
Termik motorlar pratik olarak 150 yıldır insanoğluna hizmet etmektedir. Bu 150 yılın ilk yıllarında su yakıt ile ısıtılıp buhar üretiliyor, ısınan buharın yanma odasında genişlemesiyle piston hareket ediyor ve bu şekilde iş üretiliyordu. Ancak 1858 yılına gelindiğinde pratik olarak geçerliliği olan yeni bir motor ortaya çıktı: İçten Yanmalı Motor.
Ticari olarak geliştirilen ilk içten yanmalı motorlarda yakıt-hava karışımı sıkıştırma olmaksızın yakılmakta idi. İşte J.J.E. Lenoir (1822-1900)’in geliştirmiş olduğu ilk içten yanmalı motor bu prensibe göre çalışmaktadır. Yakıt-hava karışımı yarım strok boyunca emiliyor ve hemen ateşleme yapılıyordu. Ateşleme ile piston itiliyor ve güç üretiliyordu. Güç üretimi bir strok boyunca devam etmekteydi. Yarım stroktan oluşan egzoz ile birlikte bir çevrim tamamlanmaktaydı. Bu hali ile Lenoir’in motoru iki zamanlı (iki stroklu) bir motordur.
Lenoir’in geliştirmiş olduğu bu tip motorlar 1860-1865 yılları arasında yaklaşık 5000 adet üretilmiştir. Bu motorların güçleri ise boyutlarına bağlı olmakla değişmekle birlikte 6 BG (beygirgücünü)’i geçmiyordu. Verimleri ise en fazla %5 değerlerinde idi.
Lenoir’in yaptığından daha önemli bir çalışmayı 1867 yılında Nicolaus A. Otto (1832-1891) ve Eugen Langen (1833-1895) yaptı. Otto ve Langen serbest bir piston ve dişliyi ivmelendirerek silindir içinde vakum yaratıyor, bu vakum etkisi ile hava-yakıtı bir miktar sıkıştırıp yakıyordu. Emme, ateşleme ve egzoz zamanları bir valf sayesinde yapılıyordu. Bu sayede içten yanmalı motorların verimleri %11’e kadar çıkmıştır ve bu motorlardan da yaklaşık 5000 adet üretilmiştir.
Bu gelişmeye rağmen içten yanmalı motorların verimleri hala çok düşüktü ve ağırlıkları oldukça fazlaydı. Ancak aradan çok süre geçmemişti ki Otto 4 zamanlı bir motor yapmayı önerdi. Bunlar emme, sıkıştırma, ateşleme ve güç zamanları olan bir motordu. Hatta Otto daha da ileri giderek sıkıştırmayı artırmak için harici bir sistem önerdi fakat pratikte başarıya ulaşamadı.
Otto’nun önerdiği 4 zamanlı ilk motor 1876 yılında üretildi ve endüstri alanında büyük bir heyecan uyandırdı. Öyle ki, bu motorlardan 1890 yıllarına kadar yaklaşık 50 000 adet üretilmiştir, ABD’ye ve Avrupa Ülkeleri’ne satışları olmuştur. Tablo’da Otto-Langen’in motoru ile Otto’nun 4 zamanlı motorunun karşılaştırılması verilmiştir:
Otto ve Langen’in 1867 yılında geliştirmiş oldukları motor ile Otto’nun 4 zamanlı motorunun kıyaslanması | ||
Otto ve Langen | Otto 4 Zamanlı | |
Fren Beygirgücü | 2 | 2 |
Kurs hacmi (litre) | 80.1 | 5.07 |
Ağırlık (kg)(yaklaşık olarak) | 1814.4 | 567 |
Dakikadaki güç stroku | 28 | 80 |
Devir sayısı (dev/dak) | 90 | 160 |
Mekanik verim (%) | 68 | 84 |
Toplam verim (%) | 11 | 14 |
Genişleme oranı | 10 | 2.5 |
Otto 4 zamanlı motorları üretilmeye devam ederken 1884 yılında ilginç bir gelişme yaşandı. Fransa Hükümeti’nden 1862 yılında alınmış fakat daha önce yayını yapılmamış bir patent yayınlandı. Bu patent Alphonse Beau de Rochas (1815-1893)’a aitti ve 4 zamanlı motor çevriminin ilkelerini ortaya koyuyordu. Bu bildiri Otto’nun buluşu üzerinde şüpheler meydana getirdi ve Almanya Hükümeti Otto’nun patentini geçersiz saydı. Beau de Rochas 4 zamanlı motorun ilkelerini ortaya koymakla kalmamış, bir motorun maksimum verimle çalışabilmesi için gerekli şartları da ortaya koymuştu. Bunlar:
- Minimum yüzey alanına sahip en büyük silindir hacmi,
- Olabildiğince yüksek motor devri,
- Olabilecek en büyük genişleme oranı,
- Genişlemenin başlangıcında olabilecek en büyük basınç.
Bu ilkelerden ilk ikisi silindir cidarlarından olabilecek ısı transferini minimuma indirme şartıdır. 3. şart daha sonraki çevrimde yüksek güç elde etmek için genişlemenin maksimum olması gerektiğini yani silindir içinde egzoz gazı kalmaması gerektiğini ifade etmektedir. 4. şart ise egzozun iyi yapılabilmesinin ancak iyi bir sıkıştırma ile olabileceğine dikkat çekmektedir.
Beau de Rochas’ın yayınlanmayan bu buluşu Otto’nun gelişmelerinden sonra ortaya çıkmıştır. Ancak şu da bir gerçektir ki, Beau de Rochas bu fikirlerini asla pratiğe indirmemiştir. Bu yüzden bugün dahi modern içten yanmalı motorların mucidi olarak Nicaluas Otto bilinmektedir.
