İçten Yanmalı Motorlar (Internal Combustion Engines) Bu derste, öğrenciye içten yanmalı motorların yapısı, çalışma şekli ve termodinamik analizi ile ilgili temel bilgilerin ve motor teknolojisindeki yenilik ve gelişmelerin verilmesi amaçlanmaktadır. Prof.Dr. Yurtsever SOYSAL Biyosistem Mühendisliği

DERS AKIŞI – 1 Motorların tarihsel gelişimi, sınıflandırılması, yakıtlar ve yanma Motorların çalışma ilkeleri ve Termodinamik çevrimleri Motorlarda güç ve verim; indikatör diyagramları, Motorların ana yapı elemanları (hareketsiz parçaları) Motorların ana yapı elemanları (hareketli parçaları) Otto motor yakıt donanımı, Egzoz gazındaki zararlı bileşenlerin azaltılması Dizel motor yakıt donanımları, Süperşarj sistemi Elektrik donanımı; akümülatörler, şarj jeneratörleri, konjektörler, marş motorları, marş motorlarına ilişkin hesaplamalar

DERS AKIŞI – 2 İşlenmiş konularla ilgili problem çözümü Ateşleme donanımı; klasik tip bobinli, kesicili transistorlu, elektronik, tam elektronik, bujiler ve ön ısıtma devreleri Yağlama donanımı; motor yağları, yağlama yöntemleri, yağ pompasına ilişkin hesaplamalar Soğutma donanımı; motorlarda uygulanan soğutma yöntemleri, soğutma donanımına ilişkin hesaplamalar Motorların denenmesi, Güç frenleri, Termik motorları deneme yöntemleri, deney sonuçlarının düzeltilmesi Motorlarda kullanılan alternatif güç kaynakları İşlenmiş konularla ilgili problem çözümü.

ÖNERİLEN KAYNAKLAR SARAL, A. ve A. ONURBAŞ 2006. Termik Motorlar (Yeniden Düzenlenmiş IV. Baskı). Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, Ankara, 302s. YAVUZCAN, G. ve A. SARAL, 1993. Termik Motorlar uygulama Örnekleri. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları:1303, Yardımcı Ders Kitabı:378, Ankara, 7s. GESHIDLE R., 2001. Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik, Verlag Europa- Lehrmittel. Dusselberger Strasse 23, 42781 Haan-Gruiten, 648s. SABANCI A. ve A. IŞIK, 2012. İçten Yanmalı Motorlar. Nobel Akademik Yayıncılık Eğitim Danışmanlık Tic. Ltd. Şti. Yayın no: 289, Teknik- Mühendislik No: 19, Cağaloğlu, İstanbul, S 231.

Genel Tanımlar & İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi

Giriş Enerji üreten veya üretilmiş enerjiyi kullanarak bir hizmet üreten düzeneklere makine denir. thermic: termik, ısıl (yanma esaslı) yakıt enerjisi  mekanik enerji yakıtın yakılarak, yakıt içinde bulunan kimyasal ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümü Yapısında bulunan yanma odasında yakıtı havanın oksijeni ile yakarak yakıt enerjisini önce ısı enerjisine dönüştüren, sonra da bu enerjiyi hareketli organları yardımıyla mekanik enerjiye dönüştüren makinelere TERMİK MOTOR (İçten Yanmalı Motor) denir.

