Motorlarda Yanma Odaları ve Özellikleri

0
46

Motorlarda Yanma Odalar?

Görevi Piston Ü.Ö.N. de iken üst taraf?nda kalan bo?lu?a yanma odas? denir. Yanma olay? yanma odas?nda gerçekle?ir. Yanma olay?n?n sonucunda yak?ttaki kimyasal enerji önce ?s? enerjisine dönü?türülür. Ortaya ç?kan ?s? enerjisi piston biyel mekanizmas?yla da mekanik enerjiye çevrilir.

Motorlarda genellikle yanma odas? silindirkapaklar?nda bulunur. Baz? motorlarda ise yanma odas?n?n bir k?sm? piston üzerinde mevcuttur. Motorlardaiyi bir kar???m?n olu?mas?nda veiyi bir yanman?n gerçekle?ebilmesinde yanma odalar?büyük bir rol oynar. Yanma odalar? pürüzsüz ve küçük yüzeyli bir hacme sahip olmas? gerekir. Yanma odas?n?n ?ekli genellikle supaplar?n konumuna göre belirlenmektedir.

Temel Yanma Bir mumdaki alev, motorlardaki yanman?n basit halidir ve temel yanma ile ba??nt?l?d?r. Fakat motorlarda bu daha farkl?d?r çünkü gaz de?i?im i?lemleri atmosfer bas?nc?n?n üzerinde gerçekle?ir. Motor içinde gerçekle?en yanma biraz karma??kt?r ama temel prensipler geçerlidir. Benzin, hidrokarbon temelli bir yak?tt?r ve yanma için çok küçük parçalara ayr?lmas? yani bilinen ismiyle atomize edilmesi gerekir. Bu asl?nda atomlar?na ayr??mak demek de?ildir fakat bu ?ekilde adland?r?lmaktad?r. Benzin s?v? haldeyken kendi kendine yanamaz. Benzin atomize edildi?inde laminer bir yanma olu?turur ve bu yanma yakla??k olarak 0.5 m/sn ‘lik bir h?za sahiptir. Bir kar??la?t?rma yapmak gerekirse, asetilen-hava kar???m? 1.58 m/sn ‘lik bir yanma h?z?na sahiptir. Bu yava? yanma h?z?, benzin yak?t olarak kullan?ld???nda içten yanmal? motorlarda ilginç bir soruna yol açar.

Metrik ölçülerin kabul edilip kullan?lmaya ba?land??? zamanda, silindir için 100 mm çap ve yanma için ideal bir bölge verilmi?ti. Benzin bu mesafeyi 100 milisaniyede katediyordu. Problem ?u ki, motor 3000 devirdeyken yanman?n gerçekle?ebilmesi için sadece 10 milisaniyelik bir zaman dilimi kal?yordu. Bu durumda çal??may? sürdürebilmek için farkl? bir kuvvete ihtiyaç oldu?u çok aç?kt?. Çünkü benzin motorlar? büyükölçüde 3000 dev/dk ‘dan daha yüksek h?zlarda çal???yordu. Bu noktada anahtar cümle: yanma h?z?n?n artt?r?lmas?yd?.

Zamanla tespit edildi ki, yanma motor içerisinde piston çap? boyunca 10 ila 25 m/sn aras? h?zlarla hareket ediyordu. Bu h?z daha önce tespit edilmi? h?zdan çok daha yüksek ve bu da benzinin neden motor yak?t? olarak kullan?ld???n?n en aç?k cevab?d?r. Yanma h?z?n? artt?rmak için, mutlaka türbülansl? bir yanma gerçekle?tirmek gerekir. Bu türbülans? sa?layabilmek için, ba?ar?l? bir yanma odas? tasar?m?na ve s?k??t?rma çevrimine ihtiyaç vard?r. Yanma sürecinde, türbülansl? hareketin etkisiyle alev yanma olmayan bo? bölgeye do?ru h?zla ilerler. Difüzyon hareketinin büyükölçüde s?k??t?rma ile alakas? vard?r ve bu dizel motorlar?nda buji ile ate?leme i?lemi olmad???ndan daha iyi gerçekle?ir. ?deal olarak, yak?t çok güzel bir enjektör sistemiyle püskürtülmeli, türbülansl? hava hareketiyle yak?t damlac???ndaki buharla?m?? yak?t ve yanma ürünlerini süpürmeli, bu ?ekilde yanma h?z?n? artt?rmal?d?r.

