İçten Yanmalı Motor
James Watt’ın buhar motorunu keşfetmesi Sanayi Devrimi’nin başlangıcı olarak kabul edilir. Daha önce üretim insan gücüne dayandığı için maliyetli ve zaman alıcıydı. 18. yüzyılın ikinci yarısında İngiltere’de meydana gelen bu önemli gelişme sonrasında motor gücüne dayalı sanayileşme hızla gelişti.
James Watt, buhar motorunu madenlerde ortaya çıkan suyun dışarı pompalanması için etkili bir yöntem ararken geliştirdi.
12. yüzyılın sonları ve 13. yüzyılın başlarında Diyarbakır ve Cizre’de yaşayan bilgin el-Cezeri, büyük miktarlarda suyu yukarı taşımak amacıyla beş düzenek tasarlamıştı. Bu düzeneklerden üçü hayvan gücüyle çalışırken ikisi kendi kendine işler, yani otomatiktir. El-Cezeri bu çalışmaları sırasında krank milini ilk kez kullanmıştı. Dönme hareketini doğrusal harekete dönüştüren krank mili, tarihteki en önemli keşiflerden biri olarak kabul ediliyor. Günümüzde otomobillerden lokomotiflere pek çok alanda kullanılıyor.
El-Cezeri’nin su gücüyle çalışan pompa düzeneğinde dişli çarklar, bakır pistonlar, emme ve iletme amaçlı borular ve tek yönlü sürgülü vanalar kullanılıyordu. Bu düzenek suyu emerek yaklaşık on iki metre yukarı taşıyabiliyordu
Akıntı su çarkını çevirdiğinde su çarkı mili döner. Su çarkı miline bağlı bir çark eksen miline bağlı başka bir çarka dönme hareketini aktarır. Eksen miline bağlı olarak hareket eden krank mili dönme hareketini doğrusal harekete çevirir. Krank miline bağlı iki pistondan biri suyu emerek pistonun haznesine taşınmasını sağlarken, diğer piston suyun buradan çıkış borusuna basılmasını sağlar. Su daha sonra çıkış borusundan kullanılacağı yere aktarılacağı bir depoya iletilir.
Suyun yukarı taşınması ile ilgili çalışmaları ile bilinen bir diğer bilgin ise 16. yüzyılda yaşamış Osmanlı mühendisi Takiyüddin’dir. Takiyüddin’in tasarımlarından biri iki silindirli, diğeri ise altı silindirli su pompasıdır.
Altı silindirli pompada, üzerinde altı tane kam bulunan uzun yatay bir eksene (kam mili olarak isimlendirilir) bağlı bir su çarkı bulunur. Akıntı su çarkını çevirdiğinde kam mili döner. Kam mili üzerindeki her bir kam bir bağlantı çubuğunu aşağıya bastırır. Tüm bağlantı çubukları merkez eksende birleşecek şekilde yerleştirilmiştir. Bağlantı çubuklarının diğer ucunda, yukarı kalktığında pistonu beraberinde yukarı çeken bir kurşun ağırlık bulunur. Bu sırada piston silindirinin içinde oluşan vakum nedeniyle su emilerek piston silindirine aktarılır. Kam belirli bir açıda döndükten sonra kam bağlantı çubuğunu serbest bırakır, böylece pistonun bir devri tamamlanır. Kurşun ağırlık yerçekimi etkisiyle aşağı inerken silindirin içinde suyun emildiği bölümdeki kapakçık kapanır ve su, çıkış borusu üzerinden yukarı doğru pompalanır.
İçten yanmalı motorların öncülü sayılan, içinde bir piston bulunan metalik silindirden oluşan bir düzenek 1673’te Paris’te fizikçi Christiaan Huygens ve asistanı Denis Papin tarafından geliştirildi. Alman Otto Von Guericke’in geliştirdiği vakum pompası prensibinden yola çıkan Huygens, vakum yaratmak için hava pompasından değil, barutun ısıtılmasıyla elde edilen bir yanma sürecinden yararlandı. Hava basıncı pistonun ilk konumuna dönmesini sağlar ve böylece bir kuvvet oluşturur.
