Hava Yakıt Karışımı ve Lambda Değeri

Hava yakıt karışımı, benzinli motorlarda yanmanın gerçekleşebilmesi için silindire alınan hava ile püskürtülen yakıtın belirli bir oranda bir araya getirilmesiyle oluşur. Motor yönetim sistemi; motora giren hava miktarı, motor devri, yük, sıcaklık ve diğer çalışma bilgilerini değerlendirerek uygun yakıt miktarını hesaplar. Hesaplanan yakıt miktarı enjektörler aracılığıyla emme manifolduna veya doğrudan yanma odasına püskürtülür.

Motorun güç üretimi, yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları hava yakıt oranından doğrudan etkilenir. Bu nedenle modern benzinli motorlarda motor kontrol ünitesi (ECU), sensörlerden aldığı bilgiler doğrultusunda yakıt püskürtme miktarını sürekli olarak kontrol eder.

Motor yönetiminde kullanılan elektronik kontrol ünitesinin çalışma prensibi hakkında ayrıntılı bilgi için Elektronik Kontrol Ünitesi Nedir? konusunu inceleyebilirsiniz.

Hava Yakıt Karışımı Nedir?

Benzinli motorların verimli çalışabilmesi için hava ve yakıtın uygun oranlarda karıştırılması gerekir. Benzin için teorik olarak tam yanmaya karşılık gelen stokiyometrik hava yakıt oranı yaklaşık 14,7:1 olarak kabul edilir. Başka bir ifadeyle yaklaşık 1 kg benzinin stokiyometrik olarak yanabilmesi için yaklaşık 14,7 kg havaya ihtiyaç vardır.

Hacimsel olarak değerlendirildiğinde yakıt ve havanın yoğunlukları çalışma şartlarına bağlı olduğundan sabit bir hacim oranı kullanmak yerine hava yakıt oranının kütlesel olarak ifade edilmesi daha uygundur. Eski teknik kaynaklarda 1 litre benzinin yanması için yaklaşık 9.500 litre hava gerektiği gibi yaklaşık değerlerle karşılaşılabilir.

Hava Fazlalık Katsayısı Lambda (λ) Nedir?

Hava fazlalık katsayısı (λ), gerçek hava yakıt karışımının stokiyometrik karışıma göre durumunu ifade etmek için kullanılan önemli bir değerdir. Benzinli motorlarda λ değeri, karışımın zengin, stokiyometrik veya fakir olduğunu değerlendirmeyi kolaylaştırır.

• λ = 1: Hava ve yakıt miktarı teorik stokiyometrik orana karşılık gelir.
• λ < 1: Stokiyometrik değere göre hava az veya yakıt fazladır. Buna zengin karışım denir.
• λ > 1: Stokiyometrik değere göre hava fazladır veya yakıt azdır. Buna fakir karışım denir.

Örneğin λ = 1 değeri benzin için yaklaşık 14,7:1 hava yakıt oranına karşılık gelir. Ancak benzinin bileşimi ve kullanılan yakıt türü değiştiğinde stokiyometrik hava yakıt oranı da değişebilir.

Benzinli Motorlarda Hava Yakıt Karışımı Çalışma Şekilleri

Benzinli motorlarda karışımın hazırlanma biçimi yakıt püskürtme sistemine ve motorun çalışma stratejisine göre değişebilir. Özellikle manifold püskürtmeli ve direkt püskürtmeli benzinli motorlarda farklı karışım oluşturma yöntemleri kullanılabilir.

Homojen Karışım

Homojen çalışma sırasında hava ve yakıtın yanma odasında mümkün olduğunca düzenli biçimde dağılması amaçlanır. Manifold püskürtmeli motorlarda yakıt emme kanalına püskürtülür ve hazırlanan karışım emme supabından silindire alınır.

Benzin direkt püskürtmeli motorlarda da çalışma stratejisine bağlı olarak homojen karışım oluşturulabilir. Bu durumda yakıt, karışımın yanma odasında yayılabilmesine imkân sağlayacak bir zamanda doğrudan silindire püskürtülür.

