Direkt Enjeksiyonlu Turbo Benzinli Motorların Yapısı ve Çalışması

Direkt Enjeksiyonlu Turbo Benzinli Motorların Çalışma Prensibi ve Yapısı

Bölüm: 1 - 2
Direkt Benzin Enjeksiyonlu Turbo Motorun Çalışması

Yüksek motor performansına sahip, düşük hacimli, çevreci ve daha az yakan benzinli motorların dönemindeyiz. Otomotiv üreticileri büyük bir hızla turbo hava beslemeli, yanma odasına direkt benzin enjeksiyonlu motorlara sahip modelleri piyasaya sürüyor. Bu kısımda turbo benzinli motorun teknik detaylarına inilecek. Tutbo benzinli motorlar hakkında temel bilgiler için: (Bkz: Turbo Benzinli Araçlar Güç ve Tork Özellikleri)

Atmosferik çok noktalı benzinli motorlara göre nelerin değiştiğini, motorun neyi farklı yaptığını, hangi teknolojik gelişim ve iyileştirmelerin yapıldığını sırasıyla inceleyelim. 

Modern Direkt Benzin Enjeksiyonlu Motorlarda Kullanılan Teknoloji:

*Silindir içine direkt enjeksiyon. Yüksek basınçlı yakıt pompası ve yüksek basınçla yakıt püskürten gelişmiş enjektörler.

*Katmanlı hava-yakıt karışımı, fakir karışımla sorunsuz çalışma.

*Turbo şarj ile benzinli motorda aşırı besleme. Basıncı elektronik olarak ayarlanabilen, değişken geometrili turbo şarj üniteleri, çift turbo kullanımı (bi turbo – twin turbo)

* Direkt enjeksiyon ve Turbonun sağladığı yüksek performans, düşük yakıt tüketimi ve düşük egzoz emisyonları.

* Direkt enjeksiyon ve Turbonun sağladığı; birim hacimden çok daha fazla güç elde edilmesiyle, daha küçük hacimli çevre dostu motorlar.

*Emisyonların İyileştirilmesi ve Egzoz sistemi: EGR sistemi, SCR Sistemi (Adblue – Blue tech), Katalitik konvertör.

*İşlemci hızı gelişmiş yüksek kapasiteli Elektronikkontrol üniteleri (ECU), sensörler ve aktörlerle gelişmiş motor ve araç yönetimi.

*Gelişmiş plastik emme manifoldu geometrisi, ayarlanabilir-değişken hava kanalları, türbülans klapeleri sayesinde iyileştirilmiş hava emiş sistemi.

*Alüminyum motor bloğu, silindir kapağı. Daha hafif pistonlar. Daha az sürtünme kayıpları.

*Değişken supap zamanlaması mekanizması (VVT-i -VTC-VANOS), ayarlanabilir supap bindirme süreleri. Çift eksantrik milinin de (DOHC) açısal ayarlamasının bağımsız olarak yapılabilmesi (dual vtc – dual vvt)

*Direkt (Bağımsız) Ateşleme Sistemi ve elektronik ateşleme avansı

* Karbon Kanister ve Karter Havalandırma sistemi

Hava-yakıt karışımının hazırlanması ve yakıtın enjeksiyonu, yıllar ilerledikçe ve teknoloji geliştikçe; karbüratör, çok noktadan enjeksiyon ve direkt silindir içine enjeksiyon olarak gerçekleşmiştir.

 

Direkt Benzin Enjeksiyon Sistemi Çeşitleri (Hava Beslemesi Bakımından)
Direkt enjeksiyon sistemi iki çeşittir: 
*Atmosferik Direkt Enjeksiyon Sistemi 
*Turbo Direkt Enjeksiyon Sistemi

Atmosferik Direkt Enjeksiyon Sistemi: 

 

Turbo Direkt Enjeksiyon Sistemi:

  

Direkt Benzin Enjeksiyon Sisteminin Yapısı ve Çalışması

Emme portlarında havanın içine 3-4 barlık basınçla püskürtme yapan, Çok noktalı enjeksiyon sisteminden farklı olarak;

*Enjektörler direkt olarak yanma odasına (silindirlerin içine) bakar ve püskürtmeyi yanma odasına yapar.

*Direkt olarak yanma odasına püskürtme yapabilmesi için, yakıt basıncının yüksek (50-120 bar) olması gerekir; bu sebeple (depodaki elektrikli pompaya (4-8 bar) ilave olarak) hareketini eksantrik milinden alan mekanik bir yüksek basınç pompası da bulunur.

