Silindir Konfigürasyonlarına Göre Motorlar 1. Bölüm: Neden Motor Şekilleri Birbirinden Farklıdır, Motorun Şekli Neden Önemlidir?

Bundan önceki yazılar arabalarda kullanılan içten yanmalı motorların nasıl çalıştığı ve benzerlikleri/ farkları üzerineydi. Şu ana kadar kullanılan yakıt cinsi, silindir şekli ve çevrim gibi farklılıklar üzerinde durduk. Bu yazıda birden fazla silindire sahip motorların silindirlerinin birbirlerine göre konumu, yani motor şekilleri ve bu şekillerin arabalara etkisi üzerinde duracağız.

Birçoğu günümüzde popülerliğini yitirmiş olsa bile, araba motorlarını silindirlerinin konumlandırılmasına göre yaklaşık 50 farklı şekilde konfigüre etmek mümkündür. Peki neden tek tip motor kullanmıyoruz, motor şekilleri neden birbirinden farklı?

• Her araba belli bir amaca yönelik üretilir. Motor seçimi de arabanın üretiliş amacına uygun olmadılır. Örneğin performans amaçlı üretilen bir araçta ekonomik veya düşük performanslı bir motor kullanmak anlamsızdır. 

• Motor için ayrılan alan kısıtlıdır; diğer bir deyişle motorun, motor için ayrılan alana sığması gerekir. Her arabada motor için ayrılan alan şekil, konum ve büyüklük/küçüklük açısından farklılık gösterir. Motor arabanın önüne, arkasına, ortasına; diklemesine, enlemesine... yerleştirilebilir.

• Vergi, ağırlık, emisyon değerleri, akaryakıt fiyatları gibi kısıtlamaların olduğu ülkelerde ağırlık, hacim, verim vs. ölçütler çok önemli yer tutar. Araba üreticileri de bu değerleri göz önünde bulundurarak amaca yönelik motorlar üretmek zorundadırlar. Örneğin biz çoğunlukla motor hacmine göre vergi ödenen bir ülkede yaşıyoruz. Akaryakıt fiyatları yüksek, ayrıca belirli emisyon değerini aşan araçların trafiğe çıkmaları yasak. Bu demek oluyor ki, Türkiye'de araba satmak isteyen bir otomobil üreticisi bu şartlara uygun bir motor üretmek zorunda; aksi halde başarılı olamaz.

• Her motor tipinin kendine özel ağırlık merkezi vardır. Motorun arabayı oluşturan bileşenlerin birçoğundan daha ağır olduğu ve arabanın ağırlık merkezinin büyük oranda ağır bileşenlerin ağırlık merkezinden etkilendiği düşünüldüğünde, farklı motor tiplerinin önemi bir kez daha ortaya çıkar. Motorun sahip olduğu ağırlık ve ağırlık merkezinin konumu sayesinde araç daha stabil bir karaktere sahip olabilir. 

• Hacmi, silindir sayısı, kullandığı yakıt vs. aynı olsa bile motorun şekli değiştiği zaman performans, verim, motor ömrü, yakıt tüketimi, gürültü, titreşim, ses gibi özellikler de değişir. Bu da demek oluyor ki farklı motor şekilleri, kullanıldığı araca diğer araçlardan çok farklı bir kişilik kazandırır. 

Şimdi tüm bu yazılanları zihnimizde daha iyi canlandırmak için iki farklı araç üzerinde duralım: ilk aracımız orta büyüklükte günlük kullanıma yönelik, 2. aracımız ise spor kullanıma yönelik fakat belirli bir motor hacmini aşmaması gereken bir araba olsun.

İlk aracın kullanılış amacı bellidir: şehir içinde günlük işleri halletmek, işe gidip gelmek vs. Yani ağır olmayan işlerde sık kullanıma uygun ve ekonomik bir motor bu aracın ilk önceliğidir; yüksek performanslı, ağır, gürültülü bir motor bu araç için uygun değildir. Bu aracın motoru seçilirken bunlara dikkat edilecektir.

