Göklerdeki Devrim Pistonlu Motorlar

Pistonlu motorlar hava araçlarında kullanılmadan önce savaşlarda istihbarat amacı ile kullanılan balonlar da kullanılmaktaydı. Balonları bir noktaya sabitlemeleri gerektiğinden alınan istihbarat sınırlı düzeylerde kalıyordu.

Wright kardeşlerin motorlu bir uçak yapması askeri ve sivil havacılıkta bir çağ açtı.

Bu süreçten sonra uçaklarda devrim niteliğinde gelişmeler oldu. Birbirini takip eden olaylar silsilesinde  bir çok uçaklarda kullanılmaya elverişli motor üretilmiştir.                                                                                                                         

Uçaklar ve Piston Motorlar

Pistonlu motorlar uçakta ilk defa Wright kardeşler tarafından kullanıldı. “Uçan makine”nin planlarını yaptıklarında; ileri çekici kuvveti elde etmek için yüksek hızda dönen pervanelerin gerekli olduğunu ve bunun da ancak bir motorla yapılabileceğini anladılar.

Wright kardeşlerin yaptıkları çalışmalarda; iki pervaneyi döndürecek, 82 kilogramı geçmeyecek ve en az 8 beygir(6 kilowatt) gücünde bir motorun gerekli olduğunu hesaplamışlardı. Ancak, mevcut motorlar otomobil için üretildiklerinden yaptıkları tasarıma uygun bir motor bulamamışlardı.

Planlamalarına uygun motor üretimi için fabrikalara yaptıkları girişimlerden bir sonuç çıkmayınca, kendi motorlarını yapmaya karar verdiler. Yetenekli bir teknisyen olan Charles Taylor, Wright kardeşlerin tasarımına uygun bir motor yapmayı başarmıştı.

“Uçan makine” için bir buçuk ayda yapılan motor; düz bir hat üzerinde ve dört silindirli, 3,294 santimetre küp hacminde, 91 kilogram ve 12,5 beygir gücü (9,3 kilowatt) özelliklerine sahipti. Gaz kolu olmadığı için motor azami devirde çalışıyordu.

Motorlu bir Uçakla Gerçekleştirilen ilk Uçuş

Wright kardeşlerin 17 Aralık 1903’de motorlu bir uçakla gerçekleştirdikleri ilk uçuşun ardından Amerika Birleşik Devletleri ile Avrupa’da uçağın keşif (göz–fotoğraf keşfi) / bombardıman görevlerini yapabileceği ve askeri açıdan büyük yararlar sağlayacağı çok çabuk anlaşılmıştı.

Bu tarihe kadar yapılan savaşlarda, düşmanın ön cephedeki konumu ve faaliyetleri sabit bir noktadan yükseltilen balonla sınırlı bir uzaklığa kadar yapılabiliyor, cephe gerisindeki yedek birliklerin durumu ve lojistik faaliyetler gibi çok önemli bilgiler ajanlar aracılığıyla oldukça sınırlı düzeyde sağlanabiliyordu.

 

20. Yüzyılın ilk yıllarında yapılan uçak motorları basit ve beygir gücü düşüktü. Sonraki yıllarda Amerika Birleşik Devletleri, İngiltere, Fransa, Almanya, İtalya ve Rusya daha gelişmiş uçak motorlarını üretmeye başladı.

Pistonlu motorlar üretilmeden önce birçok etken dikkate alınır. Bu etkenler; hafif olması, en az düzeyde geri sürükleyici kuvvet oluşturması, uçağı havalandıracak ve uçuracak güçte olması, çalışmasının güvenilirliği ve bakımının kolay yapılmasıdır.

Uçak motorlarında azami güç, kalkış sırasında birkaç dakika kullanılır. Güvenli irtifaya çıkıncaya kadar veya planlanan irtifaya tırmanışta devir biraz düşürülür ve seyahat hızında çoğunlukla azami gücün %65 ile %75’i kullanılır. Uçak motoru üretilirken bütün bu etkenler ve kullanım özellikleri dikkate alınır.

Pistonlu motorlar iki farklı ana başlık altında toplanır silindirleri düz bir hat üzerinde sıralı(inline), veya silindirleri bir daire(radial) oluşturacak. Radial Motorlar içten yanmalı,  krank mili sabit silindirleri dönen (rotary) ve krank mili hareketli silindirleri sabit olmak üzere iki grupta sınıflandırılmaktadır.

Pistonlu Motor un Bulunuşu

Piston ve silindir ilk olarak buhar gücüyle çalışan motorun bulunmasından sonra  görülmüştür. 1765 yılında James Watt (1736–1819), buhar gücüyle çalışan pistonun ileri–geri veya aşağı–yukarı hareketi nedeniyle meydana gelen aşırı ısınmanın soğutulmasını ve pistonun krank milini ekseni etrafında döndürecek şekilde çalışmasını başarmıştı.

