikmenin fazla olması "Dizel vuruntusu" olayının çok şiddetli olmasına neden olacağından bu süreyi olanaklar çerçevesinde azaltmak gerekir, fakat çok da azaltılması; yakıtın enjektörden püskürmesinden hemen sonra tutuşmasına, enjektör memesinin ısınarak yakıtta "kraking" (parçalanma) olayına neden olmasına ve karbonlaşma sonucunda kötü ve dumanlı bir şekilde yanmaya neden olacağından pek de önerilecek bir şey değildir. Bu süreyi doğrudan etkileyen faktörler şunlardır; a- Sıkıştırma sonu sıcaklığı b- Sıkıştırma sonu basıncı c- Yakıtın kimyasal yapısı d- Yakıtın atomize edilmesi e- Sıkıştırılan havanın türbülansı a- Sıkıştırma sonu sıcaklığı: Sıkıştırma sonundaki sıcaklık değeri, emme havası ve soğutma suyunun sıcaklığına bağlı olarak değişir. Yani havanın ve soğutma suyunun sıcaklığı artarsa tutuşma gecikmesi azalır. b- Sıkıştırma sonu basıncı: Sıkıştırma sonu basıncı, sıkıştırma oranına ve içeriye alınan havanın basıncına bağlı olarak değişir. Bu değerler arttıkça 12


YAKITLAR VE YANMA sıkıştırma sonu basıncı artar ve yakıtın kısa zamanda tutuşması sağlanır, tutuşma gecikmesi azalır. c- Yakıtın kimyasal yapısı: Bu konuda en önemle faktör yakıtın setan sayısıdır. Yakıtın setan sayısı arttıkça tutuşma gecikmesi azalır. Setan sayısı ile ilgili ayrıntılı bilgi için yakıtlar kısmına bakınız. d- Yakıtın atomize edilmesi: Yanma odasına püskürtülen yakıt zerreleri, ne kadar küçük olursa yakıtın tutuşması o kadar kolay olur, yani tutuşma gecikmesi azalır. Bu zerreciklerin büyüklüğü ise yakıtın viskozitesine, püskürtme basıncına ve enjektör deliklerinin çapına göre değişir. Zerreciklerin küçük olabilmesi için viskozite yüksek olmalı, püskürtme basıncı fazla olmalı, enjektör deliklerinin çapı küçük olmalıdır. e- Sıkıştırılan havada meydana gelen türbülans: Sıkıştırılmış hava içindeki hava akımları (türbülans), yakıt zerrelerini yanma odasına dağıttığı gibi zerrelerin ısınmasını da sağlar. Bu da tutuşma gecikmesini azaltır. Bu hava akımları ise silindire giren havayı yönlendirmek, pistona veya yanma odasına özel şekiller vermek suretiyle sağlanır. Ayrıca motor devir sayısı da türbülansı arttırır. 2-Kontrolsüz Yanma Tutuşma gecikmesi süresi boyunca silindire püskürtülen ve burada biriken yakıt ısınır, havayla karışır ve belirli bir derecede buharlaşır. İlk alev çekirdeği meydana geldiği anda bu yakıtın hepsi birden yanmaya iştirak eder ve hızla yanar. Hızlı yanmadan dolayı silindirde ani bir basınç yükselmesi meydana gelir. Ani basınç yükselmesi ise, motor parçaları arasındaki boşluklardan dolayı motorun sert ve sarsıntılı çalışmasına neden olur. Buna dizel vuruntusu denir. Dizel vuruntusunun azaltılabilmesi için tutuşma gecikmesinin kısaltılması ve başlangıçta yakıt püskürme miktarının düşürülmesi gerekir. Bu durum kısmalı tip enjektör memesi kullanılarak elde edilir. 3-Kontrollü Yanma Kontrolsüz yanma sona erdiğinde silindir içindeki basınç ve sıcaklık, enjektörden püskürtülen yakıtı yakabilecek bir değere ulaşır ve püskürmeye devam eden yakıt, hiçbir gecikme olmadan silindire girdikçe yanar. Basınçta en yüksek noktaya erişinceye kadar bir yükselme görülür. Geri kalan püskürme ve yanma esnasında basınç sabit kalır. 4- Gecikmiş Yanma Yakıtın silindire püskürtülmesi bitmiş ve motor genişleme zamanına geçmiştir. Daha önce püskürtülen ve yanma fırsatı bulamayan yakıt, genişleme zamanında oksijen buldukça yanar. Bu yanmaya gecikmiş yanma denir. DİZEL MOTORLARINDA YAKIT KONTROLÜ Genel 13


YAKITLAR VE YANMA Hava yakıt karışım formasyonu, dizel motorun yanma gürültüsünü, egzoz gaz kompozisyonunu ve yakıt tüketimini gözle görülür biçimde etkiler. Yakıt püskürme sistemi, karışım formasyonuna önemli bir katkı sağlar. Yakıt püskürme sisteminin çeşitli parametreleri, yanma odasındaki karışım formasyonunu ve yanma prosesini etkiler. Bu faktörler aşağıda açıklanmıştır. ♦ Yakıt dağıtım başlangıcı ile püskürme başlangıcı ♦ Püskürme süresi ve deşarj hızı ♦ Püskürme basıncı ♦ Enjektör meme sayısı ve püskürme yönü ♦ Fazla hava Yakıt dağıtım başlangıcı ve püskürme başlangıcı Dağıtım başlangıcı konusu, yakıt pompasının aktüel dağıtım başlangıcını ifade eder. Dağıtım başlangıcı ile birlikte aktüel püskürme başlangıcı, motorun en iyi şekilde çalışması için en önemli konudur. Dağıtım başlangıcı, duran bir motorun aktüel püskürme başlangıcında daha kolay belirlenebildiğinden dolayı dizel yakıt pompasının avansı, dağıtım başlangıcında başlar. Dağıtım başlangıcı ile püskürme başlangıcı arasında tanımlanmış bir ilişki olduğundan dolayı bu mümkündür. Püskürme başlangıcı, enjektör memesi açıldığı ve yakıt yanma odasına püskürtüldüğü anda pistonun üst ölü nokta (Ü.Ö.N.) bölgesinde krank açısı ile ifade edilir. Yanma odasındaki yakıt püskürme başlangıcı, yakıt hava karışımının yanma başlangıcında önemli bir etkiye sahiptir. Maksimum sıkıştırma sıcaklığı Ü.Ö.N.’da oluşur. Yanma Ü.Ö.N.’dan önce başlamışsa yanma basıncı hızla artar ve pistonun yukarı hareketini yavaşlatır ve bu yüzden verim düşer. Yanma basıncının aşırı artışı gürültülü motor çalışmasına neden olur. Her şeye rağmen yanma, egzoz supabı açılmadan önce tamamlanmalıdır. Yanma Ü.Ö.N. bölgesinde başlarsa en düşük yakıt tüketimi elde edilir. Yanma başlangıcı gecikirse yanma odasındaki sıcaklık artar ve bu yüzden NOx emisyonlarında bir artışa neden olur. Püskürme başlangıcı çok geç olursa tam yanmamış hidrokarbonların emisyonunda artışa ve tam olmayan yanmaya neden olabilir. Pistonun anlık pozisyonu, yanma odasındaki havanın hareketini, yoğunluğunu ve sıcaklığını etkiler. Sonuç olarak yakıt hava karışımının karışım miktarı ve hareket hızı püskürme başlangıcına bağlıdır. Bu yüzden püskürme başlangıcı, tam olmayan yanmayı ve is emisyonunu etkiler. Bir yandan spesifik yakıt tüketimi ve hidrokarbon emisyonları, diğer yandan siyah duman ve NOx emisyonlarının ters olarak birbirlerine bağlılığı, en iyi kendi değerini elde etmek için püskürme başlangıcının minimum toleransına bağlıdır. Farklı sıcaklıklarda farklı ateşleme gecikmesi, püskürme başlangıcına bağlı farklı sıcaklık gerektirir. Dağıtım sırasında yakıtın yayılma zamanı hat uzunluğuna bağlıdır. Bu durum, yüksek hızlarda püskürme gecikmesiyle, ilave daha yüksek hızlarda daha fazla püskürme gecikmesi ile sonuçlanır. Bu her iki faktör, bir yakıt sisteminin püskürme başlangıcının avansına bağlı hızda, avans tertibatını içine aldığı için telafi edilmelidir. Gürültü ve emisyon sonuçları için, tam yükte farklı bir püskürme plan başlangıcı, kısmi yükten daha fazla gerekir. Püskürme plan başlangıcı, 14


YAKITLAR VE YANMA

Püskürme Başlangıcı

şematik olarak sıcaklık, yük ve motor hızına göre püskürme başlangıcının bağlantısını gösterir.

