ATKINSON ÇEVRİMİ
Benzinli (otto çevrimiyle çalışan) motorlarda, güçten bir miktar fedakarlık yapılarak yakıt ekonomisini geliştirmek amacına dayanan bu uygulama Japon firmalar Toyota ve Honda tarafından kullanılmaktadır. İlk ortaya çıkış 1882 yılına dayanan ve çok farklı mekanik prensiplerle çalışan atkinson motorla ilgili kısım yazının sonundadır. Bugün kullanılan atkinson çevrimi, emme supaplarının daha geç kapatılması prensibine dayanır. İlk kez 1957 yılında Ralph Miller tarafından geliştirilmiştir. Supap zamanlaması; sürekli değişken supap zamanlaması kontrol ( VTC, VVT-i ) modülü tarafından ayarlanır. Honda, bunu VTEC kullanarak yapar, Honda’da Otto çevrimi ve atkinson çevrimi arasındaki geçiş VTEC ile sağlanır.
Atkinson çevrimi, motor
kontrol ünitesi tarafından sürüş şartlarına göre otomatik olarak devreye alınır
veya devreden çıkartılır. Motorun performanslı kullanımında supap sistemi normal
otto motor çevrimi esaslarına göre çalışırken; düşük tork talebinde, yavaş
hızlanmalarda veya orta sabit hız-düz yol sürüşlerinde yakıt ekonomisi
sağlanabilmesi için motor ECU’sü motorun çalışma modunu Atkinson’a geçirir.
Bugün tüm
otomotiv üreticileri daha az yakıt tüketen, daha az karbon (CO2) salınımı
yapan, egzoz emisyonları düşük ekonomik araçlarda üretmeye çalışıyorlar. Bunun
için;
*Downsizing-Motor hacmini küçültme: Daha düşük hacimli, direkt enjeksiyonlu turbobeslemeli benzinli ve dizel motorlar üretmek. Birim hacimden daha fazla güç
elde etmek.
*Atkinson
Çevrimli Benzinli Motorlar: Motor hacmini çok küçültmeden, motorun bir küçük
hacimli motor gibi yakıt tüketimi yapmasını sağlamak.
*Atkinson
Çevrimli Benzinli Motor + Elektrik Motoru (Hibrit Motorlar): Hem atkinson
çevriminin düşük yakıt tüketimini hem de elektrik motorundan güç elde edilerek çevreci
otomobiller üretmek.
*Elektrikli
Araçlar: İçten yanmalı motorun tamamen ortadan kaldırılması ve tamamen
elektrikli araçlar üreterek sıfır emisyon hedefine ulaşmak.
Atkison Çevrimli Motorlu Araçlar Hangileridir?
Atkinson
çevrimi, düşük hacimli ekonomik B sınıfı benzinli araçlarda, hibrit araçlarda
kullanıldığı gibi, büyük motorlu v6 motorlarda da kullanılmaktadır. Türkiye’de
Toyota yaris 1.5L , Toyota Yaris hibrit 1.5L , Toyota Prius, Honda Jazz 1.3L, Mercedes
ve Ford hibrit modelleri gibi araçlarda atkinson çevrimiyle çalışabilen
benzinli motorlar kullanılmaktadır.
Toyota prius
hibrit modelinde 1.8 litrelik atmosferik atkinson çevrimiyle çalışan benzinli
motor kullanılmaktadır. Prius tüm dünyada en çok satan seri üretim hibrit
otomobildir. Toyota 1NZ-FXE 1.5 litrelik motordan sonra 1.8 litrelik 2ZR-FXE
motor kullanıma geçmiştir.
Atkinson Çevrimli Motorun Çalışması – Atkison Çevrimi Çalışma Prensibi?
Emme
supabının daha geç kapatılması; sıkıştırmayı (compression) azaltır, emme
zamanında emilen hava-yakıt karışımının bir kısmının, geç kapanan ( o sırada
halen açık olan) emme supabı sebebiyle, emme manifolduna geri gönderilmesini
sağlar, yakıt verimliliği arttırılır, böylece yakıt tüketimi azaltılır.
Motor
sıkıştırma zamanında daha küçük hacimli bir motor gibi davranırken, genleşme-iş
zamanında daha büyük hacimli bir motor gibi davranmaktadır.
Normalde otto
çevrimiyle çalışan benzinli motorlarda 4 zamanlı çevrim şu şekilde gerçekleşir:
Motorda bir çevrimde bir iş zamanı meydana gelir, bir çevrim
emme-sıkıştırma-iş-egzoz zamanından meydana gelir, bu sırada krank mili 2 kez
döner (720 derece) ve eksantrik mili bir kez döner (360 derece).
Krank mili
dönerken, biyel koluyla bağlı olduğu piston, silindir içerisinde yukarı ve
aşağı hareket eder.
Pistonun
silindir içerisinde çıkabildiği en üst noktaya: üst ölü nokta (üön) denir.
Pistonun
silindir içerisinde indiği en alt noktaya: alt ölü nokta (aön) denir.
