Otto Çevrimi ve Uygulamaları

Otto Çevrimi ve Uygulamaları

İçten yanmalı motorlara değindiğim önceki yazımın birinde Otto çevriminden kabaca bahsetmiştim. İçten yanmalı bir motorun hangi prensipte çalıştığını anlatmıştım. Bu yazımda ise Otto çevriminin kuramsal incelemesini ve uygulamasını anlatacağım.

Alman makine mühendisi Nikolaus Otto, ilk içten yanmalı atmosferik motorunu 1867 yılında çalıştırmayı başardı. Günümüz içten yanmalı benzinli motorları –kıvılcım ateşlemeli- termodinamiksel bir çevrim olan Otto çevrimine göre çalışmaktadır.

·         Otto Çevrimi

Otto çevrimi, dört farklı halde gerçekleşen, iki izokorik ikide adyabatik hal değişimi olan bir sabit hacim çevrimidir. Otto çevrimini anlayabilmek için, kafamızda bir piston-silindir düzeneği canlandırmalıyız. Bu düzeneğin içerisindeki piston, üst ve alt ölü noktalar arasında serbestçe salınabiliyor olsun.

1. hal olan sıkıştırma zamanında, yakıt-hava karışımı piston tarafından sıkıştırılır. Sıkıştırma işini piston yaptığından, bu evrede sisteme bizim iş vermemiz gereklidir. Piston, üst ölü noktaya dayandığında, yakıt-hava karışımı küçük bir hacme sıkışmıştır ve silindir içerisindeki basınç yükselmiştir. Sıkıştırma esnasında, entropi üretilmediği ve sistemin adyabatik olduğu kabul edilir. O yüzden bu işlemin adı ‘izentropik sıkıştırmadır’

2. hal olan ateşleme veya ısı geçişi anında – iş zamanıda denir- pistonun üst ölü noktaya kadar bastığı yakıt-hava karışımı yüksek voltajlı bir buji ile ateşlenir. Yakıt, parlayıcı hidrokarbonlardan oluştuğundan, silindir içerisinde bir patlama olur. Bu esnada karbondioksit ve su oluşur. Oluşan gazlar, aşırı sıcaktır. Yakıtın patlatılmasıyla bir anlık sabit olan hacme ısı geçişi sağlanır. Otto çevriminde sabit hacimde ısı geçişi olarak tanımlanan evre bu evredir. Sabit hacme geçen ısı, çok yüksek bir sıcaklık doğuracağından ortamdaki gazları kavuracaktır. Aşırı ısınan bu gazlar, piston üzerinde bir basınç oluşturacak ve pistonu alt ölü noktaya kadar itecektir. 2.hal, izokoriktir.

3. hal olan adyabatik genleşmede, alt ölü noktaya itilen pistonun hareketi incelenmektedir. Sistem adyabatik kabul edilir ve bir önceki halde sabit hacme verilen ısıdan dolayı genleşme görülür. Bu evrede, bir önceki halde alınan ısının tamamı genleşmeye harcanır. Çünkü sistem adyabatiktir ve entropi üretilmemiştir. Yani ısı kaybı yoktur ve düzensizlik artmamıştır. Diğer bir deyişle, izentropik bir hal değişimidir. Otto çevriminin bu evresi ideal bir çevrim olduğunu gösterir. Oysaki gerçekte böyle bir işlem motor bloğu ısı kaybına sebep olduğundan söz konusu değildir.

Egzost zamanı olarak bilinen 4.hal değişimi evresinin diğer bir adı ise, ısı atımıdır. İzokorik olarak gerçekleşir. Bu evrede silindir içerisindeki gerçekleşen kuvvetli patlama sonucu aşağı salınan pistonlar hacmi genişlettiğinden, silindir içerisindeki basınç düşer. Fakat hala atmosfer basıncının biraz üzerindedir. O yüzden, egzost manifoldu açıldığında, yanmış gazlar silindirin dışına çıkacaktır. Isı atımı evresinde, termodinamiğin ikinci kanununun zorunluluğuda yerine getirildiğinden, bu çevrim bir termodinamiksel çevrim kabulu görür.

