Otto Çevrimi ve Benzinli Motorlar

Otto Çevrimi Nedir ?

Otto çevrimi, ateşleme prensibiyle çalışan pistonlu motorların bir termodinamiksel çevrimidir. Bu çevrim büyük çoğunlukla buji ateşlemeli içten yanmalı motorlarda görülmektedir. Buji ateşlemeli benzinli pistonlu motorlar otto çevrimi ile çalışmaktadır. Otto çevrimi ile çalışan benzinli motorlar sadece otomobil ve motorsiklet sektöründe değil, jeneratör sistemleri, gemicilik ve çim biçme makineleri gibi alanlarda günümüzde hala sıklıkla kullanılmaktadır. Her ne kadar dizel motorların icadıyla kullanımı azalsa da hala en değerli fosil yakıtlardan birisidir.

Tarihi

Dört zamanlı motorun patenti ilk olarak Alfonso de Rochas tarafından 1861 yılında alındı. Bu motorun benzerini Rochas’tan önce 1854-1857 yılları arasında iki İtalyan Eugenio Barsanti ve Felice Matteucci’nin keşfettikleri söylense de bununla ilgili patentleri yoktur.

Yakıt olarak kömür gazı-hava karışımını kullanarak ilk dört zamanlı motoru da ilk defa 1876 yılında yapan Alman mühendis Nikolaus Otto olmuştur. Bundan dolayı dört zamanlı kavramı genellikle Otto çevrimi olarak biliniyor ve buji ateşlemesi ile çalışan dört zamanlı motorlar da sıklıkla Otto makineleri olarak bilinir.

Pistonlu Motorlara Genel Bir Bakış

Otto çevrimini anlamak için pistonlu motorların çalışma prensibini ve sistem bileşenlerini bilmemiz gerekmektedir. Piston silindir düzeneğinden oluşan bu motorlar basit bir yapıda olmasına rağmen kullanım alanı oldukça geniştir. Otomobillerden kamyonlara, gemilerden elektrik santrallerine kadar çok geniş bir kullanım alanı vardır. Pistonlu bir motorun genel görünümü aşağıdaki gibidir.

Piston sistemde yukarı ve aşağı yönde dikey olarak belirli noktalar arasında hareket eder.  Bu noktalar yukarıdaki şekilde de görüldüğü üzere alt ölü nokta (AÖN) ve üst ölü nokta (ÜÖN) olarak adlandırılır.  Piston üst ölü noktaya geldiğinde sistem içerisindeki yakıt hava karışımının hacmi en düşük seviyede olur ve bu noktada artık yanma şartlarına gelir. Piston alt ölü noktaya getirildiğinde ise yakıt hava karışımının hacmi maksimum değerde olur.  ÜÖN ile AÖN arasındaki mesafe pistonun hareket edebildiği alandır ve buna strok adı verilmiştir. Sistem de ayrıca yakıt-hava karışımının silindire alınmasını sağlayan emme supabı ve yanma sonucu atık gazların dışarı atıldığı egzoz supabı bulunur.

AÖN ve ÜÖN arasındaki pistonun katettiği mesafeye strok hacmi denir. Silindirde oluşan en büyük hacmin (Vmak) en küçük hacme (Vmin) oranına sıkıştırma oranı (r) denir.

r = Vmak/Vmin = Vaön/Vüön

Pistonlu motorların yaptıkları net işi sağlamak için uygulanması gereken basınca da ortalama efektif basınç (OEB) denir.

Wnet=OEB x piston alanı x strok = OEB x strok hacmi

Pistonlu motorlar, silindirin içerisindeki yanma işleminin başlama şekline göre ikiye ayrılır. Bunlar, kıvılcım ve sıkıştırma ateşlemeli motorlardır. Kıvılcım ateşlemeli motorlarda piston ÜÖN’ya geldiğinde buji tarafından yanma işlemi başlatılır.  Bu sistemde Otto çevrimi ile çalışır.

Otto Çevrimi ve Benzinli Motor

Otto çevrimi ile çalışan kıvılcım ateşlemeli motorların büyük çoğunluğunda sıkıştırma,genişleme,egzoz ve emme stroğu olmak üzere dört strok iki çevrim meydana vardır. Sistemdeki emme ve egzoz sübabı başlangıçta kapalı konumda ve piston ise alt ölü noktadadır. 

Emme Stroğu

Piston geri aşağı doğru çekilirken emme subabı açılır ve yakıt-hava karışımı sisteme girer. Buna da emme stroğu denir. Emme stroğu sırasında sistem basıncı atmosfer basıncının bir miktar altındadır.

Sıkıştırma (Ateşleme) Stroğu

İlk strok olan sıkıştırma stroğu ile piston yakıt hava karışımını üst ölü noktaya kadar sıkıştırır. Piston üst ölü noktaya yaklaştığında buji ateşlemesini yapar ve karışım hızlı bir şekilde yanmaya başlar bu sırada da sistemin basınç ve sıcaklığı artar.

