BENZİNLİ MOTORLARDA EGZOZ EMİSYONU

1.GİRİŞ

Motorlu taşıtların fonksiyonlarını yerine getirebilmeleri için gerekli olan enerji bugün için büyük ölçüde petrole bağımlıdır. Bundan dolayı yakıt tüketimindeki hızlı artışa bağlı olarak yakıt temininde karşılaşılan güçlükler de giderek artmaktadır. Ayrıca motorlu taşıtlardan kaynaklanan hava kirliliği ve gürültü düzeyi özellikle büyük şehirlerimizde ciddi bir problem olarak insan sağlığını tehdit edecek boyutlara ulaşmıştır. Hava kirliliğinin ortadan kaldırılması veya minimum düzeye indirilmesi, yakıt tüketimini azaltmakla ve motorlu taşıtların verimliliğini artırmakla mümkündür.

Yakıt ekonomisini iyileştirmek için;motor,taşıt ve taşıtın kullanımı ile ilgili olarak birçok araştırmalar yapılmaktadır. Yakıt tüketimine etki eden parametrelerin motor ve taşıt kullanım şartlarına göre değiştirilmesi ile yakıt sarfiyatının azaltılmasına çalışılmaktadır.

Yapılan bu çalışmalar sonucu yakıt ekonomisine etki eden şu faktörler göz önüne alınmıştır:

Motora ait parametreler; Sıkıştırma oranı, hava-yakıt oranı,özgül yakıt tüketimi, motor taşıt uyumu,yakıt kalitesi,alev hızı,motor sürtünmesi,motorda kullanılan yardımcı sistemler, gaz değişim süreçleri, yanma odası tasarımı, motor bakımı ve ayarları, motordaki sistemlerin yönetim ve denetimleri.

Taşıta ait parametreler; Taşıt tasarımı, taşıt aerodinamiği, güç aktarma sistemleri, tekerlek ve lastikler, taşıt kütlesi.

Taşıta etki eden hareket dirençleri; Transmisyon direnci, ivme direnci, hava ve rüzgar direnci, tekerlek yuvarlanma direnci, yokuş direnci.

Taşıtların çalışma şartlarının etkisi; İlk çalışma ve ısınma durumu, seyir çevrim karakteristikleri, taşıt performansı, çevre koşulları, yolların etkisi, bakım ve onarımların etkisi, taşıt sürücüsünün davranışı.

Motorlu taşıtlarda yakıt ekonomisi ve egzoz gazındaki zararlı emisyonların azaltılması; motor ve taşıt tasarımına, taşıtların uygun hızlarda kullanılmasına ve periyodik bakımlarının zamanında yapılmasına bağlıdır (1).

Ülkemizin milli gelirinin üçte birinin petrol ithalatına ayrıldığı göz önüne alınırsa yakıt ekonomisindeki gelişmeler ülkemize önemli ölçüde katkı sağlayacaktır. Ülkemizde ve dünyada petrol fiyatlarının hızla artması ve kaynakların giderek azalması dikkate alınırsa hem motor gücünü ve verimini artıran, hem de egzoz emisyonlarındaki zararlı konsantrasyonları azaltıcı çalışmalara önem verilmesi kaçınılmazdır (1).

Bu çalışmada benzin motorlu taşıtlarda yakıt ekonomisi ve yakıt ekonomisine etki eden parametreler incelenmiştir.

 

2. Yakıt Ekonomisini Geliştirme ÇALIŞMALARI

Günümüzde teknolojik olarak mümkün olabilen ve kaynakların verimliliğine dayanan stratejilerin belirlenmesi ve uygulanması üzerinde çalışmaların yoğunlaşması gerekmektedir. Ülkemizde bu gibi stratejilerin yanında otomobil üreticileri, teknolojik olarak yapılması mümkün, etkin kaynak kullanımını öngören, en az yakıt tüketimi, temiz hava üzerinde önemli etkileri olan programlara destek vermeleri gerekmektedir (1).

Taşıtların emisyon ve yakıt ekonomisini etkileyen faktörlerin, üreticilerin dışında tüketiciye de bağlı olduğunun bilinmesi, bu konuda tüketicilerinde eğitim olanaklarının geliştirilmesine ihtiyaç vardır .

Teknolojisi eski taşıtların üretim ve kullanımdan kaldırılması, teknolojisi yeni olan taşıtların kullanılmasıyla (gelişmiş yakıt enjeksiyon, elektronik ateşleme ve emisyon sistemleri ile) günümüzden itibaren yakıt ekonomisinde hızlı bir iyileşme ve zararlı emisyonlarda bir azalma sağlanacaktır. Aynı zamanda taşıtın kat ettiği yolun zaman periyodu içinde artırılması hedeflenmelidir (1).

Son yıllarda yapılan uygulanabilir alternatif yakıt programları çalışmalarda temiz hava ve çok büyük oranlarda enerji tasarrufları sağlayabilir .

Ülkemizde üretimi yapılan büyük hacimli taşıtların, maliyetlerin artması pahasına da olsa, daha düşük güçte, daha küçük otomobillere geçişin gereğine inanmak gerekir.

Sayısal standartlar, faydalı kullanım süresi, emisyonlar ve yakıt ekonomisi talepleri, üreticilerin hizmet ve amaçlarını belirleyecektir .

Yakıt tüketimini azaltmak için en önemli faktör; gelişmiş yakıt ekonomisi teknolojilerini sürekli olarak kullanmaktır. Bunun için en gerçekçi olan, yüksek performanslı motorlar ve elektronik olarak kontrol edilen sürekli değişken transmisyonlardır (1).

Tasarım teknolojisi; malzeme ve elektronik alanındaki gelişmeler sonucu ağırlıktaki azalmalar, hava ve yol direncini azaltma şeklinde kendini göstermektedir .

