Motorlarda Hacim Küçültmeyi (Downsizing) Sınırlayan Faktörler
Vuruntu sınırı: Sabit sıkıştırma oranlı (fixed compressin ratio – FCR) motorların vuruntu hassasiyeti, şarj havasının soğutulmasıyla azaltılabilir. Bu, hava yakıt karışımın zenginleştirilmesi ve/ya da direk yakıt enjeksiyonu ile yapılabilir. Aşırı doldurmalı motorların yüksek güçlerde çalıştırılması durumunda dolgunun zenginleştirilmesi yaygın olarak uygulanmaktadır. Ancak bu uygulama HC ve CO emisyonlarında artışı da beraberinde getirmektedir. Direk enjeksiyon bir başka stratejidir. Bu enjeksiyonda yanma odası içerisinde yakıtın atomizasyonundan dolayı karışımın soğumasına neden olmaktadır. Direk püskürtme uygulaması pahalı bir uygulamadır ve karışımın homojenliği bozulduğundan dolayı partikül oluşumunda bir miktar artma olabilir.
Değişken sıkıştırma oranı (variable compressin ratio – VCR), vuruntu sınırını elimine eder. VCRli motorlarda, motor hangi yük altında olursa olsun daima vuruntu sınırının altında bir çalışma sağlar. Motor, düşük yüklerde 15/1 – 16/1 sıkıştırma oranı altında işletilirken sıkıştırma oranının 8/1 düşürülmesiyle aşırı doldurma uygulaması gerçekleştirilebilir.
Termik direnç sınırı: Termik direnç, benzinli motorların (SI) boyutlarının küçültülmesi için en güçlü sınırlayıcı faktörlerdendir. Güç yoğunluğu artarken; silindir kapağında, egzoz supaplarında, manifoldda, borularda ve egzoz sistemi art yakıcılarında termik gerilmeler artar. Yüksek yüklü motorların termik gerilmelerini minimize etmek için FCRde mevcut olmayan VCR uygulaması ile sağlanacak avantajlar;
Motor devri artarken sıkıştırma oranı arttırılabilir (motor devri artarken, vuruntu hassasiyeti azalır)
En iyi indike verimi elde etmek için motorun sıkıştırma oranı ile ateşleme avansı arasındaki optimizasyon sağlanabilir.
Neticede;
- Daha yüksek genişleme oranı, maksimum güçte yakıt tüketimini azaltır.
- Aynı kompanentleri ve malzemeleri kullanarak kayda değer mali tasarrufla motorun spesifik gücünü arttırmak mümkündür.
- Motor kompanentlerini soğutmak için dolgunun zenginleştirilmesini (charge enrichment) arttırmak gerekir ve art yakıcılar maksimum güce yakın bölgeyle sınırlandırılır.
- Dolgunun soğuması için direk yakıt enjeksiyonuna gerek yoktur.
Mekanik direnç sınırı: Şüphesiz boyut/hacim küçültme anlayışı ile üretilen motorlarda tabi emişli motorlara göre daha büyük mekanik dirençler söz konusudur. Özellikle süperşarj ve turboşarj uygulanmış motorlarda, tabi emişli motorlardan daha büyük güç ve moment oluşturulabilmektedir. Yakın bir gelecekte aynı ortalama motor devirlerinde işletilen, biri 3 litrelik tabii emişli motor diğeri 1.5 litrelik süperşarjlı benzinli motor kıyaslandığında, süperşarjlı motorun iki kat daha büyük yükle yüklendiği görülecektir. Daha yüksek ortalama motor yükü, daha az motor ömrü demektir.
Boyut/Hacim küçültme, ortalama maksimum silindir basıncının ve ortalama BMEP arttırılmasından dolayı ortalama yükü arttırır. Sonuç olarak piston vurması (piston slap) daha güçlü olur ve pistonun radyal gerilmesi artar. Aynı zamanda silindir yüzeylerindeki segman duvar temas basıncı da artar. Bu durum silindir aşınmasına ve distorsiyonlara sebep olur. Neticede silindirlerden yakıt hava karışımının kaçmasına (blow-by) -daha düşük moment ve verim-, yağ tüketiminin artmasına (yağ değişim aralığının azalmasına, kirletici emisyonlara, 3 yollu katalitik konvertörün verimliliğinin düşmesine) ve gürültüye sebep olur. VCR uygulaması motorlarda mekanik gerilmelerin azaltılmasını sağlar.
Süperşarj/turboşarj boşluğu: Süperşarjlı ve turboşarjlı motorlarda, düşük devirlerden yüksek devirlere geçişte turbo boşluğu[1] (turbo-lag) çok önemlidir. Gelişmiş turboşarj teknolojileri, tamamlayıcı stratejilerle birleştirilmek zorundadır.
Tabi emişli işletimlerde düşük devirlerde yüksek tork üreten motorlar tasarlamak gerekir. Tabii silindir dolgusu, piston devrinin arttırılması -uzun strok tasarımı, küçük biyel/krank oranı (sinusidal piston hareketi oldukça düşük devirlerde torku azaltır)- ile düşük motor devirlerinde arttırılabilir. Daha yüksek piston hızı, düşük devirlerde motor silindir dolgusunu yükselten bir emme manifoldu ile birleştirilmek zorundadır. Düşük devirlerde silindir dolgusu ne kadar iyi olursa, egzoz akışı o kadar yüksek ve turbonun tepki vermedeki gecikmesi de o oranda kısa olur.
Birinci vites ve ikinci vites için düşük bir dişli oranıyla, taşıtın duruşundan harekete geçişinde ortalama motor devrini ve egzoz akışını arttırmak mümkündür. Bu durum tekerlek torkunun daha büyük olmasını sağlar ve turbonun tepki vermedeki gecikmesini azaltır.
Turbonun tepki vermedeki gecikmesini azaltmanın bir yolu da VCR uygulamasıdır. Turboşarjın türbinini besleyen egzoz gazlarının entalpisini arttırmak için sıkıştırma oranı azaltılabilir. Zira VCR, yüksek güçte egzoz gazlarının sıcaklığını azaltmalıdır. Bu amaca yönelik olarak daha sofistike turboşarjlar -değişken geometrili turboşarjlar- uygulama yoluna gidilmiştir.
[1] Turbo boşluğu: Orijinal ifadesiyle “turbo-lag”olarak isimlendirilir. Turbonun tepki vermedeki gecikmesidir. Yani turbonun basınç sağlamasındaki gecikme zamanıdır.
