Hava-Yakıt Karışımı Oranı Nedir? Nasıl Hesaplanır? Zengin Karışım Fakir Karışım

BÖLÜM 1 - BÖLÜM 2
Hava yakıt karışımı oranı benzinli motorlarda, motor performansı ve yakıt sarfiyatı bakımından ayarlanması gereken en önemli faktördür. Aracımın yakıt tüketimi neden arttı diye soruyorsanız, lambda (oksijen) sensörünüz bozuktur ve yakıt karışım ayarını motorunuz ayarlayamıyor demektir.

Hava Yakıt Karışımı Oranı Nedir ? (Stokiyometrik Oran Nedir?)

1 kg yakıtın en ideal olarak yakılabilmesi için gereken hava miktarı 14,7 kg havadır, 

14,7kg hava/1kg hava karışım oranına ideal hava-yakıt karışımı oranı denir. Kabaca 15/1 olarak da geçen bu ideal hava yakıt karışımı oranına stokiyometrik oran da denir. Buna göre 1 litre benzini yakmak için 10.000 litre hava gereklidir. Stokiyometrik oran, lambda oranı hesabında referans alınan sabit bir değerdir.

Motor kontrol ünitesi (ECU), motorun her türlü yük ve devir şartında en ideal hava-yakıt karışımıyla çalışabilmesi için, sensörlerden gelen bilgiler ışığında ve aktivatörleri yöneterek hava-yakıt karışımını ideal noktada tutmaya çalışır. Motor kontrol ünitesi, motora alınan havanın kütlesini hesaplayabilmek için debimetreden (hava kütle ölçer) bilgi alır. 

Motorlarda hava-yakıt karışım oranının ideal olması durumunda, motor performansı iyileşirken (ama maksimum performans değil), yakıt sarfiyatı ve egzoz emisyonları azalmaktadır. Stokiyometrik oran sayesinde, egzoz gazındaki zararlı maddeler, katalitik konvertör tarafından neredeyse tamamen elimine edilebilir. 

AFR nedir ? 

AFR terimi ingilizce "hava yakıt oranı" demektir. AFR: Air Fuel Ratio. Gene yukarıdaki gibi hava kütlesinin yakıt kütlesine bölünmesiyle bulunur. Yani mhava/myakıt  (m:kütle). Yukarıda açıklanan hava-yakıt oranıyla tamamen aynıdır.

Motorda hava yakıt karışım oranı hiçbir zaman sabit değildir, sürekli bir çok etken tarafından değişmektedir, motor kontrol ünitesi, motor ihtiyaçlarına göre, sürekli olarak bunu ayarlar.

Gerçekleşen Hava/Yakıt karışım oranı şu şekilde gösterilir:

Hava Yakıt Oranı = Hava miktarı (kg) 

                                  Yakıt miktarı (kg)           

Lambda Oranı Nedir Nasıl Hesaplanır? (Hava Fazlalık Katsayısı :λ)

λ Lambda oranı, motora alınan gerçek hava/yakıt oranının, Stokiyometrik orana bölünmesiyle bulunur. Lambda oranına, "hava fazlalık katsayısı"  denir. Motorun zengin karışımla mı fakir karışımla mı çalıştığını, lambda değerine bakarak söyleyebiliriz.  

λ>1 (lambda 1'den büyükse, fakir karışım)

λ<1 (lambda 1'den küçükse, zengin karışım)

λ=1 (lambda=1 ise ideal karışım)

Lambda oranı hesaplamasının formülü: 

λ= Gerçek hava-yakıt oranı /  Stokiyometrik oran          

(Burada Stkokiyometrik oran 14,7/1= 14,7 değeri sabittir)

(Gerçek hava yakıt oranıysa (AFR= Mhava/Myakıt) formülüyle bulunur.

Hava yakıt oranı hesaplanmasında örnek işlemler aşağıdadır.

ZENGİN KARIŞIM

Zengin Hava Yakıt Karışımı Oranı (Zengin Karışım) Nedir ? Nasıl Hesaplanır ? Formülü ?