Genişleme (Güç) Stroğu

Yanma işlemi sonucu yüksek basınçlı gazlar pistonu aşağı yönde hareketlendirir. Bu sırada da yararlı iş üretilmiş olur ve krank mili dönmeye başlar. Genişleme stroğunun sonunda piston sistemin en alt seviyesinde yani alt ölü noktasındadır. 

Egzoz Stroğu

Sistem içerisinde yanma sonucu açığa çıkan egzoz gazlarının dışarı atılması gerekir. Bunun için piston tekrar yukarı doğru hareket eder ve bu esnada egzoz supabı açılır ve atık gazlar buradan dışarı atılır. Silindir deki basınç egzoz stroğu sırasında atmosfer basıncının küçük bir miktarda üstündedir.

İdeal Otto Çevrimi

Bahsettiğimiz dört zamanlı sistemin gerçek çalışma koşulları göz önüne alındığında ideal Otto çevrimi bu sistemi açıklayan en iyi çevrimidir. Otto çevrimi 4 hal değişiminden meydana gelmektedir. Bunlar aşağıdaki basınç hacim grafiğinde numaralandırılmıştır. 

Not: İzentropik kavramı çevreyle herhangi bir ısı alışverişinin olmaması anlamına gelmektedir.

1-2: İzentropik sıkıştırmanın gerçekleşmesi yani pistonun üst ölü noktaya yaklaşması

2-3: Çevrime sabit hacimde ısı girişinin gerçekleşmesi ve karışımın yanmaya başlaması

3-4: İzentropik genişleme pistonun yanan yüksek basınçlı gazların etkisiyle alt ölü noktaya genişlemesi

4-1: Çevrimden egzoz gazları ile ısı atımı

İdeal Otto Çevrimi Isıl Verimi ve Benzinli Motorlar

Pistonlu motorlar başlığında tanımladığımız sitemdeki maksimum basıncın (Vmak), minimum basınca (Vmin) oranı olan sıkıştırma oranı (r) Otto çevrimi ısıl verimi için çok önemlidir. Isıl verim sistemden elde edilen net işin (Wnet), sisteme giren ısı enerjisine (q_giren) oranı ile bulunabilir.  Ayrıca sıkıştırma oranı (r) ile havanın oda sıcaklığında özgül ısı oranı (Cp/Cv) olan k değeri ile arasındaki ilişkiden de bulunabilir. Kısacası Otto çevrimi ısıl verimi aşağıdaki formüllerle bulunabilir. 

η _th,otto= W_net/q_giren

η _th,otto = 1 – 1/r ^k-1

Bu grafikte benzinli motorlar için standart sıkıştırma oranlarına karşılık gelen ısıl verimlilikler çalışma şartlarına göre değildir. Bu verimler ideal Otto çevrimi ısıl verimidir. Normal çalışma koşullarında bu verimlilik değeri daha düşüktür.

Yukarıdaki grafiğe göre ısıl verim eğrisi düşük sıkıştırma oranlarında daha diktir ve sıkıştırma oranı arttıkça özellikle de r=8 civarına geldiğinde bu eğri düzleşme eğilimindedir. Benzinli motorlarda sıkıştırma oranı genellikle 7-10 arasındadır. Benzinli motorlarda yüksek sıkıştırma oranı meydana gelirse yakıt hava karışımı sıcaklığı kendi tutuşma sıcaklığının üzerine çıkar ve yanma başlar. Bu olay da motor da bir gürültüye sebep olur ve halk arasında vuruntu olarak bilinir.

İdeal Otto çevrimi verimini etkileyen diğer bir faktör de özgül ısı oranı olan k değeridir. Sabit bir sıkıştırma oranı için en yüksek ısıl verim helyum veya argon (k=1,667) gibi gaz akışkana sahip ideal bir Otto çevrimi ile elde edilir. Özgül ısı oranı olarak nitelendirilen k değeri ve buna bağlı olarak Otto çevrimi ısıl verimi  aracı akışkanın molekül büyüklüğü arttıkça azalır.Oda sıcaklığı altında k değeri hava için 1.4 , karbondioksit 1.3 ve etan için 1.2’dir. Gerçek benzinli motorlarda aracı akışkan genelde karbondioksite benzeyen büyük moleküller içerir bu da motorlarda ideal otto çevrimi ısıl verimini düşürür. Kıvılcım ateşlemeli motorların çalışma şartlarında genellikle verimleri %25-%30 arasındadır.

Sonuç

Sonuç olarak Otto çevrimi benzinli motorların çalışmasını sağlayan temel bir termodinamiksel çevrimdir. Yıllardır benzinli içten yanmalı motor teknolojisindeki verim arttırma çalışmaları yapılırken hep Otto çevrimi baz alınmıştır. Petrol rezervlerinin gün geçtikçe azaldığı günümüz dünyasında benzinli motorlar 50-60 yıl içerisinde en azından otomotiv sektör için tarihe karışabilir. 

Kaynak

• Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik
• Vikipedia
• Wikiwand