Avans

Motor hızı

Püskürme gecikmesi

Püskürme başlangıcının bir fonksiyonu olarak NOx ve Hidrokarbon emisyonlarının dağılım bandı yukarıda solda görülmektedir. Bu grafikte optimum püskürme başlangıcı orta bölümde “a” ile gösterilmiştir. Hız, yük ve soğukta ilk hareket pozisyonları sıcaklığının bir fonksiyonu olarak püskürme plan başlangıcı yukarıda sağda görülmektedir. Bu grafikte belirtilen rakamlar şu pozisyonları ifade eder. 1. Soğukta ilk hareket 2. Tam yük 3. Kısmi yük Püskürme süresi ve deşarj oranı Deşarj oranı terimi, krank mili ve kam mili açısının bir fonksiyonu olarak yanma odasına püskürtülen yakıt miktarının karakteristik eğrisini belirtir. Deşarj eğri oranını etkileyen ana parametrelerden birisi püskürme süresidir. Bu, krank mili veya kam mili derecesi veya mili saniyesi olarak ölçülür, enjektör memesinin açık olduğu ve yanma odasına yakıtın püskürdüğü süredir. Aşağıda kam açısının bir fonksiyonu olarak memeden yakıtın nasıl püskürdüğü ve pompa tarafından püskürtülen yakıt dağıtımının nasıl başladığı görülmektedir. Burada püskürmeyi gerçekleştiren üniteler (kam, pompalama elemanı, dağıtım valfi, dağıtım hattı ve meme) tarafından etkilenen ve pompa elemanı ve meme arasındaki deşarj eğri oranı ile basınç karakteristiği görülebilir. Çeşitli dizel yanma metotları için her durumda farklı püskürme süreleri gerekir. Direk püskürmeli motorlarda belirli hızda yaklaşık 25...30° krank açısı, ön yanma odalı motorda 35...40° krank açısı gerekir. Enjektör pompasının 2000 d/d’lık bir hızında 1.25 ms’lik bir püskürme süresi, 15° kam mili açısına eşdeğer 30°’lik krank mili açısına tekabül eden püskürme süresi anlamına gelir. İs emisyonunu 15


YAKITLAR VE YANMA ve yakıt tüketimini düşük seviyede tutmak için püskürme süresi, püskürme başlangıcına zamanlanmış ve çalışma noktasının bir fonksiyonu olarak tanımlanmalıdır. Sonunda büyük bir miktarda yakıt gerekirken püskürme başlangıcında, sadece az bir miktarda yakıt akacaktır. Daha sonra meme mümkün olduğu kadar hızlı ve güvenilir bir şekilde kapanacaktır. Bu tür deşarj eğri oranı, yavaşça yükselen yanma basıncına neden olur. Esas yanmadan önce iyi bir şekilde atomize edilmiş az bir miktarda yakıt, yanma odasına püskürtülürse yanma sesinde belirgin bir azalma olur. Direk püskürmeli motorlarda, yanma sessiz bir şekilde meydana gelir. Bu tür bir pilot püskürme metodu hala çok masraflıdır. Ön yanma odalı ve türbülanslı yanma odalı motorlarda kısmalı pimli tip enjektör memeleri kullanılır. Bu memeler tek bir yakıt memesinden oluşur ve deşarj eğri oranını belirler. Memeler, enjektör strokunun bir fonksiyonu olarak deşarj bölgesini kontrol eder. İkinci püskürme (veya damlama olarak ta isimlendirilir) kısmen önemli değildir ve yanma prosesi sırasında daha geç püskürtülen fakir olarak hazırlanmış yakıtın hemen kapandıktan sonra tekrar kısa bir süre açılan memeden püskürmesidir. Bu yakıt eksik bir şekilde yanar ve yanmamış hidrokarbon olarak egzoza girer.

G / kWh

Meme dizayn şeklinin hidrokarbon emisyonlarına etkisi yandaki grafikte gösterilmiştir. a) Kör deliksiz meme b) Minyatür kör delikli meme 1) 1,3 lt/ silindirli motor 2) 2 lt/silindirli motor

Püskürme basıncı Yakıt ve hava arasındaki hız görece daha yüksek, yanma odasındaki havanın yoğunluğu daha yüksek, dizel yakıtın atomizasyonu daha güzel olur. Yüksek yakıt basıncı, yüksek yakıt hızına neden olur. Bölünmüş yanma odalı dizel motorlarında, türbülans haznesinde veya yardımcı yanma odasında veya bağlantı kanalında türbülans ve ana yanma odalarında yüksek hava hızında çalışılır. Burada, yaklaşık 350 barın üzerinde basınç kullanılarak avantajlar elde edilmez. Direk püskürmeli motorlarda yanma odasındaki havanın hızı görece düşüktür ve karışım normaldir. Yüksek basınçta yanma odasına yakıt püskürtülürse karışım önemli oranda daha iyi olur.Yaklaşık 1000 bara kadar olan püskürme basınçlarında kısmen düşük hızlarda is emisyonu büyük ölçüde düşürülebilir. Daha yüksek püskürme basınçları önemli ölçüde yakıtı artırır. 16


YAKITLAR VE YANMA Püskürme yönü Ön yanma veya türbülanslı dizel motorlarında, kendi yanma odası ile eşleşen yönde sadece bir püskürme jeti çalışır. Sapmalar, yanma havasından daha az faydalanmaya neden olur ve böylece hidrokarbon emisyonları ve siyah dumanda bir artış görülür. Direk püskürmeli motorlarda genellikle kendi yanma odasına tam olarak adapte olmuş püskürme yönünde 4 / 6 delikli meme çalışır. En iyi püskürme yönünden 2° civarında bir sapma siyah duman emisyonunda ve yakıt tüketiminde ölçülebilir bir artışa neden olur. Fazla hava ve egzoz gazının davranışı Dizel motorları genellikle emiş havasının kısılması ile çalışır. Aşırı fazla hava varsa yakıt, yanma odasında temiz bir şekilde yanar. Karbon monoksit ve is gibi egzoz gaz bileşikleri çok düşük konsantrasyonda şekillenir. Yanma odasındaki fazla hava, püskürtülen yakıt miktarının arttırılması ile düşer. Motor ağırlığı ve motor maliyeti göz önüne alındığında mümkün olan maksimum güç için belirli bir motor süpürme hacmi vardır. Motor bu yüzden aşırı yükte biraz fazla hava ile çalıştırılır. Yine de hava fazlalığı az ise emisyonlar sınırlanmalıdır. Örneğin yakıt miktarı, motor hızının bir fonksiyonu olarak ve kullanılabilir hava miktarı yönünden tam olarak ölçülmelidir. Düşük hava basıncı (örneğin yüksek rakımda) kullanılabilir hava miktarının azaltılması için püskürtülen yakıt miktarının adaptasyonunu gerektirir. Turboşarj: Turbolu motorlarda püskürtülen yakıt miktarı, emme manifold basıncın bir fonksiyonu olarak sınırlanır. Egzoz gazının yeniden dolaşımı (EGR) EGR’li motorlarda egzoz havası, NOx emisyonlarını azaltmak için kısmi yükte emme havası ile karıştırılabilir. Bu oran, şarjın oksijen konsantrasyonunu azaltır ve ilave olarak egzoz gazını havadan daha yüksek spesifik bir sıcaklığın etkisi altına alır. Her iki etki yanma sıcaklığını (NOx formasyonunda) azaltır. EGR oranının artması, motora giren taze havayı ve böylece fazla hava miktarını azaltır. Şarj, egzoz gazında aşırı bir oran ihtiva ederse egzoz gazında is ve hidrokarbon emisyonları artar. Egzoz gazının yeniden dolaşımı ile NOx emisyonlarını büyük ölçüde azaltma girişimleri, kısmi yükte kullanılabilir hava miktarında püskürtülen yakıt miktarının tam ayarının yapılmasını gerektirir. Diğer yandan tekrar dolaşıma sokulan egzoz gazı, yanma odasına püskürtülen yakıtın yanması için yeterli oksijen kullanabilecek şekilde sınırlanmalıdır. YANMA ODALARI Dizel motorlarında iyi bir yanma için en önemli nokta; yakıtın iyi atomize olması ve havayla iyi karışmasıdır. Yakıtın havayla iyice karışmasında yanma odası şeklinin önemi büyüktür. Bu nedenle yanma odaları değişik şekillerde yapılmış, denenmiş ve motorlara uygulanmıştır. Yanma odası tipleri şunlardır; 17


