1. Benzin Motorları
Bir benzin (veya dizel) motorunun
görevi yakıtı hareket haline dönüştürmektir. Bunun en kolay yolu yakıtı motor
içinde yakmaktır; yanma motorun içinde olduğundan buna “iç yanmalı motor”
denir. İç yanmalı motorlar çeşitlidir; benzinli araba motorları, benzinli uçak
motorları, dizel motorları, gaz türbin motorları ve iki zamanlı motorlar örnek
olarak verilebilir.
(Yakıtın-kömür,
odun, yağ gibi-motorun dışında yandığı sistemler de vardır; bunlar “dış yanmalı
motorlar”olarak tanımlanır. Örneğin, buhar motorlarındaki yakıt motorun dışında
yanar, üretilen buhar motorda harekete dönüştürülür )
İç yanmalı motorlar
daha verimlidir ve daha küçük olduğundan arabalarda tercih nedenidir.
Dört-zamanlı (strok) motorlarda bir devir (saykıl) dört işlemden sonra
tamamlanır; emme (veya giriş), sıkıştırma, yanma ve eksoz strokları.
Benzin motorları
konvensiyonal ve ileri teknoloji (benzin-elektrik hibrid ve yakıt pili
sistemli) motorları olmak üzere iki grupta toplanabilir. Günümüzdeki motorların
çoğu konvensiyonal tip motorlardır.
Benzin motorlarında
dört temel sistem bulunur; hava, yakıt, eksoz ve motor/emisyon kontrol sistemi.
Hava sistemi motorun emme borusuna gerekli hava-yakıt karışımını sağlar. Yakıt
sisteminin görevi aracın deposundan benzinin alınıp emme borusuna taşınması ve
gerekli miktarda hava ile karışmasının sağlanmasıdır. Eksoz sistemi motorda
yakıtın yanmasıyla oluşan gazları atmosfere atar. Modern araçlardaki
bilgisayarlı motor/emisyon kontrol sistemleri dengeli yüksek güç, yüksek yakıt
ekonomisi ve düşük emisyon seviyeleri sağlanır.
Konvensiyonal
benzin motorları iç-yanmalı ve kıvılcım-çakmalı motorlardır, yakıt kapalı bir
odacıkta (silindir içindeki) yanar. (Dizel motorları da iç-yanmalıdır, ancak
bunlarda yakıt kıvılcım-çakmayla değil, sağlanan yüksek basınç ve yüksek
sıcaklıklarda kendiliğinden tutuşur.)
Benzin motorlarının
çoğu dört zamanlıdır; herbir strok pistonun silindir içinde aşağı veya yukarı
doğru hareketiyle sağlanır; pistonun her yarım hareketi bir stroku
gerçekleştirdiğinden tam bir çevrim pistonun tam iki hareketi sonunda
gerçekleşir. Yukarı harekette pistonun ulaştığı en üst nokta ‘üst ölü
nokta’dır; bu noktada ile silindirin tepesi arasında az bir boşluk vardır.
Pistonun en altta olduğu nokta ise ‘alt ölü nokta’ olarak tanımlanır.
Silindire, piston
üzerindeki boşluğa emilen yakıt-hava karışımı ve silindirden atılan yanma
ürünleri silindir emme ve eksoz valfleriyle sağlanır; silindir üstünde kalan
boşluğa ‘yanma odacığı’denir.
Bir motorun
‘sıkıştırma oranı’, yanma odacığının, piston alt ölü noktada iken hacminin,
piston üst ölü noktadaki hacmine oranıdır.
·
Emme stroku; piston üsttedir; emme valfi açılır,
piston aşağı doğru hareket eder, silindire yakıt-hava karışımı dolar.
·
Sıkıştırma stroku; piston yukarı doğru harekete
başlar; silindirdeki hava-akıt karışımı sıkıştırılır.
·
Yakma stroku; piston üst ölü noktaya ulaşırken
bir kaynakla ateşleme yapılır ve yakıt yanar; yanma sonucu oluşan gazların
basıncı pistonu aşağı doğru iter.
·
Eksoz stroku; piston dipteki seviyesine
indiğinde eksoz valfı açılır, yanma gazları eksoz valfinden silindiri terk
eder.