*Enjektörler, dizel common rail sistemindeki gibi, bir yüksek basınç rail borusuna (yakıt rampası-yakıt kütüğü) bağlıdır ve rail borusunda basınçlı halde hazır bulunan benzin, enjektörler tarafından püskürtülür. Rail borusunda bir yakıt basınç sensörü bulunur, bazılarında basınç aşırı yükseldiğinde yakıtı tahliye eden bir basınç regülatörü (tahliye valfi) bulunur. Bazı sistemlerdeyse daha en baştan yakıtın basıncı yüksek basınçlı yakıt pompasında (regülatörlü) ayarlanır.

*Enjektörler yüksek basınçla çalıştığından ve uçları yanma odasına baktığından; daha sağlam ve daha yüksek kapasiteli, daha yüksek voltajla (60-80 volt) çalışan tiptedir. Selenoid valfi veya piezo enjektör tipte olabilirler.

*Enjektörler, bir yanma zamanında bir den çok; 2-3 kez püskürtme yapabilirler. Buna çoklu enjeksiyon (multiple injection) denir. Örneğin bir ön enjeksiyon ve ardından bir ana enjeksiyon. Bu durumda püskürtülen yakıt miktarı artmaz; aksine aynı veya daha az miktar yakıt çok hassas bir şekilde püskürtülerek verim arttırılır.

*Enjeksiyon (yakıtın püskürtülmesi); emme zamanında (homojen karışım modu) veya sıkıştırma zamanında (sıkıştırma zamanının son evresinde) yapılabilir (katmanlı karışım modu). Katmanlı enjeksiyon (stratified injection) bu teknolojinin en önemli ve belirleyici konusudur, aşağıda detaylı olarak açıklanacaktır.

*Çok kısa süreler içinde; enjeksiyon miktarının (birden çok kez) ve enjeksiyon süresinin (çok hassas) ayarlanabilmesi için, kaliteli enjektörler ve işlemci hızı yüksek motor kontrol ünitesi (ECU) gereklidir. Bu da maliyeti arttırıcı bir husustur.

Homojen Karışım ve Katmanlı Karışım (Direkt Enjeksiyonda Hava Yakıt Karışımı)

Homojen Karışım Nedir?

Homojen hava-yakıt karışımı, çok noktalı enjeksiyon sistemine (MPI) sahip araçların esas aldıkları karışım biçimidir. Yakıt, silindir kapağındaki emme kanalına (emme supaplarının arkasına), emme zamanında püskürtülür. 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. (Bkz: Hava-Yakıt Oranı ve Lambda)

Atmosferik mpi 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.

Zengin Karışım: 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).

Fakir Karışım: 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 oksistler (NOx) hariç diğer emisyonlar da oldukça düşüktür.

(Homojen karışım ve katmanlı karışım)

Katmanlı Enjeksiyon-Karışım Nedir? (Stratified Injection)

Düşük motor torku gerektiğinde, sabit hızlarda düz yolda sürüşte, motordan az tork talep edildiğinde; yakıt enjeksiyon sistemi “katmanlı enjeksiyon” moduna geçer ve yakıt tüketimini ciddi oranda azaltır. Yakıt, sıkıştırma zamanının sonunda çok az püskürtülür ve motor fakir karışımla çalışır.

Motor yüke bindiğinde, yokuş çıkılırken, ani hızlanma talebiyle gaz pedalına fazla basıldığında, yani motordan tork talep edildiğinde, yakıt enjeksiyon sistemi “homojen karışım” moduna geçer ve hatta zengin karışımla çalışır. Yakıt emme zamanında püskürtülür, yakıt tüketimi artar, motor torku yükselir.

Motor kontrol ünitesi (ecu), katmanlı karışımla mı (düşük yakıt) mı yoksa homojen karışımla mı? çalışacağına; motor yüküne (gaz pedalına basma miktarı-tork talebi) ve motor devrine (genelde 3000 devirden düşükken katmanlı moda çalışır) bağlı olarak karar verir.

Motor homojen karışım (güç) modunda çalışırken, yakıt emme zamanında silindirin içine püskürtülür; bu  sırada motor torku gaz pedalının kumanda ettiği gaz kelebeğinin açıklık miktarına göre, yani motora alınan havanın miktarına göre belirlenir.

