Bilim

Motorlarda Kullanılan Supap Teknolojileri

İçten yanmalı motorların belki de en kritik kısımlarından birisi supaplardır. Motora giren ve motordan çıkan havanın kontrolü, doğrudan motor üzerinde kontrol sağlamaktadır. Torkun devir bandına göre konumlanması, rölanti düzenlemesi, maksimum güç, emisyon gibi bir çok konuya kritik etkileri bulunmaktadır. Bundan sebeple çoğu otomotiv firması bu konu üzerine yoğunlaşmıştır. Bugünkü yazımızda önce teknik kavramları, sonra da markaların teknolojilerini birer birer açıklığa kavuşturacağız. Yazının içerisine ince bilgiler de serpiştireceğiz.

-Supap Bindirmesi( süperpozisyon )

Egzoz ve emme supaplarının aynı anda açık kalması durumudur. Egzoz zamanında piston ile yüksek bir hızda dışarı doğru atılan egzoz gazları belirli bir atalete sahiptir. Egzoz gazları dışarı atılırken kasıtlı olarak emme supabı açılır. Normalde emme kanalından çok daha kolay şekilde dışarı çıkacak egzoz gazları, kazandıkları yüksek atalet sebebiyle hızlı yön değiştiremezler. Egzoz gazı basınç dalgası ilerlerken arkasında negatif basınç dalgası bırakır.

Bu sebeple de açık olan emme valfinden içeriye taze hava çekilir. Çekilen temiz hava, piston tarafından süpürülemeyen yanma odası hacmini de atık gazdan temizlediği için motorun volumetrik verimini arttırır. (Bazı çalışmalar göstermiştir ki, basınç dalgaları da kullanılarak belirli çalışma koşullarında atmosferik motordan deniz seviyesinde %130’a kadar volumetrik verim almak mümkündür. ) Yalnız dikkat edilmelidir ki; yanlış bir enjeksiyon stratejisi, egzoz gazıyla beraber süpürülen taze hava ile beraber benzinin de dışarı atılmasına sebebiyet verebilir. Bu durum, çok özel şartlarda bir nebze istenen bir olgu olsa da genelde kullanılmaz.

-Valf zamanlaması

Firmaların en çok kafa yordukları kısım burasıdır. Örneğin emme valfi erken açılırsa, alt devirde henüz yeterli atalet kazanmamış egzoz gazı emme kanalına girebilir. İçsel egzoz gazı geri dönüşümü gerçekleşir, fakat volumetrik verim ve tork düşer. Yüksek devirde ise supap bindirmesini etkili olarak kullanmayı sağlar, volumetrik verim ve tork artar.

-Valf açıklığı

Valf açıklığını sınırlayan bazı faktörler mevcuttur. Örneğin alt devirde hava akışı yetersiz olduğunda, hava-yakıt karışımını hızlandırarak türbülansa sokmak gerekir. Bunun için de dar bir valf açıklığı gerekir. Güç için tam açıldığında ise limitleyici faktörler, kam profilinin aşırı agresif olmak zorunda kalması durumunda valfte yaşanacak ani ivme ve supap yüzmesi problemleri, valfin piston kafasına çarpma ihtimali gibi faktörlerdir. Ayrıca bazı motorlar, triger kayışı kopsa bile supapları pistonlara çarpmaz. Bu tarz motorlara “non interference engine” deniliyor literatürde. Ülkemizde geçmiş yıllarda örnekleri var.

Ayrıca valf açıklığının fazla oluşu ve kam profilinin dik oluşu(agresif) , peşinden oluşacak basınç dalgasının gücünü, dolayısıyla manifold içi akış rezonansını etkileyip motorun akış karakterini değiştirecektir. Uygun modifikasyon yapılırsa üst devirlerde çok daha kuvvetli bir basınç dalgası motoru beslemeye yardımcı olabilir. Lakin bu konu, valf sistemlerinden çok emme manifoldu konusu olduğundan detaya inmiyoruz. İsteyenler “helmholtz resonance theory” veya “Inertial Supercharging Effect” diye araştırabilirler.

-Valfin açık kalma süresi

Bu süreç , gene motorun çalışma şartlarından belirlenir. Üst devirlerde çok uzun süre açık kalması istenirken, düşük devirlerde gerekli valf açık kalma süresi daha düşüktür. Hatta bazı çevrimlerde, motorun aktif hacmini kısıtlamak için valf açıklığı periyodu erken kesilmek istenir.