YAKITLAR VE YANMA 1. Bölünmüş yanma odaları a- Ön yanma odalı b- Türbülans odalı 2. Direk püskürtmeli yanma odaları 1. Bölünmüş yanma odaları a) Ön yanma odalı Bu tip yanma odalarında, yanma odasının bir kısmı ön hücre olarak esas yanma odasından ayrılır. Bu hücre bir veya birden fazla kanalla pistonun üzerindeki esas yanma odasına birleştirilir. Bu tip motorlarda ön yanma odası, sıkıştırma odasının %25-40 gibi bir kısmını teşkil eder. Ön yanma odasını esas yanma odasına bağlayan kanalın çapı ise silindir çapının %25 ini geçmez. Yakıt ön yanma odasına püskürtüldüğünde ilk yanma ile birlikte basınç yükselir ve karışım ön yanma odasının kanalından veya kanallarından yanma odasına geçer. Bu geçiş sırasında türbülans yaratılarak daha iyi bir karışım ve tam yanma elde edilmeye çalışılır.

Otomobil dizel motorlarında kullanılan ön yanma odalı sistemlerde, yakıt, sıcak bir ön yanma odasına püskürtülür. Burada, esas yanma prosesine gerekli daha iyi karışım formasyonunu elde etmek için ön yanma başlatılır. Bazı motorlarda nispeten düşük basınçta (300 bara kadar) pimli tip bir enjektör memesi ile yakıt püskürtülür. Yanma odasının ortasına özel olarak dizayn edilmiş bir yönlendirme piminin yüzeyine çarpan yakıt dağılır ve hava ile daha iyi karışır. Yanma başlar ve kısmen yanmış yakıt hava karışımı, ön yanma odasının alt kısmındaki delikten piston üzerindeki ana yanma odasına gönderilir, bu işlem sırasında karışım daha fazla ısınır. Burada, ana yanma odasındaki hava ile daha yoğun karışım meydana gelir, yanma devam eder ve tamamlanır. Ana yanma odasındaki düşük basınç seviyelerinde enerjinin kontrollü açığa çıkması ve kısa bir ateşleme gecikmesi, motorda daha az yük ve düşük sesli yumuşak yanmaya neden olur. Ön yanma odasının iyileştirilmiş versiyonu, egzoz gazında daha düşük toksik içerikli ve ortalama % 40 daha az partikül emisyonlu bir yanma sağlar. 18


YAKITLAR VE YANMA Yönlendirme yüzeyinin (yuvarlatılmış pim) pozisyonu ile buharlaşma sağlayan çıkıntıya sahip geliştirilmiş tip bir yanma odası kesiti, ön yanma odasından sonra karışım silindire gönderildiğinde havanın özel bir türbülans hareketi yapmasını sağlar. Yakıt, ön yanma odasının eksenine 5 derecelik bir açı ile püskürtülür. Kızdırma bujisi yanma prosesine engel olmayacak şekilde yanma odasına yerleştirilir. Soğutma suyu sıcaklığına bağlı olarak ilk hareket anında bir dakikalık kontrollü ısıtma işlemi, sesin azaltılması ve egzoz gazının iyileştirilmesine katkıda bulunur. b)Türbülanslı yanma odası Bu tip yanma odası, küre şeklinde bir ön yanma odasına sahiptir. Ön yanma odası ana yanma odasının %50-80 gibi bir kısmını oluşturur. Bu ilave kısım ya silindir kapağında veya silindir bloğunun bir tarafına yerleştirilir ve teğetsel olarak geniş bir kanalla pistonun üzerindeki yanma odası ile birleştirilir. Sıkıştırma zamanında güçlü bir hava girdabı oluşturulur ve bu türbülanslı hava içerisine yakıt püskürtülür. Enjektör memesi kendi eksenine dik olarak, yakıt zerrecikleri türbülanslı havaya nüfuz edecek ve yanma odasının karşı duvarına, sıcak bölgeye çarpacak şekilde yerleştirilir.

Yanma başlangıcında, yakıt hava karışımı boğazdan ana yanma odasına geçer ve yanma havası ile karışır. Ön yanma odalı prosesle mukayese edildiğinde, ana yanma odası ile ön yanma odası arasındaki akış kaybı, daha büyük akış kesitine sahip olan türbülanslı yanma odasında daha azdır. Akış kaybının az olması şarj zamanının düşmesine, dolayısıyla yakıt tüketiminde azalmaya neden olur. Aynı zamanda türbülans odasında karışım formasyonunun mümkün olduğu kadar tam olarak meydana gelmesi önemlidir. Türbülanslı yanma odasının dizaynı, enjektör memesinin formu ile yerleşimi ve ayrıca kızdırma bujisinin pozisyonu, tüm hız ve yük şartlarında en iyi karışım formasyonu elde etmek için dikkatli bir şekilde ayarlanmalıdır. İlave bir talep, soğukta ilk harekete geçirmek için türbülanslı yanma odasının hızla ısıtılmasıdır. Bu, tutuşma gecikmesini azaltır ve ısınma sırasında egzoz gazlarında yanmamış hidrokarbonların (mavi duman) oluşumunu engeller. 19


YAKITLAR VE YANMA Ön yanma odasına püskürtülen yakıtın büyük bir kısmı süratle karışım haline gelir. Yanma, ön hücrede başlar. Meydana gelen basınç, kısmen yanmış yakıtı kanaldan zorlayarak yanma odasına sürükler. Burada temiz hava ile karışan yanmamış yakıt zerrecikleri de yanarak yanma tamamlanır. 2-Direk püskürmeli (Dl) yanma odaları En basiti olarak yapılmış olan yanma odası, düz silindir kapağı ile kavisli piston arasına yerleştirilmiştir. Enjektör direk piston üzerine püskürtür. Bu tip yanma odalarında hava ile karışması zor olduğundan, yakıtın silindire yüksek basınç altında püskürtülmesi gerekir. Bu tip yanma odalarında çok delikli enjektör memesi kullanılır. Bunlarda daha iyi bir hava yakıt karışımı elde edebilmek için ya girişte havaya döner bir hareket verilir yada silindire alınan havaya piston yardımıyla hareket verilir. Yakıt sarfiyatı az olmasına karşı motor sert ve vuruntulu çalışır.

Esas olarak ticari araçlarda ve sabit dizel motorlarının tümünde kullanılan direk püskürme prosesi, ön yanma odasındaki karışım formasyonunun işlevini görür. Yakıt, doğrudan piston üzerindeki yanma odasına püskürtülür. Bu proses (yakıtın atomizasyonu, ısınması, buharlaşması ve hava ile karışımı) çok hızlı meydana gelmelidir. İşlem sırasında hem hava temini hem de yakıtın püskürmesine daha fazla ihtiyaç duyulur. Yanma ve sıkıştırma zamanlarında, türbülanslı yanma prosesindeki gibi bir hava girdabı oluşturulur. Bu girdap, silindir kapağındaki emme portunun özel kesiti ile sağlanır. Yanma odası ile piston üst yüzeyinin dizaynı, sıkıştırma zamanının sonunda, örneğin püskürme başlangıcında, hava hareketine katkıda bulunur. Dizel motorlarının gelişimi ile kullanıma sokulan yanma odası kesitleri ve silindirik piston tepe çıkıntıları, ekonomik imalat ve uygun hava kontrolü arasında bir tercih sunduğundan dolayı bugün geniş çapta kullanılmaktadır. Güzel hava türbülansına ilave olarak hızlı karışım elde etmek için yakıt düzenli olarak dağıtılmalıdır. Ön yanma odalı motorlarda kısmalı tip pimli bir enjektör memesi kullanılırken, çok delikli tip bir enjektör memesi direk püskürme prosesinde (DI) kullanılır. Yanma odası dizaynına göre püskürme pozisyonu en iyi pozisyonda olmalıdır. Pratikte, direk püskürme için iki metot kullanılır; 20


YAKITLAR VE YANMA ♦ ♦

Kontrollü hava hareketi ile karışım elde edilmesine yardımcı olmak, Kontrollü hava hareketi olmadan sadece yakıtın püskürtülmesine ile karışım elde edilmesine yardımcı olmaktır. İkinci durumda, hava türbülansı gerekir. Bu, daha iyi silindir şarjı (doldurulması) ile daha düşük şarj zaman kayıpları durumunda önemlidir. Aynı zamanda, küçük püskürme delik çaplarından dolayı daha iyi yakıt atomizasyonu için meme delik sayısı ve meme pozisyonuna göre yakıt püskürme ekipmanları çok daha fazla önem kazanır ve gerekli kısa püskürme zamanı elde etmek için çok yüksek basınç gerekir.