Gerçek yanma i?lemi ön alevle ba?lar ve pistonla beraber geni?ler, bu çevrim pratikte çok karma??kt?r. Bu noktada kimyan?n bütün inceliklerini kavramaya gerek yoktur fakat termodinamik kanunlar?n?, enerjiyi ve enerji dönü?ümleriniiyi bilmeye ihtiyaç vard?r. Birinci kanun, “enerji tamamen yok edilemez sadece hal de?i?tirebilir” der. Bu motorda basitçe görülür, enerji önce ?s?ya sonra harekete ve daha sonra tekrar ?s?ya dönü?ür. ?kinci kanun çok daha karma??kt?r fakat özetle ?unu biliyoruz ki, enerji sabit bir yönergeyi izler ve asla sapmaz. Örne?in, ?s? mevcut enerjisi ile d??ardan bir kuvvet etkimeden sadece s?caktan so?u?a do?ru hareket eder. Termodinamik kanunlar? ?s? transferinin do?rudan piston kal?b?-kursu ile so?utma sistemi aras?nda oldu?unu ve ?s?l verimin bu kal?p içerisindeki s?k??t?rma oran?yla de?i?ti?ini kabul eder.

Genel ve bilinen motor k?yaslamalar?na göre fazla hava pompalanmas?n?n daha büyük bir güç ç?k??? sa?lad??? tespit edilmi?tir. Bu inkar edilemez bir gerçektir fakat hava kendi ba??na bunu ba?aramaz ve mutlaka verimli bir yanma olay?n?n gerçekle?mesi gerekir. Bu sebeple motordaki yanma odas?n?n etkilerini incelememiz gerekir. Yanma Odas? Christian Huygen, 1673 y?l?nda ilk motoru icat etmi?tir. O bunu sadece suyu ya?ad??? yerdeki Seine ?ram??dan bahçelere ta??yabilmek için geli?tirmi?tir. ?lk zamanlarda yanma odas? silindir için basit bir kapak düzene?inden farkl? de?ildi. Yanma odalar? dizayn?ndaki as?l at?l?m, sübapl? motorlar?n silindir kafas?nda olu?an türbülans? ke?feden Ricardo sayesinde gerçekle?mi?tir. 1900?lü y?llar?n ba??nda s?k??t?rma oranlar? 6 seviyelerindeydi. O zamanlar yak?t?n oktan de?erleri 60-70 aras?nda de?i?mekteydi. Sonraki 10 y?l içerisinde yanma odas? bir motor karakteristi?i olarak kabul edildi. En büyük at?l?m 1951 y?l?nda Chrysler firmas?n?n yar?-küresel yanma odas? kulland??? V8 motorunu tan?tmas?yla ya?and?. Günümüzde daha iyi yanma ve güç art??? üzerine çal??malar belirli bir çizgide ve ufak at?l?mlarla devam etmektedir.

Yanma odas? dizayn? geli?imi için birkaç ölçüt vard?r. Ön alevin yanma odas?n? katetmesi için gereken mesafe azalt?larak optimum ?ekilde ayarlanmal?d?r. Bu ayarlama buji elektrodu ile benzin kar???m? aras?ndaki mesafenin azalt?lmas?yla gerçekle?tirilebilir. Bu sayede daha yüksek potansiyele sahip motor h?zlar? ve daha fazla güç üreten tasar?mlar yap?labilmesini mümkündür. Anormal yanma yani daha iyi bilinen ismiyle patlamal? yanma, yanmaya ilave olan ön alevin ba?lamas?n? geciktirdi?i için yava? yanmaya neden olur.

Her buji piston üzerinde orta pozisyonda ve egsoz subab?na yak?n yerde konumland?r?lmal?d?r. Çünkü bu bölgelerde en türbülansl? ve s?cak noktalar olu?maktad?r. Buna ek olarak egsoz subab?, içeri giren taze havan?n ?s? transferini limitlemesi aç?s?ndan mümkün oldu?unca emme subab?ndan uzak olmal?d?r.

Burada yanman?n h?zland?r?lmas? ve iyile?tirilebilmesi için, yeterli derecede türbülansa ihtiyaç vard?r. Fakat türbülans?n çok fazla olmas? da, ?s?n?n yanma odas?ndan ç?kmas?na ve gürültülü yanmaya neden olaca??ndan bu dengeli yap?lmal?d?r. Buradaki türbülans miktar?, d??ar?dan ilave bir giri? portu veya içten bir s?k??t?rma yast???-plakas? kullan?larak ayarlanabilir. Silindir kafas?n?n üst k?sm? ile piston kafas? aras?ndaki mesafe ölü hacim veya s?k??t?rma hacmi olarak adland?r?l?r.

