Günümüzde taşıtların tahrikinde kullanılmakta olan benzin ve diesel motorları yüz yılı aşan bir geçmişe sahiptir. Bu süreç içerisinde benzin motorlarının sağladığı yüksek performans özelliklerini, diesel motorlarının özellikle kısmi yüklerdeki yüksek verim özellikleri ile bir araya getirebilecek bir motor tasarımının gerçekleştirilmesi motor üreticilerinin üzerinde durduğu bir konu olmuştur. Taşıtların yakıt tüketiminin azaltılması ve çevre kirliliğine neden olan yanma ürünlerinin kontrol altına alınabilmesi konusundaki güncel çabalar, motor teknolojisinde yenilik arayışlarını son dönemde daha da hızlandırmıştır. Alışılagelmiş benzin motorlarındaki yakıtın emme kanalına püskürtülmesi uygulaması yerine, benzinin emme zamanında veya sıkıştırma zamanında direkt olarak silindir içerisine püskürtülmesi şeklindeki uygulama direkt püskürtmeli (DP) benzin motorlarının temel yapısını oluşturmaktadır. Kademeli dolgulu bu motorlar, diesel motoru çalışma prensibine benzer şekilde, motorun yük durumuna göre hava-yakıt karışım oranını ayarlamaktadır. Dolayısı ile kısmi yüklerde aşırı fakir karışım oranlarında (hava fazlalık katsayısı, l > 1) çalışılmakta, tam yükte ise oldukça homojen dağılıma sahip stokiyometrik karışım hazırlanmaktadır ( l = 1). Bu uygulamada, özgül yakıt tüketiminde %25 düzeyine varan azalma sağlamak mümkün olmaktadır (Zhao ve diğ., 1999). Ayrıca motorda ilk hareket kolaylığı, motorun hızlı cevap verme yeteneğinin sağlanması, düşük CO 2 emisyonları, vuruntu direncinin artması, yüksek volümetrik verim gibi üstünlükler sağlanmaktadır. Ancak yanma olayının ve püskürtme zamanının gereken hassasiyette kontrolu, gelişmiş kontrol sistemleri ve hassas püskürtme donanımı ile gerçekleştirilebilmektedir. Kısmi yüklerde yanmamış hidrokarbon (HC) emsiyonlarındaki artış ve genelde azot oksit (NO x) emisyonlarının yüksek oluşu direkt püskürtmeli benzin motorlarının geliştirilmeye açık olan sorunları arasında yer almaktadır. Ayrıca bu motorların üç-yollu katalitik reaktör sistemlerinin uygulanmasında düşük dönüştürme verimi sorunu ve motor aşınma sorunları bulunmaktadır.

2. DİREKT PÜSKÜRTMELİ BENZİN MOTORLARININ TARİHÇESİ

Karbüratörlü motorların yarattığı zorlukları gidermek amacıyla, benzinin direkt olarak silindire püskürtülmesi şeklindeki uygulamalar 1930'lu yıllarda uçak motorlarında kullanılmaya başlanmıştır. Daimler-Benz tarafından 1934 - 1945 yılları arasında direkt püskürtme yönteminin uygulandığı, sayısı 70,000 civarına ulaşan uçak motoru üretilmiştir. Aynı dönemde otomobil motorlarında da bu yaklaşımın kullanılmış olduğu görülmektedir. Ancak karmaşık püskürtme sistemlerine gerek duyulması, silindir aşınması vb sorunlar o dönemde yakıtın emme manifolduna püskürtülmesine ilişkin çalışmaların yoğunlaşmasına neden olmuştur.

İki ve dört-zamanlı bezin motorlarında direkt püskürtme uygulaması 1950 - 1960 yılları arasında da devam etmiştir. Bu dönemde spor otomobillerde ve yarış otomobillerinde dört-zamanlı motorlara DP uygulamasının başarılı örnekleri bulunmaktadır.

