|
Kar-Pej Otomotivden Püf Noktalar
Common Rail
DİZEL MOTORLARI YAKIT ENJEKSİYON SİSTEMLERİNDEKİ GELİŞMELER
YAKIT ENJEKSİYON SİSTEMLERİNDEKİ GELİŞMELER
Common rail, direk
enjeksiyonlu dizel motorlara kolay adaptasyonu ve yüksek verimleri nedeniyle
yüksek oranda dizel araçlarda kullanılmaya başlamıştır. Aynı zamanda common
rail, enjeksiyon basıncının yüksek olması ve kontrol mekanizmasının esnekliği
ile de dikkatleri üzerine çekmiştir. Dizel elektronik sistemlerinde kullanılan
solenoid valftaki gelişmeler, enjeksiyon zamanlamasının daha hassas olmasını
sağlamış ve böylece yanma verimi artmıştır. Common rail sisteminin oluşumu
solenoid enjektör teknolojisi ile gerçekleşmiştir.
Common rail enjeksiyon sisteminde enjeksiyon basıncı, motor hızı ve enjekte
edilecek yakıt miktarı birbirinden bağımsız olarak çalışır. Püskürtmeye hazır
durumdaki yakıt, basınç altında rail'de depo edilir. Motorun hız ve yük şartları
sürücü tarafından tanımlanırken, enjeksiyon başlangıcı ve enjeksiyon süresi ECU
tarafından hesaplanarak solenoid tetiklenir.
Günümüzde solenoid kontrollü
common rail yakıt enjeksiyon sisteminin yerini piezo tetikleyici common rail
sistemi almaya başlamıştır. Piezo kristalinin karşılıklı iki yüzüne mekanik
basınç veya titreşim uygulandığı zaman, diğer iki yüzeyi arasında bir
elektriksel gerilim farkı elde edilir. Elektrik kristale iletildiği zaman
kristal kafesi birkaç mili saniye içerisinde genişler. Malzeme deşarj olduğu
zaman orijinal boyutlarına geri döner. Bu özellik piezo etki olarak bilinir. Bu
özelliği ile basınç ve titreşim gibi mekanik büyüklüklerin ölçümünde
kullanılmaktadır. Piezo-elektrik tetikleyiciler, kristallerin bu davranışını
kullanan anahtar elemanlardır.
Enjektör üreticileri piezo elektriğin bu
karakteristiklerini kullanarak enjeksiyon valflerindeki yakıt akışı kontrol
edilebilmektedir. Piezo common rail sistemi ile yanma çevrimi boyunca yakıtı
birkaç kademede püskürtülebilmektedir.
Birim enjeksiyon sistemleri fikri
dizel motorları kadar eski bir fikirdir. Bu fikir ilk olarak Rudolf Diesel
tarafından ortaya konmuştur. Birim enjeksiyon sistemi malzeme mühendisliği,
tasarım mühendisliği, elektronik mühendisliği ve akışkanlar mekaniği gibi bilim
dallarının gelişimi ile daha fazla uygulanabilirlik alanı bulmuştur. Çünkü birim
enjeksiyon sistemi komple bir sistemdir. Mekaniksel titreşimler ve akış ayarları
zorluğu bu sisteme yıllarca olumsuz gözüyle bakılmasına yol açmıştır. Günümüzde
unit enjeksiyon sistemi 2050 bar'lık basıncı ile daha kullanılır hale
gelmiştir.
Günümüz enjeksiyon teknolojisi, yanma gürültüsü ve egzoz
emisyonlarını azaltmak, bunun yanında motor performansını artırmak için kademeli
enjeksiyon sistemlerini geliştirmiştir.
Dizel motorlarındaki yüksek basınç,
silindirler içerisinde sıcaklığın hızlı bir şekilde artmasına ve buna bağlı
olarak NOX emisyonlarının artmasına neden olur. Bu durumu ortadan kaldırmak için
pilot enjeksiyon yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde, silindire önce az
miktarda (~0,5-1,5 mm3) yakıt püskürtülür ve püskürtülen bu yakıt hemen yanarak
yanma odasının ısınmasını sağlamaktadır. Böylece esas yanmaya yönelik ideal
şartlar oluşturulmuş olmaktadır.
Gelişmekte olan pilot enjeksiyon
teknolojisi, düşük yük bölgelerindeki hidrokarbon emisyonlarını, NOX
emisyonlarını ve yanmadan kaynaklanan gürültü kirliliğini azaltmaktadır. Yanma
gürültüsü ve emisyon oranlarının kendiliğinden azalması, pilot yanmış gazların
etkisinin azalması, pilot enjeksiyon zamanının daha ileriye alınması ve pilot
yakıtın minimize edilmesi ile mümkün olmaktadır. Bununla birlikte, pilot yakıtın
çok küçültülmesi ve enjeksiyon zamanının çok ileriye alınması pilot yanmayı
bozacağından, miktar ve zamanın belirli bir değer aralığında sınırlandırılması
gerekmektedir.