Zengin hava yakıt karışımı olursa, bu durumda motora çok yakıt ve az hava alınıyor demektir. Zengin karışımda lambda 1’den küçüktür (lambda < 1). Motor performansını yükseltmek için karışım uygun miktarda zenginleştirilebilir, yanma odasına biraz fazla yakıt alındığından motor performansı artar ama, görece ortamda daha az hava olduğundan, yakıtın tamamı yakılamaz, yakıt sarfiyatı artar ve egzoz emisyonları da artar.

Eğer motor zengin karışımla çalışırsa, performans artar fakat, yakıt sarfiyatı çok olur, karbon monoksit (CO) ve yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonları artar. Motorun aşırı zengin çalışması, emisyon normlarına uygun olmayacağından sınırlandırılmıştır. ECU, Lambda=1 değerinden bir miktar daha zengin karışıma izin verir.

Araç yüke bindiğinde veya tam gaz yapıldığında; enjeksiyon süresi uzatılır, püskürtülen yakıt miktarı artar, hava-yakıt karışımındaki yakıt miktarı artar ve zengin karışım oluşur; motor performansı artar, yakıt tüketimi de artar. (Zengin karışımda lambda 1’den küçüktür (lambda < 1).

Hava yakıt karışımını zenginleştirmenin de bir sınırı var, yani silindirdeki hava sınırsızca benzin verilemez, aşırı miktarda benzin verilirse bu defa da hava yetersiz kalır ve yanma gerçekleşmez, motor boğulur.

Karşımı zenginleştirerek lambda’yı 1’in altına çekilebilir ama en fazla 0,6 değerine kadar inebilir, daha düşük lambda değerlerinde karışım tutuşmaz.

Eski nesil, emisyon normlarına tabi olmayan, katalitik konvertörü olmayan, lambda sondasıyla (oksijen sensörüyle) kapalı devre yakıt sistemine sahip olmayan, motora sahip araçlardan çok fazla güç alınırdı. Çünkü bu motorlarda hava-yakıt karışımının, tutuşma sınırını aşmamak kaydıyla (λ> 0,6 olmak kaydıyla), aşırı zengin karışımla çalıştırılmasının önünde bir engel yoktu. Motor zengin karışımla çalışıyor, yüksek performans veriyordu. Yakıt tüketimi ve zararlı egzoz emisyonları (CO2, CO, HC) çok fazlaydı. Emisyon normlarının zorunlu olmasıyla birlikte artık üretilen araçlardaki motorların bu düzenle çalışması mümkün olmamaktadır.

λ<1 (lambda 1'den küçükse, zengin karışım) olduğunu biliyoruz. Şimdi bir örnek yapalım.

Motora alınan yakıt miktarı= 1,2kg yakıt. olsun (fiilen gerçekleşen değer)

Motora alınan hava miktarı= 14,7kg hava. olsun (fiilen gerçekleşen değer. bu değer değişebilir, bu örnekte böyle aldık) Stokiyometrik oran ise sabit 14,7 değeri olacak. (Bu değer sabittir değişmez)

Önce hava-yakıt oranını hesaplayalım

Hava Yakıt Oranı = Hava miktarı  / Yakıt miktarı       

==>  14,7 /1,2=> Hava/yakıt oranı = 12,25

Şimdi lambda oranını hesaplayalım

Lambda Oranı = Hava Yakıt Oranı / Stokiyometrik Oranı                                 

 ==>  Lambda Oranı =   12,25 / 14,7= 0,83

0,83 değeri, 1'den küçüktür. yani λ<1 lambda 1'den küçük olduğundan, bu motor zengin karışımla çalışıyor demektir.

FAKİR KARIŞIM

Fakir Hava Yakıt Karışımı Oranı (Fakir Karışım) Nedir ? Nasıl Hesaplanır ? Formülü ?