Bir asır sonra, 1876’da Alman mucit makine mühendisi Nicolaus Otto ve Gottlieb Daimler ateşleme ve yanmanın silindir içinde yapıldığı, benzinle çalışan, günümüzdeki otomobil motorunun ilk örneğini yaptı. Benzinle çalışan bu motor; buhar motoruna göre çok hafif, daha güvenli, çalıştırılması ve kullanılması daha kolaydı.

Pistonlu Motorların Yapısal Aranjmanları ve Çalışmaları

Isı enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemlere motor denir. Diğer bir ifade ile motor, silindir odalarındaki yakıt hava karışımının yanmasıyla elde edilen enerji sayesinde tekerleri döndüren ve taşıtların yürümesine yardım eden mekanizmadır.

Silindir odalarındaki yanma yüksek hızlıdır. Bu hız, benzinli motorlarda ortalama olarak 25 m/s’dir. Bu şekilde motorda üretilen kuvvet şaftı ve aks millerini döndürür. Bu hareket aks millerinden tekerleklere iletilir. Böylece tekerlekler dönerek taşıt hareket eder. Taşıtlarda motorlar genellikle dört, altı veya sekiz silindirli olsa da on iki ve on altı silindirli motorlar da kullanılmaktadır.

Piston, silindir içine yağ boşluğu bırakılacak şekilde serbest olarak takılır. Piston, silindir yüzeyine iyice oturmuş olsa da hareket etme kabiliyetine sahiptir. Pistonların üzerine sekman takılır ve bu boşluk alınır. Mil döndükçe kol muyluları bir daire çizer.

Piston, silindir içinde aşağı yukarı hareket ettikçe krank mili kol muylusu bir daire çizer ve krank milini döndürür. Silindir kapağında supapların takılı olduğu delikler vardır. Bu deliklerden biri silindir içine alınacak olan karışımın girişini temin eden emme portu, diğeri ise egzoz gazlarının çıkışını temin eden egzoz portudur.

Piston aşağı doğru inerken bu deliklerden emme portu atmosfere açıldığında silindir içine temiz hava emilir. Piston yukarı doğru çıkarken ise egzoz portu açıldığında da yanmış atık gazlar dışarı atılmış olacaktır. Silindir kapakları üzerinde bulunan supap tertibatları ve delikler üzerine etki eden mekanizmaların hareketi ile deliklerin açılıp kapanması sağlanır.

Benzinli Motorun Çalışma Esasları

Dört zamanlı motorlarda Otto prensiplerine göre geliştirilmiş olan dört zaman sırası vardır.

1- Üst Ölü Nokta (ÜÖN) : Pistonun çıkabileceği en üst nokta

2- Alt Ölü Nokta (AÖN) : Pistonun inebileceği en alt nokta

Benzinle çalışan buji ile ateşlemeli bir motorun zamanları görülmektedir.

Emme zamanı

Emme zamanı başlangıcında piston ÜON’da bulunur. Pistonun ÜON’dan AÖN’ya doğru harekete başlaması ile emme supabı açılır. Başlangıçta emme supabı açıldığında piston ÜON’da iken üzerindeki basınç normal atmosferik basınca, hacim ise yanma odası hacmine eşittir. Piston AÖN’ya doğru hareket ettikçe silindir hacmi büyüyeceğinden basınç düşmesi olacaktır.

Silindir içinde meydana gelen bu basınç düşüklüğü (vakum) nedeni ile karbüratörde 15/1 oranında hava ile yakıt (1 birim benzin ile 15 birim hava) karışarak emme manifoldu ve emme supabından geçerek silindirlere dolar. Piston AÖN’ya gelince emme supabı kapanır. Bu anda emme sonu basıncı 0,90 kg/cm²ye kadar düşmüştür. Emme supabının kapanması ile birinci zaman yani emme zamanı sona ermiştir.

Sıkıştırma zamanı

Emme supabının kapatılması ile silindire emilmiş olan karışımın dış hava ile ilgisi kesilir. Sıkıştırma zamanı başlangıcında piston AÖN’dan ÜON’ya doğru hareket ederken her iki supap da kapalıdır.

Piston ÜON’ya ilerledikçe silindir hacmi küçüleceğinden karışım sıkıştırılmaya başlar. Sıkıştırılan karışımın basıncı ve sıcaklığı sıkıştırma oranına bağlı olarak artar. Sıkıştırma oranının büyümesi sıkıştırma sonu basıncı ve sıcaklığının artmasına neden olur.