Endüstriyel İşletmelerde … Neden ? Giriş İçten Yanmalı Motorlar güç kaynağı olarak çok çeşitli alanlarda önemli oranda kullanılırlar. Motorlu taşıtlar İnşaat Makineleri Tarım Kesiminde Endüstriyel İşletmelerde … Neden ? Yakıt enerjisinden yararlanan diğer makinelere göre verimleri en yüksek Silindirleri her konumda yerleştirilebildiğinden çeşitli ortamlara uygun olarak tasarlanıp imal edilebilirler Kolay ve hızlı bir şekilde işletilmeye hazırdırlar Bakımları kolay ve ucuzdur Kullandıkları yakıtlar kolay taşınabilir özelliktedir

Giriş Çok küçük veya çok büyük güçlü olarak imal edilebilirler En yaygın kullanılanlar orta güç grubunda yeralır Az yer kaplayan motor istekleri için yüksek devirli Otto motorlar (benzinle çalışan) veya Wankel motorları (Döner pistonlu motor) tercih edilir Çok büyük güçlü motorlar, genellikle Dizel motorlarıdır (düşük devir sayılı, örnek: gemi motorları)

İçten Yanmalı Motorlarda Farklı Silindir Yerleşimlerine Örnekler Giriş İçten Yanmalı Motorlarda Farklı Silindir Yerleşimlerine Örnekler

Giriş Otto ve Dizel Motorları birbirinden ayıran en önemli husus; yakıt-hava karışımının oluş biçimi ve yakıt-hava karışımının tutuşturulma yöntemidir. Dizel motorlarda (Motorin yakıtlı) silindir içine emilen havanın sıkıştırma sonunda sıcaklığı yükselmekte ve yanma odasına püskürtülen yakıt kendiliğinden tutuşarak yanmaktadır. Bu motorlarda sıkıştırma sonunda yeterli sıcaklığa ulaşabilmek için sıkıştırma oranı daha yüksektir.

Bu motorlarda sıkıştırma oranının belli bir değerin üzerine çıkması; Giriş Otto motorlarda (Benzin yakıtlı) silindir içine önceden hazırlanmış yakıt-hava karışımı emilmekte, sıkıştırma sonunda bu yakıt-hava karışımı bir ateşleme sistemiyle (buji) kıvılcım oluşturularak tutuşturulmaktadır. Bu motorlarda sıkıştırma oranının belli bir değerin üzerine çıkması; sıkıştırma sonu sıcaklığının yakıtın kendiliğinden tutuşmasına neden olacak düzeye ulaşmasına ve motorun düzensiz (vuruntulu) çalışması ile motor parçalarının zarar görmesine neden olmaktadır.

Giriş Döner Pistonlu Motorlarda (Wankel Motor) yakıt- hava karışımının emilmesi ve sıkıştırılması işini oval bir silindir içinde dönü hareketi yapan üçgen prizma biçimindeki bir piston yapmaktadır. Yakıt-hava karışımı bir ateşleme sistemiyle (buji) kıvılcım oluşturularak tutuşturulmaktadır. Bu motorlarda piston gidip-gelme (alternatif) hareketi yerine dönü hareketi yapar ve motor sarsıntısız çalışır. Üçgen kesitli pistonun her yüzü ayrı görev yaptığı için bir devirde üç iş zamanı bulunmaktadır. Bu nedenle döner pistonlu motorlar daha hafif yapılıdır.

Motorlarda verim/güç yükseltme? Giriş Termik motorlarda verim genellikle 0.27-0.43 arasında bulunmaktadır. Otto motorlarda verim dizel motorlara kıyasla daha düşüktür. Motorlarda verim/güç yükseltme? Motorun daha etkin soğutulması Yanma odasının uygun şekillendirilmesi Yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi sonucunda Yüksek sıkıştırma oranlarında bile vuruntusuz çalışma sağlanarak motorlarda verim ve birim hacimden elde edilen güç arttırılabilmektedir. Otto motorlarda sıkıştırma oranını arttırmaya dayalı güç ve verim artışının son noktasına erişilmiştir.