Yakıttan alınan ısının bir kısmı pistonlar vasıtasıyla mekanik işe çevrilir.  Geri kalanıda 4. evrede atmosfere atılır. Böylece bizim güç makinemiz, iki ısıl kaynak arasında çalışmış olur.

          

     

            Otto çevriminde, 1-2 evresi izentropik sıkıştırma, 2-3 evresi izokorik ısı geçişi, 3-4 izentropik genişleme ve 4-1 evresi izokorik ısı atımı olarak tanımlanır. İzentropik hal değişimlerinin olması, sistem veriminin yüksek olduğu anlamına gelmektedir.

            Otto verimi olarak tanımlanan sistem verimi, sıkıştırma oranıyla doğrudan ilişkilidir. Termodinamikte en önemli iş formu olan sınır işi (P.dV) hacim değişimi arttıkça artar. Yani bir piston-silindir düzeneğindeki hacmin değişim miktarı, üretilen gücüde arttıracaktır.

“Sıkıştırma oranı (r) = Vmax / Vmin” diyebiliriz.

            Motorun gücünü hesaplarkende,

            Ortalama Efektif Basınç (OEB) ile hacmin zamanla değişiminin çarpımı ( dV/dt) motorun ürettiği gücü verecektir. W(Watt) = P (Pa).(dV/dt)(m^3/s)

            Ortalama efektik basınç, yakıtın patlaması sonucu bir pistonun üzerinde oluşan basınçtır.

Dört zamanlı bir motorun krank milinin her iki turunda bir iş elde edilir. Çünkü, dört zaman içinde sadece sabit hacme ısı geçişi sonrasındaki genişleme halinde güç elde edilir.

·         Otto Verimi

       

Eşitlikteki “k” terimi,  Cp/Cv (ısı kapasiteleri oranıdır)

        

         

          

          Eşitlikte görüldüğü üzere, sıkıştırma oranı ve k terimi büyüdükçe verim artar. Fakat aşağıdaki grafikte bir noktadan sonra verimin artmadığı kolayca görülür. Bunun sebebi, sıkıştırma oranının gerçekte bir kısıtlamaya maruz kalmasıdır. Otto çevriminin gerçekteki uygulamasında sıkıştırma oranı 8~12 arasıdır. Eğer 12 sınırı geçilirse, silindir içerisinde sıkıştırılmış olan benzin-hava karışımı bujinin ateşlemesinden önce kendiliğinden parlayacaktır. Zamanlama dışında patlayan yakıt, vuruntuya sebep olacaktır. Vuruntu, zamanlaması dışında patlayan yakıttan dolayı motorun sarsıntılı ve gürültülü çalışmadır. Verimi düşürür.

         Geçmiş yıllarda kullanılan araç motorlarının sıkıştırma oranları yüksek olduğundan, vuruntuyu engellemek amaçlı benzine tetraetil kurşun katılıyordu. Fakat son yıllarda gelen sıkı egzost emisyon yönetmelikleri uyarınca bu katkı yasaklandı. Yasağa istinaden, motorların sıkıştırma oranlarıda azaltıldı. O yüzden şu anda kullandığımız araçların motorlarının ısıl verimleri –kuramsal verim- geçmiş yıllardakine göre daha düşüktür. Fakat gelişen ateşleme teknolojisi ve yeni yüksek verimli enjeksiyon teknikleri ile bu olumsuz etki giderilmiştir. Daha aerodinamik tasarımlarımız ve yeni lastiklerimizle düşük ısıl verimli motorlardan dahi iyi istifade etmekteyiz.

  

         Bu yukarıda gördüğünüz tablo, sıkıştırma oranıyla çevrim veriminin bir grafiğidir. Isı kapasiteleri arasındaki oran arttıkça, verimin arttığını görüyoruz. Tek atomlu olan helyum, argon gibi gazlarla gerçekleştirilen Otto Çevriminin verimi, karbondioksit gibi çok atomlu bir gazla gerçekleştirilen çevrimin veriminden %40 kadar daha yüksektir.