Katmanlı enjeksiyon (tasarruf ) modundaysa, ECU gaz kelebeğini sonuna kadar açar, motor torku, gaz pedalının pozisyonuna göre enjektörlerin benzin püskürtme miktarının değiştirilmesiyle ayarlanır (dizel gibi çalışır). Yani homojen modda havaya göre, katmanlı modda yakıta göre çalışır.

Homojen karışım, silindir içindeki hava-yakıt karışımı bulutunda, hava ve yakıtın eşit oranda dağılmış haliyse; Katmanlı karışım, silindir içindeki hava-yakıt karışımı bulutunda, hava ve yakıt zerrelerinin her noktada eşit olarak dağılmamış halidir.

Yani benzetmek gerekirse;

homojen karışım çalkalanmış ayran gibidir, ayranın her yerinde su ve yoğurt eşit orandadır.

Katmanlı karışım ise çalkalanmamış, uzun süre beklemiş ayran gibidir, bol yoğurtlu (yakıtlı kısım) altta, bol sulu kısım ise üsttedir. Motorda ise bol yakıtlı kısmı üstte olacak (bujiye yakın).

Direkt benzin enjeksiyon sisteminde benzin,

hem emme zamanında püskürtülebiliyor (homojen karışım modu)

hem de sıkıştırma zamanında püskürtülebiliyor (katmanlı karşım-kademeli püskürtme)

İşte direkt enjeksiyon sisteminin üstünlüğü burada ortaya çıkıyor. Motor, anlık olarak yakıt enjeksiyon biçimini sürücü talebi veya yol şartlarına uyarlayabiliyor. Böylece istendiğinde yakıt ekonomisi, istendiğinde yüksek performans oluşturuluyor.

Normalde benzinli motorlar çok fakir karışımla çalışırsa vuruntu yaparlar, benzinin tutuşup yanabileceği bir limit oran vardır. Katmanlı karışım modunda; motor çok fakir karışımla çalışabilmekte ve vuruntu olmamaktadır. Çünkü benzin, sıkıştırma zamanın son evresinde, bujiye çok yakın bölgeye çok az püskürtülerek, bujinin çevresinde dar bir alanda zengin karışım oluşturmakta, benzin kolayca ve verimli bir şekilde yanmaktadır. Dikkat edilirse buji çevresinde oluşturulan küçük bir alanda, çok az benzin püskürtülüp zengin karışım oluşturulup yakılmasına rağmen, toplam hava-yakıt karışımı “çok fakir” dir, üstelik bu çok fakir karışım “katmanlı” yapısı sayesinde düzenli bir şekilde yanar. İşte hava yakıt karışımında iki farklı katmanın oluşturulması sebebiyle buna katmanlı enjeksiyon denir. Buji çevresinde oluşturulan zengin karışımlı bölgenin etrafındaki fakir karışımlı bölge, bir izolasyon görevi de görür, yakıt silindir duvarlarına yapışmaz, yanma ısısı muhafaza edilip pistona etkiyen kuvvet, ve sonucu oluşan tork artar. Böylece, düz yolda sabit hız veya düşük motor yüklerinde yakıt tüketimi ciddi oranda düşürülmektedir.

Motor neden çok daha fakir karışımla çalıştırılıp yakıt tasarrufu yapılamıyor? Ya da neden çok noktadan enjeksiyon (MPI) sisteminde çok fakir karışım sağlanamıyor?

Benzinin ideal (verimli) olarak yanabilmesi için, 14,7 kg hava ile 1 kg yakıt karışımı gerekiyor, buna stokiyometrik oran deniyordu. İdeal hava-yakıt karışımında lambda değeri 1’e eşitti. Bu ideal oran hiçbir zaman değişmiyor, 1 kg benzini tam olarak yakıp enerjisinden yararlanmak için ve en düşük egzoz emisyonunu sağlamak için, 14,7 kg hava vermemiz gerekiyor. (14,7/1 stokiyometrik hava/yakıt oranı, air/fuel (a/f) ratio)

Zengin Karışımın (Fazla Benzin) Sınırı: Eğer 14,7kg havaya, 1 kg’dan daha fazla yakıt verirsek zengin karışım olur, lambda değeri 1’in altına düşer (lambda < 1). Zengin karışımda motor performansı artar ama yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları da artacağı için (yarım yanmış yakıt HC (hidrokarbon) ve CO (karbonmonoksit)), sürekli zengin karışımla çalışsın istemeyiz. Ayrıca karışımı zenginleştirmenin de bir sınırı var, yani silindirdeki hava sınırsızca benzin veremeyiz, aşırı miktarda benzin verilirse bu defa da hava yetersiz kalır ve yanma yine gerçekleşmez, motor boğulur. Karşımı zenginleştirerek lambda’yı 1’in altına çekeriz ama en fazla 0,6 değerine kadar inebilir, daha düşük lambda değerlerinde karışım tutuşmaz.