M sistem Yukarıda açıklanan direk püskürme metodunda, karışım formasyonu yakıt zerrecikleri ile hava zerrecikleri buharlaştırılarak ve karıştırılarak (hava dağıtım metodu) elde edilir. Diğer yandan duvara çarptırma metodunda yakıt, yanma odasının duvarına doğru yönlendirilir, burada buharlaşır ve hava ile karışır.

Duvara çarptırmalı direk püskürme sistemi (M Sistem) Ticari ve sabit motorlarda kullanılan bu püskürme sisteminde yakıtın buharlaşması için piston çıkıntı duvarının ısısından faydalanılır, ve yakıt hava karışımı, yanma havasının uygun miktarı ile elde edilir. Bu proseste, nispeten düşük püskürme basınçlı tek delikli meme kullanılır. Yanma odasındaki hava hareketi düzgün bir şekilde ayarlanırsa, uzun yanma zamanında aşırı homojen hava yakıt karışımı elde edilebilir, düşük basınç yükselir ve daha sessiz yanma sağlanır. Bununla birlikte hava dağıtım metodu ile mukayese edildiğinde yakıt tüketimi artar. 21


YAKITLAR VE YANMA Yanma proseslerinin mukayese edilmesi Gürültü yönünden ön yanma odalı motorların dezavantajları, soğuk çalışma sırasında, örneğin soğukta ilk hareket sonrasındaki aşamada, kolaylıkla anlaşılır. Yetersiz karışım formasyonu (yanma odası duvarlarında ısı dağılımın en az olmaması nedeniyle) vuruntulu bir yanma sesine ve oldukça uzun tutuşma gecikmesine neden olur. Isınma sırasında türbülanslı yanma odasına sahip motorlar, düşük hız ve yük kademelerinde daha fazla yanma sesine eğilimlidir. Diğer yandan, ön yanma oda metodu, yanma odası sıcaklığı ve tutuşma gecikmesinden dolayı avantajlara sahiptir. Direk püskürme sistemlerinin esas avantajı, ön yanma odalı motorlarla kıyaslandığında %20’ye kadar yakıt sarfiyatını azaltmasıdır. Diğer yandan direk püskürme sistemlerinin dezavantajları, kısmi hızlanma kademesinde yanma sesi ve sınırlı maksimum hızdır. Esas olarak, direk püskürme sistemi, daima daha yüksek püskürme basıncına ihtiyaç duyar ve bu yüzden daha kompleks yakıt püskürme sistemidir. Direk püskürme sisteminin avantajları, çalışma şartları yönünden üstün olmasıdır, yakıt tüketimi ve bu yüzden ekonomik olması, ikincil olarak daha konforlu olmasıdır. Yakıt püskürtme şeklini kapsamına alan karışım formasyonu yönünden yoğun geliştirme çalışmaları, otomobillerde kullanılan direk püskürme sistemlerini öne çıkarmaktadır.

DİZEL MOTORLARINDA ÇALIŞMA KOŞULLARI Genel Bir dizel motorun çalışma koşulları, prosesleri oluşturmak için belirli farklı durumları esas alır. Dizel motorlarda yakıt, direk olarak aşırı derecede sıkıştırılmış sıcak hava içerisine püskürtüldüğü için buji ile ateşlemeli motorlardaki gibi yanma işlemine sınır koymaya kararlı değildir. Sonuç olarak yanma odasındaki hava miktarı göz önüne alındığından sadece yakıt miktarını ayarlamak yeterlidir. Bu nedenle yakıt sistemi, motor fonksiyonu için çok önemlidir. Tüm hız ve yük şartlarında, şarjın tamamında düzenli yakıt dağıtımdan ve yakıt ölçümünden yakıt sistemi 22


YAKITLAR VE YANMA sorumludur. İlave olarak emiş havasının basınç ve sıcaklığı göz önüne alınmalıdır. Her çalışma noktasında; ♦ Uygun miktarda yakıtı, ♦ Doğru zamanda, ♦ Doğru basınçta, ♦ Doğru işlem sırasında, ♦ Yanma odasındaki uygun noktaya püskürtmek gerekir. En iyi karışım formasyon ihtiyaçlarını karşılamak için motor ve araç spesifik çalışma limitleri yakıt ölçümünde göz önüne alınmalıdır. Bunlar; ♦ Duman limiti ♦ Yanma basınç limiti ♦ Egzoz gaz sıcaklık limiti ♦ Motor hızı ve tork limitleri ile araç yükleme limitleridir. Duman limiti Yanma sırasında karışım formasyonunun gözle görülebilir bir kısmı çevreyi etkilediğinden dolayı biraz fazla hava verildiğinde bile siyah duman emisyonunda artış meydana gelir. Yasal sınırdaki duman emisyon sınırını belirleyen hava-yakıt oranı, hava miktarını belirlemek için baz alınır. Ön yanma odalı motorlarda duman limiti % 10...25'lik bir hava fazlalığı ile çalışırken direk püskürmeli motorlarda bu oran % 40....50 civarındadır. Yanma basıncı limiti Dizel motorlarda, yanma sırasında aşırı kompresyon altında hava ile karışan buharlaşmış yakıt, ani olarak yandığından dolayı görece ağır bir motorda yüksek üst basınçlara ihtiyaç duyulur, sert ve gürültülü yanma görülür. Yanma sırasında elde edilen kuvvetler, motor ünitelerinde periyodik olarak değişen yüklere neden olur, ölçülerinden ve servis ömürlerinden dolayı bu üniteler yanma basıncını sınırlar. Egzoz gaz sıcaklık limiti Bir dizel motorun egzoz gaz sıcaklık limiti, sıcak yanma odası etrafındaki motor ünitelerinin yüksek termal stresi ile egzoz gazındaki toksik artıkların sıcaklığı ve egzoz gaz sisteminin ısı direnci tarafından belirlenir. Motor hız limiti Sabit hızda motor gücü, püskürtülen yakıt miktarına bağlı olduğundan dizel motordaki fazla hava ile yakıt miktarının regülasyonu önemlidir. Alınan torka bağlı kalmadan dizel motora yakıt verilirse motor hızı artar. Kritik motor hızı aşılmadan önce püskürtülen yakıt miktarı düşürülmemişse motor çok hızlanır ve kendi kedini dağıtabilir. Bu nedenle dizel motorda hız sınırı ve yönetimi şarttır. Dizel motor, sabit güç ünitesi gibi kullanıldığı zaman yüke bağlı kalmadan izin verilebilir limitler dahilinde belirli bir hızda sabit kalması öngörülür. Dizel motor, otomotiv uygulamalarında kullanıldığı zaman şoför istediği hızı seçmek için gaz pedalını kullanabilmeli, durmak için pedal serbest bırakıldığı zaman motor hızı 23