İkinci araç ise spor kullanıma yönelik bir araç, yani aracın ve motorun ağırlığı, ağırlık merkezi, ivmelenmesi, performansı, sesi... gibi özellikler ön planda. Fakat bir nedenden dolayı (vergi sistemi, motor için ayrılan yer vs.) belirli bir hacmi geçmeyecek motor kullanılması gerekiyor. Bu durumda aracın üreticisi motorun kaç silindire sahip olacağı, silindir şekli ve konumlandırması gibi etkenler üzerinde yoğunlaşmak ve belirli bir motor tipini - araca en uygun tipi - seçmek zorunda. Aksi halde araç bekleneni vermeyebilir veya üretiliş amacından sapabilir.

Bu gibi etkenler arabalarda birbirinden farklı motor tiplerinin kullanılmasını gerekli kılar. Arabada uygun motor kullanıldığı zaman kullanıcı beklediğini alır, üretici daha yüksek bir başarı sağlama şansını elde eder. Aksi taktirde araç tutulmayabilir, marka imajı zedelenebilir ve üretici kullanıcının gözünde değersizleşebilir.

Wankel (Rotary) Motor Nedir, Nasıl Çalışır? Artıları ve Eksileri Nelerdir?

Wankel motorunun mucidi Alman bir mühendis olan Felix Wankel'dir, adı buradan gelir. Yakıt olarak benzin kullanır, çevrimi Otto'dur. İlk olarak 1920'li yıllarda üretilmiş ve günümüze kadar olan süreçte geliştirilmeye devam etmiştir. Bu motor tipi hakkındaki yazıya başlamadan önce Wankel motorunun neler yapabildiği ve ne amaçla kullanıldığı hakkında daha fazla fikir edinebilmek için şu videoyu izlemek yerinde olacaktır (şunu unutmayın, bu arabaların motor hacimleri yaklaşık olarak Polo, Yaris, Corsa vs. araçlarla eşit ):

Videodan da anlaşılacağı üzere Wankel motoru küçük hacmine rağmen yüksek devirlerde aynı hacimdeki motorlara oranla daha fazla beygir gücü üretebilen bir motor çeşididir. Tıpkı motorsikletlerde kullanılan motorlar gibi çok çabuk devirlenebilir, 10000 rpm civarı devirlere rahatlıkla ulaşabilir ve motor modifikasyonlarına tatmin edici sonuçlar verir.

Wankel motoru, aynı beygir gücünü veren diğer motorlara göre daha hafiftir, daha kompakttır ve daha az hareketli parçaya sahiptir. Bu özellikleri Wankel motorunu performans amaçlı üretilen arabalar için cazip kılar. Türkiye gibi motor hacmine bağlı olarak vergi ödenen ülkelerde avantajlıdır. Titreşim ve sarsıntı açısından diğer motorlara oranla daha sıkıntısızdır. Bu artılarına rağmen Wankel motorunun bakım maliyetleri yüksektir, sürtünen yüzeylerin alanı fazladır ve yakıt tüketimi fazladır. Çok yaygın bir motor olmadığı için herhangi bir serviste bakımının/tamirinin yapılması zordur ve parçaları kolay bulunmaz. Günümüzde kullanılan Wankel motorları kullanıma bağlı olarak ömrünü yüz bin kilometre civarında tamamlar, özel bir yağ kullanır ve agresif kullanımda 100 kilometrede 20-30 litrelere varan yakıt tüketimi değerlerine ulaşabilir. Şöyle de denebilir, küçük hacmine rağmen sahip olduğu şaşırtıcı artılarına ek olarak yine şaşırtıcı eksileri de vardır. Peki tüm bu güç nereden geliyor? Wankel Motorunun çalışma prensiplerinin diğer motorların çalışma prensiplerinden farkları nelerdir?


Wankel Motoru 4 zamanlı bir pistonsuz (ing:pistonless) motordur. 4 zamanda meydana gelen tüm olaylar pistonun içindeki şekli üçgene benzeyen fakat kenarları dışa kavisli bir rotor etrafında gerçekleşir ( bu motora rotary engine denilmesi bu sebeptendir, rotary = rotorlu). Rotor bir mil yardımıyla eksantrik (ing:eccentric) (eksenden kaçık) olarak döner. Motorun iç yüzeyi oval şekildedir, rotor döndükçe farklı bölgelerdeki hacim ve basınç değişir, bu sayede kinetik enerji üretilir.

