Benzin, 32-204 °C’ler arasında kaynayan, özgül ağırlığı 0,680-0,760 g/cm3 olan renksiz ve kendine özgü kokusu bulunan bir hidrokarbonlar karışımıdır. Benzini oluşturan HC’lerdeki karbon sayısı 4 10 arasında değişir.
Çok az olmakla beraber ağır ve hafif HC’ler ile petrolden gelen S (kükürt) ve N (azot) bulunduran, normal şartlar altında sıvı bir HC’dir. Benzinin içinde parafinik, etilenik, naftanik ve benzenik hidrokarbonlar bulunur.
Benzin XIX. yüzyılın son çeyreğinde Otto çevrimine göre çalışan motorlarda kullanılmıştır. Petrolün bulunmasından sonra ilk rafineri işlemleri ile elde edilen yakıtlardandır.
Benzin Yapısı
Benzin, genel formülü CnHm kapalı formülü ile ifade edilen HC’lerden oluşur. Benzinin yapısında özelliklerini artırmak ve renk vermek için katkı maddeleri kullanılmaktadır. Bunun yanında petrolden kaynaklanan çok az miktarda ve istenmeyen kükürt ve azot gibi elementler de bulunmaktadır.
Benzinin HC yapısında;
– CnH2n+2 kapalı formülü ile gösterilen parafinik HC’ler,
– CnHn kapalı formülü ile gösterilen etilenik (hafif) HC’ler,
– CnH2n kapalı formülü ile gösterilen naftanik HC’ler,
– CnH2n-6 kapalı formülü ile gösterilen benzenik HC’ler bulunur.
Benzinli motorlarda en iyi çalışmayı sırasıyla; benzenik HC’ler, naftanik HC’ler, etilenik HC’ler ve son olarak da parafinik HC’ler sağlamaktadır. Bu cümleden anlaşılacağı gibi benzinin içindeki benzenik miktarı ne kadar yüksek ise benzin motorlar için o kadar iyi demektir.
Bunu temel nedeni ise benzeniklerin yüksek oktan sayısına sahip olmalarıdır. Benzinin yapısında en az miktarda olması istenen HC grubu ise parafinlerdir. Parafinlerden en çok kullanılan heptanın, oktan sayısının sıfır olması parafinlerin benzin içindeki miktarının neden düşük tutulması gerektiğini açıklamaktadır
Ham petrol 3800C’nin “üstünde ısıtılırsa hidrokarbonlar parçalanarak daha küçük moleküllü hidrokarbonlara dönüşürler. Bu olaya kraking denir. Örneğin, hekzadekan C16 H34 molekülü, oktan (C8 H18) ve oktan (C8 H16) moleküllerine parçalanır. Isı ve basınç altındaki bu kimyasal değişim petrolden daha fazla benzin üretilmesine imkân sağlar.
Bunun için birinci artığı meydana getiren ağır hidrokarbonlara kraking uygulanır. Bu yolla petrolden elde edilen benzin oranı % 40 – % 60’a çıkar. Kraking işleminin diğer önemli bir yanı da benzinin vuruntuya karşı direncini yükseltmesidir. Ayrıca birçok yan ürünün alınmasını da sağlar.
Benzin Aranan Özellikler
Motorlarda kullanılan benzinin bazı özelliklere sahip olması gereklidir. Bu özelliklerden bazıları motorun performansını iyileştirirken bir kısmı motorun korunması bir kısmı da aracın emniyeti için gereklidir. Benzinde bulunması gereken özellikleri aşağıda sıralanmıştır.
– Soğukta motorun kolay çalışmasını sağlamalıdır.
– Buhar tamponunu önlemelidir.
– Motorun ani güç değişikliklerine cevap verebilmelidir.
– Ekonomik olmalıdır.
– Reçine teşekkülü olmamalıdır.
– Korozyona neden olacak yanma sonu artıkları olmamalıdır.
– Yağlama yağlarının özelliğini bozmamalıdır.
– Vuruntuya dayanıklı olmalıdır.
Soğuk Havalarda İlk Hareket ve Uçuculuk
Benzinin ve diğer sıvıların, sıvı hâlden gaz hâline geçebilme yeteneklerine uçuculuk denir. Her sıvının uçuculuğu sıcaklığa bağlı olarak değişiklik gösterir. Örneğin suyu ele alacak olursak bu sıvının uçuculuğu kaynama noktasına yaklaştıkça daha da artmaktadır. Benzinin uçuculuk kabiliyeti suya göre çok yüksektir. Bunun nedeni benzinin kaynama noktasının 32 °C gibi düşük bir değerden başlamasıdır.
