2.2.2. Hava/Yakıt oranının egzoz emisyonlarına etkisi:

Benzin motorunda güç azaltılmak veya arttırılmak isteniyorsa yakıt miktarı değil, HFK sabit kalacak şekilde motora emilen toplam yakıt/hava karışımın miktarı, bir gaz kelebeği yardımıyla emme kanalı kesiti kısılarak veya açılarak ayarlanmaktadır. Bu nedenle benzin motorlarında, ilk hareket, ivmelenme, maksimum güç vb. bazı çalışma koşulları dışında hava fazlalık katsayısının stokiyometrik değer (HFK= 1) civarında tutulması, karışımın tümü yanma odasında homojen olması (yanma odası içinde her yerde HFK= 1 olması), bütün silindirlere gönderilen yakıt ve hava miktarlarının eşit olması (her silindire giden yakıt/hava karışımında HFK= 1 olması) ve çevrimden çevrime farklılıkların olmaması (silindir içindeki ve silindirler arasındaki düzgün HFK dağılımının her çevrimde sağlanabilmesi) amaçlanmaktadır. Karışım oluşturma sisteminin bütün bu şartları sağlamasının mümkün olmadığı durumlarda silindir içinde bölgesel olarak zengin ve fakir karışımlar oluşmakta ve silindirler arası farklılıklar ortaya çıkmaktadır. Bu durumda emisyonlarda artış olacaktır.

Şekil 2.18’den görüleceği üzere benzin motoru eksik hava ile (zengin karışım) çalıştığında CO emisyonu hızla artmaktadır. CO emisyonunun ana nedeni, yanma sırasında yeterli havanın olmamasıdır. Az hava ile yanma durumunda yakıtın karbonunun tümü CO₂’ye dönüşmemekte ve CO olarak kalmaktadır.

HC emisyonları zengin karışımlarda yanma tamamlanamadığı için artmakta, karışımın fakirleştirilmesi ile de azalmaktadır. Ancak çok fakir karışımlarda yanma tekrar kötüleştiği için, motorun tasarımına da bağlı olarak belirli bir HFK değerinden sonra yanmamış HC’lar tekrar artış gösterir .

NO_x emisyonları ise   HFK’nın 1.1 değeri civarında bir maksimumdan geçerek zengin ve fakir karışımlara doğru gidildikçe azalmaktadır. Karışımın zenginleştirilmesi sonucu ortamda yeterli hava bulunmaması, fakirleştirilmesi durumunda da sıcaklıkların düşmesi ile NO_x’lerin azalmasına neden olmaktadır .

Karbüratör veya püskürtme sistemindeki bir arıza veya ayar bozukluğu HFK' nı değiştirerek doğrudan yanma sürecine, dolayısıyla emisyonları ve yakıt tüketimini etkiler [10].

En çok karşılaşılan boşta çalışma (rölanti) ayarsızlığıdır. Benzin motoru boşta çalışırken, ateşleme koşullarının iyi olabilmesi için karışımın içindeki yakıt miktarı artırılmaktadır (zengin karışım). Bu durumda hava yetersiz kaldığından CO ve HC emisyonları çok yüksek değerlere ulaşmaktadır. Bu bakımdan, özellikle boşta çalışma durumunda, karbüratör ve benzin püskürtme sistemi ayarlarının çok iyi olması ve motora, imalatçının öngördüğü miktardan daha fazla yakıt gitmemesi çok önemlidir [10].Modern elektronik kontrollü benzin püskürtmeli motorlarda is, boşta çalışma sırasındaki yanma koşulları, karbüratörlü motorlara göre iyileştirilmiştir. Bu bakımdan bunlarda HFK sürekli olarak ölçülerek kontrol edilmekte ve boşta çalışırken bile HFK = 1 civarında kalması sağlanmaktadır. Bu nedenle bu motorlarda boşta çalışma emisyonları çok düşüktür (karbüratörlü motorlardan 4-5 kez daha düşüktür). Bu motorlarda ayrıca ayar bozukluklarının, boşta çalışma sırasında, HFK’ na etkisi de çok aza indirilmiştir .

Şekil 2.18 Benzin ve dizel motorlarında HFK’ nın (lambda) egzozdaki kirletici konsantrasyonlarına etkisi [10].

HFK’nın arttırılması egzoz emisyonlarını da etkilemektedir. Karışımın fakirleştirilmesiyle CO ve HC emisyonlarının azaldığı Şekil 2.19 ve 2.20’de görülmektedir. Hava fazlalık katsayısının arttırılmasıyla CO ve HC değerlerinde önemli azalmalar meydana gelmiştir. CO değeri % 0.11’e kadar düşerken HC değerinin 100 ppm’in altına düşmediği görülmüştür [15].