1. zamanda rotorun dönmesiyle birlikte motora yakıt+hava karışımı girmeye başlar. Hacmin genişlemesi daha fazla karışım alınmasına olanak sağlar. Gerekli miktarda karışım alındıktan sonra rotorun hareketi sayesinde yakıtın alınması süreci sonlanır. Motorun içi oval şekilde olduğu için 1. zamanın sona ermesiyle birlikte 2. zaman başlar; rotorun hareketi hacmi düşür ve basıncı yükseltir. Sıkışmış ve basıncı yükselmiş karışım artık yanmaya hazırdır, diğer benzinli motorlarda olduğu gibi yanma tepkimesinin başlaması için Wankel motorunda da buji (ing: spark plug) kullanılır. 3. zamanda bujilerden çıkan kıvılcım sayesinde yanma tepkimesi başlar, yanma sonucu atık gazlar (egzos gazları) üretilir, bu da iç hacmin genişlemesine neden olur. Kinetik enerji bu safhada üretilir. Son olarak sıradaki çevrimin gerçekleşmesi için motorun içerisinin atık gazlardan arındırılması gerekir, bu 4. zaman yani egzos zamanında gerçekleşir. Rotor dönmeye devam eder ve küçülen hacim atık gazları egzos açıklığından dışarı çıkmaya zorlar. Bu sayede 1 tam çevrim tamamlanmış olur.

Wankel motoru bir veya birkaç rotora sahip olabilir. Birden fazla rotor varsa, bu rotorların konumlandırılması biri diğerinin arkasına gelecek şekilde (arka arkaya olacak şekilde) yapılır, altlı-üstlü veya karşılıklı bir konumlandırma söz konusu değildir. Günümüzde Wankel motorunu kullanan firmalardan en bilineni Mazda'dır, Wankel motorunu RX serisi araçlarında kullanmıştır.

Küçük hacimli bir Wankel motorunun neler yapabildiğini daha detaylı görmek için şu verilerden faydalanabiliriz, veriler RX serisinin güncel versiyonu olan RX8 modeline aittir:

1.3 litre motor hacmi, 8200 devir/dakika'da 240 hp güç, 0-100 km/saat 6.5 saniye, 240 km/saat maksimum hız. Yüksek bakım maliyetleri, kötü yakıt ekonomisi ve özel bakım gerekliliklerine rağmen bunları yapabildiği için RX8 hala kullanılmaya devam edilen araçlardan biri.

haftalar sonra gelen ek:

Hemi Motoru ( Hemi Engine ) Nedir, Diğer Motorlardan Farkları Nelerdir?

Önceki yazılarda bahsettiğimiz benzinli ve dizel motorlar 1900'lü yıllardan önce üretilen ve kullanılan motorlardır. Her geçen gün otomotiv endüstrisi kendini yenilemekte ve geliştirmektedir, bu gelişimin önemli bir kısmı motor teknolojilerine aittir. İçten yanmalı motorların geniş bir coğrafyada tanınmasının ardından farklı ülkelerden farklı geliştiriciler motorlar üzerinde çalışmaya başladı. Bu çalışmaların ilk sonuçlarından biri hemi motorudur (ing: hemi engine). 1900'lü yılların başlarında üretilip kullanılmaya başlanmıştır. Bu motora hemi denilmesinin sebebi silindir kapaklarının yarım daire (ing: hemisphere) şeklinde olmasından dolayıdır.

Çalışma mantığı benzinli motorla aynı olan bu motoru farklı kılan birkaç özelliği vardır. İlk farklılık silindir kapağının ve pistonun şeklidir. Standart bir motorda pistonun üst yüzeyi ve silindir kapağı düz iken, hemi motorunda bu bileşenler oval şekildedir. Silindir kapağına ek olarak piston üst yüzeyinin de oval yapılmasının sebebi piston üst ölü noktadayken hacmi daha da düşürerek daha yüksek basınç elde etmektir ( İdeal gaz denklemini hatırlayın: hacim düşerse basınç yükselir).