Enerji krizinin 1973 yılında gündeme gelmesi ile, içten yanmalı motorlarda yakıt ekonomisi düşüncesi de tekrar önem kazanmıştır. Bu dönemde ayrıca A.B.D.'de egzoz gazları emisyonunun kontrolu konusundaki uygulamaların gündeme gelmesi ile, benzin motorlarının diesel motorlarına benzer şekilde, kısmi yüklerde fakir karışımla çalıştırılması düşüncesi altında "kademeli dolgulu motorlar" geliştirilmiştir. Diesel motorlarından esinlenerek geliştirilen ön yanma odalı benzin motorlarında emme havasının ataletinden yaralanılarak oluşturulan çevri hareketlerinin de karışımın oluşturulmasına katkıda bulunması sağlanmıştır. Ancak bu uygulamalarda, pompalama kayıplarının ve ısıl kayıpların mertebesi amaçlanan yakıt ekonomisinin gerçekleştirilmesini engellemiştir.

Motor elemanlarının elektronik donanımlarla kontrolunda günümüz teknolojisinde ulaşılan nokta 1980'lerde mevcut olan kısıtlamaların ve engellerin aşılmasını mümkün kılmış ve yüksek teknolojiye sahip püskürtme sistemlerinin de kullanımı ile 1990'lı yıllarda DP benzin motorlarının seri üretimi mümkün olmuştur.

3. BENZİN PÜSKÜRTME SİSTEMLERİ

Püskürtme sisteminin özellikleri, diesel motorlarında olduğu gibi karışım kalitesi ve dolayısı ile motor performansı açısından direkt püskürtmeli benzin motorlarında da önem taşımaktadır. Standard benzin püskürtme sistemlerinde, emme manifolduna yapılan püskürtme işleminde 0.20 - 0.45 MPa mertebelerinde püskürtme basıncı uygulanırken, silindir içine yapılan püskürtmede basınç 5 - 15 MPa değerlerine ulaşmaktadır. Bazı uygulamalarda ise 45 MPa mertebesinde püskürtme basıncı (Schapertöns ve diğ. ,1991) kullanılmıştır. Ancak bu değerler günümüz diesel motorlarına oranla çok düşük kalmaktadır.

Şekil 1. Emme zamanında püskürtme

Şekil 2. Sıkıştırma zamanında püskürtme

Şekil 3. İki-kademeli püskürtme. Şekil 3/2 Benzinin direkt olarak silindir içerisine püskürtülmesi

Enjektör yapısı ve açılma basıncına ilişkin araştırmalar ise, açılma basıncının artışı ile HC emisyonlarında hızlı bir düşüş sağlandığını, ancak aynı zamanda NO x emisyonlarında az bir artış gerçekleştiğini göstermiştir. Bu nedenle çevri hareketine sahip, içi boş konik yakıt demetleri oluşturulmakta ve emisyonlar açısından optimum açılma basıncı değerinde (yaklaşık 12 MPa) püskürtme yapılmaktadır.

DP benzin motorlarında, motorun yük durumuna göre hava-yakıt karışım oranı ayarlanabilmektedir. Böylece tam yükte stokiyometrik karışım oranı sağlanırken, kısmi yüklerde l = 3 mertebelerine kadar karışımın fakirleştirilmesi mümkün olmaktadır. Bu fakir karışımın tutuşturulabilmesi, buji civarında tutuşabilen karışım oranlarının sağlandığı kademeli dolgulu sistemlerle gerçekleştirilebilmektedir. Bujiden uzak konumlarda ise aşırı fakir karışımın bulunması vuruntu olasılığını azalttığı için, sıkıştırma oranını 12:1 - 15:1 mertebelerine kadar arttırarak ısıl verimi de arttırma olanağı ayrıca mevcuttur.

Tam yükte motorun stokiyometrik karışım oranlarında çalışıyor olması ise, bu çalışma koşullarında vuruntu meyilini arttıracaktır. Bu nedenle günümüzdeki uygulamalarda sıkıştırma oranı 12:1 mertebesinde tutulmaktadır. Ayrıca değişken sıkıştırma oranlı benzin motorlarının tasarımı, kısmi yüklerde yüksek sıkıştırma oranlarına izin vereceğinden, verimde ek artış sağlayacaktır.