Homojen Fakir Karışım

Homojen fakir karışımda λ değeri 1’den büyüktür. Yanma odasındaki karışım genel olarak stokiyometrik karışımdan daha fazla hava içerir. Bu çalışma stratejisinin kullanılabilirliği motor tasarımına, yanma sistemine ve emisyon kontrol teknolojisine bağlıdır.

Kademeli Dolgu

Kademeli dolgu bazı direkt püskürtmeli benzinli motorlarda kullanılan bir çalışma yöntemidir. Yakıt, sıkıştırma zamanının uygun bir bölümünde doğrudan yanma odasına püskürtülerek buji çevresinde ateşlenebilir özellikte daha zengin bir karışım bölgesi oluşturulmaya çalışılır.

Yanma odasının tamamı değerlendirildiğinde ise toplam karışım fakir olabilir. Böylece özellikle belirli düşük ve kısmi yük çalışma şartlarında yakıt tüketiminin azaltılması amaçlanabilir.

Homojen Kademeli Dolgu

Bazı direkt püskürtmeli sistemlerde farklı püskürtme zamanları kullanılarak yanma odasının genelinde fakir bir karışım oluşturulurken buji çevresindeki karışımın ateşlemeye uygun hâle getirilmesi amaçlanabilir. Bu tür çalışma stratejileri motorun tasarımına ve motor yönetim yazılımına göre değişir.

Vuruntuyu Azaltmaya Yönelik Püskürtme

Direkt püskürtmeli bazı benzinli motorlarda birden fazla püskürtme yapılması, yanma odası sıcaklığının ve karışım oluşumunun kontrol edilmesine yardımcı olabilir. Motor kontrol sistemi bu ve benzeri yöntemleri kullanarak uygun çalışma şartlarında vuruntu eğilimini azaltabilir.

Vuruntunun algılanmasında kullanılan sensör hakkında ayrıntılı bilgi için Vuruntu Sensörü Nedir? konusunu inceleyebilirsiniz.

Katalitik Konvertörün Isıtılmasına Yönelik Çalışma

Soğuk çalıştırma sonrasında katalitik konvertörün çalışma sıcaklığına daha hızlı ulaşmasını sağlamak amacıyla motor yönetim sistemi özel püskürtme ve ateşleme stratejileri uygulayabilir. Bu yöntemler motor ve emisyon sisteminin tasarımına göre farklılık gösterir.

Hava Yakıt Karışımının Güç ve Yakıt Tüketimine Etkisi

Manifold Püskürtmeli Benzinli Motorlar

Eski teknik kaynaklarda manifold püskürtmeli benzinli motorlarda maksimum güç bölgesi için yaklaşık λ = 0,85-0,95, düşük özgül yakıt tüketiminin görülebildiği bazı çalışma bölgeleri için ise yaklaşık λ = 1,1-1,2 değerleri verilmektedir.

Yukarıdaki grafik, hava fazlalık katsayısının homojen hava yakıt karışımında güç ve özgül yakıt tüketimi üzerindeki etkisini göstermektedir. Grafikte zengin ve fakir karışım bölgelerinin motor performansına etkileri karşılaştırılmaktadır.

a. Zengin hava yakıt karışımı: λ < 1, stokiyometrik değere göre hava eksikliği veya yakıt fazlalığı vardır.

b. Fakir hava yakıt karışımı: λ > 1, stokiyometrik değere göre hava fazlalığı vardır.

Ancak bu değerler bütün benzinli motorlar için sabit çalışma değerleri olarak değerlendirilmemelidir. Modern motorlarda karışım oranı; motor yükü, devir, emisyon stratejisi, katalitik konvertörün durumu, vuruntu sınırı, egzoz sıcaklığı ve motor üreticisinin kontrol stratejisine göre değişebilir.