Motor
çalışırken her bir çevrimde krank mili 2 kez döner, her bir piston 4 kez yukarı-aşağı
hareket eder.
Pistonun alt
ölü nokta ve üst ölü nokta arasında yaptığı harekete: "zaman" denir. Piston bunu 4 kez yapar, buna 4 zamanlı motor denir.
Pistonun yol
aldığı, Alt ölü nokta ve üst ölü nokta arasındaki mesafeye "strok" -
"kurs" denir. Bu mesafenin oluşturduğu, yani strok boyunca pistonun
süpürdüğü hacme "silindir hacmi" veya "strok hacmi" denir. (Bkz: Temel Motor Bilgisi)
Piston,
silindir içerisinde en üst noktaya (üön) çıktığında, sıkıştırma zamanının
sonunda, piston tepesi ile silindir kapağı arasında kalan hacime; "yanma
odası hacmi" denir.
Emme zamanı:
emme supabı açıktır, egzoz supabı kapalıdır. Piston, üst ölü noktadan alt ölü
noktaya doğru hareket eder, bu sırada silindir içerisinde alçak basınç (vakum)
oluşur, hava-yakıt karışımı emilir.
Sıkıştırma
zamanı: bu sırada hem emme supabı hem egzoz supabı kapalıdır. emilen hava-yakıt
karışımı, pistonun alt ölü noktadan üst ölü noktaya çıkmasıyla sıkıştırılır.
Sıkıştırma zamanı: compression stroke.
Sıkıştırma
oranı= (silindir hacmi + yanma odası hacmi) / (yanma odası hacmi) formülüyle
bulunur. Yani silindir hacmiyle yanma odası hacmini toplayıp, yanma odası
hacmine böleriz. (Sıkıştırma oranı: Compression Ratio)
İş zamanı:
sıkıştırılan hava-yakıt karışımının ateşlenmesiyle meydana gelen yüksek
sıcaklık ve basınçla piston üst ölü noktadan alt ölü noktaya itilir. Böylece krank mili döndürülür, iş elde
edilmiş olur. İş zamanında genleşme meydana gelir. İş zamanı=combustion stroke=genleşme
zamanı.
Piston
stroku, yani pistonun aön ve üön arasında kat ettiği mesafe sabittir ve
değiştirilemez. Bu durumda sıkıştırma oranı neyse, genleşme oranı da odur.
Atkinson
çevrimi, bu duruma bir alternatif yaklaşım getirmiştir. İş Zamanında her şey
normal şekilde gerçekleşir, piston üön'den aön'ye hareket eder, emme ve egzoz
supapları kapalıdır.
Emme
zamanında emme supabı açılır, hava yakıt karışımı silindirin içine alınır.
Sıkıştırma zamanında normalde emme ve egzoz supabı kapalıdır. Atkinson
motorlarda; sıkıştırma zamanının ilk aşamalarında supap zamanlaması
geciktirilerek (rötar) emme supabının açık kalması (daha geç kapanması)
sağlanır. Böylece silindire alınmış olan hava-yakıt karışımının bir kısmı
tekrar emme manifolduna geri gönderilir, yani yakılacak olan hava- yakıt
karışımı azaltılmış olur.
Sıkıştırma
oranı= (silindir hacmi + yanma odası hacmi) / (yanma odası hacmi)
Yanma odası
hacmi asla değişmez. Silindir hacmi de asla değiştirilemez. Öyleyse sıkıştırma oranı da asla değiştirilemez. Bunların geometrik hesapları önceden belirlenir - hesaplanır ve motor böyle üretilir. Atkinson çevrimi, aslında sıkıştırma oranını fiziksel - formülsel olarak değiştirmiyor (değiştiremez de zaten). Atkinson çevrimi, sıkıştırma zamanında, hava-yakıt karışımının bir kısmını emme manifolduna geri göndererek, sıkıştırma basıncını düşürüyor, yanan yakıt miktarını azaltıyor.
Sıkıştırma zamanı sırasında, emme supabının geç
kapatılması sebebiyle "silindir hacmi yani strok hacmi" azaltılmış
olur. Böylece, motorun sıkıştırma oranı, atkinson çevrimi sürecinde daha düşük gerçekleşir. Aslında geometrik olarak değişen bir şey olmuyor.
İş (genleşme)
zamanındaysa her şey normaldir, genleşme (iş) zamanında piston, tüm stroku
etkin olarak kullanır, yani piston üst ölü noktadan alt ölü noktaya (strok boyunca) hareket eder, krank milini döndürür. Böylece motor performansı artar.
Otto çevriminde: Sıkıştırma
stroku=Genleşme (iş) stroku
Atkinson Çevriminde: Sıkıştırma
stroku<Genleşme (iş) stroku gibi oluyor.
