Hava Yakıt Karışımı Nedir? Zengin ve Fakir Karışım

Hava yakıt karışımı, benzinli motorlarda yanmanın verimli gerçekleşmesi, motor gücü, yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları açısından büyük önem taşır. Motor kontrol sistemi, silindirlere alınan hava miktarını ve motorun çalışma koşullarını değerlendirerek püskürtülmesi gereken yakıt miktarını hesaplar. Yakıt, enjektörler aracılığıyla motora gönderilir.

Günümüz motorlarında bu hesaplama elektronik kontrol ünitesi (ECU) tarafından sensörlerden alınan bilgiler kullanılarak gerçekleştirilir. Yakıtın motora gönderilme yöntemleri hakkında ayrıntılı bilgi için yakıt enjeksiyon sistemleri konusunu inceleyebilirsiniz.

Hava Yakıt Karışımı Nedir?

Benzinli motorların verimli çalışabilmesi için hava ve yakıtın uygun oranda karıştırılması gerekir. Benzin için teorik stokiyometrik hava/yakıt oranı yaklaşık 14,7:1‘dir. Başka bir ifadeyle yaklaşık 1 kg benzinin teorik olarak tam yanabilmesi için 14,7 kg havaya ihtiyaç vardır.

Bu oran yakıtın kimyasal bileşimine göre bir miktar değişebilir. Motorun her çalışma koşulunda sürekli olarak 14,7:1 oranında çalışması da gerekmez. Motor yönetim sistemi; çalışma sıcaklığı, motor yükü, devir, sürücünün tork talebi ve emisyon kontrolü gibi faktörlere göre karışımı düzenleyebilir.

Hava Fazlalık Katsayısı Lambda (λ) Nedir?

Hava fazlalık katsayısı (λ), gerçek hava/yakıt oranının stokiyometrik hava/yakıt oranına göre durumunu ifade eder. Lambda değeri, motorun zengin, stokiyometrik veya fakir karışımla çalıştığını değerlendirmek için kullanılır.

• λ = 1: Hava/yakıt karışımı teorik stokiyometrik orandadır.
• λ < 1: Stokiyometrik değere göre hava miktarı az veya yakıt miktarı fazladır. Karışım zengin olarak adlandırılır.
• λ > 1: Stokiyometrik değere göre hava fazlalığı vardır. Karışım fakir olarak adlandırılır.

Lambda değerinin kontrol edilmesi özellikle benzinli motorlarda yakıt yönetimi ve egzoz emisyonlarının düzenlenmesi açısından önemlidir.

Hava Yakıt Karışımı Çalışma Şekilleri

Benzinli motorlarda kullanılan enjeksiyon ve yanma sistemine göre hava/yakıt karışımının silindir içerisindeki dağılımı farklı biçimlerde gerçekleştirilebilir.

1. Homojen Karışım: Hava ve yakıt yanma odasında mümkün olduğunca eşit biçimde dağıtılır. Manifold püskürtmeli motorlarda karışım büyük ölçüde emme manifoldu ve emme kanalı içerisinde oluşmaya başlar. Direkt püskürtmeli benzinli motorlarda da uygun çalışma koşullarında homojen karışım oluşturulabilir.
2. Homojen Fakir Karışım: Hava/yakıt karışımı yanma odasında homojen biçimde dağılır ancak karışım stokiyometrik değere göre daha fazla hava içerir ve λ > 1 olur. Bu çalışma yöntemi kullanılan motor ve emisyon sistemi tasarımına bağlıdır.
3. Kademeli Dolgu: Bazı direkt püskürtmeli benzinli motorlarda yakıt, ateşleme zamanına yakın bir anda püskürtülerek buji çevresinde ateşlenebilir bir karışım oluşturulur. Yanma odasının tamamındaki ortalama karışım ise fakir olabilir.
4. Homojen Kademeli Dolgu: Bazı direkt püskürtme stratejilerinde birden fazla püskürtme kullanılarak yanma odasında farklı karışım bölgeleri oluşturulabilir.
5. Vuruntunun Kontrolüne Yönelik Püskürtme: Direkt püskürtmenin sağladığı farklı püskürtme stratejileri, uygun motorlarda vuruntu eğiliminin azaltılmasına yardımcı olabilir.
6. Katalitik Konvertör Isıtma Stratejisi: Soğuk çalıştırma sonrasında katalitik konvertörün çalışma sıcaklığına daha hızlı ulaşması amacıyla ateşleme ve püskürtme stratejileri değiştirilebilir.

