AFR Türkçeye hava-yakıt karışımı oranı olarak çevrilir; yanma odasındaki mevcut hava ile yakıtın kütle olarak oranını ifade eder. Çeşidi farketmeksizin her yakıtın kendine özgü stokiyometrik(ideal) hava-yakıt karışımı oranı(AFR)si vardır. Teorik olarak, ideal yakıt-hava karışımı oranında, yanma reaksiyonu sonrası ortamda artık yakıt ve oksijen molekülleri kalmaz. Örneğin, bir gram benzinin ideal olarak yanması için gerekli havanın kütlesi 14,7 gramdır. Bu durumda benzinin hava-yakıt karışımı oranı yani AFR değeri 14,7:1 yani 14,7 olarak verilir. Bazı yakıtların hava yakıt karışımı oranları aşağıdaki gibidir:
Tablo 1: İdeal Hava-Yakıt Karışım Oranları
Fakir-Zengin Karışım Nedir?
Tablo 1’de gösterilen ideal yanma oranlarının üstündeki, yani ideal orana kıyasla daha az yakıt bulunan karışımlar, fakir karışım, altındaki daha fazla yakıt bulunan karışımlar ise zengin karışım olarak adlandırılır. Hava çoğu azottan oluşan bir karışım olduğundan(%78 azot, %28 oksijen), ideal yanma oranlarının üstüne çıkıldıkça, yani karışım fakirleştikçe hidrokarbon bazlı yakıtlarda(benzin, etanol, LPG vs.) yanma reaksiyonunda oksijenin tutunacağı yeterli yakıt(HC) olmadığı için ortamda azot oksit(NOx) gazları oluşur. Bu oranların altına inildiğinde(karışım zenginleştiğinde) ise ortamda hidrokarbon yapıdaki yakıtın tam olarak yanması için yeterli oksijen bulunmadığından, yakıtın tamamı yanamaz ve yakıt artıkları(HC, CO vb) oluşur.
Lambda Nedir?
Tablo 1’deki farklı yakıtlar için bahsedilen stokiyometrik oranların sadeleştirilmiş ismi Lambda'dır ve Yunan sembolü λ ile gösterilir. λ=1'den küçük karışım oranları zengin, 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 enjeksiyonlu motorların egzoz sisteminde en az bir lambda(oksijen) sensörü bulunur. Aracın kontrol ünitesi(ECU) bu sensörden aldığı sinyale dayanarak yakıt karışım oranını kontrol altında tutar.
İdeal Hava-Yakıt Karışımı Neden Her Zaman İstenmez?
Stokiyometrik hava-yakıt karışımı oranları, kimyasal denklemler sonucu kesin olarak bulunmuş ideal teorik oranlardır. Bu tür ideal bir yanmaya da ancak ideal koşullarda özel cihazlarla yaklaşılabilir. Günümüzde yakıt hava karışımının daha homojen 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 bir miktar yakıt ve yanmamış gaz reaksiyon sonrası ortaya çıkar. Bu yüzden kalibrasyon mühendisleri bu ideal oranlardan gerektiğinde belli oranlarda uzaklaşarak araçlara gerekli karakteristiği verirler.
Şekil 1:Hava-yakıt karışımı oranının benzinli motor emisyonlarındaki etkisi
Bir içten yanmalı motora istediğimiz kadar yakıt istenildiği taktirde tedarik edilebilir. Yanma odasına giden hava ise atmosferik beslemeli motorlarda, atmosfer basıncıyla sınırlandığı için kısıtlayıcı faktör havanın miktarıdır. En yüksek güce ulaşmak için, yanma odasına alınan havanın tamamı mümkün olduğunca verimli kullanılması için fazla yakıt eklenerek karışım zenginleştirilir. 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.
Şekil 2: Benzinli motorun hava-yakıt oranı değişiminin, güç ve yakıt ekonomisi üzerindeki etkisi
Ancak bir aracın sürekli tam performansta çalışması istenmez. Bu durumlarda ise motora ideal orandakinden daha az yakıt gönderilerek karışım fakirleştirilir. Bu sayede gönderilen yakıtın tamamının en verimli şekilde yanması sağlanır. Silindire alınan serbest oksijenin bir kısmı reaksiyona girmese de, ekonomik bir ayar için öncelik, yakıt israfından kaçınmaktır. 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 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 birçok parametre ışığında şekillenir. Örneğin bir yarış otomobilinden olası maksimum güçle birlikte yanma odasının ısısının kontrol altında tutulması istenir. Bu yüzden yarış motorları rölantide dahil zengin karışımla çalıştırılabilir. 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 güç istenen bölgelerde zengin, sakin kullanımda ise ideal karışım veya fakir karışıma meyilli çalışması için optimize edilir.