Hava-Yakıt Karışımı Oranı Nedir?

Hava-yakıt karışımı oranı, yakıtın yanması için gerekli olan havanın kütle olarak oranını ifade eder. Cinsi farketmeksizin her yakıtın kendine has stokiyometrik (ideal) hava-yakıt karışımı oranı vardır. İdeal yakıt-hava karışımı oranında, yanma sonrası ortamda yanmamış yakıt ve oksijeni kalmaz. Örneğin, bir gram benzinin ideal olarak yanması için gerekli havanın kütlesi 14,7 gramdır. Bu durumda benzinin hava-yakıt karışımı oranı 14,7:1 yani 14,7 olarak verilir. Bazı yakıtların hava yakıt karışımı oranları aşağıdaki gibidir:

Tablo 1: Stokiyometrik Hava-Yakıt Oranları

Fakir Karışım Nedir? Zengin Karışım Nedir?

Hava çoğu azottan oluşan bir karışımdır ve bu karışımın sadece %21’ini oksijen oluşturur. Bu yüzden hava yandığında nitrojen oksit NO, NO₂, N₂O gibi (NO_x gazları) ortaya çıkar. Tablo 1’de gösterilen stokiyometrik oranların üstüne çıkıldıkça hidrokarbon bazlı petrol türevi yakıtlarda(benzin, etanol, LPG vs.), yanma reaksiyonunda yeterli yakıt olmadığı için ortamda azot oksit(NOx gazları) kalır. Bu tür karışımlara fakir karışım denir. Bu oranların altına inildiğinde ise ortamda hidrokarbon yapıdaki yakıtın tam olarak yanması için yeterli oksijen bulunmadığından, yakıtın tamamı yanamaz ve yakıt artıkları(HC, CO vb) oluşur. Bu tür karışımlara ise zengin karışım denir.

Lambda Nedir?

Tablo 1’deki farklı yakıtlar için bahsedilen stokiyometrik oranların basit ismi Lambda'dır ve Yunan sembolü λ ile gösterilmiştir. λ=1'den aşağı düştükçe karışım zenginleşirken, lambda yükseldikçe karışım fakirleşir. Örneğin, benzinli bir motorda lambda=0.8 için hava yakıt oranı 11,8:1 (14,7x0,8=11,78) iken LPG’li bir motorda 12,4:1 (15,5x0,8=12,4) olarak verilir. Hava-yakıt oranını kontrol altında tutmak için yeni nesil motorların egzoz sisteminde bir lambda(oksijen) sensörü bulunur. Aracın kontrol ünitesi(ECU) bu sensörden aldığı sinyale dayanarak motordaki yanmayı kontrol altında tutar.

İdeal Hava-Yakıt Karışımı Neden Her Zaman İstenmez?

Stokiyometrik hava-yakıt karışımı oranları, kimyasal denklemler sonucu kesin olarak bulunmuş ideal oranlardır. Bu tür ideal bir yanmaya da ancak labaratuvar koşullarında yaklaşılabilir, günümüzde yakıt hava karışımının daha iyi karışması ve yanması için birçok sistem geliştirilmiş olsa da bir içten yanmalı motorda bu tarz mükemmel yanmaya ulaşmak imkansızdır. Şekil 1’de görüldüğü gibi bir içten yanmalı motor ideal hava-yakıt karışım oranında çalışırken dahi belli oranda havada birlikte yanmamış gazlar da doğaya salar. Bu yüzden motor kalibrasyoncuları bu ideal oranlardan gerektiğinde belli oranlarda uzaklaşarak araçlara istenilen karakteristiği verirler.

Şekil 1:Hava-yakıt karışımı oranının benzinli motor emisyonlarındaki etkisi

Atmosferik bir motorda yakıt doğru bir şekilde kontrol edilebildiğinden dolayı, sınırlandırıcı faktör havanın miktarıdır. En yüksek güce ulaşmak için, havanın tamamı mümkün olduğunca verimli kullanılmalıdır, böylece karışım daha fazla yakıt eklenerek zenginleştirilecektir. Kalibrasyon konusunda tecrübe çok önemli. Atmosferik benzinli bir motordan maksimum güç alınması için hava yakıt oranı, motorun karakteristiğine bağlı olarak genellikle 12-13:1 arasındayken en iyi yakıt ekonomisi için bu oran 15-16:1’lere kadar çıkabilir.

Şekil 2: Benzinli motorun hava-yakıt oranı değişiminin, güç ve yakıt ekonomisi üzerindeki etkisi

Fazladan gönderilen yakıt, havadaki serbest oksijenin reaksiyon için bir yakıt molekülüne daha yakın olma olasılığını arttırır. Yanma odasındaki fazla yakıt boşa harcanır, ancak tüm havanın efektif kullanılması sağlanır ve motor ısısı düşük tutulabilir. Aynı şekilde, ideal orandan daha az gönderilen yakıt ekonomi için daha iyidir. Ekonominin söz konusu olduğu durumlarda, fazla hava bulundurmak suretiyle enjekte edilen yakıtın nerdeyse tamamı kullanılır. Silindire alınan serbest oksijen boşa harcansa da ekonomik bir ayar için öncelik, yakıt israfından kaçınmaktır.

Şekil 3:Benzinli bir motor için yanma aralığı grafiği

Bu bağlamda herhangi bir içten yanmalı motor için kesin bir doğru oran yoktur. Bir içten yanmalı motor günümüzde tamamen tüketicilerin, yasaların, üreticinin ve kalibrasyoncuların istekleri doğrultusunda şekillenir. Örneğin bir yarış otomobilinden maksimum olası güç istendiğinden dolayı zengin karışımla çalışır. Seri üretim otomobillerde ise durum biraz daha farklıdır. Kalibrasyon mühendisi motoru yasal emisyonlarda tutmakla birlikte üreticinin hedeflediği yakıt ve performans değerlerine ulaştırmakla yükümlüdür. Bu yüzden motor bazı bölgelerde zengin bazılarında ise fakir karışımda çalışması için optimize edilir.

Dizelde de Yakıt Hava Karışımı Önemli Mi?

Dizel gibi sıkıştırmalı ateşlemeli motorlarda hava-yakıt karışımı oranı benzinli gibi kıvılcım ateşlemeli motorlardaki kadar önemlidir ve sıklıkla yanlış anlaşılır. Dizel bir motor ayarlarken veya gücünü arttırmayı düşünürken, egzoz gazı hava-yakıt oranını dikkate almak önemlidir.

Şekil 4:Hava-yakıt karışımı oranının dizel ve benzinli motordaki etkileri

Bir dizel motor benzinlinin aksine çalışmak için mükemmel bir hava-yakıt karışımına ihtiyaç duymaz. Dizelde düşük stokiyometrik hava-yakıt karışımı oranları, siyah dumana ve benzinlinin aksine yanma ısısının artmasına yol açar. Yeterli yakıt (yüksek hava-yakıt karışımı), temiz çalışma ve daha düşük motor sıcaklıkları anlamına gelir. Atmosferik dizel bir motor genellikle 15-14:1'in altında ve turbo dizel 16-15:1'in altına indiğinde, aracınız kara trene dönüşmeye başlar, yakıtı artar, motora ve çevreye zarar vermeye başlar.