Lambda Değerinin Egzoz Emisyonlarına Etkisi

Üç yollu katalitik konvertör kullanılan benzinli motorlarda karbon monoksit (CO), hidrokarbon (HC) ve azot oksit (NOx) emisyonlarının etkili biçimde dönüştürülebilmesi için motor normal kapalı çevrim çalışma koşullarında karışımın stokiyometrik bölge çevresinde hassas biçimde kontrol edilmesi önemlidir.

Bu amaçla motor kontrol ünitesi hava miktarı, motor yükü ve oksijen sensörlerinden gelen geri bildirimler gibi çeşitli verileri değerlendirerek püskürtülecek yakıt miktarını sürekli düzenleyebilir.

Yukarıdaki grafik, hava fazlalık katsayısının homojen hava yakıt karışımında motor çıkışındaki kirletici bileşenler üzerindeki etkisini göstermektedir.

İyi bir yanma yalnızca püskürtülen yakıt miktarına değil, yakıtın atomizasyonuna, hava hareketlerine, yanma odası tasarımına, ateşleme zamanına ve karışım oluşumuna da bağlıdır. Yakıtın uygun şekilde atomize olmaması durumunda daha büyük yakıt damlacıkları oluşabilir ve özellikle manifold püskürtmeli sistemlerde duvar filmi oluşumu artabilir. Bu durum yanma ve hidrokarbon (HC) emisyonlarını olumsuz etkileyebilir.

Direkt Benzin Püskürtmede Hava Yakıt Karışımı

Benzin direkt püskürtme sisteminde yakıt doğrudan yanma odasına püskürtülür. Homojen çalışma sırasında hava yakıt karışımının yanma odasına mümkün olduğunca düzenli dağıtılması amaçlanır.

Kademeli dolgu kullanılan bazı sistemlerde ise buji yakınında ateşlenebilir özellikte bir karışım oluşturulurken yanma odasının diğer bölümlerinde daha fazla hava bulunabilir. Bu durumda yanma odasının tamamı değerlendirildiğinde toplam λ değeri 1’den büyük olabilir.

Kademeli fakir çalışma özellikle düşük ve kısmi yük bölgelerine yönelik bir stratejidir. Yüksek güç gerektiğinde motorun bütün yanma odasında uygun yanabilir karışım oluşturması gerekir ve çalışma stratejisi buna göre değiştirilir.

Fakir yanma koşullarında NOx emisyonlarının kontrolü klasik üç yollu katalitik konvertör açısından daha zor olabilir. Bu nedenle fakir yanma kullanan bazı motorlarda NOx depolama katalizörü veya motor tasarımına uygun farklı emisyon kontrol teknolojileri kullanılabilir.

Motorun Çalışma Durumuna Göre Hava Yakıt Karışımı

Motorun ihtiyaç duyduğu yakıt miktarı her çalışma koşulunda aynı değildir. Soğuk çalıştırma, rölanti, kısmi yük, tam yük, hızlanma ve gaz kesme sırasında motor kontrol sistemi farklı stratejiler uygulayabilir.

1. Çalıştırma ve Isınma

Soğuk motorda yakıtın buharlaşması sıcak motora göre daha zor olabilir. Özellikle manifold püskürtmeli sistemlerde yakıtın bir bölümü soğuk emme kanalı ve ilgili yüzeylerde duvar filmi oluşturabilir. Motorun güvenilir şekilde çalıştırılabilmesi ve çalışmasını sürdürebilmesi için motor kontrol sistemi sıcaklık ve çalışma koşullarına göre yakıt miktarını düzenler.

Motor ısındıkça yakıtın buharlaşma şartları iyileşir ve soğuk çalıştırma için uygulanan ilave yakıt stratejisine duyulan ihtiyaç azalır. Direkt püskürtmeli motorlarda da soğuk çalıştırma sırasında motor tasarımına özgü püskürtme ve ateşleme stratejileri uygulanabilir.

