Elektrikli araçlara odaklanmış bir dünyada Porsche, içten yanmalı motorlarda hala yenilik yapılabileceğini ortaya koydu. Şirket, potansiyel olarak benzinle çalışan otomobillerde verimliliği ve performansı yeniden tanımlayan altı zamanlı motorun patentini aldı. Bu yeni tasarım nasıl çalışıyor ve neleri içeriyor? Birlikte inceleyelim.
Giriş
Motor verimliliğinin artırılması günümüzde en zorlu sorunlardan biridir. Hibrit ve elektrikli taşıtlar konusunda büyük otomotiv devlerinin yaptığı araştırma geliştirme çalışmaları oldukça popüler bir hal almış ve başarılı sonuçlar da ortaya çıkmıştır. Ancak mevcut alt yapı durumu nedeniyle fosil türevi yakıtların kullanılmasına rağmen içten yanmalı motorlardan vazgeçmek kolay olmayacaktır. Bu nedenle daha çevreci, daha güçlü, daha ekonomik içten yanmalı motorların geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar, altı zamanlı motorları meydana getirmiştir.
Tarihçe
1920 – Dyer, atık ısının kullanılarak verimin geliştirilebileceğinden, motordaki egzoz gazı atımının iyileştirilebileceğinden ve soğutma sisteminin basitleştirilebileceğinden söz etmiştir. Dyer’in bu çalışması, içten yanmalı motorlardaki dört zamana ek olarak beşinci ve altıncı zaman kavramlarının söz edildiği ilk patenttir. Patentte kısaca egzoz zamanı sonrası su enjeksiyonunun yapılmasından ve sıvı fazdaki suyun silindir içerisinde buhar fazına geçmesiyle silindir içerisinde bir miktar basınç artışının olacağından ve bu artış etkisiyle ek bir iş zamanı meydan geleceğinden söz edilmektedir. Dyer’in çalışması altı zamanlı motorlarla ilgili oluşturulan yaklaşımların temel kaynağıdır.
1921 – Cage, üç fazlı altı zamanlı motorlar üzerine çalışmıştır.
1940 – Rudd, dizel bir motorun çeşitli modifikasyonlarla altı zamanlı motora dönüştürülmesi üzerine çalışmıştır.
1947 – Kroyer, benzinli bir motorun veriminin artırılmasına yönelik altı zamanlı motorlar üzerine patent çalışmalarında bulunmuştur.
1975 – Melby, aşırı doldurmalı altı zamanlı motorlar üzerine bir patent çalışması yapmıştır.
1976 – Tibbs, altı zamanlı motorlarda sıvının buharlaştırılması işlemi üzerine bir çalışma yapmıştır.
1981 – Ward, yaptığı patent çalışmasında emme ve egzoz supaplarına ek olarak üçüncü bir supap ve bu supaba ait mekanizma geliştirmiştir.
1984 – Hallstrom, içten yanmalı motor ve buhar makinesinin kombinasyonu ile ilgili bir patent çalışması yapmıştır.
1988 – Larsen, altı zamanlı motorlarda değişken supap zamanlaması ile ilgili bir patent çalışmasında bulunmuştur.
1997 – Beare, patentinde altı zamanlı motorlarla ilgili farklı bir yaklaşım ortaya atmıştır. Birincil piston, güç pistonu olarak adlandırılmaktadır. İkincili piston ise klasik supap mekanizmasının yerine kullanılmaktadır. Beare’nin bu tasarımı altı zamanlı motorlarla ilgili ikinci yaklaşımın temelini oluşturmaktadır.
2001 – Singh, altı zamanlı içten yanmalı motor için bilgisayar kontrol metodunu açıklayıcı bir patent çalışmasında bulunmuştur. Bu çalışmada su enjektörleri bilgisayar kontrollü olarak gösterilmektedir. Singh, bu çalışmasında altı zamanlı motorlardan değil, altı zamanlı motorların yönetiminden bahsetmiştir.