-Kam profilleri , kullanılan malzemeler ve valf dinamikleri

Özellikle motorsporları uygulamalarında oldukça agresif kam profilleri görülebilir. Valfi dinamik olarak oldukça zorlayan bu durum, motorun yüksek devirdeki performansını etkiler. Valf malzemesinin de buna göre seçilmesi gerekir. Normal binek araçlarda egzoz valflerinde nikel krom alaşımlı paslanmaz çelikler ve son zamanlarda yaygın olarak soğutma amaçlı içi sodyum ile doldurulmuş özel valfler kullanılırken, emiş havasıyla ve çok nokta enjeksiyon motorlarda benzinle soğuduğu için emme valflerinde magnezyum-alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Performans motorlarında gerek hafiflik, gerek yüksek sıcaklığa dayanım sebebiyle titanyum alaşımları, inconel ve nimonic adlı özel alaşımlar kullanılmaktadır.

Valfin ağırlığı, motorun çıkabileceği maksimum devri limitleyen faktörlerdendir. Valf yüzmesi(valve float) problemi yaşamamak adına sert yay kullanıldığında, bu sefer de kam profillerinde ve supap yataklarında aşınma gözlemlenebilir. Ayrıca sürtünmeden kaynaklı tork kaybı da artacaktır. Bu nedenle supap ağırlığını azaltmak , oldukça gerekli bir durumdur.

Şimdi marka bazında yapılan çalışmalara göz atalım.

Alfa Romeo ve Fiat:

Alfa romeo’ların geçmiş yıllarda görülen modellerinde varyatör tipi valf zamanlayıcı görülür. Mekanik kontrollüdür. Zamanla ses yapan kronik bir arızası da mevcuttur. Sonraları fiat ile ortak motor kullanan alfa, Multiair ünitesini kullanmaya başladı. Emme egzantriği mevcut değildir. Egzoz egzantrik miline bağlı bir hidrolik ünite, milden aldığı güç ile yağı basınçlandırır. Elektronik kontrol ünitesi , selenoidler aracılığıyla basınçlı yağı iticilere gönderir. Valf zamanlaması, valf açıklığı ve süresini kontrol etmenin yanı sıra, bir çevrimde iki kez valf açmaya bile müsaade eder. Fakat şu an için bakım zorluğu ve parça fiyatı dezavantajı mevcut bir ünite.

*Toyota VVT-I, Honda I-Vtec, Mitsubishi MIVEC, Ford Ti-VCT, Bmw Vanos, Hyundai CVVT.

Bunların tamamı , değişik teknikler ile sadece valf zamanlamasını kumanda ederler. Tek egzantriği veya iki egzantriği ayrı ayrı kumanda eden versiyonları mevcuttur.

*Toyota VVTL-I ve Valvematic, Honda VTEC, Bmw Valvetronic, Nissan Neo VVL ve VVEL

Bunlar, valf açıklığını etkileyen sistemlerdir. VTEC, Neo VVL, VVTL-I sistemleri, iki farklı kam profili arasında geçiş yöntemiyle valf açıklığını değiştirirken, Valvetronic, Valvematic ve VVEL üniteleri, gaz pedalı pozisyonu ve motor devrine göre valf açıklığını sürekli olarak değiştirirler. Bu tarz ünitelerde motora giren hava akışını valf aracılığıyla tamamen kontrol etmek mümkün olduğundan, gaz kelebeğini elimine etmek mümkündür. Lakin güvenlik ve bir kaç teknik sebepten ötürü kullanılmaya devam edilmektedir.

*Honda VCM, i-vtec(jazz’larda görülen versiyonuyla) , 3 stage-vtec, VW ACT

Bunlar bir veya birden fazla valfin çalışmasını durdurarak veya tekrar devreye alarak çalışan sistemlerdir. ACT ve VCM, motorun belirli silindirlerine giden valfleri komple kapatarak silindir deaktivasyonu yapmaktadır. L13Z1 kodlu motorda görülen i-vtec prensibi ile 3 stage-vtec prensibinde ise, silindirlerin iki emme valfinden birini kapatarak yanma odasına havanın asimetrik giriş yapmasını sağlamak ve içeride doğal bir girdap oluşturarak hava-yakıt karışımını homojenize etmeye yönelik bir amaç mevcuttur. Ayrıca yüksek girdap sebebiyle EGR daha efektif kullanılabilmekte, yük istenmeyen durumlarda da görülen yüksek girdap ile gerek termal prensipler(ısı transferleri vs), gerek akış prensipleri(girdap ile düşük basınç) sebebiyle volumetrik verim kasti olarak düşürülüp içeri alınan yakıtın miktarı azaltılabilmektedir.

Sayın Metin Şanser Tekin ‘e katkılarından dolayı teşekkür ederiz.
FEV Turkey Kalibrasyon Makine Mühendisi

Click to comment

Leave a Reply

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

To Top