Dizel motorlarda yanma olayı, yakıtın yanma odasına püskürtülmeye başladığı an ile yanma ürünlerinin dışarıya atılmaya başladığı egzoz zamanı başlangıcına kadar geçen süre zarfında meydana gelen karmaşık fiziksel ve kimyasal bir olaydır.
Dizel motorlarda hava, emme stroku esnasında silindire tam olarak doldurulur. Sıkıştırma oranı 1:12 – 1:20 arasında olduğundan sıkıştırma strokunun sonuna doğru silindirde hava sıcaklığı oldukça yükselir. Yakıt, sıkıştırmak suretiyle sıcaklığı ve basıncı yükseltilen hava içerisine ÜÖN’dan önce püskürtülmeye başlanır ve yüksek sıcaklığın etkisiyle silindire püskürtülen yakıt tanecikleri küçük moleküllere parçalanmakta, buharlaşmakta ve kimyasal reaksiyonlar başlamaktadır [9].
Đçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtlar CnHy kapalı formülü ile gösterilen çeşitli hidrokarbonlardan oluşmuştur. Motorlarda tam yanma olduğunda, yakıtın bileşimindeki C ve H’in tamamı yanma ürünleri olan CO2 ve H2O’ya dönüşür. Tam yanma olmadığında ise yanma ürünlerinin yanında CO ve H gibi yanmamış ürünler de ortaya çıkar. Yanma olayı üç ayrı safhada incelenebilir. Bunlar, tutuşma gecikmesi, ani yanma ve kontrollü yanma safhalarıdır.
Kimyasal reaksiyonların başlaması ile ilk alev çekirdeğinin oluşması arasında geçen süre tutuşma gecikmesi (TG) olarak adlandırılır. TG sırasında püskürtülen yakıtın % 10-15’i yanar [9]. TG süresi motor konstrüksiyonu ve yakıtın bazı özelliklerine bağlı olarak değişir. Yanmanın iyi olması için TG’nin mümkün
olduğu kadar kısa olması gerekir, bunu sağlayan şartlar arasında püskürtme basıncının artması ve enjektör memesinin çapının küçülmesi, silindir hacminin küçülmesi, yanma odasında bulunan sıkıştırılmış havanın sıcaklık ve basıncının artması, sıkıştırma sonunda havanın içinde bulunan oksijen yoğunluğunun artması ve yakıtın setan sayısının artması sayılabilir [50,70].
Ani yanma safhası TG’den sonra başlayıp basıncın maksimum değere ulaşmasına kadar devam eder. Bu safhada buharlaşmış olan yakıt zerrecikleri daha küçük parçalara bölünür yanma başladığı zaman ise oksijenle temas etmekte olan yakıt büyük bir hızla yanar. Yanmanın bu safhası TG’den çok daha kısadır.
Kontrollü yanma periyodunda basınç değişimi önemsizdir bu periyotta sıcaklık 2000 °C’nin üzerindedir. Burada yanma hızını yakıt buharı ile havanın karışım hızı belirler.
3.1.1. Yanma olayını etkileyen parametreler
Dizel motorlarda yanma olayı üzerine yakıt özellikleri, yakıt-hava oranı, püskürtme avansı, sıkıştırma oranı, motor hızı ve yakıt demeti etkilidir [8]. Bu parametrelerin optimize edilmesi ile yakıt ekonomisi sağlanırken aynı zamanda egzoz emisyonları azaltılabilmektedir.
Yakıt içerisinde bulunan hidrokarbonlar tek veya gruplar halinde yanma olayını etkiler. Özellikle yakıtta bulunan parafinik hidrokarbon miktarı arttıkça yakıtın setan sayısı artar, dolayısı ile TG azalır ve motor yumuşak çalışır. Yakıtın püskürtüldüğü andan itibaren yanma odasının her yerinde yakıt-hava oranı açısından homojenlik sağlanamadığı için yanma odası sıcaklığı düşer, bununla birlikte TG uzar ve basınç artma hızı (dP/dt) azalır, maksimum basınçta düşme olur. Yakıt-hava oranının basınç seyri üzerindeki etkisi dolaylıdır; yakıt-hava oranı azaldıkça yanma sonu ve silindir duvar sıcaklıkları azalacağından TG süresi artabilir. Dizel motorlarda yakıt-hava oranına sınır getiren en önemli problem emisyondur. Her motor için emisyon bakımından pratik bir yakıt-hava oranı sınırı vardır. Bu sınır aşılırsa fazla yakıt ile havanın karışımı için yeterli zaman olmayacağından yakıtın büyük bir bölümü kısmen
yanmış veya yanmamış olarak dışarı atılır buda isli egzoz ve silindir cidarlarında karbon birikimi gibi istenmeyen sonuçlara yol açar. Düşük yüklerde ve rölantide de is görülebilir, bunun sebebi düşük yakıt-hava oranlarında istenilen püskürtme özelliklerinin sağlanamamasıdır.