2004 – Ziabazmi, altı zamanlı motorlar ve supap mekanizması hakkında bir patent çalışması yapmıştır. Bu çalışmada altı zamanlı motor için gerekli kam profilleri ayrıntılı olarak incelenmiştir.
2006 – Hu, patentinde çift altı zamanlı içten yanmalı motordan bahsetmiştir. Ayrıca bu çalışmada serbest soğutma sisteminden de söz edilmiştir.
2009 – Singh, patentinde atık ısı enerjisinin içten yanmalı motorlarda faydalı olarak kullanılmasıyla ilgili metottan söz etmektedir. Bu çalışmada altı zamanlı motorlarda iki iş zamanının oluştuğu ve bu iş zamanlarının bir tanesi egzoz gazlarının ısı enerjisinden faydalanıldığından bahsedilmektedir.
2009 – Bonner, altı zamanlı motorlardaki su enjeksiyon süreci yerine silindir içerisine sıkıştırılmış hava yollanmasından söz etmektedir. Su enjeksiyonu yerine sıkıştırılmış havanın yollanması için silindir başına dört supap kullanılan bir tasarım oluşturulmuştur.
2010 – Kelem, altı zamanlı motor konseptinde su enjeksiyonu veya sıkıştırılmış hava kullanılan zaman yerine serbest zaman kavramını ortaya atmıştır. Kelem’in bu tasarımında emme, sıkıştırma, iş ve egzoz zamanlarından sonra ek olarak iki serbest zaman gerçeklemektedir.
2010 – Szybist, ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda yüksek verimli altı zamanlı bir motor üzerine patent çalışmaları yapmıştır. Bu çalışmada su enjeksiyonu ile yüksek verimli altı zamanlı motorun çalışma yapısından söz edilmektedir. Szybist çalışmasında su enjeksiyon sistemi ve soğutma sisteminin bütünleşik bir biçimde çalıştırılmasına da patentinde yer vermiştir.
Çalışma Prensibi
Altı zamanlı motor, içten yanmalı motorda dört zamanlı Otto Çevrimi’nden gelen atık ısıyı yakalayarak bu ısıyı pistonun egzoz strokuna güç sağlaması için kullanılmasını sağlar. Ek güç stroku için çalışma sıvısı olarak su kullanılır. Güç elde etmenin yanı sıra, ek strok motoru soğutur ve soğutma sistemi ihtiyacını ortadan kaldırır. Otto Çevrimi’ne göre %40 daha fazla verimlilik sağlar. Altı zamanlı bir motordaki pistonlar, her yakıt enjeksiyonu için altı kez yukarı ve aşağı hareket eder. Altı zamanlı motorda biri yakıt, biri hava veya buhar olmak üzere 2 güç stroku vardır. Egzoz strokundan sonra, hava/yakıt karışımı yerine (benzinli motorlarda olduğu gibi), hava filtresinden silindire taze hava emilir ve altıncı strok sırasında çıkarılır. Supap, üst üste binmeleri kaldırmış ve hava enjeksiyonu kullanılarak daha iyi süpürme için ilave iki strok sağlanmıştır. Motor yakıt tüketiminde %40 azalma ve kirlilikte bir düşüş göstermektedir. Özgül gücü, dört zamanlı bir benzinli motordan daha az değildir. Bu motor, benzin ve dizelden LPG’ye kadar çeşitli yakıtlarda çalışabilmektedir. Dört zamanlı motorla karşılaştırıldığı zaman CO kirliliğinde %65 oranında azalma göstermektedir.
Çalışma prensibi şöyledir:
1) Emme Stroku: Giriş valfleri açılır ve karbüratörden gelen hava/yakıt karışımı giriş valfinden silindire emilir. Piston, ÜÖN’dan AÖN’ya hareket eder, böylece silindire saf havanın girmesi nedeniyle bir basınç farkı oluşur.
2) Sıkıştırma Stroku: Giriş valfi kapanır ve ısıtma odası valfi açılır. Piston kranklama nedeniyle yukarı doğru hareket ederek havayı ısıtma odasına zorlar. Bu sayede hava yüksek basınca dönüştürülür.