Eksantrik dizayn? ve subap say?s? yanma odas?nda subap yerle?imi ve aç?k kalma sürelerine ba?l? olarak birtak?m etkilere neden olurlar. Termodinamik kanunlar? ile sunulan ideal bir motor, ?s?l verim için yüksek s?k??t?rma oran?na, h?zl? yanma gerçekle?en bir oda tasar?m?na ve ani gaz tepkisine sahiptir. Bunlar, motorun oktan say?s?na tolerans?n? ve Nitrojenoksit emisyonlar? üretiminin limitlendirilmesi özelli?ini artt?rabilmek için zorunludur. Bu zehirli art?k gaz?n olu?umu için gerekli üç ?ey vard?r; ?s?, bas?nç ve maruz kalma süresi.  Yüksek s?k??t?rma oranlar?, silindir bas?nc?n? artt?rarak ve daha küçük bir bölgeye daha fazla ?s? enerjisi yükleyerek, Nitrojenoksit üretimini artt?r?r. Bu fenomen yüksek yanma h?z?yla yani üçüncü elementin(maruz kalma süresinin) dezavantaj?n? yokederek engellenebilir. Bu sayede emisyonlar büyük ölçüde azalt?lm?? olur.

Di?er faktörler bujinin yerle?tirildi?i bölgede yap?lan birtak?m de?i?iklere ve kullan?lan materyallere dayan?r. Daha önce de belirtti?imiz üzere, alevin silindir kafas?n?n tam orta bölgesinde ba?lamas? daha yüksek bas?nçla çok daha h?zl? bir yanma gerçekle?mesini mümkün k?lar. Güç üretiminde emisyonlar? ve oktan toleranslar?n? göz önünde bulundurdu?umuzda, silindir içi bas?nc?n?n mümkün oldu?unca çabuk artmas? gerekti?i anla??l?r. Bu sayede de pistonun i? zaman?nda daha h?zl? geni?leyip, daha fazla kurs hacmi boyunca güç üretimi yap?lmas? sa?lan?r.

Birçok performans tipi silindir kafas? alüminyumdan üretilir çünkü hafiftir, kolay i?lenir ve port aç?labilir bunun yan?nda ?s? da??t?m?n? daha iyi gerçekle?tirir ve yüksek s?k??t?rma oranlar?n? mümkün k?lar. Ama mükemmel bir ?s?l verimde ve bütün ?artlar ayn? dü?ünüldü?ünde dökme çelikte güç üretimi daha kolayd?r. Çelikten alüminyuma dönü?üm yap?l?rken ayn? ?s?l verimi elde edebilmek için s?k??t?rma oran?n? bir kademe artt?rmak gereklidir. Bunun nedeni ise, çeli?in ?s?y? bünyesinde daha fazla saklamas? ve geni?leme zaman?nda bunun kullan?lmas?d?r. Bu dönü?üm yaparken dikkat edilmesi gereken önemli bir noktad?r.

Hidrokarbon emisyonlar? yanma odas?ndaki kar???m?n d?? katman?nda bulunur ve kar???m yanma odas? duvarlar?nda büyük nümerik oranlarda so?umaya u?rarlar. Alev yanma odas? duvar?na yakla??rken sönümlenir ve arkas?nda hidrokarbonlu bir katman b?rak?r. Yar?-küresel yanma odas? en iyi hacimsel oran? sunar.

Yanma Odas? Çe?itleri ve Yap?sal Özellikleri ?deal yanman?n gerçekle?tirilebilmesi için motorlarda en çok kullan?lan yanma odalar? a?a??dad?r; – Çat? tipi yanma odas? – Yar? küresel tip yanma odas? – Kama tip yanma odas? – Küvet tip yanma odas? kullan?lmaktad?r.

Çat? Tip Yanma Odas? Bu tip yanma odalar? her silindirde dört supap bulunan motorlarda kullan?lmaktad?r. Bu yanma odalar?nda buji yanma odas?n?n tam ortas?nda yer almaktad?r. Bu durum etkin ve h?zl? bir yanman?n gerçekle?mesini sa?lamaktad?r. Ancak supap mekanizmas? nedeniyle silindir kapa?? büyük boyutludur. Bu tip yanma odalar? bir binan?n çat? aras?na benzemesi nedeniyle çat? tip yanma odalar? denilmektedir. Çat? tip yanma odalar? yar?-küresel tipine benzer oldu?undan birbirlerine yak?n özellikler gösterirler. A?a??da Hemi(yar?-küresel) yanma odas?n?n özellikleri verilmektedir.