YAKITLAR VE YANMA

Püskürtülen yakıt miktarı

relanti limiti altına düşmemelidir. Sonuçta kontrol sistemleri olarak değişken hızlı regülatörler ile minimum maksimum hızlı regülatörler arasında tercih yapılabilir. Belirli tüm ihtiyaçlar hesaba katıldığında motorun çalışma kademelerinde karakteristik bir grafik tanımlanabilir. Bu grafik, gerekli sıcaklık ve hava-basınç dengesi kadar iyi bir şekilde hız ve yükün bir fonksiyonu olarak püskürtülen yakıt miktarını gösterir. Püskürtülen yakıt miktarı, spesifik bir hızda esas miktar ile tüm silindirlerin esas ihtiyaçlarına bağlıdır. Aşağıdaki örnekte, belirli çalışma şartlarında yakıt püskürme sisteminin doğruluğu konusunda ihtiyaçlar belirtilmiştir. Dört zamanlı dört silindirli motorda tam yükte 75 kW güçte ve 200 g/kWh değerinde spesifik bir yakıt tüketimi için 15 kg/h yakıt gerekir. Bu değer, 2400 d/d’ da dört zamanlı motor çalışması için bir saatte 288.000 püskürme strokuna denk düşer. Bu değer, bir püskürme strokuna dönüştürülürse her püskürme strokunda 59 mm3 yakıt miktarı gerektiği anlamına gelir. Bu mukayese edildiğinde, bir damla yaklaşık 30 mm 3 değerinde bir hacme sahiptir. Yakıt sistemi, çok silindirli bir motorun tek tek silindirlerine düzgün bir şekilde dağıtım yapmalı ve bir silindirde gönderilen yakıtı tam olarak ölçmelidir.

Motor hızı

Tam yük Turbolu motor Tork kontrol Atmosferik basınç düzeltme

Tabii emişli motor Hız regülasyonu

Spesifik yakıt tüketimi

Relanti basınç ve Sıcaklık düzeltme Atmosferik ilave sıcaklık dengesi ile motor hız ve yükünün bir fonksiyonu olarak püskürtülen yakıt miktarı yukarıdaki grafikte görülmektedir.

Basınç

24


YAKITLAR VE YANMA

Yukarıdaki grafikte spesifik yakıt tüketimi muhtelif motorlara göre mukayese edilmiştir. Bu motorlar şunlardır; 1. Buji ile ateşlemeli motor 2. Ön yanma odalı / türbülanslı yanma odalı dizel motoru 3. Direk püskürme 3a. Turboşarj 3b. Gelişme imkanı (hedef) Yakıt püskürme sisteminin dizaynı için teorik olarak belirlenmiş püskürtülen yakıt miktarı kılavuz bir değer gibi devreye alınır. Tam yük karakteristiği, özel durumda düşük hız kademesinde motorun duman limiti ile ve üst hız kademesinde ünite veya izin verilebilir egzoz gaz sıcaklığı ile sınırlıdır. Aktüel gerekli yakıt miktarları deneysel değerlere göre belirlenir. Sistemler genellikle deniz seviyesine göre dizayn edilir, örneğin güç değerleri bu seviyede düşürülür; deniz seviyesinin üzerindeki yüksekliklerde motor çalıştırılırsa yakıt miktarı, barometrik yükseklik formülüne göre düzeltilmelidir. Her 1000 metrede hava yoğunluğundaki % 7’lik bir düşüş, kılavuz bir değer olarak göz önüne alınır. Diğer yandan sabit test şartlarında ılık bir motorda tespit edilen spesifik yakıt tüketimi mukayese edildiğinde sadece sürüş anındaki tüketim miktarı pratik olarak kullanışlı değerler sağlar. Özelde otomobiller daha çok düşük yük kademesinde ve sık sık soğukta ilk hareket pozisyonunda kısa mesafelerde çalıştırılır.

Dizel motorlarında çalışma kademeleri İlk hareket İlk hareket, motor düzgün çalışıncaya kadar hızlanma ve yanma prosesi aşamalarını kapsar. Sıkıştırma zamanında ısıtılan hava, püskürtülen yakıtı ateşlemelidir. Dizel yakıtın gerekli yanma sıcaklığı yaklaşık 220°C' dir. Soğuk bir motorda düşük çevre sıcaklıklarında ve mümkün olan minimum hızda bu sıcaklık yeterli garantiyi sağlamalıdır. Çeşitli fizik yasaları daha düşük motor hızı, daha düşük sıkıştırma son basıncı ve daha düşük sıkıştırma son sıcaklığının karşılanmasına engeldir. Piston ile silindir duvarı arasında ilk anda oluşmayan bir yağ filminden dolayı meydan gelen kayıplar bu hareketin nedenleri arasındadır. Motor soğuk olduğu zaman hala sıkıştırma zamanında ısı kayıpları meydana gelir. 25


YAKITLAR VE YANMA

Yakıt tüketimi

Ön yanma odalı motorlarda, daha büyük yanma odası yüzey alanı olduğu için ısı kaybı kısmen daha yüksektir. İlave olarak düşük sıcaklıklarda, motor ünitelerinin mekanik boşlukları azaldığı ve motor yağının viskozitesi daha yüksek olduğundan dolayı motor sürtünme kuvvetleri daha fazladır. Ayrıca soğuk şartlarda akü voltajındaki düşmeden dolayı marş motor hızı kısmen düşüktür.

Bu grafikte soğukta (10°C) ilk hareket sonrasında yakıt tüketiminin farklı iki motordaki durumu görülmektedir. Bu motorlar; 1. Buji ile ateşlemeli motor 2. Dizel motorudur. Relanti Dizel motorlarında kritik değişebilir etkiler relanti ve alçak kısmi yük kademelerinde olur. Bu çalışma kademesinde yakıt tüketim değerleri buji ile ateşlemeli motora göre son derece elverişli olmasına rağmen motor soğuk olduğu zaman, ses ve vuruntu sorunu belirgin bir problemdir. Tutuşma gecikmesi, relanti gürültüsünün en önemli nedenlerinden birisidir. İlk hareket kısmında açıklandığı gibi sıkıştırma son sıcaklığı, düşük hız ve düşük yükte daha düşüktür. Bu, relantide kısmen uygulanabilir. Tam yük kademesi ile kıyaslandığında, bu çalışma kademesinde (motor, çalışma sıcaklığına ulaşmış olsa bile) enerji verildiği için yanma odası nispeten soğuktur ve bu yüzden sıcaklık artışı yavaştır. Yanma odasının ısıtılması yavaş ve eksik bir şekilde oluşur. Ön ve türbülanslı yanma odasına sahip motorlarda ısı dağılım kayıpları, geniş yüzey bölgesinde özellikle fazla olduğu için bu konu nispeten belirgin değildir. Bu sorunu çözmek için bir çıkar yol motor kompresyon oranını arttırmaktır. Diğer yandan mekanik sesteki artış ve tam yükte iken yakıt tüketimindeki dezavantajlardan dolayı ihtimaller sınırlıdır. Püskürme oranları, püskürtülen yakıt miktarı ve püskürme başlangıcının kesinliğine göre yakıt püskürme sistemine ilave ihtiyaçlar konulur. İlk hareket için kompresyon basınç karakteristiği ile relantide maksimum yanma sıcaklığı, Ü.Ö.N.'da sadece küçük bir piston strokundadır. Bunun için püskürme başlangıcı tam olarak ayarlanmalıdır. 26


Kompresyon sıcaklığı

YAKITLAR VE YANMA

100° 80° 60° 40° 20° ÜÖN Krank açısı -ÜÖN’ dan önce

Krank açısının bir fonksiyonu olarak soğukta ilk hareket için kompresyon sıcaklığı yukarıdaki grafikte gösterilmiştir. Bu grafikte semboller şu anlama gelir. a; Tutuşma sıcaklık kademesi, dizel yakıtı için ta; Çevre sıcaklığı

