ALTERNATİF İÇTEN YANMALI MOTORLARÖZET Yeni motor tasarımlarının bir kısmında, pistonların dört zamanı oluşturmak için yaptıkları doğrusal hareketi, sabit bir durumda değil, bir eksen etrafında dönerken gerçekleştirme eğilimi dikkat çekmektedir. Bu da motora, sadece bir eksende hareket eden pistonlu motorlara oranla ölü noktaları aşmada ve dolayısıyla pistonun eylemsizlik kuvvetini yenmede daha fazla avantaj sağlamaktadır. Buna karşın yeni tasarımların çoğunda motorun tüm çalışma rejimlerinde, silindir hacmi, yanma odası hacmi, emme ve egzoz supaplarının açılıp kapanma miktar ve süreleri sabittir. Bu da motorun diğer çalışma rejimlerinde optimum sıkıştırma oranının elde edilememesine ve motorun termik veriminin ve volümetrik veriminin düşmesine sebep olur. Bu sebeple değişken sıkıştırma oranlı ve değişken supap zamanlaması ve açıklığına sahip yeni tasarımlar ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada alternatif olarak geliştirilen motorlar ele alınarak klasik tip pistonlu motorlarla karşılaştırılmış ve bu alternatif motorların gelecekteki muhtemel gelişmeleri tartışılmıştır. 1. GİRİŞ Enerji kaynakları hızla tükenen dünyamızda enerjiyi daha tasarruflu kullanabilen sistemlerin yapılması ve kullanılması gereği gittikçe daha fazla önem kazanmaktadır. Motor üreticisi firmalar, birim ağırlıktaki motordan birim yakıt başına düşen güç miktarını arttırırken egzoz emisyon değerlerini en iyimser rakamlara ulaştırmanın nasıl mümkün olabileceği konusunda tam bir yarış içerisindedirler. Her geçen gün dünyada, bilinen içten yanmalı motorlardan farklı tasarıma sahip alternatif içten yanmalı motor patenti alınmaktadır. Mucitlerin bir kısmı bu buluşlarını uygulayıp tanıtımını yaparken bir kısmı da uygulama yapmadan lisans satışına başvurmaktadır. Alternatif içten yanmalı motor buluşlarından bir kısmı, bu gün itibariyle uygulama alanı bulamamış olsa da teknolojideki bu hızlı gelişme sürecinde gelişecek olan işlem ve materyaller sayesinde yaygınlaşabileceklerdir. Yeni motor tasarımlarının bir kısmında piston çapına göre küçük olan emme ve egzoz supapları kullanılmayıp bunların yerine büyük kanalların kullanıldığı ve böylece bir yandan parça sayısı azaltılırken diğer yandan da volümetrik verimin daha da iyileştirilmesi çabaları göze çarpmaktadır. Bu yeni motorların bir çoğunun ortak özelliği, kam mili, supaplar ve bunlarla ilişkili olarak çalışan doğrusal hareketli diğer parçaların kullanılmamasıdır. Sistemlerin bazılarında krank mili, silindir ve piston yine kullanılıyorken bazılarında ise bu motor elemanlarının da kullanılmadığı görünmektedir. Ancak krank milinin kullanılmadığı yeni motor tasarımlarının ortak özelliği, piston-silindir geleneğinin dışına çıkması ve böylece standartlaşmış işlem, makine, parça ve yöntemlerden faydalanmanın mümkün olamamasıdır. Standartlaşmanın dışına çıkan yeni bir motoru bekleyen olumsuz sonuçlar söz konusudur. Bunlar: - Üretim maliyetinin daha fazla olması. - Üretim için özel yöntem, makine ve teçhizatın gerekliliği ve bunların dünya çapında yaygınlaştırılması gereği. - Motorun herhangi bir yerinde meydana gelen arızanın standart işlemler bilgisi olan kişiler tarafından giderilememesi ve daha uzun bir sürede yapılabilmesi. İmal edilen motor, eğer çok önemli sayılabilecek avantajlara sahip değilse yukarıdaki dezavantajlar sebebiyle yaygınlaşması mümkün olamamaktadır. 