Fakir Karışımın (Fazla Hava) Sınırı: Fakir hava yakıt karışımında motorun yakıt tüketimi düşüyor, “öyleyse neden motoru sürekli fakir karışımla veya çok fakir karışımla çalıştırmıyoruz?” diye düşünülebilir. Yine karşımıza lambda=1 ideal hava-yakıt oranı çıkıyor, bu orandan çok fazla uzaklaşılamıyor. Karışım fakirleştiğinde, lambda değeri 1’in üstüne çıkıyor (lambda > 1). Karışımın tutuşabilmesi için bu değer en fazla 4 olabilir, 4’ün üstüne çıktığında yakıt tutuşamaz. 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 gerekiyor. (Bkz: Hava-Yakıt Oranı ve Lambda)

İşte tam da bu noktada yine “katmanlı karışım”’ın avantajı ortaya çıkıyor, toplam karışım çok fakir olmasına rağmen; yakıtın sıkıştırma zamanı sonunda bujinin yakınına püskürtülmesiyle, sınırlı alanda oluşan zengin karışım sayesinde, tutuşma ve yanma çok düzenli bir şekilde gerçekleşiyor, motorun vuruntusuz ve ekonomik çalışması mümkün oluyor. Katmanlı (stratified) karışımın amacı da budur.

Direkt benzin enjeksiyonlu motorlar, lambda=3 olacak kadar fakir karışımla çalışabilirler.

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 oluyor, direkt enjeksiyonlu sistemde 44 kg hava ile 1 kg yakıt yakılıyor. (Bu oran daha da artmıştır)

Sonuç olarak, çok noktadan emme kanalına benzin enjeksiyonlu (günümüz atmosferik mpi) motorlarda, bu kadar fakir karışımla çalışıp orta seviyede tork alınamaz çünkü; Enjeksiyon, sadece emme zamanında olur ve enjeksiyon emme kanalına yapılır. Çok fakir karışım oluşturulsa bile, yine homojen olacağından yanma ve tutuşma problemleri oluşacaktır (zaten ECU buna izin vermez, karışım lambda değeri hemen 1’e yaklaştırmak için ayarlama yapar).

Geniş Bantlı (Lineer) Oksijen (Lambda) Sensörü

Yakıt enjeksiyonun sisteminde, hava-yakıt karışımını düzenlemek amacıyla katalitik konvertör öncesinde oksijen sensörü (lambda sensörü) kullanılmaktadır. Atmosferik çok nokta enjeksiyonlu benzinli motorlar, dar bir lambda değeri aralığında çalışır, lambda değeri ideal oran=1 olduğuna göre, bu değerin bir miktar altı ve üstü değerleri klasik oksijen sensörleri sağlıklı bir şekilde ölçebilirler. Karışım zenginleştikçe oksijen sensörü daha yüksek voltaj üretir; karışım fakirleştikçe daha düşük voltaj üretir; ideal (stokiyometrik) hava yakıt karışımında oksijen sensörü 450-500 milivolt voltaj üretir.

Direkt enjeksiyonlu turbo benzinli motorlar, hem homojen karışımla (lambda=1) hem fakir karışımla (lambda 1-3 aralığında) çalışırlar, hem de zengin karışımla (lambda 0,5) çalışabilirler. Görüldüğü gibi lambda değerleri çok daha geniş (0,5 – 3)  bir aralıkta (bantta) değişir.

İşte bu geniş aralıklı değerlerin okunabilmesi için “geniş bantlı oksijen sensörü” kullanılmaktadır. Böylece sensörün ölçümleri daha hassas, ürettiği voltaj değerleri daha büyük olur. Daha iyi üretilen sinyaller sayesinde ECU gerekli hava-yakıt karışımı ayarlamasını doğru olarak yapabilir.