Bu işlem
tamamlandıktan sonra motor ikinci saykıla hazırdır; işlem, tekrar emme
strokundan başlayarak devam eder. Hava-yakıt karışımındaki yakıtın tam yanması
stökiyömetriktir, dolayısıyla hava ve yakıtın miktarları çok önemlidir; ve
ideal hava/yakıt oran 14.7/1 dir ve eksoz gazları emisyonları yönünden bu
oranın kontrol altında tutulması gerekir.
Hava motora bir
filtreden geçirildikten sonra emme valfiyle çekilir. Karbüratörlü sistemlerde
hava ve buharlaştırılan yakıt karbüratörde homojen bir karışım oluşturacak
şekilde karıştırıldıktan sonra emme valfinden silindire girer. Karbüratörler,
her tür çalışma koşullarına göre kalibre edilmeleri zor olduğundan koşullar
değiştiğinde yakıt akışını gerektiği gibi kontrol edemezler.
Yakıt injeksiyonlu
motorlarda yakıt, silindire emilmek üzere olan havanın içine bir noktadan
injekte edilir ve silindire yakıt-hava karışımı halinde girerler. İnjektörün
bulunduğu nokta yönünden değişik yakıt injeksiyon sistemleri vardır.
(a)
Bir pistonlu benzin motorunda bir silindirin tanımı, (b) Dört zamanlı bir
motorda strokların şematik görünümü
Yakıt injeksiyon
sisteminin karbüratör sistemine göre en önemli avantajı silindirlere daha
düzenli yakıt akışı sağlanması ve karbüratör buzlanmasının olmamasıdır.
Dezavantajları ise
hareketli parçaların fazlalığı, injektör yollarının çok dar olması ve tıkanma
olasılığının yüksekliği ve buhar tıkanması eğiliminin fazlalığıdır.
Motordaki yanma
gazları eksoz sistemiyle dışarı atılır. Eksoz sistemi dört kısımdan oluşur;
eksoz manifoldu, eksoz borusu, eksoz borusuna bağlı katalitik konverter ve
susturucu.
Katalitik konverter
emisyon kontrolü için geliştirilmiş olan ve 1975 yılından sonraki benzinli
araçlarda kullanılmaya başlanan bir sistemdir. Platin, palladyum ve rodyum
içeren katalizörlerle eksoz gazlarındaki çevre kirletici gazlar kimyasal
reaksiyonlarla zararsız bileşiklere dönüştürülür; örneğin, karbon monoksit ve
uçucu organik bileşikler oksitlenerek karbon dioksit ve suya çevrilir.
Motor Gücü: Bir
motorun gücü dizaynına bağlıdır. Genellikle motora giren hava miktarının
artması motor gücünü artırır. Temel dizayn kriterleri motorun yerleşim şekli,
sıkıştırma oranı ve süperşarjer veya turboşarjer oluşudur. Gücü etkileyen diğer
etkenler her silindirdeki valf sayısı ve kıvılcım çakma zamanıdır. Değişik
derecelerdeki benzinlerin ısı değerleri aynı olduğundan, antiknok performansı
(yani oktan sayısı) değişmedikçe, aynı motorda üretecekleri güç de aynı olur.
Yakıt ekonomisi:
100 kilometre için tüketilen yakıt litresiyle (L/100 km) tanımlanır. Yakıt
ekonomisini belirleyen faktörler yakıtın ısı değeri, üretildiği rafineri ve
mevsimlere göre yapılan formülasyonlar ile kullanıldığı aracın ağırlığı,
aerodinamik yapısı, yakıt sistemi, motor dizaynı ve yol durumudur. Ancak yolda
yapılan testler kullanılan benzinin ekonomikliğini ölçmede sağlıklı sonuç
vermez; çünkü yolun durumu ve hız gibi çeşitli faktörler yakıt ekonomisini
etkileyen parametrelerdir. Doğru sonuç kontrollü laboratuvar koşullarında
alınır.
2. Jet Motorları
Türbinler, hareketli bir akışkanın kinetik enerjisini
mekanik enerjiye çeviren sistemlerdir. Hareketli akışkan su, buhar, hava veya
sıcak gazlar olabilir; akarken, bir rotoru döndürür, rotor iş üreten bir
ekipmanı harekete geçirir. Buhar türbinlerinin elektrik üretiminde kullanımı
çok yaygındır.