Hava Yakıt Karışımının Motor Gücü ve Yakıt Tüketimine Etkisi

Hava/yakıt oranı motorun ürettiği güç, özgül yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları üzerinde doğrudan etkilidir. En yüksek güç, en düşük yakıt tüketimi ve en düşük emisyon değerlerinin tamamı aynı hava/yakıt oranında elde edilmez.

Manifold Püskürtmeli Motorlarda Hava Yakıt Karışımı

Geleneksel benzinli motorlarda yüksek yük ve güç talebinde stokiyometrik değerden daha zengin karışımlar kullanılabilir. Bunun amacı motor tasarımına ve çalışma koşullarına bağlı olarak güç üretimi, yanma sıcaklığı ve motor parçalarının korunması gibi gereksinimleri karşılamaktır.

Düşük ve orta yüklerde ise motor yönetim sistemi yakıt tüketimini ve emisyonları azaltacak farklı kontrol stratejileri uygulayabilir. Kullanılan karışım oranı motorun tasarımına ve emisyon kontrol sistemine göre değişir.

Yukarıdaki şekilde hava fazlalık katsayısının homojen hava/yakıt karışımında motor gücü ve özgül yakıt tüketimi üzerindeki etkisi görülmektedir.

• Zengin hava/yakıt karışımı: Stokiyometrik orana göre hava miktarı az veya yakıt miktarı fazladır.
• Fakir hava/yakıt karışımı: Stokiyometrik orana göre hava miktarı fazladır.

Hava Yakıt Karışımının Egzoz Emisyonlarına Etkisi

Hava/yakıt karışımı egzoz gazındaki karbon monoksit (CO), hidrokarbon (HC) ve azot oksitler (NOx) gibi kirletici bileşenlerin oluşumunu etkiler. Bu nedenle karışım kontrolü yalnızca motor performansı için değil, emisyon sistemlerinin doğru çalışması açısından da önemlidir.

Üç yollu katalitik konvertör kullanılan benzinli motorlarda katalizörün CO, HC ve NOx emisyonlarını birlikte yüksek verimle dönüştürebilmesi için motor normal çalışma koşullarında karışımın λ = 1 çevresinde hassas biçimde kontrol edilmesi önemlidir.

Motor kontrol ünitesi bu amaçla hava miktarı ve diğer motor çalışma bilgilerini değerlendirir, püskürtülecek yakıt miktarını ayarlar ve egzoz sistemindeki oksijen sensörlerinden alınan geri bildirimlerden yararlanabilir.

Yakıtın uygun biçimde atomize edilmesi de yanma kalitesi açısından önemlidir. Yakıtın yeterince küçük damlacıklara ayrılamaması, özellikle bazı çalışma koşullarında yakıtın yüzeylerde film oluşturmasına ve yanmanın olumsuz etkilenmesine neden olabilir. Bunun sonucunda hidrokarbon emisyonları artabilir.

Yukarıdaki şekilde hava fazlalık katsayısının homojen hava/yakıt karışımında egzoz gazındaki kirletici bileşenler üzerindeki etkisi görülmektedir. Egzoz emisyonları hakkında daha ayrıntılı bilgi için Zararlı Egzoz Gazları Nedir? konusuna bakabilirsiniz.