Trafik sistemindeki gelişmeler, yolların iyileştirilmesi ve sürücülerin daha bilinçli olarak hareket etmeleri, düşük hava kirliliğine, düşük yakıt tüketimine dolayısıyla yakıt ekonomisinin iyileşmesine katkıda bulunacaktır.

Taşıtlarda, yakıt tüketimini azaltmak için tam olarak iki kavramla konu en iyi bir şekilde açıklanabilir. Bunlardan birisi taşıtlardaki güç ihtiyacını azaltmak, diğeri ise gerekli gücü, daha verimli bir şekilde sağlamak ve etkin bir şekilde kullanmaktır. Bir taşıt için gerekli olan gücü sağlamak için aerodinamik dirençlerin düzenlenmesi gerekmektedir. Bir taşıtın yuvarlanma direnci, tekerleklerin yuvarlanma direnç katsayısına ve büyük oranda taşıtın ağırlığına bağlıdır (1).

Güç mümkün olduğunca tekerleklere verimli bir şekilde iletilmelidir. Ayrıca transmisyon oranları, ihtiyaç duyulan çalışma noktalarını sağlamak için dikkatlice seçilmelidir. Yakıt ekonomisinin geliştirilmesinde maliyet ve fiyat gibi konular çok önemlidir. Bunun yanı sıra güvenilirlik, emisyon düzenlemeleri, servis ve tamir imkânları da dikkate alınmalıdır. Egzoz emisyonları, günümüzde artık ihmal edilemeyecek konuların başında gelmektedir. Taşıtların dinamik hareketlerinde de emisyon ölçümlerinin yapılması gerekmektedir. Taşıt tasarımını optimize etmek için birçok çözüm yolu vardır. Her kategorideki taşıtlar için alternatif çözümler üzerinde gelişmeler sürdürülmektedir. Bu üreticileri, satıcıları ve farklı kullanıcıların ihtiyaçlarının karşılanmasında otomotiv alanında çalışan mühendislere cesaret vermektedir (1).

Gerçek anlamda, taşıtlar rüzgarsız, düzgün bir şekilde, yol üzerinde sabit hızlarda hareket etmezler. Taşıtlardaki yakıt ekonomisini, motorun soğuk olup olmadığı, aracın çalışma koşulları, sürücü, rakım, iklim koşulları ve trafik akışı gibi konular büyük oranda etkilemektedir. Yakıt fiyatlarının ülkelere göre farklılıklar göstermesi de (vergiler yüzünden) yakıt ekonomisini etkilemeye devam etmektedir. Ham petrolün fiyatı, yakıt fiyatlarını doğrudan etkilemektedir. Bu hükümetlerin inisiyatifi ile değiştirilemeyecek bir konudur (1).

 

3. YAKIT TÜKETİMİNE ETKİ EDEN PARAMETRELER

Yakıt tüketimini azaltmak için motor sistemleri,taşıt sistemleri ve taşıt kullanımı ile ilgili birçok araştırmalar yapılmaktadır.

 

3.1.Motor ile ilgili çalışmalar;

Motor ile ilgili çalışmalar; sürtünme kayıplarının azaltılması , yüksek sıkıştırma oranlarının kullanılması, dolgunun artırılması, uygun karışım kompozisyonu ve en avantajlı çalışma koşullarının elde edilmesi yoluyla daha küçük, hafif ve daha verimli motorların geliştirilmesine yöneliktir. Bu çalışmalardan bazıları şunlardır:

Mekanik sürtünmelerin azaltılması (Sürünme kuvvetinin azaltılması için yeni tip yağların kullanılması). Araştırmacılar, bilinen mineral yağlara değişik sentetik katık kombinasyonları karıştırılarak (olefin oligomerler), ortalama %2 yakıt ekonomisi sağlanabildiğini ifade etmektedirler .

Elektronik karışım ve ateşleme kontrolü (En avantajlı çalışma koşullarını elde etmek üzere; hava debisi, hava fazlalık katsayısı ve ateşleme avansının kontrolü). Plazma ateşleme ile % 17 ekonomi sağlandığı ifade edilmektedir (1).

Heterojen doldurma (stratifıed charge) (Sıkıştırma oranı ve hava fazlalık katsayısının artırılması). Örneğin, sıkıştırma oranının 9'dan 12'ye, hava fazlalık katsayısının 1.1'den 1.3'e artırılması ile % 8'in üzerinde ekonomi sağlandığı ifade edilmektedir.

Hafif yakıt enjeksiyonu (Hava debisi, motor hızı, hava ve soğutucu sıcaklıkları, emme borusu vakumu, gaz pedalı konumuna bağlı en uygun yakıt kontrolü). Örneğin, 1900 cc lik motora karbüratör yerine Bosch L Jetronic takılarak yapılan testlerde % 11-17 kadar ekonomi sağlandığı ifade edilmektedir (1).

Değişken supap zamanları ve birden çok supap (Gelişen doldurma ve artan motor hızına bağımlı güç artışı). Bir silindire dört supap uygulaması ile % 25 kadar güç artışı sağlandığı ifade edilmektedir.

Değişken kompresyon (Düşük yüklerdeki sıkıştırma sonu basınçları, vuruntu tehlikesi olmaksızın, geometrik sıkıştırma oranının artırılması ile yükseltilebilmektedir). Böyle bir uygulama ile % 17 yükte % 9, % 28 yükte % 8 ekonomi sağlandığı belirtilmiştir.

Aşırı doldurma (Süper şarj) (Artan dolgu miktarına bağımlı olarak tork, güç ve verim artışı). Turbo şarjla % 20 kadar ekonomi sağlanabilmektedir.

Adyabatik motor (ısı ve korozyon yalıtımı sağlamak üzere, yanma odası yüzeylerinde seramik malzeme kullanımı). Verimde % 1-2 performansta % 3 kazanç sağlanabilmektedir (1).

