Dört zamanlı motor nasıl çalışır? Emme, sıkıştırma, iş ve egzoz

Bir otomobilin kaputunu açtığında gördüğün motorun içinde, saniyede onlarca kez tekrarlanan dört adımlık bir döngü çalışır. Her döngüde bir miktar hava ve yakıt silindire alınır, sıkıştırılır, yakılır ve dışarı atılır. Yanan gazın basıncı bir pistonu iter; piston da bir mili döndürür. Bu yazıda bu döngüyü, yani dört zamanlı motoru, tek bir silindirin içine bakarak adım adım açıyoruz.

Benzinli otomobil ve motosiklet motorlarının, jeneratörlerin ve çim biçme makinelerinin çoğu bu ilkeyle çalışır. Döngüyü 1876’da çalışan bir motorda ilk kez uygulayan Alman mühendis Nicolaus August Otto’dur; bu yüzden döngünün ideal hâline Otto çevrimi denir. Fransız mühendis Alphonse Beau de Rochas aynı dört adımı 1862’de bir patentte tarif etmişti.

Parçalar: dönen bir milden inip çıkan bir pistona

Tek silindirli bir motoru ortasından kesip baktığımızı düşünelim:

• Silindir: Pistonun içinde kaydığı, iç yüzeyi çok düzgün işlenmiş boru. Çevresindeki kanallarda soğutma suyu dolaşır.
• Piston: Silindirin içinde inip çıkan, üstü düz ya da hafif şekilli metal kap. Kenarındaki segmanlar (halkalar) gazın aşağı kaçmasını önler.
• Biyel: Pistonu krank miline bağlayan kol. Üst ucu pistondaki pime, alt ucu krank milinin dirseğine takılır.
• Krank mili: Dirsekli mil. Pistonun doğrusal hareketini dönme hareketine çevirir; karşı ağırlıkları dönüşü dengeler.
• Silindir kapağı: Silindirin üstünü kapatan parça. İçinde emme ve egzoz kanalları, bunları açıp kapatan supaplar ve buji bulunur.
• Kam mili: Üzerindeki yumurta biçimli kamlar döndükçe supapları iter ve doğru anda açar. Supapları yaylar geri kapatır.

İki önemli konumun adı var: Piston en üstteyken üst ölü nokta (ÜÖN), en alttayken alt ölü nokta (AÖN). Bu iki nokta arasındaki yola strok (kurs) denir. Ölü nokta denmesinin sebebi, pistonun burada bir an durup yön değiştirmesidir.

Dört zaman, iki tur

Aşağıdaki figürde krank milini sürükleyebilir, kaydırıcıyla açıyı değiştirebilir ya da motoru yavaşça döndürebilirsin. Krank açısını 0° ile 720° arasında ölçüyoruz: 0°, emme zamanının başladığı üst ölü noktadır. Bir tam döngü krankın iki tur dönmesi demektir; her zaman yarım tur, yani 180° sürer.

1. Emme (0°–180°)

Piston üst ölü noktadan aşağı iner. Emme supabı açıktır, egzoz supabı kapalı. İnen piston silindirdeki hacmi büyütür; basınç dışarıdakinden biraz düşer ve hava ile yakıt karışımı emme kanalından silindire dolar. Günümüzün benzinli motorlarında yakıtı enjektörler püskürtür; yakıt ister emme kanalına ister doğrudan silindire püskürtülsün, amaç silindirde yanmaya hazır bir karışım elde etmektir.

2. Sıkıştırma (180°–360°)

Piston alt ölü noktadan yukarı çıkar. İki supap da kapalıdır. Karışımın kaçacak yeri yoktur; hacmi küçüldükçe basıncı ve sıcaklığı artar. Bir bisiklet pompasının ucunu parmağınla kapatıp pistonu ittiğinde pompanın ısındığını hissetmen aynı olaydır: Gazı sıkıştırmak için harcanan iş, gazın iç enerjisine eklenir.

3. İş ya da ateşleme (360°–540°)

Piston üst ölü noktaya ulaştığında buji bir kıvılcım çaktırır. Karışım yanar; yanan gazın sıcaklığı ve basıncı çok kısa sürede büyük ölçüde yükselir. Bu basınç pistonu güçlü biçimde aşağı iter, biyel de krank milini döndürür. Dört zamandan yalnızca bu zaman mile iş verir; diğer üçü bunun için hazırlık ve temizliktir.