Fakir hava-yakıt karışımı fakir olursa, bu durumda silindirlere çok fazla hava ve az yakıt alınıp yakılıyor demektir. Fakir karışımda lambda 1’den büyüktür (lambda > 1). Yakıt sarfiyatını düşürmek için karışım uygun miktarda fakirleştirilebilir, yanma odasına fazladan hava (oksijen) alındığından, yakıtın tamamı yakılabilir. Bu durumda motor performansı azalır ve diğer emisyonlar azalır fakat oksijen fazlalığı ve yüksek sıcaklık sebebiyle NOx emisyonları artar. Bir miktar fakir karışım, yakıt tasarrufu sağlar.

Motor çok fakir karışımla çalışırsa, yakıt tutuşamaz, vuruntu meydana gelir. Yakıtın iyi yakılamaması sebebiyle, hidrokarbon (HC) emisyonunda artış görülür. NOx emisyonları aşırı artar. Motor performansı ciddi oranda düşer. Çok fakir karışımla çalışma, yanma sıcaklığını aşırı yükseltir, bu durumda supaplar ve katilik konvertör zarar görebilir. Aşırı fakir karışımla çalışmada, motor yüke bindiğinde motor vuruntusu artacaktır, bu durum ciddi motor hasarlarına sebep olabilir.

Düz yol sabit hız, yokuş aşağı iniş gibi durumlarda; gaz pedalı çok az basıldığı veya hiç basılmadığı durumlarda (gaz kelebeği çok az açık veya kapalı); daha az yakıtın püskürtüldüğü hava yakıt karışımıdır. Bu durumda silindirdeki hava içinde çok az yakıt olacaktır. Fakir karışımda (lambda > 1) lambda 1’den büyüktür. Bu karışım tipinde performans ve yakıt tüketimi düşüktür, azot oksitler (NOx) hariç diğer emisyonlar da oldukça düşüktür.

Fakir karışımın sınırı:

Motor, lambda 1,4 ile 1,6 arasında fakir karışımla çalışabilir. Lambda 1,6 değerinden daha yüksek (yani daha fakir) karışımlarda motor vuruntu yapacaktır. Öte yandan karışımın tutuşabilmesi için lambda değeri en fazla 4 olabilir, 4’ün üstüne çıktığında yakıt tutuşamaz, yani yakılamaz. Aynı zamanda lambda 1 ile 4 arasındaki fakir karışımlarda da, hava-yakıt karışımı düzensiz yanar, motor vuruntu yapar, bu istenmeyen bir durumdur. Bunun olmaması için, karışımın homojen olmaması gerekir (katmanlı karışım teknolojisinin olması gerekir). 

Motorun lambda 3’’e kadar fakir karışımla çalışabilmesi için hava yakıt karışımın “katmanlı karışım” olması gerekir. Katmanlı karışımla çalışan (FSI) Direkt benzin enjeksiyonlu motorlar, katmanlı karışım modunda çalıştıklarında, lambda=3 olacak kadar fakir karışımla, sorunsuzca çalışabilirler. Böylece etkin bir yakıt ekonomisi sağlanır. Yine bu motorlar homojen karışım modunda çalıştıklarında lambda değeri 1 civarında ayarlanır. Bu iki karışım modu arasındaki geçiş, motor yüküne ve devrine bağlı olarak otomatik olarak ECU tarafından gerçekleştirilir. Sürücü bunu fark etmez.

ÖRNEK: λ>1 (lambda 1'den büyükse, fakir karışım) olduğunu biliyoruz. Şimdi bir örnek yapalım.

Motora alınan yakıt miktarı= 0,8 kg yakıt. olsun

Motora alınan hava miktarı= 14,7kg hava. olsun

Stokiyometrik oran ise sabit 14,7 değeri olacak.
Önce hava-yakıt oranını hesaplayalım

Hava Yakıt Oranı = Hava miktarı  

                             Yakıt miktarı            

==>  14,7/0,8 => Hava/yakıt oranı = 18,37

Şimdi lambda oranını hesaplayalım

Lambda Oranı =    Hava Yakıt Oranı   / Stokiyometrik Oran                                  

==>  Lambda Oranı =   18,37 / 14,7 = 1,25

1,25 değeri, 1'den büyüktür. yani λ>1 lambda 1'den büyük olduğundan, bu motor fakir karışımla çalışıyor demektir.