Dizel motorlarda püskürtme avansı motor performans ve egzoz emisyonlarını etkileyen temel parametrelerden birisidir. Püskürtme avansı, tutuşma gecikmesini, maksimum basıncın oluşma yeri ve basınç artma hızını dolayısıyla yanma periyodunu doğrudan etkilemektedir. Püskürtme avansının belirli noktaya kadar artması ile tutuşma gecikmesi kısalırken daha da artırılması tutuşma gecikmesi periyodunun uzamasına neden olmaktadır. Püskürtme avansının optimum değeri motor hızına, sıkıştırma oranına, püskürtme karakteristiğine ve motor yapısına bağlıdır [1,50,70]. Püskürtmenin erken olması halinde TG uzun sürer. Çünkü bu süre zarfında basınç ve sıcaklık düşüktür. Geç püskürtme durumunda tutuşma da geç olacağından piston ÜÖN’dan uzaklaşmış olur ve basınç yükselme hızı yüksek olmasına rağmen maksimum ve ortalama efektif basınçlar düşük olur verim düşer, bu durumda motor sert çalışır. Optimum püskürtme avansı motordan maksimum ısıl verim alınacak, fakat motorda mekanik ve ısıl zorlanmalar olmayacak şekilde belirlenmelidir. Püskürtme zamanlaması veya püskürtmenin başlangıcı tüm motor karakteristiklerini büyük oranda etkileyen çok önemli bir parametredir. Püskürtme zamanlaması hava-yakıtın karışım kalitesini, dolayısıyla kirletici emisyonları da kapsayan yanma olayını etkilemektedir [50,63].
Motor hızı arttıkça TG süresi zaman birimi cinsinden azalır fakat kam mili açısı olarak artar. Motor devir sayısı arttıkça yakıtın parçalanması iyileşmekte, silindire emilen havanın türbülans hareketi artmaktadır. Düşük motor hızlarında TG süresince daha az yakıt birikeceğinden basınç yükselme hızı ve miktarı daha az olur. Üçüncü safhada karışım için daha çok zaman olacağından, piston fazla inmeden yanma iyice tamamlanır. Dolayısıyla düşük hızlı dizellerde iyi bir performans bakımından şartlar daha uyundur [1,2].
Yakıt demetinin etkisi ise püskürtme hızı arttırılıp enjektör memesi çapı küçültülürse yakıtın parçalanması sonucu oluşan damlacıkların çapı daha küçük olacaktır. Küçük çaplı damlacıklar daha kolay buharlaşacağı için TG ve yanma olayları iyileşir.
3.1.2. Biyodizelin yanma karakteristiği
Biyodizel üzerine çalışma yapan bilim adamları, biyodizelin yanma karakteristiğinin dizel motoruna göre farklılık gösterdiğini ifade etmektedirler [81,82].
Zhang ve Van Gerpan, [81] soya yağı metil, izopropil ve vinterize metil ester karışımlarının motorda kullanılması durumunda; benzer yanma karakteristiği gösterdiğini ve ester karışımlarının tutuşma gecikmesinin dizel yakıtına göre kısaldığını tespit etmişlerdir.
Senatore ve ark, [83] kolza yağı metil esteri kullanılması durumunda, ısının dizel motoruna göre daha erken çıkmaya başladığını ve yakıt olarak biyodizel kullanılması durumunda ortalama silindir gaz sıcaklığının da arttığını tespit etmişlerdir.
McDonald ve ark, [82] motorda yakıt olarak soya yağı metil esteri kullanımı durumunda yanma karakteristiğinin TG süresindeki kısalma haricinde dizel yakıt ile benzer özellikler gösterdiğini bulmuşlardır.
Selim ve ark, [84] yakıt olarak motorda Jojoba yağı metil esteri (JYME) kullanılması durumunda, basınç değerleri ve basınç artış hızlarının dizel yakıtı ile benzer özelliğe sahip olduğunu görmüşlerdir. Bununla birlikte basınç artış hızının dizel yakıtına göre bir miktar azaldığını, fakat TG süresinin bir miktar kısaldığını ifade etmişlerdir.
Sinha ve Agarwal, [85] tarafından yürütülen deneysel çalışmada, direkt püskürtmeli bir dizel motorunda dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının yanma karakteristikleri karşılaştırılmıştır. Dört silindirli motorun yanma basıncını, basınç artış hızını ve silindir içi ısı gidişi, kümülatif ısı gidiş oranı, yanmış kütle kesri gibi silindir içi prosesleri ölçmek ve hesaplamak için basınç verici - konum verici (encoder) ve yazılım kullanmışlardır. Testler tam yük koşullarında gerçekleştirilmiştir. Biyodizel
ve dizel yakıtın yanması durumunda yanma karakteristiklerinin nasıl değiştiğini ısı gidişi ve diğer yanma karakteristikleri detaylı analizlerle tespit edilmiştir.
Đçten yanmalı motorlarda silindir basıncı, yanmanın ilk safhasını oluşturan ön karışım bölgesinde tutuşan yakıt miktarına kuvvetle bağlıdır. Silindir basıncındaki değişim bu nedenle hava ve yakıtın ne kadar iyi karıştığıyla ilgili karakteristik sergiler. Maksimum basıncın artması (pik basınç), bu aşamada yanan yakıt miktarının normale göre çok fazla olmasıyla ilgilidir. Bu nedenle, dizel ve biyodizel karışımlarının yanma karakteristiklerinin belirlenmesi motordan maksimum performans alınması açısından çok önemlidir [2].
Hava-yakıt oranı, hava fazlalık katsayısı ve hacimsel verim gibi yanma olayının detayları, emisyon özellikleri ve müsaade edilebilir çalışma sınırları hususunda yeterli bilgi elde edebilmek için hava debisinin mutlaka bilinmesi gerekir. Dolayısıyla hava miktarının hassas bir şekilde ölçülmesi deney sonuçlarının gerçekçi olması bakımından son derece önemlidir [5,86,87,88].