Benzinin içinde farklı yapılarda HC bulunduğunu belirtmiştik. HC’lerin kaynama noktaları 32-180 °C arasında değişmektedir. Buji ile ateşlemeli motorlarda kullanılacak yakıtın düşük sıcaklıklarda buharlaşması istenir. Sıvının kaynama noktası düşükse uçuculuk yüksek, kaynama noktası yüksekse uçuculuk düşüktür.
Yakıtta bulunan hafif hidrokarbonların düşük sıcaklıklarda buharlaşması istenir. Özellikle soğuk motorlarda ilk hareket için yeterli miktarda yakıtın sağlanması, yakıtın uçuculuğu ile direkt olarak ilgilidir. Yakıtın uçuculuğu ne kadar iyi ise ilk hareket o oranda kolay olur. Benzinin uçuculuğu, motorun değişik çalışma koşullarına uygun bir yakıt olmasını sağlar.
Buhar Tamponunu Önleme
Sıvı yakıtlarda uçuculuğun çok fazla olması istenmez. Çünkü ısınan motor, yakıt sistemi elemanlarının ısısını artıracaktır ve artan sıcaklığın etkisiyle yakıt, motora ulaşmadan buharlaşacak, bu durum ise yakıt pompası veya borularında buhar tıkacı oluşmasına neden olacaktır. Bu istenmeyen bir durumdur.
Benzinin uçuculuğunun bir ifadesi olan buhar basıncı en çok 37,5 °C’de 0,8 atmosfer (reid –buhar) basıncı olmalıdır. Benzinin buharlaşması uçuculuğu ile bağlantılıdır. Uçuculuk yüksek olursa buhar tıkacı oluşma olasılığı artmaktadır.
Soğuk havalarda ilk hareket için yüksek uçuculuk istenirken buhar tamponunu engellemek için düşük uçuculuk istenmektedir. Motorun çalışma şartlarına göre optimum bir uçuculuk değeri mevcuttur ve bu değer benzini iyi bir yakıt yapmaktadır.
Motorun Ani Güç Değişimini Karşılanması
Yüksek hıza ani geçiş için gaz pedalına basıldığında, motorun emdiği hava miktarı ani olarak artar. Bu ani hava artışında motorun daha iyi hızlanabilmesi için hava içerisine daha fazla yakıt verilmelidir. Bu yakıt artışını sağlayabilmek için yakıtın uçuculuğunun yüksek olması gerekir. Benzin, ani güç değişikliklerine uyum sağlayabilecek bir uçuculuğa sahip olduğundan motorlar için uygun bir yakıttır.
Ekonomiklik
Motorun bütün çalışma koşullarına cevap verebilen yakıtın aynı zamanda ekonomik olması da gerekmektedir. Benzinin fazla uçucu olması buharlaşma ile yakıt kaybına neden olduğu için yakıt ekonomisi açısında dezavantaj doğurur. Bunun yanında yüksek uçuculuk, depolama zorluklarını da beraberinde getirmektedir.
Reçine Oluşumu (Zamk ve Vernik)
Sıvı yakıtlar, depolandıkları ortamda oksijenle reaksiyona girerek çöküntü oluşturur. Bu çöküntülere reçine denir. Bu çöküntüler yakıt sisteminde tıkanmalara yol açabileceğinden dolayı istenmez. Benzinin içindeki reçine oranı 5 mg/cm3 ten az olmalıdır.
Reçine motorda supapların yapışmasına ve yakıt kanallarının tıkanmasına neden olur. Benzin çok uzun süre bekletilirse reçine oluşumu artacağından uzun süre bekletilmemelidir.
Korozyon
Buji ile ateşlemeli motorlarda, yanma sonunda korozyon etkisi olan artıklar olmamalıdır. Korozif yanma sonu ürünleri kükürt miktarı ile doğru orantılı olarak artar. Bu yüzden benzindeki kükürt miktarı 0,001’den fazla olmamalıdır. Kükürt miktarının daha yüksek olması, yanma sonunda sülfiroz asit (H2SO3) oluşumuna sebep olur. Bu gibi asitler metallerde korozyona sebep olarak motor parçalarının ömrünü olumsuz etkiler.