ÖRNEK 2: Katmanlı karışımın kullanılmasıyla lambda=3 olduğunda, hava-yakıt oranı:

λ= Gerçek hava-yakıt oranı     olduğuna göre  

       Stokiyometrik oran    

3= (A/F)/14,7 ise A/F= 14,7 x 3 = 44,1:1

Yani lambda 3 olduğunda, hava-yakıt oranı (a/f) = 44,1:1 olur, direkt enjeksiyonlu, katmanlı karışımlı sistemde 44 kg hava ile 1 kg yakıt yakılabilir. Sistem aşırı fakir karışımla çalışabilir (Bu oran daha da artmıştır) 

STOKİYOMETRİK KARIŞIM (İDEAL KARIŞIM)

İdeal Hava Yakıt Karışımı Oranı Nasıl Hesaplanır ?

İdeal hava yakıt karışımı (Stokiyometrik Oran) olduğunda, kimyasal olarak 1 gram yakıtın tam olarak verimli bir şekilde yakılabilmesi için 14,7 gram hava ile karıştırılması gerekir (veya 14,7kg hava ile 1kg yakıt). Bu ideal oran, püskürtülen benzinin tam olarak yakılmasını sağlar. Bu durumda egzozda oluşan zararlı emisyonlar %99 oranında üç yollu katalitik konvertörle zararsız hale dönüştürülür.

Stokiyometrik karışım: Bir kimyasal tepkimede (yanma tepkimesinde), tepkimeye giren maddelerin (HxCy ve O2) tamamının kullanıldığı, yani yanmaya giren maddelerden geriye hiçbir şeyin kalmadığı karışıma stokiyometrik karışım denir. Lambda = 1’dir.

Klasik çok nokta enjeksiyonlu atmosferik bir benzinli motorda, hava yakıt karışımı lamda=1 (stokiyometrik oran - ideal hava yakıt karışımı) olarak ayarlanır. Motor kontrol ünitesi (ECU) bu hava yakıt oranını tutturabilmek için, benzin enjeksiyonunu ve emilen hava miktarını sürekli ayarlar. Bu ayarlamayı yapabilmek için lamda (oksijen) sensörünün sinyallerini temel alır; gaz kelebeğine ve enjektörlere müdahale eder. 

Homojen karışım; 14,7kg hava ile 1 kg yakıtın; 14,7/1 oranında (ideal-stokiyometrik oran) karışması ve hava-yakıt bulutunun her noktasında aynı yoğunlukta olması durumudur.

Homojen karışımla çalışan (atmosferik enjeksiyonlu) benzinli motorlar, lambda sensöründen gelen sinyallere göre ve ECU yönetiminde, kapalı devre yakıt sistemiyle (closed loop) hava-yakıt karışımını homojen ve homojene yakın aralıkta tutarak çalışırlar. Homojen hava-yakıt karışımı iyi bir motor performansı sağlar ve yanma sonucu oluşan zararlı emisyonlar, 3 yollu (TWC) katalitik konvertörle neredeyse tamamen zararsız hale dönüştürülür.

ÖRNEK: λ=1 (lambda 1'e eşit olursa, ideal karışım oranı olduğunu biliyoruz. Şimdi bunu dagörelim.

Motora alınan yakıt miktarı=  1 kg yakıt. olsun

Motora alınan hava miktarı= 14,7kg hava. olsun

Stokiyometrik oran ise sabit 14,7 değeri olacak.

Önce hava-yakıt oranını hesaplayalım 

Hava Yakıt Oranı = Hava miktarı / Yakıt miktarı         

==>  14,7 /1=> Hava/yakıt oranı = 14,7

Şimdi lambda oranını hesaplayalım

Lambda Oranı = Hava Yakıt Oranı / Stokiyometrik Oran                                

==>  Lambda Oranı =  14,7/14,7 = 1

λ=1 lambda eşittir 1 olduğundan, bu motor ideal hava-yakıt karışımıyla çalışıyor demektir.