Giriş Termik motorlarda termodinamik/mekanik bakımlarından yapılan AR&GE çalışmaları Yanma öncesi, karışımın fiziksel ve kimyasal bakımdan incelenmesi yoluyla uygun düzenlemelerin yapılması Yanma esnasında meydana gelen vuruntunun önlenmesi Dizel motorlarda kolay tutuşmanın sağlanması Süper şarjlı motorlarda sıkıştırılmış gazlardan silindir çeperine ısı iletimi yüksek olduğundan, özellikle hava soğutmalı motorlarda, silindirlerin daha iyi soğutulması Motor mekaniği ve sıcaklık bakımından dayanıklı malzemelerin geliştirilmesiyle motor parçaları/motorun hafif yapılı olması Motor elemanlarının uygun şekillendirilmesi yoluyla daha dayanıklı ve hafif yapı elde edilmiş Böylelikle motor devir sayısı ve gücünde artışlar sağlanmıştır.

Genel motor yapısındaki değişiklikler kullanma amacına bağlıdır Giriş Genel motor yapısındaki değişiklikler kullanma amacına bağlıdır Motor gücünün artışına bağlı olarak; artan silindir sayısı, farklı silindir dizilişleri; Dikey, yatay ve düşey konumlarda olmak üzere; bir sıra, iki sıralı, çok sıralı, V-dizilişinde, W-dizilişinde, Yıldız dizilişinde motorlar İmalat (Döküm) tekniğindeki gelişmelere bağlı olarak silindirler ve ana mil üst muhafazası komple (tekparça/yekpare) imal edilebilmektedir.

Giriş Güç, devir sayısı ve motor ömrünün yıldan yıla artmasına karşın motor kütlesinin azalması yolundaki gelişmeler malzeme konusunda sürdürülen AR&GE çalışmalarının sonucudur Yüksek çalışma sıcaklığına karşın, yağlama yağı ve yapım malzemelerinde sağlanan gelişmelerle; sürtünen parçaların (yataklar, piston ve silindirler, supaplar ve burçlar) daha uzun ömürlü olması sağlanmıştır Motor kütlesinin azaltılması ve birim hacimden elde edilen gücün arttırılması, İşletme emniyeti, Dayanıklılık ve ekonomiklik en önemli hedeflerdendir. Daha yüksek güçlü ve verimli motorların geliştirilebilmesi için; devir sayısının arttırılması, zorunlu doldurma ve motor yakıtlarının özelliklerinin iyileştirilmesi yönündeki çalışmalar sürmektedir.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1680 - Çalışabilen ancak kullanışlı olmayan ilk içten yanmalı motor 1680 yılında Hollandalı Christiaan Huygens ’in yaptığı barutun yanması ile çalışan pistonlu makinedir. Kapalı bir silindir içinde patlayan barut kayabilen bir pistona etki ederek pistonu hareket ettirmekte idi.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1698 — İngiliz Thomas Savery ilk buharlı makineyi yaptı 1769— İngiliz James Watt uzun süreli çalışan buharlı makinayı yaptı

Buhar makinası Yakıt, makinanın çalışan organı dışında yakılır İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi Buhar makinası Yakıt, makinanın çalışan organı dışında yakılır Yanan yakıt ile kazandaki su buharlaştırılır Su buharı, pistonlu veya döner hareketli buhar makinasına iletilir Böylece, ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşür Enerjisini kaybeden (soğuyan) buhar tekrar su halinde kazana döner (devir-daim)