Yağlama Yağına Etkisi
Motorda kullanılan yakıtın uçuculuğu yeterli olmaz ise silindirlere giren yakıtın bir kısmı sıvı hâlde olur. Benzinin sıvı hâli, silindir cidarlarındaki yağın incelmesine sebep olarak yağın, yağlama görevini yapmasını engeller.
Ayrıca kartere inerek yağı inceltir ve viskozitesinin düşmesine, dolayısıyla yağlama görevini yerine getirememesine neden olur. Görüldüğü gibi uçuculuk çok önemli bir özelliktir. Benzin, içeriğinde bulundurduğu farklı HC’ler sayesinde uçuculuk için değişen isteklere cevap verebilen bir yakıttır.
Vuruntu Dayanımı
Buji ile ateşlemeli dört zamanlı motorlarda, ikinci zaman sonunda, yanma odasında sıkışmış olan karışım buji kıvılcımı ile ateşlendiğinde karışımın normal zamanda yanmasına, normal yanma denir.
Yanma odasındaki karışım tamamen yanıncaya kadar bujiden başlayan alev, dairesel halkalar hâlinde diğer kısımlara yayılmalıdır. Alevin yayılmasını sağlayan alev hızına, alevin yayılma oranı denir. Alevin yayılma hızı normalden yüksek olursa ani basınç artışları meydana gelir. Bu olaya vuruntu denir.
Vuruntu, yakıtın oktan sayısıyla ilişkilidir. Oktan sayısı yüksek yakıtların vuruntu dayanımı yüksektir. Benzinin oktan sayısı kullanıldığı motorlara göre değişmektedir.
Benzin Katılan Katkılar
Benzine katılan katkı maddelerini iki grupta incelenebilir. İlk grup olarak benzinin oktan sayısını yükseltmek için kullanılan katkı maddeleri, ikinci grup olarak koruyucu amaçla kullanılan katkı maddeleri olarak sınıflandırılabilir.
Oktan Sayısını Artırıcı Katıklar
Benzinin üretimi sırasında kraking, reforming, polimerizasyon, izomerizasyon gibi yöntemler kullanılarak oktan sayısı yükseltilmektedir. Üretimden sonra oktan sayısını arttırmak için;
– Kurşun tetraetil bir litre benzinde en fazla 0,8 cm³ bulunmasına izin verilen ve oktan sayısını 7-10 kadar artıran bir katkı maddesidir. Günümüzde gerek motor parçalarına olan olumsuz etkileri gerekse insan sağlığı ve çevreye verdiği zararlardan dolayı kullanımı çok azalmış, ülkemizde kullanımı yasaklanmıştır.
– Benzen ilavesi ile oktan sayısı yükselir. Genelde % 10 kadar benzen ilave edilmektedir.
– Demir penta karbonil,
– Mono metil anilin,
– Metanol ve etanol alkolleri katılarak da oktan sayısı yükseltilebilmektedir.
Diğer Katkılar
Motorun temizlenmesi, korunması için kullanılan katkılar ve benzine renk veren katıklardır. Bunları aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür:
– Yanma odası ve bujilerdeki birikintileri temizlemek için fosfor bileşikleri ve bromür etilen,
– Karbüratör ve manifoldlardaki birikintileri önlemek için deterjanlar,
– Reçine teşekkülünü ve kurşun tetraetilin parçalanmasını önleyici antioksidanlar,
– Supap ve silindirin üst kısmını yağlayıcı hafif yağlar,
– Paslanmayı önleyici anti-pas maddeler,
– Aşıntıları engellemek için etilendibromit,
– Buzlanmayı engellemek için %1 izopropilalkol, % 0,005 amonyum tuzları % 0,2 glikol veya fosfatlar,
– Benzinin donmasını engellemek için kullanılan % 1 metilalkol kullanılmaktadır.
Günümüzde hızla gelişen rekabet ortamında daha kaliteli ve temiz bir benzin için bütün şirketler farklı miktarlarda katkı maddeleri kullanmaktadır.
Oktan Sayısı
Benzinde oktan sayısı, motorun sıkıştırma oranını, dolayısıyla da verimini çok yakından ilgilendiren bir özelliktir. Oktan sayısı ne kadar yüksek olursa yakıtın vuruntu dayanımı da o kadar yüksek olmaktadır.