Atkinson
motor, yakıtı tüketirken düşük hacimli bir motor gibi çalışırken, güç üretirken
daha büyük hacimli bir motor gibi çalışır-davranır. Yani 1,6 litre atmosferik
bir motor 1,2 litre motor gibi yakıt tüketiyor. Bu ne demektir? Yani bir adam çalıştırıyorsunuz, yemek verirken yarım porsiyon ye diyorsunuz (yemeğin (hava-yakıt karışımının bir kısmını geri aldık emme manifolduna), ama iş yaparken hiç eksilme olmasın diyorsunuz (iş= pistonun üön'den aön'ye hareket etmesi).
Tüketilen
yakıtın azaltılması toplamda üretilen gücü mutlaka azaltmaktadır fakat
tüketilen birim Yakıt miktarı göz önüne alındığında verimin önemli ölçüde
arttığı söylenebilir.
-1.8 litre litre motorda atkinson çevrimi kullanmak yerine, neden 1.3 litre otto motor kullanmıyoruz? Küçük motora daha az hava-yakıt karışımı veririz, tüketim düşer?
+ Hayır böyle olmaz, 1,3 litre motorun, silindir hacmi daha azdır, öyleyse strok boyu da daha kısadır; strok boyu = krank mili yarı çapı olduğuna göre, bu motorun torku daha düşük olacaktır. Yani performans düşecektir. Tüketim evet düşer.
-O zaman strok boyunu uzun yapalım?
+Strok boyunu uzatırsak, silindir hacmi hacmi artar. Tork artar. Tüketim de artar.
- Silindir hacmini yükseltmeden, strok boyunu uzatalım?
+Bu çok zor, hacim artacaktır. Çok dar çaplı bir piston kullanmak gerekir, burada yine verim düşer.
-Strok boyunu kısaltmadan, motor hacmini düşürmeden, performanslı bir motor yapalım. Ama az yakıt yaksın?
+İşte Atkinson bunu yapıyor. Emme zamanında, emme supapları geç kapandığı için, sanki kısa stroklu (küçük hacimli) bir motor gibi yakıt alıyor. Ama iş zamanında uzun stroklu motor olarak çalışıyor.
-Sıkıştırma oranı 13 olan atkinson motor oluyorsa, sıkıştırma oranı 13 olan otto motor neden olmuyor?
+Sıkıştırma oranı 13-14 olan otto motorda, sıkıştırma zamanı sonunda çok fazla basınç-sıcaklık olacağı için, motor vuruntu yapar. Ama atkinson motorda böyle olmaz, emme zamanında emilen hava-yakıtın bir kısmı emme portuna geri gittiği için, sıkıştırma basıncı daha düşük olur.
Özetle, emilen hava-yakıtın bir kısmının geri verilmesi, tüketirken az tüket deme şeklimizdir. İş zamanındaysa, her şeyin klasik motordaki gibi olması, işini yaparken tam yap deme şeklimizdir.
Atkinson Çevriminin Tarihçesi ve İlk Ortaya Çıkışı
Atkinson
Çevrimi 1882 yılında İngiliz James Atkinson tarafından icat edilmiştir. Otto
çevrimiyle çalışan benzinli motorlarda pistonun üst ölü nokta (üön) ile alt ölü
nokta (aön) arasında kat ettiği mesafeye “strok veya kurs” denir. Piston
sıkıştırma zamanında da iş zamanında da aynı strok boyunu kat eder, yani hava
yakıtı emerken de yanma sonucu iş üretirken de strok boyu hep eşittir. Bunun
sebebi krank-biyel mekanizmasının sabit (değişmez) bir geometride hareket
etmesidir. James Atkinson krank ve piston bağlantısında kullanılan biyel kolunu
tek parça yerine, iki parçadan oluşan mafsallı bir yapıda geliştirmiştir. Sistem
çalışırken, pistonun alt ölü noktası değişebiliyor, böylece emme zamanında
piston daha kısa bir strok boyunca hareket ediyor, fakat iş zamanında güç
üretilirken daha uzun bir strok boyunca hareket ederek daha aşağıdaki bir
konumda aön’ya ulaşıyor. Böylece emiş yaparken daha küçük hacimli bir motor gibi
emiş yaparken, güç üretimi sırasında daha büyük hacimli bir motormuş gibi güç
üretiyordu. Fakat atkison çevriminde bir çevrim boyunca
(emme-sıkıştırma-iş-egzoz), krank mili bir tur dönüyordu; otto çevrimindeyse 2
tur dönüyordu. Birim zamanda üretilen güç daha azdı. Tarihte ilk geliştirien
atkinson çevrimli motorlar geliştirilmedi ve yaygınlaşmadı. Fakat emme
zamanında daha daha az yakıt almak ve sıkıştırma strokunu daha kısa tutmak ve
motorun tüketimini azaltmak fikri, çok farklı bir teknikle 90’lı yıllardan beri
günümüzde kullanılmaya başlanmıştır. Sistemin mekanik çalışması farklı olsa da
mantığı aynı olduğundan, “atkinson çevrimi” tanımı kullanılmaya devam etmiştir.
Bu yazıda, modern atkinson çevrimi ele alınmıştır.
Yorumlar
Yorum Gönder