2. ALTERNATİF İÇTEN YANMALI MOTORLAR 2.1. Üçgen Rotorlu Motor Şekil.1. "Üçgen Rotorlu Motor" genel görünümü ve çalışma biçimi Dışta sabit durumda bulunan pistonlar, klasik motorlardaki gibi düzgün doğrusal hareket yaparak dört zamanı oluşturmaktadır. Buradaki fark, krank mili kullanılmayıp onun yerine ortada bir rotor kullanılmasıdır (Şekil 2.1). Pistonlar serbest olup rotorla bir bağlantısı yoktur. Üçgensel yapıya sahip olan rotorun ok yönündeki dönme hareketinden pistonların kurs hareketi oluşmaktadır. Sıkıştırılan yakıt-hava karışımının buji tarafından ateşlenmesiyle oluşan basınç, pistonu ters yöne doğru iter ve böylece piston da rotoru ok yönünde döndürmektedir. 5,529,029 numaralı U. S. A. patentine sahip bir Kanada buluşu olan motorun, klasik motorlara göre parça sayısı, kapladığı alan ve bakım masrafı daha az, üretimi ve montajı daha kolay olmaktadır. Bu sistemin temeli iki ana mekanik prensibe dayanır. Takoz ve kaldıraç. Daha yüksek devirlere ulaşılabilmektedir. Kolay ve modüler tasarım, alçak devirlerde yüksek tork çıktısı, hareketli parça sayısının az olması, termik veriminin yüksek olması avantajlarıdır. Kanada'nın Toronto kentindeki bir mühendislik firmasının bilgisayar simülasyon programıyla yapıp 1997 yılında Dallas'ta "International Mechanical Engineering" konferansında, sunduğu performans testlerinin sonuçlarına göre genel verimde ortalama %50'lik bir artış görülmüştür. Prototip üzerinde yapılan ölçümlere göre ise bu artış 25% olarak görülmüştür. 2.2. Türbin Tipi Motor Şekil.2. "Türbin Tipi Motor" çalışma prensibinin şekillerle gösterilmesi 6,164,263 numaralı U. S. A. ve 2,192,714 numaralı Kanada patentine sahip olan buluş, Şekil 2.2.'de görüldüğü gibi dört parçadan oluşmuş olan rotor kısmı, oval olarak yapılandırılmış bir kayıt içerisinde dönerken Wankel motoruna benzer şekilde kayıt iç çeperi ile rotor arasında oluşan farklı hacimlerdeki boşluklardan faydalanılarak dört zaman oluşturmaktadır. Wankel motorundan farklı olarak her çevrimde üç değil dört iş zamanı oluşmaktadır. Şekil.3. Türbin Tipi Motor üretimi Şekil 2.4. Tork-Güç-Emme hacmi grafiği Küçük hacimli olarak yapılandırılabilmesi geleneksel pistonlu motorlara göre daha kolaydır (Şekil 2.3) ve ağaç kesme makinelerinde başarı ile uygulanmaktadır. En az %20 enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Titreşim ve gürültü değeri daha düşük olmaktadır. Şekil 2.4'te görüldüğü gibi düşük sıkıştırma oranlarında standart Otto ve Dizel çevrimlerine göre daha iyi çalışmaktadır. QT400 serisi hava soğutmalı küçük bir prototip bu motorların havacılık sanayinde kullanılabilirliğini göstermektedir. Birçok uygulamaları vardır. Motorun, motor çıkış mili cinsinden her 360 derecede dörtten fazla iş zamanı üretebilmesi için aynı konfigürasyonun tekrar kurulması gereği, hassas imalat mühendisliği gerektirmesi, yağlama ve sızdırmazlık bir sorun gibi görünmektedir. 