2. Rölanti ve Kısmi Yük

Üç yollu katalitik konvertör kullanan klasik manifold püskürtmeli benzinli motorlarda motor çalışma sıcaklığına ulaştığında rölanti ve birçok kısmi yük koşulunda karışım genellikle λ = 1 çevresinde kapalı çevrim olarak kontrol edilir.

Direkt püskürtmeli benzinli motorlarda çalışma stratejisi motorun tasarımına göre değişebilir. Bazı eski nesil direkt püskürtmeli motorlarda belirli kısmi yük bölgelerinde kademeli fakir yanma kullanılırken birçok modern sistem farklı emisyon ve yanma stratejileri kullanmaktadır.

3. Tam Yük

Tam yükte motorun hava ve yakıt ihtiyacı artar. Bazı benzinli motorlarda maksimum tork, vuruntu kontrolü veya egzoz sıcaklığının sınırlandırılması gibi nedenlerle belirli çalışma koşullarında karışım stokiyometrik değerden daha zengin hâle getirilebilir.

Ancak tam yükte zenginleştirme bütün modern benzinli motorlarda ve bütün çalışma şartlarında zorunlu bir kural değildir. Uygulanan hava yakıt oranı motorun tasarımına ve kontrol stratejisine göre belirlenir.

4. Hızlanma ve Yavaşlama

Manifold püskürtmeli sistemlerde ani gaz kelebeği hareketleri emme manifoldu basıncını ve duvarlarda oluşan yakıt filmini etkileyebilir. Motor kontrol ünitesi geçici çalışma koşullarında uygun hava yakıt karışımını koruyabilmek için püskürtme miktarında gerekli düzeltmeleri yapabilir.

Modern elektronik motor yönetim sistemlerinde hızlanma ve yavaşlama sırasında gaz kelebeği konumu, manifold basıncı veya hava kütlesi, motor devri, sıcaklık ve oksijen sensörü gibi birçok bilgi birlikte değerlendirilebilir.

Motorlarda kullanılan farklı sensörleri incelemek için Motorda Kullanılan Sensörler konusundan yararlanabilirsiniz.

5. Gaz Kesme Sırasında Yakıt Kesme

Araç viteste hareket ederken sürücü gaz pedalını tamamen bıraktığında ve gerekli motor devri, sıcaklık ve diğer çalışma koşulları sağlandığında motor kontrol ünitesi yakıt püskürtmesini geçici olarak kesebilir. Bu işleme yavaşlama sırasında yakıt kesme veya deceleration fuel cut-off denir.

Bu strateji uygun koşullarda yakıt tüketiminin ve egzoz emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olur. Motor devri belirli bir seviyeye düştüğünde veya sürücü tekrar gaz pedalına bastığında yakıt püskürtme yeniden başlatılır. Devreye girme ve çıkma koşulları motor yönetim sistemine göre değişir.

Hava Yakıt Karışımı Neden Önemlidir?

Hava yakıt karışımı; motor gücü, yakıt tüketimi, egzoz emisyonları, katalitik konvertörün çalışması ve motorun genel çalışma kalitesi üzerinde önemli etkiye sahiptir. Karışımın gereğinden fazla zengin veya fakir olması motorun çalışma şartlarına bağlı olarak performans ve emisyon sorunlarına neden olabilir.

Modern benzinli motorlarda uygun karışımın oluşturulması için ECU; hava miktarı, gaz kelebeği veya motor yükü, motor sıcaklığı, oksijen sensörleri ve diğer sensörlerden gelen verileri birlikte değerlendirir. Böylece püskürtülecek yakıt miktarı motorun o andaki çalışma koşullarına göre ayarlanır.

Yakıt-hava karışımının yanma ve motor performansı üzerindeki etkisini daha ayrıntılı incelemek için Benzinli ve LPG’li Motorlarda Yanma konusunu da inceleyebilirsiniz.

Hava yakıt karışımı, motor yönetim sistemleri ve diğer Motorlu Araçlar Teknolojisi eğitim içeriklerine MotorDersi ana sayfasından ulaşabilirsiniz.