Eğer motor zengin karışımla çalışırsa, yakıt sarfiyatı çok olur, karbon monoksit (CO) ve yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonları artar. Eğer motor fakir karışımla çalışırsa, egzoz gazındaki Azotoksit (NOx) emisyonları artar. 

HAVA YAKIT KARIŞIMININ (ORANININ) AYARLANMASI

Homojen karışımla çalışan (atmosferik enjeksiyonlu) benzinli motorlar, lambda sensöründen gelen sinyallere göre ve ECU yönetiminde, kapalı devre yakıt sistemiyle (closed loop) hava-yakıt karışımını homojen ve homojene yakın aralıkta tutarak çalışırlar. Homojen hava-yakıt karışımı iyi bir motor performansı sağlar ve yanma sonucu oluşan zararlı emisyonlar, 3 yollu (TWC) katalitik konvertörle neredeyse tamamen zararsız hale dönüştürülür.

*Stokiyometrik hava-yakıt karışımı; en iyi egzoz emisyon değerlerini verir.

*Zengin hava-yakıt karışımı; en iyi motor performansını verir fakat yakıt tüketimi artar.

*Fakir hava-yakıt karışımı; en iyi yakıt ekonomisini verir fakat motor performansı düşer. Nox artar, vuruntu tehlikesi oluşur (vuruntuyu önlemek için katmanlı karışım gerekir).

Hava yakıt karışımı lamda=1 (stokiyometrik oran - ideal hava yakıt karışımı) olarak ayarlanır. Motor kontrol ünitesi (ECU) bu hava yakıt oranını tutturabilmek için, benzin enjeksiyonunu ve emilen hava miktarını sürekli ayarlar. Bu ayarlamayı yapabilmek için lamda (oksijen) sensörünün sinyallerini temel alır; gaz kelebeğine ve enjektörlere müdahale eder. 

Benzinli motorda hava yakıt karışımının ayarlanmasında sınırlar vardır, her zaman zengin veya her zaman fakir karışımla motoru çalıştırmak, değişen beklentileri (performans ve yakıt ekonomisi beklentisi) aynı anda karşılamamaktadır.

Bunun dışında benzin-hava karışımında aşırı fakir ve aşırı zengin karışım oluşması, yanma verimini düşürecektir. Bu sebeple hava-yakıt karışımının (lamda) ayarlanması belirli limit değerler aralığında olmaktadır (lambda 0,5 ila 4 arasında olduğunda benzin tutuşabilir).

Direkt benzinli enjeksiyonlu motorda, katmanlı enjeksiyonda, hava-yakıt karışımı oranı ideal oran ile fakir (lambda > 1) arasında değişken olarak çalıştırılabilmektedir. Yani lamda oranı 1 ile 3 arasında değişebilmektedir. Enjeksiyon hem homojen (yüksek performans), hem de katmanlı enjeksiyon (düşük yakıt tüketimi) modlarını sunabilir.

Eski nesil, emisyon normlarına tabi olmayan, katalitik konvertörü olmayan, lambda sondasıyla (oksijen sensörüyle) kapalı devre yakıt sistemine sahip olmayan, motora sahip araçlardan çok fazla güç alınırdı. Çünkü bu motorlarda hava-yakıt karışımının, tutuşma sınırını aşmamak kaydıyla (λ> 0,6 olmak kaydıyla), aşırı zengin karışımla çalıştırılmasının önünde bir engel yoktu. Motor zengin karışımla çalışıyor, yüksek performans veriyordu. Yakıt tüketimi ve zararlı egzoz emisyonları (CO2, CO, HC) çok fazlaydı. Emisyon normlarının zorunlu olmasıyla birlikte artık üretilen araçlardaki motorların bu düzenle çalışması mümkün olmamaktadır.

BÖLÜM 1 - BÖLÜM 2