2.3. Dönel Gövdeli Tip Markel Motor Şekil 2.5. "Dönel Gövdeli Tip Markel Motor" çalışma prensibi Şekil 2.5.'te çalışma biçimi açıklanan Dönel Gövdeli Tip Markel Motor U. S. A. patentine sahiptir (1). Silindir bloğu içindeki pistonlar yanma sonucu oluşan basınç sayesinde içinde bulunduğu silindir bloğuyla birlikte merkeze kaçık olarak duran çıkış milini döndürmektedir. Krank mili yerine ortada duran ve silindir bloğu ile 1/1 oranında dönen bir mil vardır ve pistonlar bu mile bağlıdır. Her piston için 720 derecede bir iş zamanı oluşmaktadır. Şekil.6. "Dönel Gövdeli Tip Markel Motor" genel görünümü Geleneksel pistonlu içten yanmalı motorlara göre titreşimi ve parça sayısı daha az, imalat maliyeti daha ucuz bir motordur. Hava soğutmalı olup soğutmalıdır (Şekil 2.6). Mekanik tasarımı basittir. Çevrim verimi %30 daha fazla olmaktadır (Şekil 2.7). 2.4. Küre Pistonlu Motor Şekil.8. "Küre Pistonlu Motor" çalışma prensibi Şekil 2.8.'de görüldüğü gibi piston olarak kullanılan bilyeler, yanma odasındaki basıncın etkisi ile oval biçimindeki kayıta baskı yaparak dönektedir. Böylece içinde bulundukları silindir bloğunu da döndürürler. Her bir bilye için çıkış mili cinsinden 360 derecede bir iş zamanı olur. Verimi yüksek, sürtünme kayıpları azdır. Dezavantajları şöyle sıralanabilir. - Kurs boyu en çok küre yarıçapı kadar olabilir. - Küçük üretimlerde buji ve/veya enjektör, egzoz ve emme kanalı aynı yere sığmaz. - Bilyelerin yüksek miktarda ısı ve basınca maruz kalan kısımları, silindir iç yüzeyi ve küre yolunda sürtünürken yüzeylerde bozulmalar olabilir. Ayrıca piston-silindir arasında sızdırmazlık ve yağlama sorunu ortaya çıkar. Kompresör olarak kullanılırsa bu dezavantajlar görülmez. Şekil 2.9'da görüldüğü gibi prototip üzerinde yapılan ölçümlerde geleneksel motorlara göre birim kurs başına. düşen güç miktarı daha yüksektir. Şekil.9. Geleneksel içten yanmalı motorlarla karşılaştırması 2.5. Altı Stroklu Motor Şekil.10. Motosiklette kullanımı Şekil 2.11. Çalışması

Şekil 2.11'de görüldüğü gibi karşılıklı olarak çalışan pistonlar 6 strokta 4 zamanı gerçekleştirir. Yukarıdaki piston alttakinin 1/2'si oranında hareket eder. 5,713,314 numaralı U. S. A. patentine sahip olan motor, hava soğutmalı olup (Şekil 2.10) özellikle motosiklette kullanılmaktadır. Prototip üzerinde yapılan ölçümlerde geleneksel motorlara göre düşük gaz kelebek açıklığında %35, yüksek gaz kelebek açıklığında %13 yakıt ekonomisi belirlenmiştir. Dört stroklu pistonlu motorlara göre yakıt-hava karışımının yanması, portların açık kalma süreleri ve elde edilen basınç için kullanılan birim süre daha uzun olduğundan yanma daha verimlidir. Tork değerleri daha yüksek, emisyon değerleri daha düşüktür (Şekil 2.12) Şekil.12. Basınç-hacim ve tork-açı grafikleri karşılaştırması 2.6. Palet Kanatlı Dönel Motor Şekil.13. "Palet Kanatlı Dönel Motor" çalışma prensibinin şematik görünümü Şekil 2.13'te