Gerçek bir motorda yanma bir anda olmaz, birkaç milisaniye sürer. Bu yüzden buji üst ölü noktadan biraz önce ateşlenir; böylece en yüksek basınç, piston aşağı inmeye başladığı sırada oluşur. Bu öne almaya ateşleme avansı denir ve motor devri arttıkça büyütülür.

4. Egzoz (540°–720°)

Piston alt ölü noktadan yeniden yukarı çıkar. Egzoz supabı açıktır; piston, yanmış gazları egzoz kanalından dışarı iter. Piston üst ölü noktaya geldiğinde döngü biter ve yeni bir emme zamanı başlar.

Figürde kolaylık için supaplar tam ölü noktalarda açılıp kapanıyor. Gerçek motorlarda supaplar ölü noktalardan biraz önce açılır, biraz sonra kapanır; hareket hâlindeki gazın ataletinden yararlanarak silindir daha iyi dolar ve daha iyi boşalır.

Neden iki tur?

Her iki turda yalnızca bir iş zamanı vardır. Geri kalan bir buçuk turda krank milini döndürmeye devam eden şey, mile bağlı ağır bir tekerlek olan volandır: İş zamanında enerji depolar, diğer zamanlarda geri verir. Çok silindirli motorlarda silindirlerin iş zamanları sırayla dağıtılır; dört silindirli bir motorda her yarım turda bir silindir ateşlenir ve motor çok daha düzgün döner.

Kam mili neden yarım hızla döner?

Her supap, krankın iki turunda yalnızca bir kez açılmalıdır. Bu yüzden kam mili, krank milinin yarı hızıyla döner: Krank iki tur atarken kam mili bir tur atar. İki mil bir triger kayışı, zincir ya da dişlilerle birbirine bağlıdır; kam milindeki dişli ya da kasnak, krank milindekinin iki katı diş sayısına sahiptir.

Figürde iki kam milinin ön yüzündeki küçük işaretleri izle: Krank 720° dönerken her kam ancak bir tam tur atar. Kamın burnu supabın üstündeki kovanı aşağı ittiğinde supap açılır, burun geçince yay supabı kapatır.

Krank-biyel: doğrusal hareketten dönmeye

Krank-biyel düzeneği, ileri geri giden bir hareketi dönmeye çeviren en yaygın mekanizmalardan biridir. Biyel, krank yarıçapına göre sonsuz uzun olmadığı için pistonun hareketi düzgün değildir: Piston ölü noktaların yakınında yavaşlar ve bir an durur, ortalarda hızlanır. Krank üst ölü noktadan 90° döndüğünde piston, stroğunun yarısından biraz fazlasını almıştır.

Figürdeki motorda krank yarıçapı 40 mm (strok 80 mm), biyel 140 mm. Hacim okumasını izlersen, hacmin ölü noktaların çevresinde yavaş, ortalarda hızlı değiştiğini görürsün.

Sıkıştırma oranı

Sıkıştırma oranı, piston alt ölü noktadayken silindirdeki gaz hacminin, üst ölü noktadayken kalan hacme oranıdır. Üst ölü noktada kalan küçük boşluğa yanma odası denir.

Figürdeki motorun silindir çapı 80 mm, stroğu 80 mm. Pistonun süpürdüğü hacim (kurs hacmi) yaklaşık 402 cm³, yanma odası yaklaşık 44,7 cm³. Böylece:

• piston aşağıdayken toplam hacim ≈ 402 + 44,7 = 446,8 cm³,
• piston yukarıdayken ≈ 44,7 cm³,
• sıkıştırma oranı ≈ 446,8 / 44,7 = 10.