Ülkemizin petrolde büyük ölçüde dışa bağımlı bir yapıya sahip olduğu dikkate alınırsa, yakıt ekonomisinde % 5-10 gibi başarılması hiçte güç olmayan tasarrufların bile ekonomimize ne denli katkı sağlayacağı ortadadır. Bu tür bir tasarruf ayrıca, günümüzde giderek ciddi bir problem haline gelen çevre kirliliğinin azalmasına da olumlu bir etki sağlayacaktır. 1965-1973 seneleri arasında Dünya Otomotiv Endüstrisinin en önemli problemi egzoz emisyonu ve hava kirlenmesi konusu idi. Petrol fiyatlarının yükselmesi sonucu ilgi alanı birinci derecede yakıt ekonomisi üzerine kaymıştır. Mevcut petrolün daha ziyade derin kuyulardan çıkarılması, iri moleküllü olması ve petrolün ticari yönden 25-30 senelik bir ömrünün kalmış olması fiyatının hızla yükselmesine neden olmaktadır.

Bu arada benzin ve dizel yakıtının fiyatı sırasıyla metanol, sentetik benzin, sentetik dizel yakıtı, etanol, bitkisel yağlar ve hidrojen gibi birçok alternatif yakıtların fiyatlarına ulaşarak bu yeni yakıtların kullanılmasını sağlayacaktır. Bu gelişmelerin ortaya koyduğu en önemli sonuçlardan birisi de araçlarda yakıt ekonomisine dikkat edilmesi gerektiğidir.

Önümüzdeki yıllarda özellikle tabii gazdan metanol üretiminin ve kullanılmasının yaygınlaşması beklenmektedir. Metanol araştırma oktan sayısı (AOS=110) gibi yüksek oktan sayısına sahip yakıtlar kullanılmaya başlayınca sıkıştırma oranı 13 değerine çıkarılabilecektir. Dolayısıyla yüksek verim ve yakıt ekonomisi temin edilebilecektir. Bir araştırmada benzin yerine metanol kullanılmasıyla motor gücünde % 10 kadar bir artış elde edilmiştir (2).

Motorun konstrüktif özellikleriyle ilgili bir diğer faktör mekanik sürtünmelerin azaltılması ile ilgilidir. Aynı gücü veren düşük silindir sayılı motorlar daha ekonomiktir. Yatak ve segman sayısının azaltılması yanında bunlardaki sürtünmeyi düşürmek de önemlidir. Motordan düşük güç istenen zamanlarda supaplardan bazılarını devre dışı bırakarak çalışan silindir sayısını azaltmak mümkündür. Bu tip bir uygulamanın % 3 tasarruf sağladığı tespit edilmiştir .

Motorun yanma odasındaki değişiklikler ile hava hareketleri iyileştirilebilir veya karışım teşkili kontrol edilebilir. Dizel motorlarında ön yanma odası, türbülanslı yanma veya hava deposu olarak bilmen yanma odaları benzin motorlarına değişik şekillerle uygulanmaktadır. Bilhassa fakir karışımla çalıştırılabilen motorlarda yakıt ekonomisi ve azot oksit emisyonunda azalma görülmektedir. Bu tip motorlar daha ziyade kademeli dolguyla çalıştırılabilmektedir.

Kademeli dolguyu oluşturarak iyi bir yanma sağlamak için çift karbüratör, benzin enjeksiyonu veya iki emme supabı gibi çözümler uygulanmaktadır. İlk alev çekirdeğinin oluşumunu iyileştirmek ve yanma hızını arttırmak için iki buji kullanmak veya transistorlu ateşleme ve gerilimi sabit tutmak mümkündür. Karbüratörlü klasik motorlarda yakıtın iyi bir şekilde zerrelere ayrılmadığı ve silindirlere üniform bir şekilde dağılmadığı bilinmektedir. Gerçekte en iyi çözüm benzin püskürtmedir. Ancak gerek sistemin pahalı oluşu gerekse alışılmamış olması, benzin püskürtmenin yayılma hızını düşürmektedir. Buna karşılık değişken venturi boğazlı karbüratörler veyahut ultrasonik verici ile yakıtı zerrelere ayıran karbüratörler geliştirilmiştir. Bu yeni karbüratörler sayesinde ısıl verimde % l lik bir artış sağlanmaktadır.

Relanti durumunda çalışan sıcak bir motorda minimum yakıt sarfiyatına, ateşleme avansı (AA) 16 krank mili açısında (KMA) ve hava/yakıt oranı (H/Y) 16/1 olduğunda erişilmektedir. Bu nokta civarında H/Y oranına fazla bir bağlılık da görülmemiştir. Motor soğuk ise bu ekonomi noktasına, ateşleme avansı 8 krank mili açısında ve H/Y oranı 15/1 olduğunda ulaşılmaktadır. Relantideki düzgünsüzlük yanma şartlarının kararsızlığından kaynaklanmaktadır. Bunlar taze dolgunun egzozla seyreltilmesi, karışım türbülansının azalması ve yerel olarak H/Y oranının değişmesi şeklinde sıralanabilir. Buji çaktıktan sonra teşekkül eden alev çekirdeğinin kısa bir süre sonra sönmesi sonucu motorlarda "tekleme" adı verilen tamamlanmamış yanmanın (misfıring) sebep olduğu salınımlar görülür. Relantinin kontrolü için su sıcaklığı ile relanti yakıtının ayarlanabilir olması gerekmektedir. Bu bağlantıyı termo -mekanik veya elektro-mekanik yapmak mümkündür. Relantideki hızın ayar noktası gerçekte çevre koşullarına ve motor performansındaki düşüşlere de bağlıdır. Yakıt ekonomisindeki bir parametre olarak bir mikro işlemciye gönderilecek olursa belirli bir yakıt ekonomisi için fakir karışım bölgesine kayılırken tekleme sayısının artması nedeniyle devir sayısının da yükseltilmesi gerekir. Mikro işlemcide kullanılan düzgün çalışma indeksi sıcak motorda yüksek, soğuk motorda düşük tutulabilir. Böylece sabit bir indeks yerine değişken bir indeks kullanılmış olur (1).