Direkt Püskürtmeli Benzinli Motorlarda Hava Yakıt Karışımı

Benzinin doğrudan yanma odasına püskürtüldüğü motorlarda farklı püskürtme ve karışım oluşturma stratejileri uygulanabilir. Homojen çalışma sırasında hava ve yakıt yanma odasının genelinde uygun biçimde dağıtılır.

Kademeli dolgu kullanılan bazı direkt püskürtmeli motorlarda ise ateşlenebilir karışım özellikle buji çevresinde oluşturulur. Yanma odasının tamamı değerlendirildiğinde ortalama lambda değeri 1’in üzerinde olabilir.

Fakir yanma stratejileri NOx emisyonlarının kontrolünü zorlaştırabilir. Bu nedenle bu tür motorlarda kullanılan egzoz arıtma teknolojisi motorun yanma stratejisine göre farklılık gösterebilir. Benzinli motorlarda doğrudan püskürtmenin çalışma prensibi için Direkt Enjeksiyon Sistemi konusunu da inceleyebilirsiniz.

Motorun Çalışma Durumlarına Göre Hava Yakıt Karışımı

1- Çalıştırma ve Isınma

Soğuk motorun çalıştırılması sırasında yakıtın buharlaşması sıcak motora göre daha zordur. Özellikle manifold püskürtmeli sistemlerde yakıtın bir bölümü soğuk yüzeylerde film oluşturabilir. Motorun güvenilir biçimde çalıştırılması ve çalışma sıcaklığına ulaşması için ECU, sıcaklık ve diğer çalışma bilgilerine göre yakıt miktarını ve diğer motor kontrol parametrelerini düzenler.

2- Rölanti ve Kısmi Yük

Motor çalışma sıcaklığına ulaştığında, üç yollu katalitik konvertör kullanılan birçok benzinli motorda rölanti ve normal kısmi yük koşullarında karışım λ = 1 çevresinde kapalı çevrim olarak kontrol edilir. Ancak farklı motor ve yanma teknolojilerinde fakir yanma gibi farklı stratejiler de uygulanabilir.

3- Tam Yük

Tam yük ve yüksek tork talebinde motor yönetim sistemi, motor tasarımına göre farklı hava/yakıt oranları kullanabilir. Bazı benzinli motorlarda güç, egzoz sıcaklığı veya parça koruması amacıyla karışım zenginleştirilebilir. Bu nedenle tam yükte kullanılacak lambda değeri üreticinin motor yönetim stratejisine bağlıdır.

4- Hızlanma ve Yavaşlama

Gaz kelebeği konumu hızla değiştiğinde motora giren hava miktarı ve emme manifoldu basıncı da değişir. Motor kontrol sistemi bu geçici çalışma koşullarında uygun tork ve yanma kalitesini sağlamak için yakıt püskürtmesini düzenler.

Sürücünün hızlanma talebinin elektronik olarak nasıl algılandığını görmek için Gaz Pedalı Konum Sensörü konusunu inceleyebilirsiniz.

5- Gaz Kesme ve Yavaşlama

Araç viteste ilerlerken sürücünün ayağını gaz pedalından çektiği bazı çalışma koşullarında ECU yakıt püskürtmesini geçici olarak kesebilir. Bu uygulama motor yönetim sistemine bağlı olarak yakıt tüketiminin azaltılmasına ve egzoz emisyonlarının kontrolüne yardımcı olur. Motor devri ve çalışma koşulları uygun seviyeye geldiğinde yakıt püskürtmesi yeniden başlatılır.

Hava/yakıt karışımının doğru oluşturulabilmesi için ECU; hava miktarı, motor sıcaklığı, gaz pedalı konumu ve egzoz oksijen miktarı gibi birçok bilgiyi birlikte değerlendirir. Motorlarda kullanılan farklı algılayıcıları Motorda Kullanılan Sensörler konusunda inceleyebilirsiniz.

Motor yönetimi, yakıt enjeksiyonu ve diğer otomotiv teknolojileriyle ilgili teknik eğitim içeriklerine MotorDersi ana sayfasından ulaşabilirsiniz.