Bir diğer farklılık, emme ve egzos valflerinin sayısıdır. Diğer motor tiplerinden farklı olarak hemi motorunda valfler yarım küre şeklindeki bir yüzeye yerleştirildiğinden bu valf sayısı ve konumlandırmasında bir takım kısıtlamalara neden olur. Daha net kavramak için şöyle düşünün: bir yarım küre şeklinde bir de düz bir zemin üzerinde destek almadan ayakta durmaya çalışıyorsunuz. Hangi yüzeyde daha kolay durursunuz? Düz bir zeminde mi, yarım küre şeklinde bir zeminde mi aynı anda daha fazla kişi ayakta durabilir? Silindir kapağının şeklinden dolayı hemi motorunun valf konumlandırması ve sayısı diğer motorlara göre daha kısıtlıdır.

Silindir kapağının iç yüzeyinin yarım daire olması, düz bir zemine göre daha az yüzey alanına sahip olmak demektir. Daha az yüzey alanı, ısı kaybının azaltılmasında önemli bir rol oynar (İlk yazılardan hatırlayacağınız üzere üzerinde konuştuğumuz motorlar ısı motorlarıdır, ısıyı ne kadar verimli kullanabilirsek o kadar çok fayda sağlarız).

Hemi motorunda kullanılan valfler standart valflere oranla daha büyüktür ve çapraz konumlandırılmıştır. Bu sayede motor yüksek devilerde normale oranla daha fazla güç üretebilir, piston içerisindeki gaz akışı daha verimli hale getirilebilir. Piston içerisindeki gaz akışı daha iyi kontrol edildiği zaman, her bir yeni çevrim başlamadan önce silindirin içerisisi normale oranla daha temiz hale getirilebilir, emme zamanında yakıtın silindire alınma süresi kısaltılabilir ve yakıt miktarı istenilen düzeyde kontol edilebilir.

Bu gibi birkaç avantajına rağmen Hemi motoru, diğer motorlara oranla daha ağırdır. Bakım maliyetleri daha yüksektir. Bu ve benzeri birkaç sebepten dolayı  günümüzde hemi motorları birkaç marka dışında kullanılmamaktadır. Hemi motorlaru kullanmaya devam eden üreticilerden biri Chrylser'dir. 60'lı yıllarda Hemi'yi marka olarak ticarileştirerek yüksek hacimli motorları araçlarında ve bazı yarışlar için özel olarak üretilen araçlarda kullanmıştır ve kullanmaya devam etmektedir. Birçok farklı marka tarafından da geçmişte veya günümüzde kullanılmasına rağmen günümüzde Hemi motorlarına en çok yüksek motor hacmine sahip, keyfi kullanıma yönelik araçlarda rastlamaktayız.

Dizel Motoru (Diesel Çevrimi) 4 Zamanlı Dizel Motoru Nasıl Çalışır, Çalışma Prensipleri Nelerdir?

Dizel motoru bir fosil yakıt olan motorinle çalışır. Motorinin kimyasal yapısı benzinden farklı olduğu için motorin içeren yanma reaksiyonları benzin içerenlerden farklılık gösterir. Bu farklardan en belirgin olanı ise motorinin başarılı bir şekilde yanması için gereken basıncın benzinden çok daha fazla olmasıdır. Bu nedenle bir dizel motor silindirinin içindeki hava benzin motoru silindirinin içindeki havadan kat kat fazla sıkıştırılır. Bu işlemi kolaylaştırmak için turboşarj adı verilen bir sistem kullanılır. Turboşarjla birlikte havanın basıncı motora girmeden yükseltirir bu da motorun volumetrik veriminin artmasını sağlar. İkinci büyük farklılık ise dizel motorlarda ateşleyici olarak buji kullanılmamasıdır. Dizel motorlar ve benzinli motorlar arasındaki tüm farklar sonraki bir yazıda ele alıncaktır. 4 zamanlı bir dizel motor silindirindeki 1 tam döngü şu şekilde gerçekleşir:

1. Zaman: Emme (ing: intake) Bu aşamada emme valfi açıktır ve silindire benzin motorunda olduğu gibi yakıt- hava karışımı değil sadece hava alınır. Benzinli motorda emme pistonun üst ölü noktadan alt ölü noktaya doğru hareketi esnasında oluşan vakum yardımıyla tamamlanır fakat bu sistem dizel motora çalışması için gereken havayı sağlamakta yetersiz kalır. Bunun yerine motora yüksek basınçlı hava sağlayan bir turboşarj ünitesi kullanılır, bu sayede motora hem daha çok hava alınmış olur hem de silindir içindeki havanın basıncı nispeten daha yüksektir. Emme valfinin kapanmasıyla 1. zaman tamamlanmış olur.