Buhar Makinası

Buharlı Traktör

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1769 - Kendi kendine hareket eden ilk araç İsveçli mühendis ve topçu yüzbaşı Fardier Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) tarafından yapılmıştır. Fransız ordusu için 1765 yılında başladığı çalışmalarını 1769 yılında tamamlayarak buhar türbinini geliştirmiş ve 3 tekerlekli bir arabanın önüne kazanı ile birlikte bir buhar makinesi monte ederek ilk motorlu taşıt olarak kabul edilen ateşli askeri traktörü Fardier’i üretmiştir.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi İki silindirden oluşan bu makine saatte 4-5 km hızla 15 dakika hareket edebiliyordu. İlk buharlı yol aracı Fardier at arabaları ve kağnıların arasında kendini gösterirken denemeler sırasında duvara çarparak, motorlu araçlar tarihindeki ilk trafik kazasına da imzasını atmıştı. Cugnot’un yaptığı otomobil halen Paris sanayi müzesinde saklanmaktadır.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1824-içten yanmalı makinelerin, özellikle diesel motorlarının temel ilkeleri, genç Fransız mühendisi Sadi Carnot tarafından ortaya atıldı: a-Yakıtın sıkıştırılmış hava içinde kendiliğinden yanması. 15/1 oranında sıkıştırılan havanın 300°C ye kadar ısınması ve bu durumdaki havanın kuru odun parçalarını yakması. b-Yanmadan önce havanın sıkıştırılması. Carnot, yanmanın atmosferik basınç yerine yüksek basınçta olmasını ve yakıtın sıkıştırma sonunda ilave edilmesi gerektiğini düşündü ve enjektörü keşfetti.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi c-Makine silindirlerinin soğutulması. Carnot, devamlı bir işletme için silindir duvarlarının soğutulmasının gerekli olduğunu buldu .Profesör R. Diesel buna inanmadı, fakat çetin çalışmalar neticesinde bu konuda Carnot ile aynı fikre sahip oldu. d-Egzost gazlarının ısısından yararlanma. Yüz seneden daha fazla bir zaman geçtikten sonra, Carnot un bu buluşundan egzost gazlarını bir kazanın boruları arasından geçirmek suretiyle yararlanma yoluna gidilmiştir. Halen gemilerde ve endüstride bu ilkeden yararlanılarak egzost gazlarının artık ısısından faydalanılmaktadır.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1860 - İlk petrol kuyularının kazıldığı yıllarda gaz yakıt ile çalışan ticari bakımdan elverişli ilk motor Belçikalı mühendis Jean Joseph Etienne Lenoir (1822-1901 ) tarafından yapılmıştır.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1862 - Fransız mühendisi Alphonse Eugene Beau de Rochas ( 1818-1893 ) 4 zamanlı çevrimin esaslarını ortaya koydu. Böylece 1. zamanda emilen yakıt hava karışımının ateşlenmesinden önce sıkıştırılması gerektiği prensibi de Rochas tarafından bulunmuş oldu.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1867 - Alman mühendis Nicholaus August Otto ve Eugen Langen ( 1833-1895 ), Rochas’ın bulduğu prensipleri pratiğe çevirerek dört zamanlı çevrime sahip motoru yapmışlardır. 1875—Viyanalı Siegfried Marcus ( 1831-1898 ) geliştirdiği motorla viyana sokaklarında 12 km hızla gezerken halkın panik yaşamasına sebep olmuş birkaç kaza yapmıştır. 17 suçtan mahkemeye verilen Marcus keşif yapmayı bıraktı.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1876 - Nikolaus August Otto ( 1832- 1891 ), uzun yıllardan beri sürdürülen "Güç Kaynağı" arayışına son vererek ilk dört zamanlı gaz motorunu üretti. Otto’nun yaptığı 4 Zamanlı motorda ateşleme alevle yapıldığı için motor dakikada 150-200 devire çıkabiliyordu. Kontrollü bir ateşlemesi olmayan bu motor geniş bir uygulama alanı bulamadı. 1878—İngiliz mühendisi Dugal Clerk iki zaman esasına göre çalışan ilk motoru bulmuştur. Bu motorda dört zamanlı motordaki emme ve egzoz supapları yerine, silindirin yan tarafında bulunan emme ve egzoz pencereleri bulunmaktadır.

1880 - Amerika’da George Brayton benzin yakıtlı motor yaptı. İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1880 - Amerika’da George Brayton benzin yakıtlı motor yaptı.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1886 - Alman Karl BENZ 14,5 km/saat hız yapabilen satış amaçlı ilk arabayı üretti. Karl Benz 3 tekerlekli otomobili yaparak fabrika etrafında deneme turları atmıştır. Ancak araç dört turdan sonra bozulmuştur.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1890 - Herbert Akroyd Stuart Bir kaza sonucunda kızgın bir yere değen gaz yağının hava ile karışarak yandığını gördü. Bu olaydan etkilenerek yaptığı deneylerle motorunu geliştirdi ve patentini aldı. 1890 - Bir Alman mühendis olan Capıtaine , Akroyd’un motoruna benzeyen bir motorun patentini aldı. Bu motorlar yarım dizel ( kızgın kafalı ) motorların esasını oluşturdu.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1897 - Yılında yapılan üçüncü makine RUDOLF Diesel in tam bir başarısı ile sonuçlandı. Bu üçüncü makine dört stroklu, sıkıştırma sonu basıncı 30 - 40 kg/cm2 olan, su ile soğutmalı ve yakıtı yüksek basınçlı hava (70 atm) ile püskürtülen bir makineydi. Teoride %75.6 verim alıyordu. Elbette bu teori sağlanamadı. Bu motordaki teknik verim % 24 ‘e kadar yükselmişti. Bu güne kadar bu motorlar üzerinde bir çok değişiklik yapılmasına karşın Rudolf Dizel’in koyduğu esaslar değişmediğinden bu motorlara dizel motorları adı verilmiştir. Bu üçüncü denemeydi çünkü ilkinde Almanya da yakıt bulunmadığından makinasını kömür tozu yakacak şekilde yaptı fakat başarılı olamadı, bir diğer denemesinde ise silindirlerin soğutulmaması ve havanın 100 kg/cm2 ye kadar sıkıştırılmak istenmesi Diesel’in bu ilk makinesinin başarısızlığına sebep oldu.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1954 – Döner Pistonlu Motor ( Rotary-Wankel motoru) Felix Wankel tarafından geliştirilmiştir. Az sayıda ve basit yapılı organlardan oluşuyor Verimi düşük Mevcut motor (alternatif hareketli) yatırımları gelişmesini engelliyor

1902 yılında “Mixte-Wagen” adını verdiği aracı tanıtmıştır. İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1902 – hem benzinli hem de elektrik motoruyla ilerleyebilen ilk aracı 27 yaşındayken Ferdinand Porsche yapmıştır. 1902 yılında “Mixte-Wagen” adını verdiği aracı tanıtmıştır. Viyanalı bir fayton üreticisi olan Ludwig Lohner ile birlikte çalışan Porsche 4 silindirli bir Daimler motoruna aküler, bir jeneratör ve elektrik motorları ekledi. Bu haliyle Mixte benzinli motor stop edildiğinde bile akülerin çalıştırdığı elektrikli motorla ilerlemeye devam edilebiliyordu.

1934 — Citroen seri olarak önden çekişli araç üretmeye başladı İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1908 — ABD'li Henry Ford T modeli adındaki ilk seri üretim otomobili yaptı. İlk üretim bandı fikrinin de babası olan Ford 1913 de günde 1000 araba üretebiliyordu 1924 — MAN'ın ürettiği bir kamyon direk enjeksiyonlu dizel bir motoru kullanan ilk vasıta idi 1934 — Citroen seri olarak önden çekişli araç üretmeye başladı 1938 — İsviçreli kamyon üreticisi Saurer ilk turbo motorlu kamyonu üretti 1973 — Avrupa'da seri olarak turbo motorla üretilen ilk otomobil BMW 2002 oldu.

İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1984 — Turbo üreticisi Garrett intercooler adını verdiği bir turbo soğutucusu geliştirdi. Bu sayede türbine giren hava soğutularak turbonun performansı artırıldı. 1990 — Common Rail motor teknolojisi FIAT GROUP tarafından geliştirildi, fakat Robert Bosch GmbH tarafından patenti alındı. 1997 — İlk Common Rail, Alfa Romeo 156 2.4 JTD ve Mercedes-Benz C 220 CDI araçlarında kullanıldı.