Sıkıştırma oranı neden önemli? İdeal Otto çevriminde verim yalnızca bu orana (r) ve gazın bir özelliğine (hava için γ ≈ 1,4) bağlıdır:

ideal verim = 1 − 1 / r^(γ − 1)

r = 10 için bu yaklaşık %60 eder. Gerçek motorlarda ısının bir kısmı silindir duvarlarından kaçar, sürtünme olur, yanma anlık değildir; benzinli otomobil motorlarının yakıttaki enerjiyi işe çevirme oranı genellikle bunun yarısı kadardır. Yine de genel eğilim geçerlidir: Daha yüksek sıkıştırma oranı daha iyi verim demektir.

Benzinli motorlarda oran sınırsız artırılamaz. Karışım fazla sıkıştırılırsa ısınıp kıvılcımı beklemeden kendi kendine tutuşabilir. Bu kontrolsüz yanmaya vuruntu denir; motoru zorlar ve zarar verebilir. Benzinin vuruntuya direncini oktan sayısı gösterir. Bu yüzden benzinli otomobil motorlarının sıkıştırma oranı çoğunlukla 9 ile 13 arasındadır.

P–V diyagramı: işin resmi

Figürün altındaki diyagram, silindirdeki basıncı hacme karşı çizer. Bir döngü kapalı bir eğri oluşturur ve bu eğrinin içinde kalan alan, bir döngüde gazın pistona verdiği net işe eşittir. Sıkıştırmada piston gaza iş yapar (alttaki eğri), iş zamanında gaz pistona daha fazla iş geri verir (üstteki eğri); aradaki fark motorun kazancıdır. İdeal modelde emme ve egzoz aynı yatay çizgi üzerinde gidip gelir ve net bir alan bırakmaz.

Dizel motor neyle farklı?

Dizel motor da dört zamanlıdır ama karışımı bujiyle tutuşturmaz:

• Emmede yalnızca hava alınır.
• Sıkıştırma oranı çok yüksektir; otomobil dizellerinde genellikle 15 ile 20 arasında. Hava o kadar sıkıştırılır ki sıcaklığı yakıtın kendiliğinden tutuşma sıcaklığının çok üstüne çıkar. İdeal bir hesapla 18 kat sıkıştırılan hava yaklaşık 680 °C’ye ısınır.
• Yakıt, sıkıştırmanın sonunda doğrudan silindire püskürtülür ve sıcak havaya değer değmez kendiliğinden tutuşur. Bujiye gerek yoktur; soğuk çalıştırmayı kolaylaştıran kızdırma bujileri kıvılcım çakmaz, yalnızca ısıtır.

Dizelde yakıt ancak sıkıştırmanın sonunda verildiği için, benzinli motoru sınırlayan vuruntu sorunu aynı biçimde ortaya çıkmaz ve sıkıştırma oranı yüksek tutulabilir. Bu, dizellerin genellikle daha verimli olmasının bir nedenidir. Motorun adı, ilkesini 1890’larda geliştirip patentini alan Alman mühendis Rudolf Diesel’den gelir.

Figürle denenecekler

• Emme’ye bas ve izle: Emme supabı yavaşça açılıp kapanırken mor karışım silindiri dolduruyor.
• Sıkıştırma boyunca manometreyi izle: Hacim 10 kat küçülürken basınç 10 kattan fazla artıyor. Sıkışan gaz ısındığı için basınç, yalnızca hacme bakarak beklenenden hızlı yükselir.
• Krankı 360°’nin biraz ötesine sürükle: Buji ateşliyor, P–V diyagramındaki nokta dikine fırlıyor.
• Kam millerindeki işaretleri say: Krank iki tur dönerken her kam yalnızca bir tur dönüyor.

Özet

• Dört zamanlı motorda bir döngü dört adımdan oluşur: emme, sıkıştırma, iş (ateşleme) ve egzoz. Krank mili bir döngüde iki tur döner.
• Yalnızca iş zamanı mile enerji verir; volan ve çok silindirli düzen dönüşü düzgünleştirir.
• Krank-biyel düzeneği pistonun inip çıkmasını dönmeye çevirir; kam mili krankın yarı hızıyla döner ve supapları doğru anda açar.
• Sıkıştırma oranı yükseldikçe ideal verim artar; benzinli motorda vuruntu bu oranı sınırlar.
• Dizel motor yalnızca havayı çok yüksek oranda sıkıştırır; yakıt bujisiz, sıcak havada kendiliğinden tutuşur.