NOX ve partikül emisyonlarını azaltmak için ana enjeksiyon
periyodunda torba profilli basınç eğrisi kullanılmaktadır. EGR portunun açık
olduğu süre zarfında partikül emisyonlarını azaltmak için ana enjeksiyon
periyodunda maksimum basınç kullanılmaktadır. Yüksek basınç altında çift post
enjeksiyon Partikül (is) emisyonlarını azaltmak için uygulanmaktadır. Motorun
bazı çalışma şartlarında egzoz gaz sıcaklığı çok düşük olduğundan partikül
filtresinin ve katalizörün çalışma sıcaklığına getirilmesi mümkün değildir.
Motorun tüm çalışma şartlarında katalizör ve partikül filtresinin çalışma
sıcaklığına getirilmesi ikinci post enjeksiyon işlemi ile gerçekleşmektedir.
Böylece katalizör ve partikül filtresi sürekli çalışma sıcaklığında tutulmuş
olur. Yağlama yağının seyrelmesini önlemek için ikinci post enjeksiyonun düşük
basınçlarda gerçekleşmesi tercih edilir.
YAKIT ENJEKSİYON SİSTEMİ ÜRETİCİLERİNDEKİ GELİŞMELER
Dizel motor
endüstrisinin genelinde common rail enjeksiyon sisteminin avantajları kabul
görmüştür. Birim enjektörün yüksek basınç üretimi ve tork karakteristikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen, sadece birkaç araç üreticisi dışında Volkswagen
Grup birim enjektör sistemini kullanmaktadır. Bosch Firması Volkswagen Lupo TDI
ve Audi A2 TDI araçları için birim enjeksiyon sistemi üretmektedir. Her iki
araçta PM emisyonlarındaki sınırlama ile dikkati çeken Euro 4 emisyon
standartlarının yarısını yakalamıştır. İlk olarak 1997 yılında, bazı binek tipi
dizel araçları için firma common rail üretmeye başlamıştır. Bu firmanın ilk
common rail sistemi 135 MPa basınca sahip iken ikinci kuşak üretiminde sistem
basıncını 160 MPa'a çıkarmıştır.
Şu an 180 MPa basınca doğru gitmektedir. Bu
firmanın birim enjeksiyon sistemi, yakıtı 200 MPa'nın üzerinde bir basınçla
yanma odasına püskürtmektedir. Sistemin solenoid valfi, motorun çalışma
şartlarına göre gerekli yakıt oranını ayarlamaktadır. Bu firma 2000 yılında
toplam 3,6 milyon common rail ve birim enjeksiyon sistemi üretirken, 2001
yılında bu rakam toplam 5,3 milyon olmuştur.
Firma ilk olarak 1997 yılında
binek tipi dizel araçlar için common rail üretmeye başlar iken bir başka firma
1995 yılında ağır dizel araçlar için common rail üretmiştir. Avrupa'da
kullanılan birçok ağır dizel araçta bu firmanın common rail yakıt enjeksiyon
sistemi kullanılmaktadır. Günümüzde bu firmanın common rail sistemi yanmayı daha
iyi kontrol edebilmek ve emisyon oranlarını iyileştirmek için beş kademeli
püskürtme yapmaktadır. Bu sistemde, hava yakıt karışımını daha homojen hale
getirmek ve ana enjeksiyon fazındaki tutuşma gecikmesini kısaltmak için iki
pilot enjeksiyon kullanılır. İki kademeli pilot enjeksiyon NOX emisyonlarını,
gürültüyü ve titreşimi azaltır. Daha sonraki post enjeksiyon fazı egzoz gaz
sıcaklıklarını belirleyerek katalik egzoz sisteminin veriminin artmasına
yardımcı olur. Firma yetkilileri, bu üretimleriyle partikül filtresiz Euro 4
emisyon standartlarını rahatça yakaladıklarını açıklamışlardır. Firmanın sistemi
yanma sonrası emisyon kontrolü için partikül filtresi, NOX emisyonunu
kontrol etmek için egzoz basıncını ve sıcaklığını belirleyen sensörler
kullanır.Sistemin partikül filtresi, mikro delikli ve gözenekli seramik
malzemeden yapıldığından egzoz gazındaki partikül emisyonlarını
toplamaktadır.
Bu firma, 135 MPa enjeksiyon basınçlı common rail sistemini
geliştirerek, 2002 yılında Avrupa'da 180 MPa basınca sahip common rail sistemi
üretmeye başlamıştır. Şekil 6'da bir yakıt enjeksiyon üreticisi firmanın
üretimini yaptığı 180 MPa'lık common rail sistemi gösterilmektedir. Firma
yetkilileri 2005 yılında 180 MPa'lık common rail sistemleri için piezo
enjektörler üretmeyi planlamaktadır. Aynı zamanda firma, sistemdeki ana
enjeksiyon süresinin başlangıcı ile pilot enjeksiyon süresinin bitimi arasındaki
4 ms'lik süreyi 1 ms'ye düşürmeyi hedeflemektedir. Bu durumdaki en büyük etken
piezo kontrollü enjektörlerdir.