İsviçreli François Isaac de Rivaz 1775’lere doğru otomobilin gelişimine katkıda bulundu. Yaptığı buharlı birçok otomobil, esneklikten yoksun olmaları nedeniyle başarılı olamasa da volta tabancasının çalışmasından esinlenerek yaptığı içten yanmalı motora benzeyen bir düzeneğe 30 Ocak 1807’de patent aldı.
Belçikalı mühendis Etienne Lenoir 1859’da “Gazlı ve genleşmiş havalı motor” adı altında iki zamanlı içten yanmalı bir motorun patentini aldı ve 1860 yılında elektrik ile ateşlenen ve su soğutmalı ilk içten yanmalı motoru geliştirdi.
Lenoir buhar makinesinin, buluşundan 100 yıl sonra ömrünü doldurduğuna inandı ve bundan sonra daha fazla geliştirilemeyeceğini düşünerek çalışmalarında içten yanmalı proseslere yöneldi. Buhar makinesinde enerjinin işe çevrilmesi uzun zaman almaktadır. Yakıt olarak kullanılan kömür önce silindirin dışında yakılacak, ısıdan buhar oluşacak, sonra buhar silindire verilecek ve ancak piston üzerine kuvvet etki ettirilecektir. Lenoir’in tezine göre yakıtın direkt silindirin içinde yanması daha etkili olacaktır. Böylece yanmadan dolayı enerji direkt kayıpsız olarak pistona etki edecektir. Yakıt olarak kömür yerine gaz kullanılmıştır. Gas silindire iletilecek ve orada yakılarak kuvvet direkt pistona iletilecektir. 1858 yılında Lenoir motorunu gaz motoru olarak iki zamanlı çalışma prensibine göre tasarlamayı başarmıştır.
Buhar makinesinin çalışma prensibini Lenoir Motoru’nun çalışma prensibinde görmekteyiz. Bu motoru Lenoir kendisi imal etmek ve satmak istedi. Bu nedenle 1859 yılında Paris’te Société karışımıdes Moteurs Lenoir şirketini kurdu. . Bu firma 1860 yılından itibaren yaklaşık 330 Lenoir motoru üretti. Lenoir motorunun, buhar makinesine göre kullanımının daha kolay ve daha güvenli olduğu söylenebilir. Lenoir moturu hava ulaşımında kullanılan ilk içten yanmalı motordur. 1872 yılında Alman mühendis Paul Haenlein ilk olarak “Aeolus” olarak adlandırdığı 50 metre uzunluğundaki hava aracında Lenoir gaz motorunu denedi. Yapılan deneylerde 20 metre yükseğe kadar çıkabildi ve 18 km/h hız yaptı.
Yapılan deneylerde 20 metre yükseğe kadar çıkabildi ve 18 km/h hız yaptı. Lenoir motorunun iki dezevantajı olduğu biliniyordu; gaz karışımı sıkıştırmasız olduğundan verimi oldukça düşüktü.
Ayrıca gazın yanması pistonun her iki tarafında meydana geldiği için, kısa zamanda piston aşırı ısındığından piston sıkışma riski oldukça yüksekti. Bu nedenle motorun aşırı yakıta ve aşırı sürtünmeden dolayı yağa ihtiyacı vardı. Bu dezevantajlara rağmen Lenoir motoru içten yanmalı motorların önemli bir kilometre taşıdır. Esasında Lenoir motoru içten yanmalı gaz, benzin ve dizel motorların ilham kaynağıdır
Lenoir Motor ile Otto Motor
1850’li yıllarda sanayinin küçük bir motora ihtiyaç duyduğunu fark eden Nikolaus August Otto’yu, gaz motorunun Lenoir tarafından bulunuşu çok etkiler. Tekniği ve motoru iyi anlamak için 1861 yılında Köln’de bulunan küçük atölyesinde çalışan bir model imal eder. Fakat yanmadan dolayı meydana gelen iç patlamalar makineyi parçalar. Başarısız geçen deneylerle maddi birikimlerini tüketen Otto, vazgeçme noktasına geldiği bir dönemde ekonomik gücü olan mühendis Eugen Langen ile tanışarak 1864 yılında “N. A. Otto & Cie” adlı şirketi kurar.