Mikro bilgi işlemciler ve çeşitli vericiler (duyargalar-sensörler) yardımıyla yakıt ekonomisi, egzoz gazı resirkülasyonu (EGR), egzoz emisyonu, düzgün çalışma, vs. bir arada kontrol edilebilmektedir. Kirletici NOX , HC ve CO sınırları önceden bellidir. Motor önce diğer değişkenlerden bağımsız olarak muhtelif ateşleme zamanı, EGR oranı değerlerinde denenir. Bu esnada NOX HC ve CO değerlerinin kabul edilebilir alanı tespit edilir. Bu alan içerisindeki minimum yakıt sarfiyatı noktası ve buna ait ateşleme avansı ve EGR değerleri belirlenir (1).

Ateşleme avansı kısmen su sıcaklığına ve aracın hızına göre tayin edilir. Bunun için iki ayrı veri tablosu hazırlanır. Bilgi işlemcinin hangi tabloyu kullanacağını diğer motor değişkenleri belirlemektedir. Ayrıca yüksek hız ve yüklü çalışma şartlarında yüksek sıcaklık nedeniyle NOX miktarı artmaktadır. Bunu EGR ile kontrol artık mümkün değildir. Katalizör verimini maksimum yapacak şekilde hava fazlalık katsayısı (HFK) ve ateşleme avansıda (AA) değiştirilmektedir. Motorun düzgün veya sert çalışması silindirlerdeki momentin eşitliği, HFK veya egzozdaki 02 konsantrasyonu, motor devri, su ile egzoz sıcaklığı, hava kelebeği ile gaz kelebeği konumu, emme borusundaki vakum, ateşleme avansı motor devrine bağlı olarak geciktirilir ve motorun erken ısınması sağlanır. Özellikle hava kelebeği tam kapalı ise ateşleme avansı motor devri ile kontrol edilmektedir. Motor yüklenince bu kontrol motor devri yerine motor suyu sıcaklığı katsayısı ile yapılmaya başlar. Eğer motor yeterince ısınmamış ise performansın düşmemesi için EGR devreye sokulmamalıdır. Motoru sıcak tutup NOX emisyonunu azaltmak için kullanılan bir yol da HFK, AA. ve EGR’ nin küçültülmesidir (1).

Motorlarda ısı geçişi ile yakıt ekonomisi arasında yakın bir ilişki vardır. Değişken seyir koşullarında kullanılan bir taşıt motorunun soğutucu akışkan sıcaklığı da sürekli değişmektedir. Ancak bu değişken işletme koşullarında soğukta ilk hareket ile ısınma periyodunun, relanti süresinin, negatif ivmenin ve durup-kalkma gibi belirgin bazı olayların etkisi daha fazla olmaktadır. Yakıt ekonomisi ile su sıcaklığı arasındaki ilişkiyi inceleyebilmek için su frenine bağlı bir benzin motoru test edilmiştir. Deneylerde motorun enerji dağılımı relanti ve değişik gaz konumlarında her biri için 41 °C ile 92 °C arasında değişen bir su çıkış sıcaklığı aralığında tespit edilmiştir. Soğutma suyu debisi ayarlanarak, her bir deney noktasında su sıcaklığı sabit kalıncaya kadar motorun rejim haline gelmesi beklenmiştir. Enerji dağılımı; faydalı enerji, suya giden enerji, egzozla atılan enerji ve radyasyon kayıpları ile alternatöre giden enerjiden müteşekkil diğer kayıplar olmak üzere dört ana grupta incelenmiştir. Tablo 3.1’de yakıt sarfiyatının su sıcaklığına bağlı olarak değişimi verilmiştir.

 

Tablo 3.1. Bir motorda yakıt sarfiyatının su sıcaklığına bağlı olarak değişimi.

Gaz Konumu

T (°C) su sıcaklığı

M (kg/h) yakıt tüketimi

2/3

90

6,570

75

6,635

64

6,703

52

6,703

41

6,844

Relanti

88

78

1,213

1,251

 

3.1.1. Sıkıştırma oranı

Buji ile ateşlemeli motorlarda oluşan süreçleri en iyi anlatan model otto çevrimi olup, verimin sıkıştırma oranıyla değiştiğini gösterir.

                        1        

 hotto = 1 ¾ ¾¾¾¾¾¾¾                   

                        e k-1

Burada kullanılan;

e= Hacimsel sıkıştırma oranı

k= Cp/Cv için kullanılan özgül ısı kapasitesi oranıdır.

Bu ifade sıkıştırma oranı arttıkça termik verimin arttığını,yakıt tüketiminin azaldığını göstermektedir, Şekil 3.1 (3).

Şekil 3.1 'den de anlaşılacağı gibi karışım fakirleştikçe (l®0), belirtilen sıkıştırma oranındaki verim artmaktadır. Diğer bir ifadeyle, fakir karışımlardaki gazların karakteristikleri, otto çevrimi için kabul edilen karakteristiklere çok yakındır. Bu sebeple maksimum verim stokiyometrik olarak fakir karışımlarda elde edilir.

Şekil 3.1 Değişik sıkıştırma oranları ve denge oranlarına bağlı olarak verimdeki değişimler.

İngiliz Teknik Konseyi tarafından yapılan bir araştırmada oktan sayısı (OS), sıkıştırma oranı ve yakıt ekonomisi arasındaki ilişki incelenmiştir. Strok hacimleri 1100 ile 423 5 cc aralığında bulunan 17 farklı motor frende ve taşıt üzerinde denenmiştir. 1300 ve 1600 cc'Iik motorlarda 7,6- 8,0 sıkıştırma oranında, araştırma oktan sayısının 90 olması gerekirken, 8.5-9.0 sıkıştırma oranında, araştırma oktan sayısının 97 olması gerekmektedir. Sıkıştırma oranında 0,9 - 1,0 birimlik bir artış araştırma oktan sayısında da 7 birimlik artmayı zorunlu kılmaktadır. Bu durumda 1300-1600 cc1 lik motorlarda birim sıkıştırma oranı başına % 4,4 - 13,3' lük; birim araştırma oktan sayısı artışı başına da % 0,6- 1,7 yakıt ekonomisi tespit edilmiştir. 17 adet motor için genel ortalama yapılınca sıkıştırma oranındaki birim artış ile % 7.7'lik; araştırma oktan sayısında birim artış ile % l,3'lük bir yakıt ekonomisi sağlanmış olmaktadır. Dolayısıyla birisi işletme faktörü olan yüksek oktanlı benzin kullanılırken aynı zamanda konstrüktif bir faktör olan sıkıştırma oranının da uygun miktarda artırılması ile yakıt ekonomisi sağlanabilir.

Yapılan diğer bir çalışmada sıkıştırma oranı arttıkça motor gücünün arttığı ve özgül yakıt tüketiminin azaldığı belirlenmiştir. Şekil 3. 2 (1).

 

Şekil 3.2 Kompresyon oranının yakıt ekonomisi üzerindeki etkisi.

 

3.1.2. Hava/yakıt oranı

Motorlarda en ekonomik çalışma fakir karışımla sağlanmaktadır. Maksimum güç alınması için ise zengin karışıma ihtiyaç vardır. Motorlarda ekonomik çalışmanın ölçümü, birim güç için birim zamanda harcanan yakıt miktarını veren, efektif yakıt sarfiyatıdır. Motorun değişik çalışma koşullarında hava/yakıt oranının iyi bir şekilde sağlanması, değişimin minimum düzeyde kalması gerekmektedir. Karışım oranı, hız değişimlerindeki ivmelenmelerden dolayı zengin karışıma doğru yönelir. Şekil 3.3'de hava/yakıt oranının, farklı hızlarda ve işletme durumlarındaki değişimleri görülmektedir (4). Tablo 3.2 de ise H/Y oranındaki değişmelerin motor gücü, yakıt sarfiyatı, egzos emisyonları ve motorun çalışmasına etkisi verilmiştir.

Şekil 3.3 Taşıtın hızına bağlı olarak hava yakıt oranı değişimi

 

Tablo 3.2 Hava/Yakıt oranındaki değişmelerin motor gücü,yakıt sarfiyatı,egzoz emisyonları ve motorun çalışmasına etkisi (4).

 

Hava yakıt oranı (ağırlık)

Karışımının Tarifi

Güç

Beygir saat başına yakıt sarfiyatı

Eksoz gazı kompozisyonu (yaklaşık)

Düşünceler

20-22

Çok Fakir

En az normalden yaklaşık olarak %40 daha az

Düşük

% 84,0 N2

% 8,0 CO2

% 8,0 O2

 

Güç düşüktür. Karbüratörde öksürme ve alev tepmesi olur. Yanma yavaş ve çalışma düzensizdir.

16-18

Fakir

Normalden %10 daha fazla

En az (min)

% 84,5 N2

% 12,0 CO2

% 3,5 O2

Sarfiyat bakımından en ekonomik karışım oranıdır. Fakat, en yüksek güç için uygun değildir.

15-15,5

Normal veya Doğru

Aşağıdaki zengince karışımınkinden %4 daha az

En az değerden %4 daha fazla

% 86,8 N2

%13,2 CO2

Pratik olarak hiç O2 yok

En uygun oran. Eksozdaki CO2 miktarı maksimumdur.

11,5-13

Zengin

En yüksek gücü verir

En az (min) değerden %25-30 daha fazla

% 84,5 N2

% 10,5 CO2

% 5,0 CO

Yüksek güç için en uygun oran, fakat yakıt sarfiyatı daha fazladır. Eksozda O2 yoktur. Yanma hızı (alevin yayılma hızı) en yüksektir.

8-10

Çok Zengin

Normalden daha az güç verir

Çok yüksek

% 82,0 N2

% 6,0 CO2

% 13,0 CO

Karbon isi de vardır

Düşük sonuçlar. Düşük güç. Yüksek yakıt sarfiyatı. Çokça karbon isi. Düşük yanma hızı.

 

3.1.3. Ateşleme Avansı

Şekil 3.4'de bir motorda avans değiştirilerek yapılan deneyde güç ve yakıt sarfiyatının avansla nasıl değiştiği görülmektedir. Avans artınca yakıt ekonomisi iyileşmektedir. Ancak buradan avans istenildiği kadar artırılabilir anlamı çıkarılmamalıdır. Her motorun değişik çalışma koşullarında değişik miktarlarda avansa ihtiyacı vardır (4).

Şekil 3.4. Avansın güç ve yakıt sarfiyatına etkisi

 

3.1.4. Yakıtın kalitesi                                                     

 

Benzinli motorlarda, yakıtın kalitesi, oktan oranıyla belirlenir ve yakıtın kendiliğinden yanmaya direncini ifade eder. Oktan oranı, motor üzerinde dikkatle yapılan test ve kontrollerle belirlenir. Bir motorda kendiliğinden yanma; sıkıştırma oranı, hava/yakıt oranı, ateşleme zamanı, gaz ayarı, motor hızı, hava giriş ısısı ve yanma odası dizaynı gibi birçok parametreye dayanır (5).

 

 Benzinde aranan performans özelliklerini şöyle sıralayabiliriz:

- Vuruntuya karşı dayanıklı olmalıdır.

- Uygun buharlaşma olmalıdır.

- Zamk ve vernik oluşturmamalıdır.

- Yakıt veya yanma ürünleri korozif olmamalıdır.

-Alevlenme tehlikesi olmamalıdır.

 

3.1.5. Motorlarda alev hızı

Yanma olayının kısa sürede tamamlanması, bir diğer ifadeyle alev hızının yüksek olması motor performansı açısından çok önemlidir (6).

Çift buji kullanılmasıyla hızlı ve etkili bir yanma gerçekleştirilmekte, yakıt ekonomisinde ve taşıt performansında iyileşme sağlanmaktadır (1).

 

3.1.6. Motor sürtünmesi

Motorlarda iç sürtünme, balansa, yatak yuvası dizaynına ve pistonlar dikkate alınarak düşürülmeye çalışılmaktadır. Sürtünme kuvvetindeki artma, lineer hız artımından fazla olacağından dolayı, yüksek hızlarda mekanik verim önemli ölçüde düşük olacaktır. Bunun için motor hızını sınırlamak zorunlu hale gelmiştir.

Son yıllarda önemli bir gelişmede pistonlardaki sürtünmenin azaltılmasıdır. Motorlarda aşırı sürtünme, piston ile silindir yüzeyi arasındaki yağ tabakasından kaynaklanmaktadır. Sürtünme yüzeyleri azaltılmış pistonların motorlarda kullanılmasıyla, sürtünme kayıplarında % 10 azalma olduğu ve bu azalmanın, geniş ölçüdeki çalışma koşullarında, maksimum güçte % 2 artma ve yakıt tüketiminde % 3 azalma sağladığı belirlenmiştir.

Piston sürtünmesini azaltan diğer bir gelişme de segman sayısının ve ağırlığının azaltılmasıdır. Standart pistonlarda kullanılan üst ve orta segmanlann yerini almak için bir adet segman kullanılmaktadır. % 10'luk azaltılmış segman ağırlığı ve bir segmanın eksik olmasıyla sürtünme azaltılmaktadır.

Motorlarda kullanılan düşük viskoziteli yağlar aracın yakıt ekonomisini iyileştirir. Araçlar üzerinde düşük viskoziteli yağ (15 W/40), referans olarak alınan yağ (20 W/50) ile karşılaştırılması sonucunda yakıt ekonomisinde sağlanan iyileşme ilk 1,6 km'de % 6, motorun ısınması ile % 9'luktur (1).

 

3.1.7. Motorlarda kullanılan yardımcı sistemler

Motorlarda kullanılan yardımcı sistemlerin (su pompası, havalandırma-soğutma kompresörü, alternatör) önceden belirlenemeyen çalışma çevrimleri vardır. Direkt hava soğutmalı veya su ile soğutulan motorlarda kullanılan preslenmiş çelik fanların verimi % 10 düzeyinde, püskürtülmüş plastikten itinalı olarak yapılmış fanlarda verim % 30 seviyesinde olabilmektedir. Su soğutmalı motorlarda, belirtilen hız ve yük durumlarında, gücün % 5'i fan tarafından harcanmaktadır.

Alternatif olarak, belirlenen hava sıcaklığı veya su sıcaklığına göre çalışan termodinamik bir fan kullanılmaktadır.

Alternatör üzerindeki yüklerin önemli bir bölümü ısıya dönüşmektedir. Tipik bir alternatörün en fazla çıkış gücü 600 watt tır ve maksimum verimi % 35,5 olmaktadır.

Su pompasının ihtiyaç duyduğu maksimum güç gereksinimi, motor gücünün % 2'den azdır. Verimlilikte sağlanan gelişmenin büyük bölümü, plastik enjeksiyonla kalıba alınmış kanatçıklar sayesinde olmuştur.

Klima kompresörü ortalama olarak 10 kw'a kadar enerji harcamaktadır. Dolayısıyla % 5 ile % 10 arasında ek yakıt tüketilmektedir (1).

 

3.1.8. Gaz değişim süreçleri

Herhangi bir hızda elde edilen maksimum moment, silindirlerde kullanılan hava/yakıt karışımıyla ve daha önceki yanma periyodundan sonraki artık gazların atılmasının etkinliğiyle doğrudan ilişkilidir. Motorun hacimsel verimi, emme ve egzoz sistemlerinin ayarlanmasıyla geliştirilmektedir. Gaz dönüşüm işlemlerinin iyileştirilerek geliştirilmiş olması motor momentinde ve gücünde artma olarak kendini gösterir. Aynı güç seviyesini korumak için motor ebatlarının düşürülmesi, çalışan bütün parçalardaki sürtünmeyi de azaltacağından verim artacaktır (1).

Emme ve egzoz sistemlerini tasarlamada en büyük zorluk, optimum geometri ve supap zamanlarının motor hızının bir fonksiyonu olmalarından kaynaklanmaktadır. Emme ve egzoz sistemlerinin geometrik supap zamanlamaları genellikle sabit olduğundan dolayı, tek bir hızda yapılacak iyileştirmenin, motor performansını azaltmamasına dikkat edilmelidir. Bunun için değişken supap zamanlaması, moment eğrisini yükseltmesinin yanında, kirletici emisyonları düşürerek kısmi ve tam yüklerdeki verimi artırmaktadır, Şekil 3.5 (7).

Şekil 3. 5. Değişken supap zamanlamasının,buji ile ateşlemeli motorların performansına etkisi

 