Püskürtme sistemi, tam yükte stokiyometrik karışım oranında, homojen yakıt-hava karışımı sağlanabilecek şekilde emme zamanında silindir içine püskürtme yapabilmeli, kısmi yüklerde ise sıkıştırma zamanı başlangıcındaki püskürtme işlemi ile oldukça fakir karışım oranları sağlayabilmelidir. Bu nedenle hem püskürtme zamanlamasının yük durumuna göre gerçekleştirilmesi gerekmektedir, hem de hava fazlalık katsayısının ve karışımın yapısının ayarlanması gerekmektedir. Bu talepler ise ancak elektronik donanımlarla kontrol edilen sistemlerle karşılanabilmektedir.

Püskürtme işleminin iki kademeli olarak emme ve sıkıştırma zamanlarında selonoid kontrollu enjektörlerle yapılması ve "common-rail" sisteminin benzin motorlarına uygulanması da mümkündür. İki kademeli püskürtme sistemleri, vuruntu kontrolu dışında kısmi yükten tam yüke geçişte sürüş kolaylığı sağlamaktadır.

4. MOTOR PERFORMANSI

DP benzin motorlarında, tüketilen yakıt miktarı değişmeden ortalama efektif basınçtaki artış sonucu, motor performansı iyileşmekte, motorun özgül yakıt tüketimi azalmaktadır. Hava/Yakıt karışım oranı stokiyometrik değerden, 40:1 mertebesine ulaştığında yakıt ekonomisindeki iyileşme de %25 düzeyine ulaşmaktadır (Kume ve diğ., 1996). Ayrıca vuruntu meyilinin azalması sıkıştırma oranının arttırılmasına izin vermektedir. Tam yük durumunda yakıtın emme zamanında silindir içerisine püskürtülmesi, yakıtın erken buharlaşmasını sağlayarak soğutma etkisi yaratmakta ve vuruntu meyili buna bağlı olarak azalmaktadır.

Fakir karışımlı motorlarda genelde ilk tutuşma zorlaşmakta ve yanma kararlılığı azalmakta, çevrimden-çevrime farklılıklar artarak motor performansını olumsuz etkilemektedir. Ortalama indike basınç değerinin standard sapmasının, ortalama değerine oranı olarak tanımlanan basınç değişim katsayısı pratikte %10 düzeyini aştığında taşıtın sürüş yeteneği de olumsuz olarak etkilenmektedir. Bu nedenle fakir karışımlı yanmada genelde bazı önlemlerin alınması gereklidir. Benzinin direkt olarak silindir içerisine püskürtülmesi ve kademeli dolgu elde edilmesi kararlı yanma ortamı sağlamaktadır (Buhr ve diğ, 1996). Emme manifoldu tasarımına bağlı olarak, silindir içerisinde yaratılan gaz hareketleri de yanma kararlılığına ayrıca olumlu katkıda bulunmaktadır.

Motorun tam yük civarında çalışması durumunda, istenilen yüksek performans stokiyometrik karışım oranında sağlanabilecektir. Kademeli dolgu uygulandığında, zengin karışım bölgesinde is oluşacaktır. Bu nedenle, özellikle fakir karışım oranlarından stokiyometrik karışımla çalışma bölgesine gelindiğinde karışımın tam homojen olması önem taşımaktadır.

Kademeli dolgulu yanmada, zengin karışım bölgeleri yerel olarak yüksek sıcaklıkların elde edilmesini sağlayacak ve azot oksit emisyonları da artacaktır. Yüksek oranlarda (%40 - 50) egzoz gazı resirkülasyonu (EGR) uygulanması sonucu NO x emisyonunda azalma sağlanabilmektedir. Ancak DP benzin motorlarının günümüz teknolojisindeki sorunu NO x emisyonları olarak görülmektedir.

5. SONUÇLAR

DP benzin motorları giderek yaygınlaşan kullanım olanağına sahip olma eğilimindedir. Bu olanak mevcut emisyon standardlarının sağlanması yolundaki çalışmalar sonuçlandığında daha da hız kazanacaktır. Mevcut durumu ile sağladığı yakıt ekonomisi yanında, özellikle fakir karışımlı yanmada kullanılacak NO x katalizörlerinin geliştirlmesi ile ikinci nesil DP benzin motorlarının uygulanması söz konusu olacaktır. Bu konudaki araştırmalar otomobil üreticisi kuruluşlar ve araştırma kuruluşları tarafından hızla sürdürülmektedir.