Oktan sayısı yakıtın fiziko-kimya özellikleri yanında motorun yapısal ve işletme özellikleri ile de değişmektedir. Oktan sayısının, yakıtın içindeki izo-oktan oranına bağlı olduğunu belirtmiştik. Oktan sayısını yol oktan sayısı (YOS), motor oktan sayısı (MOS), araştırma oktan sayısı (AOS) olarak üç farklı şekilde görmemiz mümkündür.
(YOS), normal yol şartlarında çalışan bir motorda vuruntu sınırları dikkate alınarak belirlenirken (MOS), CFR motorunda zor şartlar altında yapılan deneyler sonucunda elde edilir. (AOS) ise daha hafif şartlarda yapılan deneysel çalışmalar sonunda elde edilen oktan sayısıdır.
AOS’si 85 olan bir yakıtın (MOS)’i 75 olabilir. Buradaki farka yakıt duyarlılığı denir ve deney şartlarlındaki değişimden etkilenmeyi gösterir. YOS bulunurken deneylerin yol şartlarında yapılması söz konusudur. (YOS) genellikle ( MOS)’dan küçük (AOS)’dan büyük bir değerde olmaktadır.
Oktan sayısın belirlenmesi için yapılan deneylerde motordaki vuruntu ölçülmekte ve vuruntu eğiliminin başladığı nokta, referans yakıtla karşılaştırılarak yakıtın oktan sayısı belirlenmektedir.
CFR (cooperative fuel research) yöntemi ile oktan sayısı belirlemede sıkıştırma oranı değiştirilebilinen bir motor kullanılmaktadır. Bu motora CFR motoru denir. Oktan sayısı ölçülecek yakıt CFR motorunda farklı sıkıştırma oranlarında denenir.
Vuruntunun başladığı sıkıştırma oranı tespit edildikten sonra kimyasal yollarla elde edilmiş i-oktan ve n-heptan karışımının aynı sıkıştırma oranında vuruntu başlatacak karışım oranı tespit edilir. Çıkan sonuç (MOS) olarak yakıtın oktan sayısını verir. Sıkıştırma oranı değiştirilebilinen CFR motorunun şematik görünüşü aşağıda verilmiştir.
Vuruntu (Detanasyon)
Buji ile ateşlemeli içten yanmalı pistonlu motorlarda, sıkıştırma zamanı sonunda silindirdeki hava/yakıt karışımı bir buji ile tutuşturuluyor ve açığa çıkan basınç artışı ile iş yapılmış oluyordu.
Buji kıvılcımından sonra alev, dalgalar hâlinde yanma odasına yayılmaya başlar alevin yayılma hızı yaklaşık olarak 25-40 m/sn.dir. Buji tarafından oluşturulan alev cephesi yayılırken alev cephesinin dışında kalan alev cephesi yayıldıkça sıcaklığı ve basıncı artan henüz yanmamış karışıma son gaz denir. Son gaz bölgesine alev nüvesi ulaşmadan, oluşan sıcaklık ve basıncın etkisi ile son gazın tutuşması ve ikinci bir alev cephesi oluşturmasına vuruntu denmektedir.
Son gazın oluşturduğu alev cephesinin hızı 500-700 m/sn. civarındadır. Bu yüksek alev yayılma hızı ve iki alev cephesinin çarpışması normalden çok daha hızlı basınç artışını beraberinde getirmektedir. İşte bu hızlı basınç artışı motorun piston ve silindir cidarlarına bir çekiçle vuruluyormuşçasına ses oluşturur. Bu ses vuruntunun anlaşılmasını sağlar.
Aşağıdaki şekilde normal alev cephesinin ilerleyişi ve türbülanslı alev cephesinin şematik görüntüsü verilmiştir.
Alev cephelerinin ilerleyişi
Aşağıdaki ise basınç indikatör cihazı ile vuruntunun ölçülmesi sonucu elde edilen bir diyagramı gösterilmiştir. Diğer şekilde ise yanma odasında vuruntunun oluşumu şematik olarak gösterilmiştir.
Vuruntu, motorda verim düşüklüğünün yanında, oluşturduğu hızlı basınç artışı ile de motor parçalarına zarar verebilmektedir. Vuruntunun sakıncalarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:
– Sürücü tarafından duyulabilen rahatsız edici bir ses oluşturur.
– Oluşan yüksek basınç, piston yüzeyine ani yük binmesi dolayısıyla yüksek gerilmelere ve mekanik tahribatlara neden olur.