görüldüğü gibi bu buluşta dört adet palet kullanılmaktadır. Karşılıklı aynı renkteki ikişer palet birbirine bağlı olmak üzere birbirleriyle değişken oranda dönmesi sağlanmıştır. Bu paletlerin arasında yakıt-hava karışımının sıkıştırılıp yakılmasıyla güç üretilmektedir. Şekil 2.13. a)'da 1 ve 3 numaralı palet arasında emme, 3 ve 2 numaralı palet arasında sıkıştırma, 2 ve 4 numaralı palet arasında iş, 4 ve 1 numaralı palet arasında ise egzoz zamanı gerçekleşmektedir. Şekil 2.13. b)'de 2 ve 4 numaralı palet 1 ve 3 numaralı paletten daha az dönmüş olduğundan 2 ve 3 numaralı paletlerin arasına alınmış olan yakıt-hava karışımı sıkıştırılır ve buji ile ateşlenir. Şekil 2.13 c)'de çıkış mili cinsinden toplam 90 derecelik hareket gerçekleşmiş 1 ve 2 numaralı palet için gerçekleşen adımlar 4 ve 3 numaralı paletler için gerçekleşecektir. Her çevrimde palet sayısı kadar iş zamanı üretilmektedir. Geleneksel pistonlu motorlardaki gibi kompresyon segmanları kullanılmamaktadır. Sürtünme kayıplarının azlığı mekanik verimliliğini arttıran bir faktördür. Silindir ile piston arasındaki boşluk toleransı kolaylıkla ayarlanabilmektedir. Otto çevrimindeki gibi piston kütlelerinin doğrusal hareketinden kaynaklanan eylemsizlik kuvvetinin dezavantajı yoktur. Palet grupları birbirleriyle etkileşerek zamanların oluşmasını sağlamaktadır. Ayrıca Stirling motoru olarak da yapılandırılabilir . 2.7. Dönel Pistonlu Motor Şekil.14. "Dönel Pistonlu Motor" çalışma prensibi Şekil 2.14'te görüldüğü gibi krank milinin kullanıldığı sistemde çevresel olarak yerleştirilmiş dişliler yardımıyla piston-silindir mekanizmasının çıkış mili merkezinde dönmesi sağlanmaktadır. Şekil 2.14. a)'da 1. piston emme, 2. piston ise iş zamanını gerçekleştirmektedir. Şekil 2.14 b)'de 1. piston emme, bitirmiş ve sıkıştırma zamanına başlamıştır. 2. piston ise iş zamanını bitirmiş egzoz zamanına başlamıştır. Şekil 2.14 c)'de 1. piston sıkıştırma zamanını bitirmiş ve iş zamanını gerçekleştirmektedir. 2. piston ise egzoz zamanını bitirmiş emme zamanını gerçekleştirmektedir. Şekil 2.14 d)'de 1. piston iş zamanını bitirmiş ve egzoz zamanına başlamıştır. 2. piston ise emme zamanını bitirmiş sıkıştırma zamanına başlamıştır. Şekil.15. "Dönel Pistonlu Motor" iç görünümü Her bir piston için motor çıkış mili cinsinden her 360 derecede bir iş zamanı oluşturmaktadır (Şekil 2.14). Sabit durumdaki krank milinin titreşim problemi bir ölçüde aşılmıştır. Yüksek devirli ve küçük motor hacmine sahiptir. Piston çapı kadar olan emme ve egzoz portları sebebiyle volümetrik verim yüksektir (Şekil 2.15). Her piston için ayrı bir krank mili ve dişlisi kullanılma zorunluluğu, silindir üst kısmı ile dairesel kayıt arasındaki sızdırmazlık ve piston sayısının bu konfigürasyonla iki ile sınırlı olması bir sorun olarak göze batmaktadır (Şekil 2.14), (Şekil 2.15). 