3.1.9.Yanma odası tasarımı

Silindirlerde etkili bir yanmanın gerçekleşmesi yanma odasının tasarımıyla çok yakından ilgilidir. Etkili bir yanma oluşumunu sağlamak için ön alev tarafından kat edilen yol küçültülmelidir. Alevin kat ettiği mesafeyi küçültmek için yanma mümkün olduğunca hızlı olmalıdır. Bunun önemli iki etkisi vardır; Birincisi yüksek motor hızlarına müsaade eder ve böylece yüksek çıkış gücü elde edilir. İkinci olarak hızlı yanma, zincirleme reaksiyonların zamanını azaltarak kendiliğinden yanma ortadan kalkar. Egzoz supapları ve bujiler mümkün olduğunca birbirine yakın olmalıdır. Egzoz supabı çok sıcaktır, kendiliğinden ateşlemeye sebep olmadan ön alev egzoz supabını geçmek zorundadır. Çabuk yanmayı kolaylaştırmak için yeterli büyüklükte türbülans olmalıdır. Kendiliğinden ateşlemenin oluşabileceği zaman kısaltılmalıdır. Bununla birlikte aşırı türbülans, silindir cidarlarından aşırı ısı transferine sebep olur ve ısı kayıplarını artırır. Son gaz; alev cephesinin önünde kalan yanmamış karışımdır ki yanma odasının soğuk bölgesinde olmalıdır. Bu kendiliğinden ateşlemeyi engeller. Yanma odası, kısa ve oyuklardan arındırılmış olmalıdır. Yanma odasında, yanma mesafesi de kesinlikle kısa olmalıdır. Yanma odasında oyuk ve yarıklardan kaçınılmalıdır, çünkü alev soğutma etkisiyle söndürülür ve yanmamış H/Y karışımı bu çatlaklarda birikerek verimi düşürür ve yüksek hidrokarbon emisyonuna neden olur.

Motorlarda kullanılan çok değişik yanma odası tasarımları vardır. Genellikle yanma odası tasarımında üç değişik yaklaşım vardır.

Bunlar; Ricardo'nun yüksek sıkıştırma oranlı yanma odası (HRRC), Nissan'ın NAPS-Z'si ve silindir kapağında 4 supabı olan yanma odasıdır. Şekil 3.6'da üç değişik yanma odası gösterilmiştir. Silindir kapağında 4 supabı olan yanma odasının ana karakteristiği, supaplar tarafından sağlanan geniş akış alanına sahip olmasıdır. Bundan dolayı motor hızlarında çok yüksek bir hacimsel verim sağlanır. Bu da orta hızlar ve üzerinde hemen hemen sabit ve kararlı bir ortalama efektif basınç oluşturur (7).

Nissan NAPS-Z yanma odası sistemi çift buji ve daha çok türbülans seviyesi sağlayan emme sistemine sahiptir. Yanma odası kenarında yanma başlarken türbülanslı akış ve çift bujiden dolayı hızlı bir yanma oluşur. Dört supap sistemde iki giriş supabından geçen akış birbirine karışarak bir türbülans oluşturur. Hızlı yanma, küçük yanma odası ve yüksek türbülansın sonucudur (7).

Şekil 3.6. Üç farklı yanma odası tasarımı

Bu türbülans, belirtilen oktanlı yakıt kullanıldığında yüksek sıkıştırma oranına müsaade eder. Şekil 3.7 de değişik yanma odası sisteminin oktan sayısına bağımlı olarak özgül yakıt tüketimindeki değişimler ele alınmıştır.

 

Motorlarda fakir karışım kullanıldığında HRCC'de yanma hızı en fazla, dört-supaplı sistemde ise en azdır, özgül yakıt tüketimindeki farklılıklar, değişik oktanlı yakıt gereksiniminin ışığında değerlendirilmektedir (7).

Şekil 3.7 Özgül yakıt tüketimi ve oktan sayısı arasındaki ilişki

 

3.1.10. Motorlardaki sistemlerin yönetim ve denetimi

Elektronik olarak ateşleme zamanının ayarlanması ve karışımın hazırlanması, motordan en yüksek güç alınmasını sağlamakta ve optimum yakıt ekonomisi elde edilmektedir. Elektronik yönetimle enjeksiyon safhasının kontrol edilmesi, çok düşük emisyonlara ve yüksek bir performansa neden olur. Ateşleme zamanına ek olarak, ateşlemenin kaynağı da önemlidir. Yüksek enerjili, uzun süreli kıvılcım, fakir karışımın ateşlenmesini kolaylaştırır ve çevrimdeki basınç dalgalanmalarını önler, çevrimlerdeki basınç dalgalanmaları, aynı işletme koşullarına sahip buji ile ateşlemeli motorların basınç diyagramları üzerinde aynen tekrarlanmaz. Bu çeşit farklılık Şekil 3.8'de gösterilmiştir (7).

Şekil 3.8 Beş ayrı çevrime ait basınçların indikatör diyagramları

Çevrimlerdeki basınç dalgalanmalarının, çevrimden çevrime farklılık, göstermesinin sebebi türbülans, H/Y oranı, artık egzoz gazlan ve buji ateşleme zamanıdır. Çevrimdeki basınç dalgalanmaları kıvılcım veya alev nüvesinin gücünden daha etkili olursa, ön alevin yayılmasını etkiler. evrimlerdeki basınç dalgalanmaları kısmi yüklerde fakir karışımla engellenebilir. Bu işlem şartları otomotiv uygulamalarında gittikçe artan bir öneme sahiptir. Çevrimlerdeki basınç dalgalanmalarının azaltılmasıyla, toplam verim iyileştirilmektedir.

Ateşleme sistemindeki bir gelişmede her buji doğrudan yüksek voltaja bağlanmaktadır. Yüksek voltaj dağıtıcısı ve bunun dağıtım aralığının sistemden atılmasıyla voltaj kayıpları azalır ve daha yüksek voltajlı kıvılcım oluşur. Yüksek voltajın oluşturduğu arızalar ortadan kalkar, çünkü bujide daha geniş bir atlama aralığı kullanılır ve elektrod erezyonunun azaltılması sağlanmaktadır.

 

3.2.Taşıtla İlgili Çalışmalar

Genel olarak yakıt tüketimi üzerinde, taşıta ait faktörlerin önemli etkileri bulunmaktadır. Örneğin; taşıt ağırlığının fazla olması ivmelenme yeteneğini azaltmakta ve yakıt ekonomisini kötüleştirmektedir.

Daha hafif malzeme kullanmaya yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Kullanılmakta olanlara oranla, kompozit yaylarla % 81, fibrit panellerle % 59, çelik saç egzoz manifoldu ile % 60, alüminyum gövde ile % 52 kadar ağırlık tasarrufu sağlanabilmektedir.