27

Meme kalkışı

Basınç

Meme kalkışı

Basınç

Her püskürmede 5...7 mm3 değerinde bir relanti dağıtım miktarı ve yakıt ölçümünde istenen kesinlik derecesi (her püskürmede % 10 değerinde, 0.5 mm 3) hemen elde edilir. Yanma anında yanma odasındaki yakıt miktarı, silindir içerisinde ani basınç artışı için yeterli olduğundan sadece yakıtın az bir miktarı, püskürme gecikmesi aşamasında püskürtülmelidir. Ses artışı, basınç artışına doğrudan bağlıdır. Bu yüzden daha fazla artış, daha fazla fark edilebilir dizel vuruntusu oluşturur. İlave olarak püskürme başlangıcını ve dağıtım miktarını tam olarak garanti etmek için yakıt sistemi, yanma odasına düzenli olarak hazırlanmış ve dağıtılmış dağıtım miktarını (her krank derecesinde ve her strokta 0.25 mm 3) sağlamalıdır. Enjektör memesi karışım formasyonundan sorumlu olurken yakıt pompası ölçüm ve kontrolden sorumludur. Tam yük Tam yük, çeşitli parametre şartlarında alınmasına izin verilen maksimum torku tanımlar. Yakıt püskürme sistemi bu talebi karşılar. Mekanik, pnömatik ve hidrolik ayar imkanları bu amaç için kullanılabilir. Ön dağıtım ve son dağıtım etkisi, karakteristik grafiğini çıkarmak için kullanılır. Dağıtım miktarı, pompa pistonu için göz önüne alınırsa piston efektif stroku ile hesap edilir. Pratikte daha erken başlar ve daha geç biter. Aktüel efektif strok, geometrik efektif stroktan daha büyüktür. Bu dinamik davranış, ön dağıtım ve son dağıtım etkisi olarak isimlendirilir. Yakıt dağıtım karakteristiğinin azalmasına veya yükselmesine izin vermek, dinamik olarak değiştirilmiş efektif stroklar elde etmek için motor hızının bir fonksiyonu olarakÜÖN kesit ve akış değiştirilerek bu etki değiştirilebilir. Krankhızı derecesi ÜÖN Krank derecesi


YAKITLAR VE YANMA

Yukarıdaki grafiklerde basınç karakteristik örnekleri verilmiştir. Bu örnekler; a) Aşırı yanma basıncı b) Kontrollü yanma basıncı

DİZEL YAKITIN ÖZELLİKLERİ Tutuşma yeteneği Benzin motorlarında; yanma esnasında alev cephesinin uzağında bulunan yakıt hava karışımının alevin ulaşmasını beklemeden tutuşmasına engel olmak için yakıtın kendi kendine kolay tutuşmaması istenir. Diğer yandan dizel motorlarında ise tutuşma gecikmesinin uzamaması için yakıtın kendi kendine kolay tutuşması istenir. Bu gibi birbirinin tam aksi olan özellikler yüzünden benzin motorlarında kullanılan yakıt yüksek oktan sayısına, dizel yakıtının ise düşük oktan sayısına sahip olması gerekir. Bir motor yakıtı için en önemli karakteristiklerden biri olan "oktan sayısı" değerinin düşük bir sayı ile belirtilmesinin iyi bir etki bırakmayacağı düşünülerek motorinde bu özellik, oktan değerinin aksi olan "setan sayısı" ile ifade edilir. Setan sayısı 28


YAKITLAR VE YANMA Setan sayısı, "oktan sayısı" gibi ölçülebilen bir büyüklüktür, CFR motorunda F5 metodunun uygulanmasıyla saptanır. Bu deney için kullanılacak referans yakıtlar ise, setan sayısı 100 olan setan ile, sıfır olan metilnaftalendir. Setan sayısı saptanacak olan yakıt, CFR motoru yakıt deposuna doldurulur, püskürtme avansı 13° ve motor devri 900 d/d olarak sabitlenir, motor çalıştırılır ve yanma üst ölü noktada başlayacak şekilde sıkıştırma oranı değiştirilerek yanmayı tam üst ölü noktada başlatan oran saptanır. Yakıt deposundaki yakıt boşaltılır, yerine setan ile metilnaftalenin belirli yüzdeler dahilindeki bir karışımı konur. Bir evvelki deney sırasında saptanan koşulları gerçekleştirecek şekilde karışım oranı değiştirilir, sonuçta saptanan karışım içindeki setan yüzdesi, yakıtın setan sayısını verir. Örneğin son karışım içindeki setan miktarı % 60 ise, setan sayısı 60'tır denir. Yüksek hızlı dizel motorlarında kullanılan motorinin setan sayısı 50-55 civarındadır. Setan sayısını fazla yükseltmek, gecikme süresini çok kısaltacağı için püskürtülen yakıt fazla uzağa gidemeden yani tamamen buharlaşamadan tutuşacak, enjektör memesi fazla ısınarak yakıtta kraking yapacak, dolayısıyla yanma odasında karbonlaşma meydana getirerek kötü ve dumanlı yanmaya neden olacaktır. Viskozite Bu özellik yakıtın kalınlığı veya inceliği yani akıcılığı hakkında fikir verir. Basit anlamda sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç olarak tarif edilebilen viskozite karakteristiği, viskometre denilen ve Kinematik, Redwood, Saybolt, Engler gibi çeşitleri bulunan cihazlarla ölçülür. Yüksek viskoziteli kalın bir sıvı, ısıtılınca incelip daha akıcı hale gelir, yani viskozitesi düşer. Bu nedenle viskozite ölçümünde sıcaklık çok önemli bir unsurdur ve sıvının viskozitesi verilirken, bu viskozitenin hangi sıcaklıkta ölçüldüğünün belirtilmesi gerekir. Viskometre tiplerine göre saptanmış çeşitli deney sıcaklıkları vardır. Örneğin Redwood viskometresinin yağ kabına doldurulan viskozitesi bilinmeyen sıvı, etrafındaki ısıtıcı banyo yardımı ile deney sıcaklığına getirilir ve alt tarafındaki standart delikten akıtılır. Belirli miktardaki sıvının aktığı zaman saptanır, bu değer saniye cinsinden sıvının viskozitesi olarak ifade edilir. Örneğin 100°F da akış zamanı 120 saniye ise viskozite 120" RI /100°F olarak tanımlanır. Dizel indeksi Setan sayısının ölçülmesi, pratik bir iş olmadığı için bunun yerine aynı kavramı anlatan ve "Dizel indeksi" adı verilen, ölçülmesi çok kolay bir sayı kullanılmaktadır. Dizel indeksinin saptanması için "Anilin noktası" ve "API yoğunluğu" gibi kavramların bilinmesi zorunludur. Anilin noktası Anilin, aromatik hidrokarbonları her zaman fakat parafinikleri yalnızca sıcakta çözebilen bir çözücüdür. Bu çözücü ile motorin karıştırılır ve ısıtılır, sıcakta motorin, anilin içinde tamamen çözünür, fakat çözelti soğumaya bırakıldığında 29


YAKITLAR VE YANMA parafinlerin yavaş yavaş ayrıldığı görülür; işte bu ayrılmanın sona erip çözelti içinde iki ayrı tabakanın meydana geldiği sıcaklık derecesi, "Anilin noktası" olarak tanımlanmıştır. API Yoğunluğu Kendi kendine tutuşma özellikleri çok iyi olan parafinik hidrokarbonların, C/H değerlerinin küçük oluşu nedeniyle yoğunlukları düşüktür. İyi bir yakıtın önemli özelliklerinden biri olan yoğunluğunu düşük bir sayı ile ifade etmemek için motorin spesifikasyonlarında, yoğunluk yerine aşağıdaki formül ile bulunan "API değeri" kullanılır ve bu değerin büyük oluşu iyi bir yakıtı karakterize eder. API = 141.5 / Yoğunluk (d) – 131.5 Anilin noktası ve API değeri yardımı ile bulunacak "Dizel indeksi" için aşağıdaki formül kullanılır. DI= Anilin noktası (°F) x API / 100 Yakıtın dizel indeksi yükseldikçe kendi kendine tutuşma yeteneği artar, böylece iyi bir yakıt büyük bir değer ile tanımlanmış olur. Kükürt Motorinin en önemli karakteristiklerinden biri de içindeki kükürt miktarıdır. Kükürt, ham petrol içinde daha çok ağır hidrokarbonlarla birleşik haldedir ve bu nedenle damıtma kulesinin alt tarafına yakın yerlerden elde edilen yakıtlar içindeki miktarı daha fazla olur. Örneğin motorin içindeki kükürt miktarı benzin ve gazyağına nazaran fazladır. Kükürt bulunmayan bir yakıtın dumanı içindeki su buharının çiğ noktası (yoğunlaşma noktası) 40°C civarındadır, yani baca gazları bu dereceye düşmedikçe su buharı yoğunlaşıp su haline geçemeyecektir. Motorda ise normal koşullarda böyle düşük bir sıcaklığa rastlanılmayacağı için suyun sebep olacağı aşıma gibi bir tehlike söz konusu değildir. Yakıt içinde kükürt bulunduğu takdirde, bu kükürt de karbon gibi yanarak ya kükürt dioksit veya biraz daha oksijen bulmak suretiyle kükürt trioksit oluşturacaktır. Bu gazlardan kükürt dioksit pek tehlikeli değildir, zira su ile birleşerek oluşturacağı sülfürik asit 100°C de tekrar su ve kükürt dioksit olarak ayrışacaktır. Motor içinde 100°C civarındaki sıcaklıklara pek rastlanmayacağından bir tehlike arz etmeyecektir. Kükürt trioksit gazının su ile birleşerek meydana getireceği sülfürik asit ise çok şiddetli bir aşındırıcı olduğundan ve su buharının çiğ noktasını 150°C gibi motorda rastlanabilen bir değere yükselttiğinden dolayı motor elemanlarının aşırı bir şekilde aşınmasına neden olur, dolayısıyla kükürt trioksit gazı motor için büyük bir tehlike teşkil eder. Bu gibi aşınmaları önlemek amacı ile, yakıtlardan kükürdü temizleme işlemleri vardır, fakat maliyeti arttıracağından motorin içinde normal olarak % 1'e kadar kükürde izin verilmekte ve bunun kötü tesiri ise yağlama ile giderilebilmektedir.