Egzoz Emisyon Sistemi (Turbo Benzinli Motor Emisyonları)

Yakıtı yakmak için silindirlere hava emilir fakat emilen havanın sadece %21 (O) oksijendir. Havanın geri kalanı işe yaramayan %78 oranında azot (N) gazından oluşur. Azot, yüksek sıcaklık ve basınç altında Oksijen (O) ile reaksiyona girerek zararlı bir emisyon olan azot oksitleri (NOx) meydana getirir. Euro egzoz normlarıysa bu emisyonların aşağı çekilmesini zorunlu tutar. Turbo benzinli motorların oldukça fakir karışılma çalışması, yani az miktar yakıtı çok fazla hava ile yakması, azot oksitlerin oluşumuna davetiye çıkarır ve bu emsiyonları arttırır.

NOx emisyonlarını azaltmak için fakir karışımla çalışan modern araçlar;

*EGR sistemi

*Azot oksit katalizörü

*SCR (Adblue) gibi egzoz emisyon sistemleriyle donatılmıştır.

Azot oksit dışında, CO (karbon monoksit), HC (hidrokarbon) gibi zararlı emisyonların azaltılması için Katalitik Konvertör kullanılmaktadır.

Benzinli Motorda Turbo Kullanılması  (Direkt Enjeksiyonlu Motorun Turbo Hava Besleme Sistemi)

Turbo şarj, direkt benzin enjeksiyonu sisteminin tamamlayıcısı konumundadır ve bugün yaygın olarak kullanılan direkt enjeksiyonlu motorlar turbolu olarak piyasaya sürülmektedir.  Avrupa pazarının lideri audi-volkswagen’in TSI motoru, Mercedes’in CGI motoru, Renault’un TCe motoru, Ford’un Ecoboost motorları turbo benzinli motorlara örnektir.

Silindire alınan yakıtın tam olarak yanması için gereken oksijen havadan gelir, hava ne kadar çok alınırsa yakıt o kadar iyi yanar, yakıt ne kadar iyi yanarsa motor gücü o kadar artar. (Bkz: Turbo Şarj)

Turbo, içten yanmalı motorlara aynı hacimden neredeyse iki katı güç üretebilme imkanı vermektedir. Atmosferik motorlar, 1 barlık atmosfer basıncıyla ve emme zamanında silindirde oluşan vakumla havayı emer ve çalışırlar. Alabilecek havanın hacmi: silindir hacmi ve yanma odası hacminin toplamı kadardır. Bu teorik hacim, motorun üretimi-tasarımıyla belirlenir ve değişmez. Gerçekteyse, hava akış dirençleri ve emme supaplarının açık kalma sürelerinin çok kısa olması, ısıl etkiler gibi sebeplerle, bu teorik hacim tam olarak doldurulamaz. Yüksek motor devirlerindeyse emme supaplarının açık kalma süreleri iyice kısalacağından volümetrik verim daha da düşer.

Turbo motorlar ise atmosfer basıncına ilave olarak turbo şarjda üretilen basınçlı havanın (2-3 bar) silindirlere doldurulmasıyla çalışırlar.

Motorda turbo şarjın kullanılması volümetrik (hacimsel) verimi arttırır, normalin 2 katı kadar hava silindirlere alınabilir, böylece yakıt ekonomisi iyileşir, motor performansı artar, egzoz emisyonları azalır.

Turbo şarja ilave olarak; değişken yollu emme manifoldu kullanılması, silindir başına iki ayrı emme kanalı kullanılması ve enjeksiyon tipine göre türbülans klapeleriyle açılıp kapanmaları, emme manifoldunun şekli, piston kafasının konikleştirilmesi gibi ilave geliştirmelerle,silindire alınan havanın akış biçimi (türbülanslı akış) iyileştirilmiştir.

Atmosferik motorların düşük devirlerde (ölü devir) düşük tork üretmesi ve  maksimum motor torkunu yüksek devirlerde vermesi, fazla yakıt sarfiyatına neden oluyordu; turbo benzinli motorlar ile düşük motor devirlerinden itibaren (1700-4000 rpm) maksimum torka ulaşılabilmekte, özellikle günlük sürüşlerde en çok kullanılan devir aralığında (1700-3000 rpm) motorun yeterince yüksek tork üretebilmesi, oldukça düşük yakıt tüketimine imkan verirken, performans da iyileşmiştir.
Bölüm: 1 - 2
Ana konu (Bkz: Benzinli Motorlarda Yakıt Enjeksiyon Sistemleri)