2.8. Salınım Kanatlı Motor Şekil.16. "Salınım Kanatlı Motor" çalışması ve pistonlu motorlarla karşılaştırması Sri Lanka çıkışlı ve patent numarası 10353 ve 10905 olan motorda yarım dairesel olarak hareket eden bir rotor piston görevi görmekte ve her iki tarafta da iş zamanı oluşturmaktadır (Şekil 2.16. b). Geleneksel pistonlu motorlarda pistonun hareketinin krank miline iletiminde oluşan açısal kayıpların ortadan kaldırılmasına çalışılmıştır (Şekil 2.16. a). Elde edilen yarım dairesel hareket motorun arka kısmındaki mekanik dişli düzeneğiyle düzgün dairesel harekete dönüştürülmüştür. Şekil.17. "Salınım Kanatlı Motor" iç yapısı Geleneksel içten yanmalı motorlara göre performansı ve verimi yüksek, hafif, ilk çalışması kolay, düşük hızlarda yakıt tasarrufu sağlayabilen, iç direnci ve egzoz emisyon değeri düşüktür. Teorik analize göre aynı silindir hacmindeki klasik pistonlu bir motora göre 1,55 kat da ha yüksek güç üretmektedir. Birçok dişli kullanma zorunluluğu, parça sayısının ve hacminin fazla olması, dezavantajları arasında sayılabilir. 2.9. Karşılıklı Pistonlu Dönel Motor Şekil.18. "Karşılıklı Pistonlu Dönel Motor" çalışma prensibi Bu buluşta dört adet kısmi torus biçiminde piston kullanılmaktadır. Karşılıklı ikişer piston birbirine bağlı olmak üzere birbirleriyle değişken oranda dönmesi sağlanmıştır (Şekil 2.18). Pistonların arasında yakıt-hava karışımının sıkıştırılıp yakılmasıyla güç ve hareket iletimi sağlanır. Geleneksel motorlara göre daha küçük (Şekil 2.19), kullanımı kolay, titreşimi azdır. Her çevrimde piston sayısı kadar iş zamanı üretilmektedir. Sürtünme kayıplarının azlığı mekanik verimliliğini arttırmaktadır. Otto çevrimindeki gibi pistonların doğrusal hareketinden kaynaklanan eylemsizlik kuvvetinin dezavantajı yoktur. Şekil 2.18 a)'da 1. ve 3. pistonlar sıkıştırma, 2. ve 4. pistonlar egzoz, Şekil 2.18 b)'de 1. ve 3. pistonlar iş, 2. ve 4. pistonlar emme, Şekil 2.18 c)'de 1. ve 3. pistonlar egzoz, 2. ve 4. pistonlar sıkıştırma, Şekil 2.18 d)'de 1. ve 3. pistonlar emme, 2. ve 4. pistonlar iş, Şekil 2.18 e)'de 1. ve 3. pistonlar sıkıştırma, 2. ve 4. pistonlar egzoz zamanını gerçekleşmektedir. Yatakla pistonlar arasındaki tolerans hassasiyeti, üretim güçlüğü, yağlama ve sızdırmazlık çözülmesi gereken sorunlardır. Şekil.19. "Karşılıklı Pistonlu Dönel Motor" prototip 2.10. Eliptik Motor Nadir AKSOY tarafından geliştirilen Eliptik Motor, silindirlerin içinde bulunan pistonların eliptik biçimdeki kayıtın iç kısmındaki hareketleri ile yanma odası oluşturması ve burada sıkıştırılan yakıt-hava karışımının yakılması ile ortaya çıkan basınç sayesinde pistonların silindirlerin içinden çıkarken silindir bloğunu döndürmeleri esasına dayanır (Şekil 2.20.), (42). Şekil 2.20. "Eliptik Motor" ön kesit görünüşü Şekil 2.20'de görüldüğü gibi oluşan basınç, dönüş süreci içinde kayıtın eksenine değişken açılarda etki ettiğinden, pistonlara bağlı olan bilyeler döner. Böylece silindir bloğu da kendi ekseni etrafında döner (65). Geleneksel pistonlu içten yanmalı motorlara göre avantajları şunlardır: - Krank mili ve dişlisi, kam mili ve dişilisi, manifoldlar, supaplar ve diğer doğrusal hareket elemanları, soğutma suyu ile ilgili parçalar olmadığından sürtünme kayıpları, titreşim miktarı ve imalat masrafı daha düşüktür.