Yuvarlanma direncinin azaltılması. LEM (Liquid Injection Molded) normal lastiklere oranla % 8 kadar yakıt ekonomisi sağlandığı ifade edilmektedir.

Yüksek hızlarda aerodinamik yapının etkisi çok önemlidir. Günümüzde ortalama 0,3 olan aerodinamik direnç katsayısı, araştırma binek otomobillerinde 0,22'ye kadar düşürülebilmiştir (8).

Taşıtlarda yakıt tüketimi, 100 km lik bir seyir halinde tüketilen yakıt miktarı veyahut belirli bir seyir çevrimi için yakıt miktarı olarak tanımlanmaktadır. Ancak bir taşıtın işletme giderleri yakıt sarfiyatından ibaret değildir. İşletme giderleri yakıt masrafının 3-5 misli mertebededir. Kamyon taşımacılığında yakıt payı genellikle % 20-25 mertebesinde olmasına rağmen bazı ülkelerde şehir içi işletmeciliğinde bu pay % 3'e kadar düşmektedir. Çünkü bu ülkelerde petrol ürünlerinin vergisi kısmen kaldırılmaktadır. Ancak diğer masraflar da taşıt yeteneğine çok bağlıdır. Özellikle seyir yeteneğini etkileyen parametreler incelenmelidir. Bunlar ortalama hız üzerinden seyir süresine bağlı masraflara tesir etmektedirler.

Özellikle ivmeli hareketlerde, atalet teriminin önem kazandığı dikkati çekmektedir. Sürücünün taşıtı kullanma şekliyle etkilediği bu parametrenin ve ivme pompasının etkisi bir arada ele alınacaktır. Yakıt ekonomisi taşıt ağırlığına, yuvarlanma direnci ve yol eğimi nedeniyle kuvvetle bağlıdır. Bir otomobilde sağlanan 118 kg ağırlık azaltılmasının seyir koşullarına göre % 16-36 yakıt tasarrufu sağladığı bilinmektedir. Taşıtların direnç katsayısı ortalama olarak 0,3 değerine indirilebilmiştir. Bugün 70 km/h hızla giden bir otomobil motor gücünün yarısını hava direncini yenmek için harcamaktadır. Dişli kutusu ve diğer aktarma organlarının seyir koşullarına uyumu ve dişli kutusundaki kademe sayısının artırılması ile iyileşmeler sağlanabilir. Tablo 3.3’de bazı mekanik değişikliklerin etkisi görülmektedir. Yüksek sıkıştırma oranı yakıt ekonomisini artıran en önemli parametrelerden birisidir. Ancak vuruntu olayı ve azot oksit teşekkülünün artışı sıkıştırma oranının yükseltilmesini engellemektedir (1).

 

Tablo 3.3 Yakıt ekonomisinin iyileştirilmesinde etkili olan parametreler.

İyileştirilen etkenler

 

Tasarruf (km /lt)

 

Aerodinamik direnç katsayısı

 

0.510

 

Lastik yuvarlanma direnci

 

0.298

 

Disk frende iyileştirmeler

 

0.128

 

Değişken stroklu transmisyon pompası

 

0.340

 

Optimize edilmiş tork değiştirici

 

0.043

 

Geniş tahvil oranlı dişli kutusu

 

0.128

 

Yüksek hava akışlı elektrikli soğutma fim

 

0.128

 

Ağırlığın azaltılması

 

1.445

 

Projeksiyon alanının azaltılması

0.085

 

 

3.2.1.Taşıt tasarımı

Taşıtın biçimsel tasarımı ve ağırlık kontrolü birbiriyle çok sıkı ilişkilidir. Taşıt ağırlığının azaltılması çalışmaları yakıt tüketimini azaltmada en önemli çalışmalardan birisidir. Ancak taşıt ağırlığım azaltırken çok çeşitli sınırlamalarla karşılaşılmaktadır. İç tasarımda önemli olan bazı kriterler; yeterli ve ekonomik yolcu kabini ve bagaj hacmi, krozyon direncinin sağlanması, iyi hareket özellikleri, kullanım kolaylığı ve çarpışma dayanımı sağlanmaktadır. Taşıtlarda diğer önemli bir tasarım çalışmaları da; motordan alınan gücün en kısa bir mesafeden ve etkili bir şekilde tekerleklere iletilmesinin sağlanmasıdır.

Günümüzde en çok kullanılan sistemler transversal olarak yerleştirilmiş motor ve ön tekerleklerden çekişli taşıtlar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Bu sistemler, taşıtın ağırlığında ve maliyetinde büyük azalmalar, yakıt ekonomisinde ve performansında ise önemli iyileşmeler sağlamaktadır.

 

3.2.2. Taşıt aerodinamiği

Taşıtın aerodinamik yapısı taşıt tasarımında önemli bir parametre olarak ele alınmaktadır. İyi bir aerodinamik tasarım yakıt tüketimini azaltmakla kalmayıp, aynı zamanda, kirletici emisyonlarda, kararlılıkta, gürültü düzeyinde, hareket kabiliyeti ve taşıt iklimlendirmesini de olumlu yönde etkilemektedir.

Aerodinamik kayıplar üç kısımda incelenebilir. Birincisi taşıtın sınır tabakasında küçük miktarda oluşan, türbülans ile meydana gelen sürtünme kayıpları, bir diğeri taşıtın radyatör kısmından ve havalandırmasından giren sürtünme kayıpları, üçüncüsü ise sınır tabakanın yüzeyden ayrım noktasında oluşan, büyük ölçekli türbülansın sebep olduğu kayıplardır. Aerodinamik çalışmaların esasını, sınır tabakanın, taşıtın yüzeyinde türbülans meydana getirmeyecek bir şekilde ayrılmasını en aza indirmektir.

Taşıtlarda yakıt ekonomisini kötüleştirmeyecek şekilde aksesuar kullanmak gerekmektedir. Aksesuarların kullanılmasıyla yakıt ekonomisi % 2 olarak kötüleşmektedir (1).