Uçak gaz türbin motorları, yakıtın kapalı bir hücrede
yakılmasıyla sıcak ve basınçlı gaz üretilir. Motordan çıkan gaz bir türbini
döndürür, türbin de bir kompresörü harekete geçirerek motora giren havayı
sıkıştırır. Sıcak ve basınçlı gaz motoru yüksek bir hızla terk ederken uçağı
ileri doğru iten büyük bir itici kuvvet (thrust) oluşturur. Uçak türbin
motoruna bazen reaksiyon motoru da denir; çünkü Newton’un Üçüncü Kanununa tipik
bir örnektir. Üçüncü kanuna göre “her harekete karşı, o harekete eşit fakat zıt
bir reaksiyon vardır”. Burada hareket, motorun arkasından sıcak eksoz gazının
atılması, reaksiyon ise motoru, dolayısıyla uçağın ileri doğru fırlatan
kuvvettir.Gaz türbin motorları farklı fonksiyonları olan üç kısımdan oluşur:
Bir jet motoru kesiti
Sıkıştırma Kısmı: Çevre havasını çeker, sıkıştırır ve sıkıştırılmış havayı yakma kısmına verir.
Yakma Kısmı: Sıkıştırılmış havanın içine, bir dizi
nozulla sürekli olarak yakıt injekte edilir, sıcak havayla karışan yakıt
buharlaşır ve yanar, sonra sıcak yanma gazları, kompresör çıkışındaki yüksek
basınçla türbin kısmına itilir.
Türbin Kısmı: Bu kısımda bir seri stator (sabit) ve
rotor (hareketli) kanat çiftleri vardır. Gaz akımı önce stator kanatlara
çarpar, hızlanır ve oradan hareketli rotor kanatlara yönelir, çarpar ve
kanatları çevirir; bu hareket türbinlere ve kompresöre iletilir. Son olarak
sıcak yanma gazları ve hava karışımı motorun arkasındaki bir nozuldan
hızlandırılarak atılır; bu eksoz akımının yarattığı karşı kuvvet (thrust) uçağı
hareket ettirir.
Yanma olayı bir dizi oksidasyon reaksiyonlarıdır; ısı ve
ışık açığa çıkar, karbon dioksit ve su oluşur. Türbin motorlarında yanmayı
başlatacak ‘tutuşturucular’ bulunur; ilk tutuşma sağlandıktan sonra aleve
sürekli olarak yakıt injekte edilerek yanma devam ettirilir.
3. Dizel Motorları
Dizel motorları pek çok yönlerden benzin motorlarına benzer;
her ikisi de iç-yanmalı motordur, her ikisinin ve pek çok tipi dört zamanlıdır.
Dizel ve benzin motorları arasında dört temel farklılık sayılabilir:
·
Benzin motorunda yakıt, silindire çekilen
havanın içine injekte edilir (veya karbüratörlü sistemlerde karbüratörde
karıştırır) ve hava-yakıt karışımı silindire emilir. Dizel motorunda silindire
önce hava verilir, hava silindirde sıkıştırılır, sonra sıkıştırılmış havanın
içine yakıt injekte edilir.
·
Benzin motorunda hava-yakıt karışımı bir
kıvılcım oluşturularak tutuşturulur; yani benzin motoru kıvılcım-yanmalı
motordur. Dizel motorunda pistona emilen hava sıkıştırılarak yüksek basınç ve
dolayısıyla yüksek sıcaklıkta bir ortam hazırlanır; buraya püskürtülen yakıt
herhangi bir araca gerek olmadan kendiliğinden tutuşur. Bu özelliği nedeniyle
dizel motorlarına sıkıştırma-yanmalı motorlar denir.
·
Benzin motorunun gücü, silindire emilen
yakıt-hava miktarının bir klape (throttle) ile değiştirilmesiyle kontrol
edilir. Oysa dizel motorunda güç, silindire giren havanın miktarıyla değil,
sıkıştırılmış havanın içine injekte edilen yakıt miktarıyla, dolayısıyla
yakıt-hava oranının değiştirilmesiyle kontrol edilir. Bu özellik dizel
motorlarında yakıt ekonomisinin benzin motorlarından daha büyük olmasının
önemli nedenlerinden biridir.