– Oluşan yüksek basınç segmanlardan gaz sızıntısına, sızan gazlar da yağlama yağı özelliklerinin bozulmasına sebep olur.
– Güç ve verim kaybına neden olur.
– Vuruntu, yanmanın kimyasını etkileyeceğinden egzoz gazlarının da etkilenmesi söz konusu olur.
Vuruntunun Önlenmesi
Yüksek sıkıştırma oranları vuruntu temayülünü artırır. Bundan dolayı yakıtın vuruntu dayanımını gösteren oktan sayısına göre sıkıştırma oranı belirlenmelidir. Motora alınan karışımın basınç ve sıcaklıklarının yüksek olması sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklığının da yükselmesine, bu da tutuşma gecikmesinin azalması ile vuruntuya sebep olur.
Giriş basınç ve sıcaklıkları düşük tutulmalıdır. Motor hızı, yanma hızını artırarak ve son gaz bölgesi basınç ve sıcaklığı değiştirerek vuruntuyu etkilemektedir. Motor uygun devrinde çalıştırılmalıdır. Mümkün olan en düşük ateşleme avansı verilmelidir. Zira artan ateşleme avansı basınç ve sıcaklık değerlerini de artırarak vuruntu eğilimini ortaya çıkarmaktadır.
Karışımdaki hava/yakıt oranı da vuruntuyu etkilemektedir. Fakir karışımlarda vuruntu meyli fazladır. Yakıt/hava oranı da optimum değerlerinde olmalıdır. Egzoz gazların çıkış basıncı da vuruntuya etki etmektedir.
Yüksek egzoz basıncı sıkıştırma sonu basıncı artırarak vuruntuya sebep olmakta, silindirde kalan egzoz gazları da miktarındaki artma vuruntu eğilimini azaltmaktadır. Egzoz supabı her zaman sıcak olacaktır. Buji, egzoz supabına uzak olursa buradaki sıcaklıktan dolayı ikinci bir ateşleme, yani vuruntu olabilir
Bujiler egzoz supabına mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Yanma odasının şekli de vuruntuda önemlidir. Yanma odası yüzey/hacim oranı küçük olursa vuruntu eğilimi azalmaktadır. Örneğin küresel yanma odası gibi. Silindirler iyi bir şeklide soğutulmalıdır. Soğutulmayan silindirde oluşan sıcak noktalar vuruntu eğilimini artırmaktadır.
Erken Ateşleme
Silindirdeki yakıt/hava karışımının buji ateşlemeden önce tutuşmasına erken ateşleme denilmektedir. Silindirin iyi soğutulamaması, bujilerin yanlış seçilmiş olması, supap tablalarının incelmiş olması, kapak contasının yanlış takılması gibi nedenler belirtilen alanlarda ısı birikimine bu biriken ısı da erken ateşlemeye neden olmaktadır.
Erken ateşleme motorda vuruntulu yanma meydana getireceğinden, vuruntunun motora verdiği zararlar erken ateşlemenin etkileriyle benzerdir.
– Sürücü tarafından duyulabilen rahatsız edici bir ses oluşturur.
– Oluşan yüksek basınç, piston yüzeyine ani yük binmesi, dolayısıyla yüksek gerilmelere ve mekanik tahribatlara neden olur.
– Oluşan yüksek basınç segmanlardan gaz sızıntısına, sızan gazlar da yağlama yağı özelliklerinin bozulmasına sebep olur.
– Güç ve verim kaybına neden olur.
– Vuruntu, yanmanın kimyasını etkileyeceğinden egzoz gazlarının da etkilenmesi söz konusu olur.
Vuruntunun Önlenmesi
Erken ateşleme problemlerinin büyük çoğunluğu silindirlerin iyi soğutulamamasından kaynaklanmaktadır. Öyleyse erken ateşlemenin önlenmesi için ilk olarak silindirlerin iyi bir şekilde soğutulması gerekmektedir.
Silindir içinde oluşan karbon birikintileri de akkor hâline gelerek erken ateşlemeye neden olmaktadır. Bu karbon birikintileri temizlenmeli veya oluşmasının önüne geçilmelidir. Uygun buji kullanılmalıdır. Aksi hâlde buji elektrotları aşırı ısınarak akkor hâline gelir ve erken ateşlemeye neden olur.
Kaynak: MEGEP