30


YAKITLAR VE YANMA Soğukta davranış, filtre edilebilme kabiliyeti Düşük sıcaklıklarda parafin kristallerinin çökelmesi yakıt filtresinin tıkanmasına neden olabilir, ve bu yüzden yakıtın alınmasında kesinti meydana gelebilir. Parafin çökeltisinin başlangıcı en kötü şartlarda 0°C’ ye kadar erken olabilir. Bu nedenle soğuk havada problemsiz çalışma şartlarını garanti etmek için kış dizel yakıtları özellikle seçilmeli, veya kimyasal işleme tabi tutulmalıdır. Normal olarak rafineride katkı maddeleri ilave edilir. Bunlar, parafinlerin çökeltisini önleyemese de çok yüksek bir sıcaklıkta kristal gelişimini sınırlar. Oluşan kristaller küçük olduklarından dolayı filtre gözeneklerinden geçebilirler. Sonuç olarak, filtre edilebilme yeteneği daha düşük sıcaklıklara yayılabilir, DIN 51601 normuna göre, en az -15 °C sıcaklığın altında garanti edilmelidir. Soğuktaki direnç, parafin kristallerinin çökeltisini önleyen katkı maddeleri ile daha fazla iyileştirilebilir. Bugün büyük ölçüde kullanılan kış dizel yakıtları en az -22 °C sıcaklıkta soğuğa karşı direnci garanti etmektedir. Kaynama noktası Kaynama kademesinin pozisyonu, dizel yakıtın çalışma şekli için önemli olan parametreleri etkiler. Daha düşük sıcaklıklarda, kaynama kademesinin büyümesinden dolayı soğuk havada çalıştırma için elverişli olan bir yakıt kullanmak gerekir, bu tür yakıtın setan sayısı düşüktür, ve yağlama özelliği kısmen azdır. Daha düşük yağlama özelliği dolayısıyla yakıt sisteminin parçalarında aşıntı riski artar. Diğer yandan son kaynama nokta sıcaklığı yükselir, yağ daha iyi değerlendirilmek istenirse is miktarında artışa ve meme ısınmasına neden olabilir. Yoğunluk Dizel yakıtın ısıl değeri, yoğunluğunda iyi bir tahmine bağlıdır ve artan yoğunluğu ile artar. Bu yüzden çok farklı yoğunluklara sahip yakıtlar, aynı ayara sahip yakıt pompasında kullanılırsa (bu durumda pompada miktar ölçümü sabittir) yüksek yoğunluklarda artan is emisyonuna neden olan ısıl değerlerdeki dalgalanmalar, karışım kompozisyonunda değişikliklere neden olur. Katkı maddeleri Katkı maddelerinin ilave edilmesi ile kalite gelişimi, son yıllarda gazolin ile yapılan uygulamalarda olduğu gibi, dizel yakıtları son derece popüler yapmıştır. Çoğunlukla kullanılan çeşitli etkilere sahip ilave paketler şunlardır; ♦ Ateşleme geliştiriciler setan sayısını arttırır ve önemli oranda daha iyi yanma sağlar. ♦ Meme tıkanmasını önleyen deterjanlar, ♦ Metallerde korozyonu önlemek için (yakıt sistemine giren su nedeniyle) korozyon önleyiciler, ♦ Yakıt deposunu doldurmayı kolaylaştırmak için köpük önleyici maddeler.

31


YAKITLAR VE YANMA Katkı maddelerinin tüm konsantrasyonları genellikle % 0,1 değerin altındadır ki bu yüzden yoğunluk, viskozite ve kaynama eğrisi gibi yakıtın fiziksel karakteristikleri değişmez.

EGZOZ GAZ KONTROLÜ Egzoz gazındaki toksik maddeler Yanma Dizel motorları iç karışım formasyonu ile çalışır, ki bu yüzden yakıt püskürdükten sonra ve püskürme sırasında yanma meydana gelir. Yanma, aşırı kapsamlı karışım formasyon prosesinden etkilenir. Yakıt, üst ölü noktadan az önce yanma odasında uygun bir şekilde ısıtılmış ve epeyce sıkıştırılmış hava içerisine püskürtülür. Belirli bir ateşleme gecikmesinden sonra yakıt kendiliğinden tutuşur. Karışım formasyonunun önemli bir kısmı yanma sırasında meydana geldiğinden dolayı bir yayılma alevinden (karşılıklı nüfuz etme) bahsedilebilir. Püskürme başlangıcı, püskürme karakteristikleri, ve yakıtın atomizasyonu egzoz gaz emisyonunu etkiler. Püskürme başlangıcı, tutuşma başlangıcı üzerinde önemli etkiye sahiptir. Püskürme çok geç meydana gelirse, hidrokarbon emisyonları artar. Püskürme başlangıcının 1° ‘lik krank mili cinsinden sapması belirtilen sıraya göre Nox ve HC emisyonlarında % 5 ile %15 artışa neden olabilir. 32


YAKITLAR VE YANMA Püskürtülen yakıt, yanma için gerekli hava ile karışmak için sadece çok kısa bir zamana (milisaniyelik bir süre) sahiptir, bu nedenle zengin yakıt içeriğine (zengin karışım) sahip olan bölgeler ile düşük yakıt içeriğine (fakir karışım) sahip bölgelerden oluşan düzgün olmayan bir karışım elde edilir. Bu yüzden yanma havasının değerlendirilmesi, aşırı yüksek bir hava faktöründen dolayı optimum değildir. Buji ile ateşlemeli motorlarla mukayese edildiğinde, bir yandan daha düşük efektif basınç elde edilirken diğer yandan gaz toksik maddelerinin emisyonunda belirgin bir azalma elde edilir. Katilik konvertere sahip buji ile ateşlemeli bir motorda bu sonuçlar elde edilir. Dizel motoru kendiliğinden ateşleme ile çalışır. Bu, dizel motorun yüksek sıkıştırma oranlı olarak dizayn edilebildiği anlamına gelir. Bu özellik, daha ağır fakat aynı zamanda daha uygun termodinamik verim ve bu yüzden daha düşük yakıt tüketimi sağlayan bir dizayn gerektirir. Toksik maddelerin formasyonu Bir dizel motorunda yanma meydana geldiği zaman reaksiyon sırasında yakıt ile havanın reaksiyon partnerleri sadece kısmen karıştığından dolayı karışım formasyonu, tutuşma ve yanma birbirinden bağımsız olarak meydana gelmez, fakat karşılıklı olarak birbirini etkiler. Bir dizel motorunun yanma odasında, buji ile ateşlemeli motora benzemeyen farklı yakıt konsantrasyonu ve hava şartları mevcuttur. Reaksiyon bölgesinden başlayan, zengin bölgelerin ısıtılması sırasında sadece yakıt damlacıklarının buhar ceketinde reaksiyon meydana gelir. Serbest karbon üretilir. Reaksiyonun devamı sırasında (örneğin fakir karışım, lokal oksijen eksikliği veya soğuk noktalarda alevin sönüklüğü) bu karbon partiküllerinin yanmasını önlerse, partiküller is şeklinde egzoz borusunda kalır. Yanma odasındaki üst düzeyde karmaşık bu prosesler, değişebilir etkiye sahip karışım formasyonunun (yanma odası dizaynı ile yakıt püskürme elemanları tarafından etkilenirler) mümkün olduğu kadar düşük partikül emisyonunu muhafaza etmeleri için birbiri ile dikkatli bir şekilde kıyaslanmalıdır. Bu koşul, motorda bir uyum gerektirir. İs ve partikül emisyonunda çoğunlukla olumlu bir etkiye sahip olan ölçümler, yakıt tüketiminde ve NOx emisyonunda negatif bir etkiye sahiptir. Toksik madde emisyonunun uzun süreli kararlılığı, dizel motorda son derece uygundur ve motorun tüm servis ömrü boyunca zarar vermez. Toksik maddelerin karakteristikleri Gaz toksik maddeler Dizel motorlarda gaz toksik emisyonları nispeten düşüktür. Buna karşın, karbon monoksit ve hidrokarbonlar (CO, HC) ile düşük proses sıcaklığında nitrojen oksitler (NOx) aşırı hava faktörü (X) nedeniyle oluşur. Emisyonlar, motor spesifik ölçümleri tatbik edilerek tüm durumlarda güncel tatbik edilebilir limitler altında tutulabilir.