·
Benzin motoru stökiyömetrik miktarlarla olarak
çalışır; silindire emilen yakıt-hava oranı sabittir, yani yakıtın tamamının
yanmasının sağlayacak kadar hava vardır. Dizel motorunda ise injekte edilen
yakıtın yanması için gerekli olandan daha fazla hava bulunur.
·
Dizel motorunun temel avantajı termal verimin
>%50 gibi oldukça yüksek bir değere ulaşmasıdır. En iyi benzin motorunda
bile termal verim %30-33 arasındadır. Dolayısıyla dizel motorları yakıt
ekonomisi yönünden benzin motorlarından daha avantajlıdır.
Günümüzde kullanılmakta olan dizel motorlarının çoğu dört
zamanlı pistonlu motorlardır:
Emme (intake) stroku; silindir piston içindeki en üst
konumundan en allt konumuna doğru hareket ederken emme valfi açılır ve
silindire hava dolar.
Sıkıştırma (compression) stroku; emme valfi kapanır,
piston silindirde yukarı doğru yükselmeye başlar, pistonun ilerlemesiyle içerdeki
havanın sıkışması artar ve dolayısıyla sıcaklığı da yükselerek 540 0C’nin
üstüne çıkar. Sıkıştırma strokunun sonuna yakın bir noktada silindire yakıt
injekte edilir ve çok kısa bir süre sonra yakıt kendiliğinden tutuşur.
Genişleme veya güç (expansion veya power) stroku;
yakıtın yanmasıyla oluşan sıcak yanma gazları silindirdeki basıncı daha fazla
artırarak pistonu aşağı doğru inişe geçirir.
Eksoz stroku; piston silindirdeki en alt konumuna
ulaştığında eksoz valfi açılır, pistonun yukarı doğru hareketi başlar, bu
süreçte silindirdeki yanma ürünleri eksoz valfinden dışarı atılır.
Bir dizel motorunda bir silindirin
tanımı
Sıkıştırma Oranı
Bir motor için en önemli parametre sıkıştırma oranıdır;
sıkıştırma strokunun başladığı noktadaki (alt ölü nokta) silindir hacminin,
sıkıştırma strokun sonlandığı noktadaki (üst ölü nokta) silindir hacmine
orandır. Sıkıştırma oranı arttıkça sıkıştırma stroku sonunda silindirdeki
havanın sıcaklığı da artar. Yüksek sıkıştırma oranları daha yüksek termal
verim, dolayısıyla daha fazla yakıt ekonomisi sağlar. Benzin motorlarında ise
durum farklıdır; yakıt-hava karışımının bir kıvılcımla tutuşması gerekir ve
daha düşük sıkıştırma oranları uygulanır; kendiliğinden tutuşma halinde vuruntu
denilen ve silindire zarar veren darbeler meydana gelir.
Yakıt İnjeksiyonu
Pistonun silindir içinde üst ölü noktaya ulaşmasına çok az
kala sıcak ve sıkıştırılmış hava içine yakıt injekte edilir. Yakıtın düzenli ve
tam olarak yanabilmesi için buharlaşması ve havanın içinde çok iyi bir şekilde
dağılması gerekir. Aksi halde emisyon gazlarındaki hidrokarbonlar ve tanecik
maddeler artar. Silindire injekte edilen yakıt stökiyömetrik miktarlardan daha
az olmalıdır; mevcut koşullarda yakıt ile silindirdeki havanın tamamen
karışması için hava miktarının fazlasına gerek vardır. Yakıt bir nozuldan
yüksek basınçtaki (>200 MPa) yanma odacığına injekte edilir; injeksiyon
sistemi yakıtı, hemen buharlaşıp hava ile kolayca karışması için ince spreyler
ve damlacıklar halinde püskürtür.
Dizel motorlarının (ve benzin motorlarının) gücü
silindirlere giren havayla sınırlandırıldığından gücün artırılması için havanın
da artırılması gerekir. Turboşarj ve süperşarj dizel motorlarda hava bir
kompresörle basınçlandırdıktan sonra motora verilir; havanın yoğunluğu,
dolayısıyla miktarı artırılır. Böylece daha fazla yakıt injeksiyonu yapılabilir
ve yakıt-hava oranı değiştirilmeden motorun gücü artar.