2. Zaman: Sıkıştırma (ing: compression) Sıkıştırma zamanında valfler kapalıdır ve piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya hareket eder. Bu hareket esnasında basıncın yükselmesinden dolayı silindir içerisindeki hava ısınır. Bu aşamada dizel motorun benzinli motordan farklı bir yönü daha ortaya çıkar: dizel motorun sıkıştırma zamanı sonunda silindir içindeki havanın basıncı, benzin motorunun silindiri içindeki havanın basıncından kat kat fazladır. Yani silindir içindeki havanın sıcaklığı benzinli motora göre anormal derecede yüksektir. Piston üst ölü noktaya ulaştığında 2. zaman tamamlanmış olur.

3. Zaman: Yanma (güç) (ing: power): İkinci zaman sonucu silindir içerisindeki yüksek basınca ve sıcaklığa sahip bir ortam oluşur ve silindirin içi yanma tepkimesine hazır hale gelir. Bir enjektör vasıtasıyla silindir içine yakıt püskürtülür ve yanma tepkimesi başlar. Bu tepkime sonucu sıcaklık ve basınç daha da arttığı için piston üst ölü noktadan alt ölü noktaya hareket etmeye zorlanır. Pistonun bu hareketi sayesinde mekanik enerji üretilir. Piston alt ölü noktaya ulaştığında 3. zaman tamamlanmış olur.

4. Zaman: Egzos (ing: exhaust): 3. zamanın tamamlanmasıyla pistonun içi atık gazlarla dolar ve bir sonraki çevrim için bu gazların tahliye edilmesi gerekir. Egzos valfi açılar ve piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya hareket eder. Silindir içi hacim azaldığı için atık gazlar ortamı terk etmeye zorlanır ve egzos valfi açıklığından dışarı atılır. 4. zaman tamamlandığında silindir bir sonraki çevrime hazır hale gelir.

Benzin Motoru (Otto Çevrimi): 4 Zamanlı Benzin Motoru Nasıl Çalışır, Çalışma Prensipleri Nelerdir?

Benzin motoru bir fosil yakıt olan benzini kullanır ve benzinin yanması sonucu meydana gelen değişiklikler sayesinde mekanik enerji üretir. 4 zamanlı benzin motorunun bir silindirinde meydana gelen 1 tam çevrimde sırasıyla şu olaylar meydana gelir:

1. Zaman: Emme (ing: intake): Yakıt ve hava karışımı emme manifoldundan silindire alınır. Emme zamanı esnasında silindirin hacmi genişler, bunun sebebi pistonun üst ölü noktadan (ing: top dead center) alt ölü noktaya (ing: bottom dead center) doğru hareket etmesidir. Silindire alınan karışım emme valfi (inlet valve) aracılığıyla kontrol edilir.

2. Zaman: Sıkıştırma (ing: compression): 1. zamanın tamamlanmasıyla emme valfi kapanır. Alt ölü noktadaki piston üst ölü noktaya doğru hareket etmeye başlar. Piston üst ölü noktaya yaklaştıkça hacim azalır, basınç artar, basıncın artmasından dolayı içerideki gaz karışımının sıcaklığı basınçla orantılı olacak şekilde artar. Piston üst ölü noktaya ulaştığında sıkıştırma zamanı tamamlanmış olur ve piston içindeki sıkışmış ve ısınmış hava ve yakıt karışımı yanma tepkimesi gerçekleştirmeye hazır hale gelir.

3. Zaman: Yanma (güç) (ing: power): Tepkimeye girmeye hazır haldeki karışıma buji (ing: spark plug) vasıtasıyla kıvılcım verilerek tepkimenin başlaması için gereken aktivasyon enerjisi düzeyine ulaşılır ve tepkime başlar. Yakıtın oksijenle yanma reaksiyonuna girmesi sonucu ( yanma reaksiyonları ısı açığa çıkaran (egzotermik) reaksiyonlardır) silindir içerisindeki sıcaklık aniden aşırı derece yükselir ve basınç artar. Silindir teorik olarak pistonlu bir kap olduğu için artan sıcaklık ve basınç pistonu alt ölü noktaya gitmeye zorlar. Piston alt ölü noktaya geldiğinde 3. zaman tamamlanmış olur.