Bu şirket sadece içten yanmalı motorların imalatına odaklanır. Yapılan araştırmalar neticesinde gas motorun darbesiz çalışması sağlanır. Hazırlanan yeni motor, 1867 yılında Paris’te düzenlenen uluslararası fuarda ödüle layık görülür. Motorun en önemli özelliği Lenior mortunun üçte biri kadar yakıt tüketiyor olmasıdır.
Bu motor dünyada darbesiz çalışan ilk basınçsız gaz motoru olarak tarihe geçer. Kısaca çalışma prensibi olarak dikey silindirin altında meydana gelen gaz hava karışımının yanması sonucunda piston yukarıya doğru ani hareketle kendisi ile birlikte hareket eden kramayer dişlisi motor mili üzerinde bulunan dişliği çevirir, pistonun altında vakum oluştuğundan atmosfer basıncı ile pistonu aşağıya doğru itilir.
Ottonun fikri diğerleri gibi havada suda ve karada insanlara hareket sağlayacak bir şey olmalıdır. James Watts’ın buhar makinesi 100 yıl boyunca demiryollarında, maden ocaklarında ve endüstride kullanılmıştır. Ancak çok büyük, ağır ve kaba olduğundan taşıtlarda tahrik makinesi olarak tercih edilmedi. Lenoir motorunu kendi motoru için önemli bir temel taş olarak gören Otto, bu model üzerinde yaptığı bir seri deneyler ve değişiklikler sonucunda dört zamanlı (emiş-sıkıştırma-yanma- dışarı atma) prensibini bulur. Dünyada “Atmosferik Otto Gaz Motoru olarak” tanınır.
Alphonse Beau de Rochas bu prensibi iyileştirir ve emme, sıkıştırma, yanma ve egzozdan oluşan dört zamanlı bir termodinamik çevrim geliştirerek aşar. Teorisyen olan Beau de Rochas çalışmalarını gerçek hayata uygulayamaz. 1862’de patent alır ama maddî zorluklar nedeniyle koruyamaz. Dört zamanlı çevrimin teorisinin Beau de Rochas tarafından ortaya konması sonucu içten yanmalı motorlardan gerçekten yararlanılmaya başlanır.
Nikolaus Otto, 1872’de Beau de Rochas prensibini uygulayan ilk mühendis olur ve bu çevrim artık “Otto Çevrimi” olarak anılmaya başlar. Köln’ün Deutz kasabasında 1877 yılında gaz motoru fabrikası “Gasmotorenfabrik Deutz AG kuruldu. Bu fabrikanın adı daha sonra “Klöckner-Humboldt-Deutz AG” olur. Otto bu fabrikada satış elemanı, Daimler teknik müdür ve Maybach şef konstrüktör olarak görev yapar. Langen ise yönetim kurulu üyesi olarak çalışır. 10 yıl içinde kadar 2 bin 640 motor satışı yapılır.
Otto, 1877 yılında gaz yakıtından benzinli yakıta geçmek için kızdırma borusu ve elektrik ateşleme ile ilgili çalışmalarında başarısız olur. Ancak 1884 yılında sıvı yakıtla çalışan ilk motoru yapmayı başarır. Otto’nun buluşu olan hava-yakıt karışımı ve ateşleme sistemi diğer sistemlerden daha iyi ve daha güvenlidir. Deutz bu sistemin patentini almadı. Bu nedenle Robert Bosch engelsiz bir şekilde bu sistemi imal etti ve geliştirdi. Bu yeni magnet-elektrik ateşleme sistemi Robert Bosch’un ilk başarısıydı. Otto’nun 25 yıllık motor rüyası sonunda gerçek olur. 1875 yılında sağlıklı bir şekilde doğan içten yanmalı motorlar 140 yıldır sürekli geliştirilerek üretilmeye devam ediyor.