33


YAKITLAR VE YANMA Partiküller Diğer yandan partikül emisyonu dizel motorun spesifik bir karakteristiğidir ve buji ile ateşlemeli motordan daha önemlidir. Motor çalışma şekline ve yanma metoduna bağlı olarak büyük ölçüde karbon partikülleri (is) içerir. Sonuç, hidrokarbon bileşikleri (kısmen is ile emilmiş) ve aerosoller (gaz içinde dağılmış katı veya sıvı maddeler) şeklinde sülfatlar ile daha düşük ölçüde hesap edilir. Dizel yakıtın daha fazla sülfat içeriği sonuçtan sorumludur. İs partikülleri, yanmamış veya yarım yanmış hidrokarbonların biriktiği çok geniş bir spesifik yüzey bölgesinde karbon partiküllerinin zincirlerini tasvir eder. Bunlar çok güçlü kokulu fazla molekül sayısına sahip bileşiklerdir. Dizel motorlarda partikül emisyonu, pis ve koku etkisi ile kötü görüntüden dolayı çevre sorunu olarak görülebilir. İlave olarak isteki tam aromatik bileşikler (aromatik hidrokarbonların genel ömrü) nedeni ile sağlığı tehdit ettiği düşüncesi sık sık gündeme gelir. Dizel egzoz partikülleri sadece milimetrenin birkaç on binde bir ölçüsünde havada gezer ve insan ciğerlerine girer, büyük ölçüde tekrar dışarı çıkmaz. Egzoz gaz kontrolü Partikül ayırma Tüm hava partikül kirliğinde trafik yol emisyonlarının oranı % 10 civarındadır. Dizel motorunun siyah, mavi ve beyaz dumanları doğrudan fark edilebilir emisyonlardır, aynı zamanda egzoz gaz kokusunun kısmen rahatsız ettiği görülür. Dizel motorlarda egzoz gaz kontrolü ile partikül emisyonu yaklaşık % 75 oranında azaltılabilir, ki bu sayede bu problemleri çözmek için planlar yapılır. Esas olarak, muhtemel ayrıştırma sistemlerinin pratikte uygulanabilirliği yönünden alınan partikül miktarları belirlidir. Dizel motor tarafından yayılan is partikülleri 0.01 ile 10 µm'lik (çapını belirtir) bir aralığı kapsar. Ortalama miktarın tane ölçüsü 1 µm' un epey altındadır. Sadece filtre etme ve elektrikli separatörler bu tür partikül ölçüsü için kullanılabilir. İs (kurum) filtresi Dizel motorları sürekli olarak aşırı hava ile çalışır. Bu durum, filtrenin kendi kendini temizleme etkisi ile bir is (kurum) filtresinde toplanan isin yaklaşık 550°C ’nin üzerindeki sıcaklıklarda egzoz gazının çok daha fazla oksijen içerdiği anlamına geldiğini belirtir. Bunun yanı sıra, yanma sırasında 1200°C ’ye kadar olan lokal üst sıcaklıklarda isten dolayı kısmi olarak malzeme özelliklerine bakmak gerekir. Bu nedenle hemen hemen özel seramik filtre malzemelerinin değişik dizaynları bu amaç için geliştirilmiştir. Genişletilmiş petek seramik eleman, buji ile ateşlemeli motorlarda kullanılan katalitik malzemesine ve dizaynına benzer. Ancak peteklerin uçları alternatif olarak seramik tapalarla tıkanmıştır. Bu nedenle açık bir kanal içinde akan egzoz gazı, kuyruk borusuna yönlendirilen komşu kanalar içerisindeki gözenekli seramik duvarlardan akabilir. Seramik duvarlar 0,5 mm kalınlıktan daha azdır. 34


YAKITLAR VE YANMA Petek seramik filtrelere alternatif olarak derin yataklı olarak isimlendirilen filtreler geliştirilmiştir. Bunlar çok daha büyük gözeneğe sahiptir ve ayrıştırma sadece yeterli filtre derinliğinde (duvar kalınlığı) meydana gelir. Burada parça seramik fiberlerin mumlu içeriği kullanılır. Aşırı karşı basınçları ve böylece blokaj riskini azaltmak için filtrenin yenilenmesine yardım edilmelidir. Tutuşma sıcaklıkları, metal organik maddelerin ilavesi ile 200 - 250°C ’ye düşürülebilir. Filtre sistemi yerleştirilse bile yanma hala yeterli seviyededir. Bir yakıt yakma tertibatı ile dışarıdan enerji alınması, filtrenin çok iyi şekilde yenilenmesine yardım eder.

1. 2. 3.

Gövde Seramik petek Seramik tapa

a) İs yakma filtresi (dizel motor) b) Katalitik konverter (Buji ile ateşlemeli motor) Katalitik konverter Katalitik konverter dizel motorların karbon monoksit ve hidrokarbon emisyonlarında belirgin bir azalma sağlar. Hidrokarbon emisyonu partikül emisyonuna katkıda bulunduğundan dolayı katalitik konverter ile sınırlı bir miktar azaltılabilir. Elektrikli separatör Elektron yayan elektrikli bir separatörün deşarj elektrotunun uçlarında veya kenarlarında alan dayanımı yüksektir. Egzoz gaz partiküllerinde kendi kendine biriken serbest şarj taşıyıcıları nedeni ile deşarj oluşur. Bir elektro-statik bölgede, elektriksel olarak ortaya çıkan şarj edilmiş partiküller, dağıldıkları yerde zıt polarite nedeniyle elektroda geçerler. Geleneksel formdaki elektrikli separatör, aracın çalışması için (ölçü, temizleme zorluğu) uygun olmadığından dolayı yığılma nedeni ile ayrışma prensibi partikül hacminde belirgin bir artışa neden olur. Partiküller daha sonra basit bir santrifüj (merkezkaç) tip separatörde egzoz gaz akıntısından ayrılabilir. Şekilde bu tür bir sistemin basit dizaynı görülmektedir. Santrifüj hızlanmaya sahip toplayıcının altına bir siklon yerleştirilmiştir, partiküller dış duvara ve oradan siklona döner bir akışla hareket ederler.

35


YAKITLAR VE YANMA Ayrılmış is, egzoz gazının küçük bir parça akıntısı ile birlikte bir kontrol sistemine gönderilir. Kontrol şekli, motor içinde veya dışında veya ara is haznesinde isi yakmaktır. İs filtresine benzemeyen elektrikli separatördeki egzoz gaz basınç kaybı, is yükünü dikkate almaz ve kendi çalışma noktasında (blokaj riski yoktur) sabittir.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Kirli egzoz gazı Elektrostatik toplayıcı Disk-tip deşarj elektrot İs kontrol sistemine Siklon Temizlenmiş egzoz gazı

36

dizellerde yanma,yanma odaları,dizel yakıtı  
Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you