Diğer taraftan bir başka yakıt enjeksiyon
sistemi üreticisi firma piezo enjektörlü common rail siteminin üretimine
başlamıştır. Firma yetkilileri yaptıkları açıklamalarda piezo kontrollü common
rail enjeksiyon sistemini 2004 seri dizel araçlarda kullanmaya başladıklarını ve
piezo kristal donanımlı common rail sisteminin, solenoid enjektörlü sistemden
çok daha hızlı olduğunu belirtmişlerdir.
Bu firmanın ilk common rail
sisteminde enjektör yakıt hacminin tamamı pilot enjeksiyon ile ana enjeksiyon
arasında dağıtılmaktaydı. Firma yeni piezo common rail sistemi ile yanma çevrimi
boyunca yakıtı birkaç kademede püskürtme yapmayı hedeflemektedir.
Bu
teknoloji, yakıtı çok küçük miktarlarda püskürten iki ayrı pilot enjeksiyon, bu
enjeksiyonları takip eden ana enjeksiyon ve daha sonra yine çok küçük
miktarlarda yakıt püskürten iki ayrı post enjeksiyondan oluşur. Daha öncede
belirtildiği gibi sistemindeki pilot enjeksiyon, yanma sırasında oluşan
basıncın, silindirde düzgün dağılımına yardımcı olarak ses emisyonlarının
azalmasını sağlar. Sistemdeki post enjeksiyon ise HC ve PM emisyonlarının
azalmasına yardımcı olur. Sisteminin enjektör delik çapı 0,12mm, toleransı 0,003
mm'den daha küçüktür. Hacim kontrollü yüksek basınç pompası yaklaşık %95 verime
sahiptir. Sistemin elektronik kontrol ünitesi 16 bit olup araca monte
edilmiştir. Gelecek üretimlerde ECU'nun 32 bit olması hedeflenmektedir. ECU -40
ile +85 oC arasında çalışmakta, bu aralık 105oC'ye
genişletilebilmektedir.
SONUÇ VE DEĞERLENDİRME
Dizel araçlardan
kaynaklanan yanma gürültüsü ve egzoz emisyonlarını azaltmak, bunun yanında motor
performansını iyileştirmek, enjeksiyon teknolojisinin gelişmesine paralel olarak
sağlanabilmektedir. Dizel motorlu araçlar son yıllarda daha yüksek yakıt
ekonomisi sağlarken, egzoz emisyonlarında da %50'ye varan azalma göstermektedir.
Bu iyileşmedeki en önemli etken 1997 yılından itibaren binek dizel araçlarda
kullanılmaya başlanan common rail yakıt enjeksiyon sistemidir. Dizel elektronik
sistemlerinde kullanılan solenoid valfteki gelişmeler, enjeksiyon zamanlamasının
daha hassas olmasını sağlamış ve böylece yanma verimi artmıştır. Common rail
sisteminin oluşumunu solenoid enjektör teknolojisi gerçekleştirmiştir.
Günümüzde, solenoid enjektör teknolojisi yerini sisteme daha hızlı cevap veren
piezo enjektöre bırakmaktadır. Ayrıca elektronik dizel kontrol sistemindeki
gelişmeler ile kademeli püskürtme sağlanabilmektedir. Kademeli püskürtme ile
motorun düşük yük bölgelerindeki hidrokarbonlar, NOX,
partikül emisyonları
ve yanmadan kaynaklanan gürültü kirliliği azaltılabilmektedir. Yıllardır, tüketicilerin farklı isteklerinin çeşitliliği, dizel yakıt
enjeksiyon sisteminde de çeşitliliğin artmasına yol açmıştır. Dizel motor
teknolojisindeki birçok önemli gelişme, güçte artış, yakıt tüketimi, motor
gürültüsü ve egzoz emisyonlarında azalış sağlamıştır. Common rail yakıt
enjeksiyon sistemi, kamdan hareket alarak çalışan sistemlerle
karşılaştırıldığında, direk enjeksiyonlu dizel motorlara enjeksiyon sisteminin
adaptasyonu oldukça esneklik sağlamaktadır.Bu yüzden common rail yakıt
enjeksiyon sistemi birkaç araç modeli dışında tüm araç üreticilerinin tercih
ettiği yakıt enjeksiyon sistemi haline gelmiştir.
Geleceğin dizel püskürtme
sistemi olarak tanımlanan Common rail yakıt enjeksiyon sistemi, özellikle
Avrupa'da gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Yakın gelecekte Türkiye'de de çok
sayıda dizel aracın, bu sistemle donatılacağı düşünülmektedir.
2006 yılında
tüm dizel motorlu araçların %80'ninde common rail yakıt enjeksiyon sisteminin
kullanılacağı tahmin edilmektedir. Yakıt enjeksiyon sistem üreticileri common
rail yakıt enjeksiyon sistemi üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmalarını
sürdürmektedir.
Geri
|