Sıkıştırma sona erdiği anda yani piston ÜÖN’da iken sıkıştırma sonu basıncı ortalama olarak 7-12 kg/cm², sıkıştırma sonu sıcaklığı ise 300-500 ºC arasına çıkar. Piston ÜÖN’ya geldiği anda buji vasıtası ile karışım ateşlenir. Yanan karışımın artan basıncı ile piston AÖN’ya doğru itilir. Motor rejimine göre avans ayarı ya otomatik olarak ya da elle yapılır.

İş Zamanı

Benzinli motorlarda yakıt-hava karışımının buji ile ateşlenmesi sonucu yanma başlar. Yanma sonucunda karışımın basıncı ve sıcaklığı artar. Bu basınç değeri sıkıştırma oranına ve yakıt kalitesine bağlı olarak 35 kg/cm² civarındadır. Artan bu basınç sonucunda piston ÜÖN’dan AÖN’ya doğru itilir.

Pistonu iten toplam kuvvet, piston yüzey alanına ve yanma sonu basıncına göre değişir. Piston AÖN’ya yaklaştıkça kurs hacmi büyüyeceği için bu hacim genişlemesiyle ters orantılı olarak basınç değeri azalır.

Yanma sonucu elde edilen enerji krank miline (ana mil) iletildiği için iş elde edilmiş olur. Bu nedenle 3. zamana iş zamanı veya diğer ifade ile güç zamanı da denir. Piston AÖN’ya geldiğinde egzoz supabı açılır ve iş zamanı sona erer.

Egzoz Zamanı

İş zamanının sonunda yani piston AÖN’ya geldiği anda pistonun hızı sıfıra iner. Artık yanmış gazların tüm enerjisinden yararlanılmış olup geriye kalan atık gazların dışarı atılması gerekir.

Piston ÜÖN’ya gelirken egzoz supabı açık olduğu için işi biten atık gazlar egzoz manifoldu yolu ile dışarıya atılır. 4. zaman süresi içinde yanmış gazların hepsini silindir dışına atmak genellikle mümkün olmamaktadır.

Bu nedenle egzoz supabı mümkün olduğu kadar erken açılmalı yani iş zamanının sonuna doğru egzoz supabı açılmaya başlanmalıdır. Bunu sağlayabilmek için motorun dönme hızına göre AÖN’dan itibaren 300-500° arasında bir egzoz avansının verilmesi gerekir. 4. zamanın sonunda egzoz supabının kapanmasında ise atık gazların ataleti rol oynamaktadır.

Silindir içindeki atık gazları tamamen temizlemek amacı ile egzoz supabını ÜÖN’dan biraz sonra kapatmak gerekir. Kapanmada ki bu gecikme 50-150° arasında değişmektedir.

Beygir Gücü ve Watt

James Watt piston motoru buharla çalıştırmayı başardığında bu makinenin meydana getirdiği gücü tanımlama gereğini duydu.

Bu tanımlamayı yapabilmesi için atın yaptığı çalışmayı esas aldı. James Watt; normal şartlarda bir atın değirmende buğday ve mısır gibi hububatları öğütmek için 75,4 feet’lik bir çember (24 feet çap) etrafında döndüğünü gözlemleyerek, 180 pound değerinde iş yaptığını hesapladı. Ancak bulduğu bu değer tek başına bir anlam taşımıyordu.

Çünkü bu işin ne kadar bir sürede yapıldığını hesaplamamıştı. Daha sonra yaptığı çalışmalarda atın 75,4 feet’i 1 dakikada 2,4 kez kat ettiğini ve 1 dakikadaki hızını 181 feet olarak hesapladı. Buradan 180 x 181 = 32.580 libre – dakika sonucuna ulaştı ve bu sonucu 33.000 olarak kabul etti. Günümüzde de kullanılan aşağıdaki formülü buldu.

Ancak, daha sonraki yıllarda yapılan hesaplamalarda; formül değerinin, normal bir atın yaptığı işten % 50 daha fazla olduğu saptanmıştır.

Formülde;  33.000 libre’lik bir kütleyi, 1 dakikada, 1 foot yüksekliğe çıkarmak için harcanan enerji, 1 Beygir Gücü olarak tanımlanır. Günümüzde de İngiliz ölçü birimi olan bu formül kullanılmaktadır.

Metrik sistemde:   1 kilowatt  = 102 kg.- m / saniye,

1 Beygir gücü = 0.746 kw (76.04 kg.-m / saniye)’dır.

Pistonlu motorlar da beygir gücünün artması, yanma odasının hacmi ve silindir sayısı ile doğru orantılıdır. Eger bu yazımız ilginizi çektiyse şu yazımıza da bakmanızı tavsiye ederiz.