HC’ların azalmayışının en önemli sebebi emme zamanında silindir içerisine alınan karışımın, piston ile silindir arasındaki boşluklara girerek yanmaya katılmadan egzoz zamanında dışarı atılmalarıdır. Ayrıca yanma odası cidarında birikmiş ve gözenekli hale gelmiş kurumların hava yakıt karışımlarını absorbe ederek yanmalarını engellediği bilinmektedir [15].

Şekil 2.19. Hava fazlalık katsayısının CO emisyonuna etkisi. (Gaz kelebek açıklığı:3/4) [16].

Şekil 2.20. Hava fazlalık katsayısının HC emisyonuna etkisi. (Gaz kelebek açıklığı:3/4) [16].

2.2.3 Hava/Yakıt oranının karbüratörlü ve enjeksiyonlu motorlarda değişimi :

Karışım oranını tanımlayan hava fazlalık katsayısı, yanma hızını, dolayısıyla açığa çıkan ısı miktarını, basıncın ve sıcaklığın değişimini etkiler. HFK 0.9–0.95 değerleri arasında bulunduğunda yanma hızı maksimumdur. Dönme sayısı arttıkça en büyük yanma hızının elde edildiği HFK, 0.8 değerine doğru kayar. Ancak 0.7 gibi bir HFK değerinin altına düşüldüğünde, şartlara bağlı olarak, kolaylıkla tutuşma sınırının dışına çıkılmaktadır. HFK’ nın 0.8 - 0.9 gibi değerlerinde tutuşma gecikmesi süresi ve ana faz süresi kısalmakta ve basınç artma hızı büyümektedir. HFK 0.9’dan büyük ise tutuşma gecikmesi büyür, ana faz süresi ise çok az değişir, basınç artma hızı ve buna bağlı olarak maksimum basınç düşer [14].

Şekil 2.21’de karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde motor devrine bağlı olarak hava yakıt oranı değişimi gösterilmiştir [12].

Şekil 2.21’de görüldüğü gibi karbüratörlü sistemin hava yakıt oranı düşük devirlerde zengin karışım (1/11) oluşturacak şekildedir. Devirdeki yükselmeye paralel olarak hava yakıt oranında da artış görülmektedir. 3500 min^-1 civarında hava yakıt oranı (15,1/1) değerine kadar yükselmektedir. Enjeksiyon sistemli motorda ise hava yakıt oranı (15,2/1) civarında hemen hemen sabit kalmaktadır. Hava yakıt oranının bu şekilde sürekli stokiyometrik oranda tutulması elektronik kontrol ünitesi tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu sistemin en önemli üstünlüğüdür. Bilindiği gibi stokiyometrik oranda en mükemmel yanma meydana gelmektedir. Bu sebeple en temiz egzoz emisyonu da bu oranda gerçekleşmektedir [12].

Şekil 2.21 Karbüratör ve enjeksiyon sisteminde motor devrine bağlı olarak hava/yakıt oranındaki değişim (4/4 gaz kelebek açıklığı) [12].

Şekil 2.22 Karbüratörlü ve enjeksiyonlu sistemde 2500 min^-1 sabit devirde motor momentine bağlı olarak hava/yakıt oranının değişimi [12].

Şekil 2.22’ de sabit motor devrinde enjeksiyonlu ve karbüratörlü sistemin değişik moment değerleri bağlı olarak hava yakıt oranındaki değişimi gösterilmiştir [12].

Şekil 2.22’de görüldüğü gibi karbüratörlü sistemin hava yakıt oranı motor momentindeki değişmeye bağlı olarak 13,8 ile 14,2 değeri arasında değişmektedir. Enjeksiyonlu sistemde hava yakıt oranının bu şekilde karbüratörlüye göre daha fakir ve stokiyometrik orana yakın olarak tutulması elektronik kontrol sistemi tarafından gerçekleştirilmektedir. Böylelikle hem yakıt ekonomisi, hem de daha iyi bir yanma ile temiz egzoz emisyonu sağlanmaktadır [12].

Fakir karışımlarda ( l = 1.1 – 1.2) ise, tutuşabilme sınırına yaklaşılmış olunduğundan, motorun yapısına bağlı olarak ateşleme ve yanma, çevrimden çevrime değişim gösterir. Karışım fakirleştikçe ateşlemenin sağlanamadığı çevrimlerin sayısı giderek artar [12].