4. zaman: Egzos (ing: exhaust): Piston alt ölü noktadadır ve silindirin içi tepkime sonucu üretilen atık gazla doludur. Dördüncü zaman silindirdeki atık gazların dışarıya tahliye edilmesi sürecidir. Egzos valfi açılır ve piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya hareket eder. Bu hareket piston içi hacmi küçülttüğü için atık gazları egzoz valfi açıklığından silindiri terk etmeye zorlar. 4. zaman tamamlandığında 1 tam çevrim tamamlanmış olur.

Motor Nedir, İçten ve Dıştan Yanmalı Motor Nedir? 4 Zamanlı İçten Yanmalı Motor Nasıl Çalışır?

Bir arabayı tanımak, nasıl çalıştığını anlamak için incelenmesi gereken ilk yer motordur. Her ne kadar arabalarda kullanılan içten yanmalı motorlar yerini yavaş yavaş elektrik motorlarına bıraksa da, arabalar da dahil olmak üzere dünya üzerindeki kara taşıtlarının çok büyük bir çoğunluğu fosil yakıtla çalışan içten yanmalı motorlar kullanmaktadır. Peki içten yanmalı motor nedir, bu motorlara neden içten yanmalı diyoruz?

Bir enerji türünü (güneş enerjisi, elektrik enerjisi, ısı enerjisi vs...) mekanik enerjiye çevirebilen cihazlara motor denir. Örneğin elektrik motoru elektrik enerjisini, ısı motoru ısı enerjisini... mekanik enerjiye dönüştürür. Yanma ile çalışan motorlar ise adından da anlaşılacağı üzere bir yakıtın yanması sonucu ortamda meydana gelen değişiklerden (basınç, sıcaklık, hacim değişimleri) faydalanarak mekanik enerji üreten cihazlardır.

Yanma işlemi bazı motorların içerisindeki yanma odalarında, bazı motorlarda ise motorun dışındaki bir bölümde gerçekleşir. İçerisinde yanma işlemi gerçekleşen motorlar " içten yanmalı motor " (ing: internal combustion engine), dışarısında yanma işlemi gerçekleşen motorlar " dıştan yanmalı motor " (ing: external combustion engine) olarak adlandırılır. Bu konuda dıştan yanmalı motorlara değinmeyeceğiz çünkü bu motora arabalarda rastlanmaz. Eski zamanlara dair filmlerde görmeye alışkın olduğumuz odun, kömür vs. ile çalışan buharlı lokomotif, buharlı gemi gibi araçlara ait motorlar dıştan yanmalı motor örneğidir.

İçten yanmalı motorlar kullandığı yakıt, kaç zamanlı olduğu, ateşleme sistemi, silindir sayısı ve konumları, soğutma sistemi gibi özellikleri referans alınarak gruplara ayrılır. Arabalarda kullanılan motorların çok büyük çoğunluğu 4 zamanlı motorlardır (ing: four-stroke engine). Bu motorlara 4 zamanlı denilmesinin sebebi silindirde meydana gelen bir tam çevrimin 4 farklı zaman diliminden oluşmasıdır. Bu zaman dilimleri şu şekildedir:

1. Zaman: Emme (ing: intake): Motor tipine göre silindire yakıt, hava veya bunların karışımının alındığı zamandır.
2. Zaman: Sıkıştırma (ing: compression): Silindir içine alınan gazın sıkıştırıldığı zamandır.
3. Zaman: Yanma veya güç (ing: power): Sıkışmış ve ısınmış haldeki gazın yandığı, gücün üretildiği zamandır.
4. Zaman: Egzos (ing: exhaust): Yanma sonucu oluşan atık gazların silindirden dışarı tahliye edildiği zamandır.

Her motor tipinde farklılık gösterse de, herhangi bir 4 zamanlı içten yanmalı motorda meydana gelen olaylar kabaca bu şekilde özetlenebilir. Bundan sonraki yazılarda bu kısa özet üzerinden diğer motor tiplerini inceleyeceğiz ve bir motor tipini diğerinden ayıran özelliklerin neler olduğunu daha net bir şekilde anlayacağız.