·               Otto Çevrimi Uygulamaları

         Bu yazının başından itibaren defalarca tekrarladığım gibi, Otto çevriminin uygulaması, kıvılcım ateşlemeli motorlardır. Yani benzinle çalışan motorlardır. Otto çevriminin kuramsal verimi yüksektir. Fakat uygulamadaki bir takım tersinmezlikler ve hatalı tasarımlar bu ısıl verimi düşürmektedir. Örneğin, tetraetil kurşun ilavesinin yasaklanmasının neticesinde sıkıştırma oranına kısıtlama gelmiştir.

Otto çevrimi bir kuramsal çevrim olup, uygulamadaki verimi düşüren en büyük etken sıkıştırma esnasında oluşan entropi yaratan olgulardır. Sanki-dengeli olarak hal değişen bir piston-silindir düzeneğinde, piston yakıt-hava karışımını sıkıştırırken izentropik sıkıştırma yapmaktadır ve oldukça yavaş sıkıştırmaktadır. Fakat gerçekteki uygulamasında bir araç motorunda, motorun 1000 ~ 6000 devir aralığında çalıştığını düşünürsek, sıkıştırma saniyede defalarca olmaktadır. Bu hızlı sıkıştırma esnasında üretilen entropi ve motor bloğundan atmosfere iletilen ısı, izentropik sıkıştırmayı imkânsız hale getirmektedir. Bu yüzden, Otto çevriminin kuramsal verimi -karbondioksit aracı akışkanı için- %50 lerde iken, uygulama verimi %30 civarındadır.

         Günümüz teknolojisiyle üretilen araçların motorları dört zamanlı çalışan otto çevrimi gerçekleştiren motorlardır. Araçlarımızın ortalama uygulama verimleri %30 civarında demiştim zaten.

Fakat motosikletler, çim biçme makineleri, basit kompresörler gibi kW/ kg oranı yüksek olması gereken uygulama alanlarında, iki zamanlı motorlar tercih edilmektedir. İki zamanlı motorların verimleri dört zamanlılara göre nispeten düşüktür. İki zamanlı motorların verimlerinin düşük olmasının sebebi, yanmış gazların dışarı atılması esnasında aynı anda silindir içerisine çekilen taze yakıt-hava karışımınında bir kısmının dışarı kaçmasıdır. Fakat bu motorlar daha ucuz ve basit olduğundan dört zamanlı kuzenlerine karşı tercih edilirler. Ayrıca unutulmamalıdır ki, iki zamanlı bir motor, dört zamanlı bir motordan fazla güç üretebilir. Çünkü, iki zamanlı motorda iki strok vardır ve bu iki strokun ikisinde de güç elde edilir.

         İki zamanlı motorların sızdırmaz karter yapısı geliştirilmiş, silindir içerisine yakıt-hava karışımını besleyen manifold ile egzost gazlarını atan egzost manifoldu zamanlaması düzenlenmiştir. Ayrıca gelişen elektronik kontrol sistemleri sayesinde, değişen yük ve hızlara göre motorların performans parametreleri ayarlanabilir bir hal almıştır. Motor üreticileri, iki zamanlı motorlar üzerine geliştirmeler yapmaktalar. Tüm bu yenilikler sonucu iki zamanlı motorların verimleri artmıştır. Bu yüzden iki zamanlı motorlara olan ilgi artmıştır.

Yakın bir gelecekte, iki zamanlı motorların, dört zamanlılara tercih edileceği düşünülmektedir.

         Sizi daha fazla sıkmamak adına bu yazımı burada noktalamak istiyorum. Otto çevrimini ve uygulama alanını etraflıca kaleme aldığımı düşünüyorum. Aksettiremediğim birkaç nokta daha mevcut. Fakat o noktaların daha iyi irdelenmesi ve anlaşılabilmesi için iyi bir termodinamik temele sahip olunması gerektiğinden, okurların kafalarınıda daha fazla karıştırmamak adına, birkaç kısaltmada bulundum. Akademik nitelikli bir yazı olmadığından, öğrencilerin rahatça anlayabileceği kadarının üzerinden geçtim. Olası hatalarım, eksiklerim ve menfi görüşleriniz için her zaman geri bildirime açığım. Takipte kalınız..

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi