Dizel Motorlarda Yanma

Dizel motorlarda yanma sonu sıcaklığını mümkün olduğu kadar yüksek olması efektif verimi artırmaktadır. Bu artış motorda sıkıştırma oranını artırmakla sağlanmaktadır. Dizel motorlarında silindire sadece hava emilmekte ve en az, yakıtın kendi kendine tutuşma sıcaklığı elde edilinceye kadar sıkıştırılmaktadır. Kendi kendine tutuşmanın sağlanacağı sıcaklığa kadar sıkıştırılmış bulunan hava içerisine püskürtülen yakıt, dıştan bir ateşleme sistemine ihtiyaç göstermeden hemen tutuşur. Yakıtın silindire püskürtülmesi ile yanmanın başlaması arasındaki süre çok kısa olduğundan, yakıtın püskürtme zamanı dizel motorları için çok büyük bir önem taşımaktadır [109,138].

Yakıt, yüksek basınç altında, küçük deliklere sahip enjektörler ile silindire püskürtülür. Enjektörden püskürtülen yakıt, hava ile sürtünmesi sonucu parçalanır, yakıtta parçalanma oranı demet çevresinde sürtünmelerin fazlalığı nedeni ile daha fazla olur ve çevrede daha küçük taneli damlacıklar oluşur. Yüksek sıcaklık ve yoğunluktaki hava içerisine püskürtülen yakıt damlacıkları kısmen buharlaşır. Küçük taneli damlacıkların kütlelerine göre hava ile temas yüzeyleri daha fazla olduğundan ilk buharlaşan ve yanmaya hazır olan yakıt zerreleri demet çevresinde oluşur. Şekil 4.2’de yakıt damlacığının hava ile teması görülmektedir [141].

Damlacıkların hazırlanma zamanını tamamlayarak yanmaya başlaması, demet çevresinde birkaç noktada birden meydana gelebilir. İlk yanma başladıktan sonra mevcut yakıt demetinin içindeki süren püskürtme nedeni ile silindire giren yakıtın iyi bir şekilde yanması için dizel motorlarında değişik şekillerde hava hareketleri yaratılmaktadır [109,138,139]. Şekil 4.3’te DEC modeline göre püskürtme formasyonu görülmektedir [139,140,141].

Yakıt, bu fiziksel olaylarla birlikte tutuşmayı başlatacak bazı kimyasal reaksiyonlara da maruz kalır. Yanma işleminde yanmanın seyrine, yanma sonu basınç ve sıcaklıkların değerine doğrudan etki edecek bu reaksiyonlar tutuşma gecikmesi (TG), ani yanma, kontrollü yanma, art yanma olmak üzere dört safhada ele alınmaktadır. Dizel motorlarda yanma performansı için en önemli safha TG aşamasıdır [109,137,138].

Şekil 4.3: DEC modeline göre püskürtme formasyonu

Tutuşma Gecikmesi

Tutuşma gecikmesi pratikte, püskürtmenin başlaması ile basınç yükselmesi olarak gözlenebilen, ilk ekzotermik reaksiyonun başladığı an arasındaki süre olarak tanımlanmaktadır. Bir diğer tanım ise yakıt enjeksiyonunun başlama zamanı ile yanmanın başladığı zaman A noktası ile B noktası arasındaki süredir [138]. Bu

zaman Şekil 4.4’te basınç ile krank mili açısı değişim diyagramından görülmektedir [109,142]. Basınç ile krank mili açısı diyagramında, sıkıştırma strokunun sonuna doğru basınç eğrisinin ani olarak yükseldiği B noktası, TG’nin sona erdiği ve yanmanın başladığı anı gösterir. TG süresince yakıtla havanın homojen bir karışım oluşturduğu kabul edilebilmektedir.

Şekil 4.4: Dizel motorlarında basınç-krank mili açısı değişim diyagramı

Yakıt zerreciklerinin buharlaşmasının belli bir süre aldığı kabul edilmektedir. Ancak zerrecikler etrafında, püskürtmenin hemen ardından bir buhar tabakası oluşmakta ve yanma bu buhar tabakasında başlamaktadır. Ondan sonraki buharlaşma ise tutuşma gecikmesini etkilememektedir. Dolayısıyla buharlaşma olayının tutuşma gecikmesine katkısı çok fazla olmamaktadır. Bununla birlikte tutuşma sonrası reaksiyon hızı, buharlaşma hızıyla doğru orantılıdır. Aynı zamanda buhar fazındaki yakıtın yanma hızı da buhar tabakasını çevreleyen havanın oksijen konsantrasyonu ile orantılıdır. Bu gözlemler dizel motorlarda yanmanın, buharlaşma tamamlanmadan başladığını göstermektedir.

Tutuşma gecikmesi süresi, yakıtın buharlaşması (fiziksel tutuşma gecikmesi) ve bunu takip eden tutuşma anına kadar olan ön reaksiyonların oluştuğu (kimyasal tutuşma gecikmesi) safhalardan ibarettir. Motorun çalışma koşullarını sabit tutup, sadece emilen hava içerisindeki oksijen konsantrasyonunu değiştirerek yapılan deneylerde fiziksel gecikme tek başına TG zamanını kontrol eden etken olarak görülmemektedir. Kimyasal gecikme de aynı oranda etki etmektedir [109,137,142].

Tutuşma gecikmesi süresi uzun ise yakıt ile havanın karışması için daha çok zamana ihtiyaç var demektir. Tutuşma gecikmesi süresince krank dönme açısına gecikme açısı denir. Bu açı krank açısal hızı ile tutuşma gecikmesi süresinin çarpımına eşittir. Yakıt pompası, krank miline bağlı olduğundan tutuşmadan önce püskürtülen yakıt miktarı gecikme açısı ile orantılıdır.

Dizel motorlarında Y/H oranı yanma olayının başlaması bakımından pek önemli değildir. Çünkü silindir içerisinde Y/H oranı sıfır ile sonsuz arasında değişen birçok nokta vardır. Yanma, tutuşma için en uygun orana sahip nokta veya noktalarda başlar. Püskürtme karakteristiği veya atomizasyon derecesi de Y/H oranındaki bu sonsuz değer değişimini etkilemez. Dolayısıyla bunların TG üzerinde önemli bir etkisi yoktur.

Tutuşma gecikmesini etkileyen en önemli faktörler yakıt kalitesi, basınç ve özellikle sıcaklıktır. Yüksek sıcaklık ve basınç TG süresini kısaltmaktadır. Yakıt jetinin silindir cidarlarına kadar ulaşması durumunda, eğer duvarlar çok sıcak ise TG süresi önemli derecede kısalmaktadır. TG süresince püskürtülen yakıt miktarının değişmesi ise tutuşma gecikmesi süresini etkilememektedir. Tutuşma gecikmesi safhasında temel olarak, reaksiyon hızları kısmen düşüktür ve reaksiyon ürünleri ara ürünlerdir, yakıt TG süresince silindir içerisine girer ve tutuşma başlayıncaya kadar birikir, fiziksel ve kimyasal olaylar sonucu oluşan pratik basınç ve sıcaklık değişimleri ihmal edilecek derecededir [109,142,143].

Ani (Kontrolsüz) Yanma

Tutuşma gecikmesi süresi içinde silindire püskürtülen yakıt ısınır oksijenle karışır ve buharlaşır. İlk alev çekirdeği meydana geldiği anda, yakıtın hepsi birden yanmaya katılır ve hızlı bir yanma oluşur. Ani yanma safhası silindire püskürtülen yakıtın yanmaya başladığı ilk anda başlar. Bu yanma sonucu silindir içerisinde basıncın ani olarak artmasına neden olur. Yanma odasında meydana gelen bu fazla basınç karakteristik dizel motoru vuruntusuna sebep olur. Ani yanma safhası, silindir içerisine püskürtülen yakıtın tutuşmaya başladığı B noktasından maksimum basıncın elde edildiği C noktasına kadar geçen süreyi ifade etmektedir. Ani yanma safhasına, yakıtın atomizasyon derecesi, tutuşma gecikmesi süresi boyunca içeriye alınan yakıt miktarı, tutuşma gecikmesi süresince silindir içerisine alınan H/Y oranı ve silindir içerisindeki türbülans, silindir içerisine alınan yakıt miktarı etki etmektedir [89,137,138,141-143].

Kontrollü Yanma

Ani yanma safhasından sonra yanma odasında kalan yakıt, yakıt püskürtme işlemi devam ettikçe yanmaya devam eder. Yanmanın devam ettiği bu bölge hava tarafından etrafı sarılan yakıttan oluşmaktadır. Yakıt hava ile karıştığı sürece yanar. Ani yanma sonucunda meydana gelen hızlı yanma ile enjektörden püskürtülen yakıt kısa sürede yanabilir. Bunun için püskürtülen yakıt ayarlanarak basıncı kontrol edilir. iyi bir kontrollü yanma için püskürtme avansı ve türbülans iyi olmalıdır. Kontrollü yanma safhası maksimum basıncın elde edildiği C noktasından silindir içerisindeki dolgu miktarının büyük bir kısmının yandığı D noktasına kadar geçen süreyi kapsamaktadır.

Kontrollü yanma safhasının sonunda basıncı etkileyen faktörler, yakıtın silindir içerisine püskürtme hızına, motorun hızına motorun yanma odasının şekline, yakıtın silindir içerisine alındığında pistonun silindir içerisindeki konumuna göre değişim gösterir. Dizel motorda verimin yüksek olması için kontrollü yanma safhasının Ü.Ö.N’ye yakın bir yerlerde tamamlanması gerekmektedir [89,137,138,141-143].

Art Yanma

Kontrollü yanmanın ardından, egzoz supabının açıldığı ana kadar meydana gelen D ile E noktası arasında gerçekleşen reaksiyonlar art yanma olarak tanımlanmaktadır. Yanma işlemini tamamlamayan yakıtın, piston A.Ö.N’ye doğru hareket ederken egzoz supabının açılmasına kadar silindir içerisinde bulduğu temiz hava ile meydana getirdiği yanmadır. Püskürtmenin sona ermesiyle silindir içerisinde kalan yakıt ve henüz yanmasını tamamlayamamış yanma ürünleri de türbülans ve oksijen miktarına bağlı olarak yanmaya devam etmektedir. Art yanma silindir içerisindeki hacim artışına bağlı olarak ani düşen basınç ve sıcaklık nedeniyle kısa sürmelidir [89,137,138,141-143].