Otto’nun bu başarısı daha sonraki gelişmeleri tetiklemiştir ve büyük bir ivme kazandırmıştır.
1880’lerde, içlerinde Dugald Clerk, James Robson ve Karl Benz’in bulunduğu bir grup mühendis iki zamanlı motoru geliştirdiler. Bu motor emme ve egzoz zamanlarını güç-sıkıştırma strokları arasında yapmaktaydı. Günümüzde hala kullanımı olan iki zamanlı motorlar kullanılmaktadır. 2 zamanlı motorlara kimi zaman “2 zamanlı Otto motoru” denilmektedir. Fakat bu ifade doğru değildir. 2 zamanlı motorun mucidi Otto değil, Dugal Clerk ve arkadaşlarıdır.
1880’lerde motor teknolojisinde meydana gelen bu gelişmelerin yanısıra içten yanmalı motorların kullanım alanı da genişleme göstermiştir. İlk defa 1880’li yıllarda otomobillerde içten yanmalı motorlar kullanılmıştır. İlk zamanlarda otomobillerde özgül gücünün yüksek olmasından dolayı iki zamanlı motorlar tercih edilmiştir.
James Atkinson(1846-1914), sıkıştırma stroğundan daha fazla genişleme stroğu yapan bir motor yaptı. Bu sayede yüksek verimler elde edilebiliyordu fakat mekanik problemlerde vardı. Atkinson bu çalışmaları yaparken sıkıştırma oranının verim üzerinde doğrudan etkili olduğunu ve uygun bir yakıt kullanılıp vuruntu önlenirse çok yüksek sıkıştırma oranlarına dolayısıyla da daha yüksek verimlere çıkılabileceğini farketti.

Honrsby-Akrody’nin geliştirmiş olduğu motor (1899)
1880’lerin sonlarına doğru ise üretilen karbüratörler, ateşleme sistemleri yüksek hızlı motorlar için uygun hale geldi ve otomobillerde kullanılmaya başlanıldı.
1890’ın ikinci yarısında İngiltere’de 1.3 metre çapa sahip, gaz ocağından beslenen, patlamanın ocak içinde meydana geldiği tek silindirli bir motorüretildi. Bu motor 90 d/d’da 600 BG güç üretebilmekteydi. Ancak İngiltere’deki yasal zorunluluklar onları tekrar gazyağı kullanmaya yöneltti. Düşük sıkıştırma oranına sahip yağlar dıştan yanmalı motorlarda kullanıldı. Ateşleme sistemlerini geliştirilmesiyle bu motorların verimleri %14-18 oranlarına çıktı ve benzin motorlarıyla yarışabilecek hale geldi. Şu an pek bilinmesede Hornsby-Akroyd motorları o dönemde sıvıyağ ile çalışan en popüler motordu ve ABD’de ün yapmıştı.

Felix Wankel’in geliştirmiş olduğu döner pistonlu motor.
1892 yılında Alman Mühendis Rudolf Diesel (1858-1913) patentini almış olduğu yeni bir içten yanmalı motorun konseptini ana hatlarıyla ortaya koydu. Onun konseptinde, sıkıştırma sonunda ısınan havaya yakıt enjekte ediliyordu ve bu sayede güç üretiliyordu. Bu konsept sayesinde diğer içten yanmalı motorlardan tam iki kat daha fazla verim elde edilebiliyor üstelik vuruntu problemi de meydana gelmiyordu. Rudolf Diesel’in bu fikri Ausburg’taki M.A.N. firmasının desteğiyle pratiğe dönüştürülebildi ve yaklaşık 5 yıl sürdü. İlk çıkan sıkıştırmayla ateşlemeli bu motorlar yüksek derecede gürültülü, büyük, yavaştı. 1920’li yıllarda çok silindirli sıkıştırmayla ateşlemeli motorların yapılmasıyla bu problemler kısmen çözülmüş ve bu motorların kullanım alanı artmıştır.
Motor alanındaki gelişmeler Diesel’in buluşuna kadar ivmeli bir şekilde gitmiştir ve motor endüstrisi oldukça büyümüştür. Daha sonra motorgeliştirme çalışmaları devam etmekle beraber devrim niteliğinde sayılabilecek son buluş Wankel tarafından yapılmıştır. Alman mucid Felix Wankel tarafından bulunan bu motora Döner Pistonlu Motor (veya Wankel Motor) adı verilmiştir ancak 1957 yılına kadar başarılı bir şekilde test edilememiştir. Wankel Motor’un gelişmesi ilk yıllarında yavaş olmakla birlikte günümüzde geliştirme çalışmaları devam etmektedir.
Wankel’in motorundan bu yana yapılan ve devrim niteliğinde sayılabilecek bir motor teknolojisi yoktur. Ancak motor geliştirme çalışmaları sürdürülmekte, gelişen kontrol yöntemleriyle daha hassas kontrol yapılabilmektedir. Motor parametrelerinin daha kolay kontrol edilebiliyor olması mevcut motorların veriminde artışa sebep olmaktadır. Bunun yanında farklı krank-biyel mekanizmaları (örneğin DUKE MOTOR) denenmiş/denenmektedir; pistonların farklı şekillerde çalıştırılması (örneğin Aktif Silindir Teknolojisi) vb. yöntemlerle motor verimi arttırılmaya çalışılmakta, yakıt tasarrufu yapılmaya çalışılmaktadır.
YARARLANILAN KAYNAKLAR:
-Internal Combustion Engine Fundamentals, John B. Heywood,McGraw-Hill,1988
-Engineering Fundamentals of Internal Combustion Engine, Willard W. Pulkrabek, Prentice Hall
Adem ORUZ
3 Haziran 2015
Pingback: Motor Teknolojilerinin Motor Verimine Etkisi |