3) Birinci Güç Vuruşu: Sıkıştırılmış hava/yakıt karışımı ateşlenerek motordan güç elde edilir. Her iki valf de kapalı kalır. Piston ÜÖN’dan AÖN’ya hareket eder. Ardından yanma odası valfi açılır ve yanma gazları silindire dağılır.
4) Egzoz Stroku: Egzoz valfi yanmış gazları uzaklaştırmak için açılır. Piston ÜÖN’ya hareket eder.
5) İkinci Güç Vuruşu: Egzoz valfleri kapalı kalır ve su giriş valfi açılır. Buradan gelen su, ikincil su indüksiyon sistemi aracılığıyla silindire girer. Piston AÖN’ya hareket eder.
6) İkinci Egzoz Stroku: Silindir içine emilen su, egzoz valfinden atmosfere atılır. Piston ÜÖN’ya hareket eder ve altı strok tamamlanır.
(ÜÖN: Üst Ölü Nokta AÖN: Alt Ölü Nokta)
Termal Verimliliği Etkileyen Faktörler ve Yakıt Tüketimi
1) Geleneksel bir motorun silindir kapağının soğutulması sırasında tahliye edilen ısı, altı zamanlı motorda yanma odasını çevreleyen hava ısıtma odası tarafından geri kazanılır.
2) Emme işleminden sonra hava ısıtma odasında sıkıştırılır ve 720° krank mili açısı boyunca ısıtılır.
3) Yanma odasının çok ince duvarlarından hava ısıtma odalarına ısı transferi, genleşme ve egzoz sırasında gazların sıcaklığını ve basıncını düşürür.
4) Gazların daha iyi yanması ve genleşmesi, 360°’si kapalı yanma odasında ve 180°’si genleşme için olmak üzere 540°’lik krank mili dönüşü boyunca gerçekleşir.
5) Parlayan yanma odası, herhangi bir yakıtın en iyi şekilde yanmasını ve kalıntıların kalsinasyonunu (erime noktasının altında ısıtma işlemi) sağlar.
6) İşin dağılımı: altı strok üzerinde iki genişleme (güç stroku) veya dört stroklu bir motordakinden üçte bir daha fazladır.
7) Silindir duvarlarının ve piston kafasının daha düşük sıcaklığı nedeniyle emme sırasında silindir daha iyi doldurulur.
8) Emme sırasında temiz hava ile kesişen egzoz gazlarının ortadan kaldırılması. Altı stroklu motorlarda emme birinci strokta, egzoz ise dördüncü strokta gerçekleşir.
9) Soğutma gücünde büyük azalma. Su pompası ve fan çıkışları azaltılır.
10) Hareketli parçaların hafifliği nedeniyle daha az atalete sahiptir.
11) Daha düşük yağ sıcaklığına sahiptir. Yanma kapalı bir bölmede gerçekleştiğinden, yüksek sıcaklıklar yağı daha az zorlar ve soğuk çalıştırmalarda bile seyrelme riski azalır.
12) Altı zamanlı motorda, dört zamanlı motora göre üçte bir oranında daha az emme ve egzoz bulunduğundan, emme sırasında piston üzerindeki çöküntü az olur.
13) Egzoz sırasındaki basınç üçte bir oranında azalır.
Verimlilikteki kazanç, taze havanın sıkıştırılması sırasında havanın yanma odası ve ısıtma odası valflerinden geçişinden kaynaklanan kayıpları dengeler.
Altı Zamanlı Motorda Modifikasyon
Altı zamanlı motorun başarılı bir şekilde çalışması için geleneksel dört zamanlı motorun belirli parçalarında değişiklikler yapılır. Bu modifikasyonlar şunlardır:
1) Krank Mili – Kam Mili Oranı Modifikasyonu
Geleneksel dört zamanlı motorda, bir çevrimi tamamlamak için eksantrik mili 360° dönerken krank milindeki dişlinin 720° dönmesi gerekir. Altı zamanlı motorda, eksantrik milini 360° döndürmek ve bir çevrimi tamamlamak için krank milindeki dişlinin 1080° dönmesi gerekir. Yani her bir çevrimin meydana gelmesi için üç krank turu gerekmektedir. Dolayısıyla bunlara karşılık gelen dişli oranı 3:1’dir.
