Buji Ateşlemeli Motor Davranışı

Buji ateşlemeli motorlar başta binek araçlarda kullanılmak üzere dünyadaki motor sayısının yaklaşık üçte birini oluşturmaktadır. Bu tip motorlarda kullanılan benzin yakıtı ise motorin yakıtına göre üretim prosesinden kaynaklı olarak daha pahalı olan bir yakıt tipidir. Buji ateşlemeli motorlar daha yüksek güç ve tork isteyen durumlarda sıkıştırma oranlarının düşük olması nedeniyle tercih edilmeyen motor tipi olmakla birlikte aynı motor hacminde sıkıştırma ateşlemeli motorlara göre daha yüksek güç üretirler. Buji ateşlemeli motorlarda fakir karışımlar için yanma verimi

%95-98 civarı, zengin karışımlar için ise karışım içerisindeki yakıt miktarı arttıkça yanma verimi giderek azalmaktadır. Fakir karışımlarla çalışan sıkıştırma ateşlemeli motorlarda ise yanma verimi yaklaşık %98 değerindedir.

Buji ile ateşlemeli motorlarda yukarıda anlatılmış olan ideal ve gerçek çevrimlerden de görülebileceği gibi silindir içerisinde gerçekleşen yanma olayı ile teorikteki durum arasındaki farkın nedenleri çevrimdeki hal değişimleri için gerekli zaman ihtiyacı, tersinmez hal değişimleri, teorik ve gerçek hal değişimlerindeki farklılıklar, vb. olarak gösterilebilir. Hal değişimleri için zaman ihtiyacı nedeniyle teoride sabit hacimde kabul edilen yanma, gerçekte sabit hacimde gerçekleşemez. Alev küreciğinin (Kernel Flame) bujide oluşup silindir içerisinde çapının büyüyerek

yayılması ve silindir içini tam olarak taraması sonucunda yanma gerçekleşeceği için bu yanma zamanı gerekliliği gerçek durum ile teorik durum arasındaki farklılıklara neden olmaktadır. Bu zaman kısaldıkça motor pistonunun silindir içerisindeki hacim üzerindeki etkisi minimum seviyelere indirgendiği için sistem sabit hacme ve buna bağlı olarak teoriye yaklaşmış olur. Bu bağlamda ateşleme avansının iyi belirlenmesi sistemi ideal Otto çevrimine yani sabit hacimde basınç yükselmesine yaklaştırarak motordan elde edilen tork ve güç miktarlarının maksimum seviyeye ulaşmasını sağlayacaktır. Silindir içerisindeki yanma zamanı ise; motor hızı, ateşleme avansı, motor silindir içi sıcaklığı, karışımın homojenliği gibi birçok faktöre bağlıdır.

Normal yanma şartlarında yanma sırasında yakıtın toplam kimyasal enerjisinin ısı enerjisine dönüşümünün yaklaşık %70’i maksimum basınca ulaşıncaya kadar, yaklaşık %90’ı ise maksimum sıcaklığa ulaşıncaya kadar açığa çıkar. Buji ateşlemeli motorlarda yakıtın enerjisinden maksimum faydayı sağlayabilmek için piston üst ölü noktadan uzaklaşmadan maksimum silindir içi basınç ve sıcaklığın oluşturulması hedeflenerek ateşleme zamanı ve yanmayı etkileyen diğer parametreler bu durum dikkate alınarak ayarlanır. Eğer ateşleme avansı üst ölü noktadan çok önce bir değere ayarlanırsa da bu sefer silindir içi maksimum basınç ve sıcaklığa piston üst ölü noktaya gelmeden ulaşılacak, bunun sonucunda piston üzerine etkiyen basınç kuvveti sebebiyle elde edilecek net iş miktarında azalma ve motor performansı için istenmeyen bir durum meydana gelecektir. Kısmi yüklerde ise (gaz kelebeği kısılmış durumda, dolayısıyla basınç ve sıcaklıklar yüksek değil iken) yanma hızının düşük olması nedeniyle maksimum basınç noktasına kadar toplam yakıt enerjisinin ancak yaklaşık

%50'si ısı enerjisine dönüştürülerek kullanılmış olur. Dolayısıyla yanma, genişleme zamanı süresince devam eder, çok kötü çalışma koşullarında genişleme süresinin sonunda da yanma sona ermemiş olabilir. Bu durumda ise motorun verimi ve dolayısıyla da motorun gücü azalır [31].

Buji ateşlemeli motorlarda sıkıştırma oranı 7’den 12 seviyelerine yükseltmek ile teorik olarak %20 civarında bir yakıt tüketiminde azalma sağlamak mümkündür.

Sektörde yer alan firmalar yakıt tüketimi dışındaki faktörlerde %1-2 civarında iyileştirme için dahi yüksek meblağlarda bütçeleri Ar-Ge çalışmalarına harcamaktadır.

Motorlarda sıkıştırma oranının daha yüksek seviyelere ulaştırılamamasının sebebi ise vuruntu olayıdır. Buji ateşlemeli motorlarda ateşleme sonrası bujide oluşan alev

küreciği alev cephesine dönüşerek ilerler, alev cephesi bujiden başlayıp silindir içerisine yayılır. Alev ilerlerken silindir içerisinde yanmış karışım ve yanmamış karışım olarak iki cephe mevcuttur. Yanmamış karışım kısmı silindir cidarı tarafından soğutulsa da pistonun sıkıştırması, yanmış gazlardan bölgeye olan ısı transferi ve yanmış gazların sıkıştırması nedeniyle yanmamış karışımın sıcaklığını yükseltir. Bu nedenle alev cephesi yanmamış karışıma ulaşmadan yanmamış karışımın kendi kendine tutuşması mümkün olabilir. Bu olay vuruntu olarak isimlendirilir (Şekil 2.1) ve yüksek basınç ile titreşime sebep olması nedeniyle motor elemanlarında tahribata neden olur ve motorun verimini düşürür. Buji ateşlemeli motorlarda; motor tasarımı (buji yerleşimi, supap yerleşimi, vb.) ile kullanılan yakıtın oktan sayısı ve yakıtın genel içeriği vuruntu oluşma ihtimalini ortadan kaldıracak şekilde yapılmaya çalışılır.

Genel itibariyle motor performansı açısından buji ateşlemeli bir motorun %100 gaz kelebeği açıklığında ideal çalışma aralığı Şekil 2.2’de verilmektedir. Burada görülebileceği üzere tork değeri belirli bir devir sayısında maksimum değerine ulaşmakta bu devir sayısının devamında artan fiziksel kayıplar ile azalış göstermektedir.

Güç değerleri ise devir artışı ile birlikte artmakta ve motorun en yüksek çalışabileceği devir sayısı noktasında artan yakıt tüketimi ile birlikte maksimum noktasına ulaşmaktadır. Tüketilen yakıt miktarına ve elde edilen güce bağımlı bir parametre olan özgül yakıt sarfiyatı değeri ise maksimum torkun elde edildiği devirin biraz üstü bir devir sayısında minimum değerine ulaşmakta ve artan devir sayısı ile birlikte maksimum değerine ulaşmaktadır.

Şekil 2.1. Buji ateşlemeli bir motorda normal ve vuruntulu yanma

Şekil 2.2. Buji ateşlemeli bir motorda genel olarak motor performans grafiği