Yar?–Küresel Tip Yanma Odas? Bu tip yanma odalar? ayn? hacimdeki di?er yanma odalar? ile kar??la?t?r?ld???nda en küçük yüzey alan?na, en az ?s? kayb?na ve en fazla ?s?l (termal) verimlili?e sahip yanma odalar?d?r. Bu odalar verimlilik kazanc? ad?na di?er unsurlardan en az miktarda ödün verilecek ?ekilde dizayn edilmi?tir. Subaplar, orjinal Chrysler Hemi’de yanma odas? çevresinde 58.5 derecelik aç?yla ve tam olarak krankmilinin merkez hatt?na denk gelecek ?ekilde yerle?tirilmi?tir. Bu pozisyon, subaplar aç?ld???nda içeriye büyük miktarda hava ak??? sa?lar. Ayn? zamanda kar???m?n daha efektif bir ?ekilde çapraz ak?? hareketi yapabilmesini ve taze kar???m?n egsoz subab?ndaki ?s? transferinin limitlenebilmesini mümkün k?lar. Daha önceden hat?rlayaca??m?z üzere bu tasar?m en iyi yüzey/hacim oran?n? ve so?utma sisteminden ?s? çekilimini limitlemek için zorunlu olan en k?sa egsoz subap aç?lma zamanlamas?n? sa?lar. Bu yanma odas?nda bujinin ortada bulunmas?, harika bir oktan tolerans?n? beraberinde getirir. Subaplardaki küçük s?k??t?rma plakalar?, art?k gaz?n buji üzerinden at?lmas?n? ve yanman?n daha h?zl? gerçekle?mesini sa?lar. Di?er bir avantaj? da, emme ve egsoz subaplar? aras?ndaki mesafeden dolay? ?s? transferinin mümkün olan en az ?ekilde yap?labilmesidir.

Kama Tip Yanma Odas? Kama tip yanma odalar?nda silindir kapa??nda kama ?eklinde bir hazne bulunmaktad?r. Bu tip yanma odalar?n?n yap?s? da basit oldu?u için silindir kapa?? daha küçüktür. Y?llar boyunca en çok kullan?lm?? yanma odas? türüdür. Küvet tip yanma odas?na benzer. Emme subaplar? odan?n e?imli ?eklinde dizayn edilmi? çat? k?sm?na yerle?tirilmi?tir. Subaplar?n genel olarak konumu yine e?imlidir. Buji odan?n kal?n k?sm?na subaplar?n tam ortas?na yerle?tirilmi?tir. Odan?n sivri-dik kenar?n?n görevi, yak?t+hava kar???m?n?n yönünü de?i?tirmek ve bu kar???ma silindir ekseninde ve a?a??ya do?ru spiral bir yol izletmektir. S?k??t?rma kursu boyunca kar???m ölü hacim içerisinde dar k?sma do?ru s?k???p inceden kal?na do?ru geni?leyen oda duvarlar?nda sert ?ekilde itilmeye maruz kal?r. Bu da güç olu?umuna olumlu katk? sa?layarak hareketin daha kolay gerçekle?mesine olanak verir.

Küvet Tip Yanma Odas? Yanma odas?n?n yap?s? basit oldu?u için silindir kapa?? ve supap mekanizmas?n?n yap?s?, di?er yanma odalar?n?n kullan?ld??? silindir kapaklar?na göre daha küçük ve basittir. Ancak bu tip yanma odalar? büyük çapl? supaplara uygun de?ildir. Bu tasar?m kama tip veya yar?-küresel tip yanma odalar?na pek benzememektedir. Üretici firmalar?n kulland??? de?i?ik formlarda çe?itleri vard?r. Baz? dizaynlarda yanma odas? neredeyse oval ?ekildedir, yeni ve daha verimli olan? ise kalp-?ekli olarak adland?r?lan tasar?md?r. Burada silindir kafas?n?n tepesi ile örtü?en piston kafas? söz konusudur ve bu odan?n iki s?k??t?rma alan?na ayr?lmas?na neden olur. Bu alanlar?n boyutlar? birbirinden farkl?d?r. Büyük olan tarafta buji ve emme subab? bulunur. As?l s?k??t?r?rman?n oldu?u bölgenin kar?? taraf? konik bir ?ekildedir yani kama tipinde oldu?u gibi dik bir duvar söz konusu de?ildir. Bujinin konumu egsoz subab?na ve orta k?sma do?ru mümkün oldu?unca yak?nd?r. Subaplar aras?ndaki az mesafe ise, hacimsel verimi ve oktan tolerans?n? s?n?rlamaktad?r.

Bu tasar?mlar?n hepsini dü?ündü?ümüzde birtak?m avantaj ve dezavantajlar?n oldu?unu görüyoruz. Mühendisler y?llar boyunca en ideal tasar?m? bulmak için çal??m??lar ve çal??maya devam etmektedir. En kötü yanma odas?nda dahi, duvarlarda ve yüzeylerde yap?lan bir tak?m yumuatmalarla s?k??t?rmay? art?rmak, yanma h?z?n? yükseltmek gibi özellikler kazand?r?labilir veya bujinin konumu de?i?tirerek ve piston kafas?nda ufak de?i?iklikler yaparak yanma iyile?tirilebilir. Günümüzde bu ufak tasar?m hilelerinin etkisi oldukça azalt?lm??t?r ve art?k çok daha iyi yanma odalar?n?n standart olarak tasarland??? unutulmamal?d?r.

En Çok Kullan?lan Piston Ba?lar?