2) Eksantrik Mili Modifikasyonu
Altı zamanlı motorda kamın 360 derecesi, altı strok arasında 60 dereceye bölünmüştür. İki egzoz stroku vardır, biri dördüncü strok esnasında sıcak gazların veya yanmış gazların dışarı atıldığı zamandır, diğeri de altıncı strokta buharı dışarı atan stroktur.
3) Kam Takipçisi Modifikasyonu
Normal takipçinin alt şekli, dört zamanlı motor için normal eksantrik mili ile uygun olan düz modele sahiptir. Supap açılma süresi 900°’den sadece 600°’ye düşürüldüğünde, takipçinin şekli düzden makaralı veya küresel şekle değiştirilmelidir.
Avantaj / Dezavantaj
Avantajları
- Yakıt tüketiminde en az %40 azalma,
- Altı vuruşta iki genişleme (çalışma),
- Düşük motor sıcaklığı,
- Daha yüksek genel verimlilik,
- Kirlilikte (CO ve NOx) %65’e varan azalma,
- Daha az sürtünmeden dolayı daha az aşınma ve yıpranma,
- Yakıt çeşitliliği.
Dezavantajları
- Daha ağır motor,
- Daha fazla bakım ihtiyacı,
- Üretim maliyeti yüksek,
- Karışık kam mili tasarımı (2 egzoz stroku nedeniyle),
- Yüksek sıcaklıkta su kullanımından dolayı daha fazla korozyon olasılığı.
Sonuç
Altı zamanlı motorlar, performans üzerinde herhangi bir etkisi olmadan, verimlilik ve güç çıkışında önemli bir artışın yanı sıra özgül yakıt tüketiminde azalma sağlar. CO ve NOx gibi egzoz emisyonları dört zamanlı motorlara kıyasla çok daha düşüktür. Bu motorların adaptasyon yolundaki zorluklardan bazıları yüksek maliyeti ve daha büyük boyutudur. Maliyetin ve boyutun en aza indirilmesine ve teknolojinin daha güvenilir ve kullanışlı hale getirilmesine odaklanılması, yeni altı zamanlı teknoloji alanında daha fazla araştırma yapılmasına yol açacaktır.
Sonuç olarak, altı zamanlı motorlar her ne kadar 80 yılı aşkın bir süredir kullanım alanı bulamamış olmasına rağmen, dört zamanlı motorlara göre avantajları bakımından yakın gelecekte dört zamanlı motorların yerine kullanılabilecek alternatif bir motor olacağı öngörülmektedir. Altı zamanlı motorun otomotiv endüstrisi tarafından benimsenmesi çevre ve dünya ekonomisi üzerinde olumlu yönde bir etki yaratacaktır.
Kaynakça:
- Arabacı, E. (2015). Altı Zamanlı, Pistonlu İçten Yanmalı Motorlar. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 3(2), 37-45.
- Eriksson, Sören. “Six stroke engine.” European Patent No. EP 2476879. 18 Jul. 2012.
- Tejaskumar U Kothari (2014) “Design and Analysis of Six Stroke Internal Combustion Engine” IJEDR | Volume 2, Issue 2 | ISSN: 2321-9939
- P.Naresh et al. Concept of Six Stroke Engine. J. of Advancement in Engineering and Technology V3I4.
DOI: 10.15297/JAET.V3I4.04 - “A REVIEW ON SIX STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE,” Int. J. Adv. Eng. Res. Dev., 2016.
- Conklin J. C. and Szybist J. P., “A Highly Efficient Six-Stroke Internal Combustion Engine Cycle with Water Injection for In Cylinder Exhaust Heat Recovery”, Energy, Volume 35, Issue 4, pp. 1658 1664 (2010).
