Gaz motoru

19. yüzyılda gaz motorlarıyla pek çok deney yapılmıştır, ancak pratik olarak çalışır haldeki ilk gaz-dolu içten yanmalı motor, Belçikalı bir mühendis olan Étienne Lenoir tarafından 1860 yılında üretilmiştir[2]. Lenoir motorunun yüksek yakıt tüketimi ve düşük güç üretimi sorunları vardı.

Lenoir'un çalışmaları Alman bir mühendis olan Nikolaus August Otto tarafından araştırılarak geliştirilmiştir. Nikolaus Otto daha sonra, yakıtı piston/itenek odasında doğrudan yakabilmek amacıyla, ilk kez dört zamanlı motoru icat etmiştir. 1864 Ağustos ayında Otto, teknik eğitim almış olan Eugen Langen ile tanışmıştır. Otto'nun gelişim potansiyelini gören Langen tanıştıktan bir ay sonra Otto ile birlikte dünyadaki ilk motor fabrikasını, NA Otto & Cie adıyla, Köln kentine kurmuştur. 1867 yılında Otto önceki tasarımının geliştirilmiş halinin patenti almıştır. Bu patent Paris Dünya Sergisi bünyesinde verilen büyük ödülü kazanmıştır. Bu atmosferik motor, dikey bir silindir içerisine bir miktar hava ile karıştırılmış olan gazı çekmek suretiyle çalışmaktaydı. Piston/itenek yaklaşık olarak 8 inç (~20.32 cm) kadar yükselerek karışımı sıkıştırdığında, gaz ve hava karışımı silindirin dışında yanmakta olan küçük bir kaynak/pilot alevi sayesinde tutuşturulur/yakılır. Tutuşturulan karışımı, (bir çeşit dişli düzeneğe bağlı olan) pistonu/iteneği yukarı hareket etmeye zorlarayarak alt kısmında kısmi vakum/hava boşluğu oluşmasına yol açar. Yukarı doğru olan vuruş sırasında net bir iş oluşmaz/yapılmış olmaz. Asıl iş, piston ile dişli düzenek atmosferik basınç ve kendi ağırlıkları altında alçaldıkları sırada ana hareket şaftını/milini/dingilini ve volanları/çarkları döndürdükleri zaman yapılır. O tarihlerdeki buhar makinesine göre asıl avantajı istendiği anda başlatılabilmesi ve istendiği anda durdurulabilmesiydi. Bu özellik de motoru, mavnalara yük bindirme / indirme gibi aralıklarla devam edebilen türdeki işler için çok kullanışlı hale getirmekteydi[3].

Atmosferik gazlı (hava kullanan) motorun yerini, Otto tarafından tasarlanmış olan Dört zamanlı motor almıştır. Son atmosferik motor 1877 yılında üretilmiş olduğu göz önüne alınırsa, Dört-zamanlı motorlara geçişin oldukça hızlı gerçekleştiği söylenebilir. Sıvı yakıtlı motorlarından ortaya çıkışından kısa süre Dizel (1898) ve benzinli (1900) motorlar yaygınlaşmaya başlamıştır.

Gaz motorlarının en iyi üreticisi olarak bilinen ve İngiltere'nin Manchester şehrinde kurulmuş olan Crossley şirketi, 1869 yılında Almanya dışında İngiltere ve Dünya çapında, Otto ve Langden gaz yakıtlı atmosferik motorunun patentlerinin hakklarını elde etmiştir. 1876'da ise daha verimli olan Otto dört-zamanlı mnotorun haklarını elde etmiştir.

Manchester şehrinde kurulmuş olan başka şirketler de vardı. Tangye Ltd. şirketi, 1 nominal beygir gücündeki (ingilizce: nominal hp) iki-zamanlı ilk gaz motorunu 1881 yılında satmıştır ve 1890 yılında dört-zamanlı motor üretimine bşalamıştır[4].

İngiltere'nin Cheshire kontluğu sınırlarındaki Poynton (ingilizce: Poynton) kasabasında bulunan Anson Motor Müzesi (Anson Engine Museum), aralarında hala çalışır durumdaki gaz motorlarının da bulunduğu motor koleksiyonunu barındırmaktadır. Bunların arasında şimdiye kadar üretilmiş en büyük çalışır haldeki Crossley atmosferik gaz motoru da bulunmaktadır.

Yaygın uygulamalar arasında baz yük (ingilizce: base load) ile birleşik ısı ve enerji üretimi[6] de dahil olmak üzere, yoğun-saat üretimi yöntemleri (ingilizce: High-hour scheme) bulunmaktadır[7]( çöplük gazı (ingilizce: landfill gas), Maden  gazı, Petrol kuyusu-kuyu gazı ve Biyogaz[8] üretilen yerlerde motordan gelen atık ısı ısıtma sistemlerinde kullanılabilmektedir).  Gaz motorları nadiren durgun sistemler için kullanılırlar ki bu sistemlerde genelde Dizel motorlar tercih edilmektedir. Bunun bir istinası olarak küçük (<150 kW) acil durum üreteci gösterilebilir. Bu üreteç sıklıkla çiftlikler, müzeler, küçük iş yerleri ile ikamet/konut alanlarında kullanıbilmektedir. Kamuya açık doğal gaz hattından ya da üretim sahasınaki  propan tanklarından beslenen bu üreteçler, elektrik şebekesindeki kesintilerde otomatik olarak üretime başlayacak şekilde ayarlanabilirler.

Sıvılaştırılmış Doğal Gaz (LNG) motorları deniz taşıtları piyasasında yaygınlaşmaya başlamıştır. Bunun sebebi hafif-yanmalı (ingilizce: Lean-burn) gaz motorlarının, yeni egzoz salınım kısıtlamalarını, fazladan yakıt arıtımına/işlenmesine ya da kapsamlı temizleme sistemlerine gereksinim kalmadan, karşılayabilmesidir. Otobüs  sektöründe ise sıkıştırılmış doğalgaz (CNG) ile çalışn motorların kullanımı gittikçe artmaktadır. İngiltere'de buna örnek olarak Reading Buses (ingilizce: Reading Buses) şirketi verilebilir. Gazlı otobüslerin kullanımı, Gazlı Otobüs Birliği[9] ile aralarında Scania AB'nin de bulunduğu üreticiler tarafından desteklenmektedir[10].

Bir Gaz motoru, yakıtın havayla karıştırılma şekli bakımından Benzin motorundan ayrılmaktadır. Benzin motoru  karbüratör ya da yakıt enjeksiyonu kullanır. Ancak bir gaz motoru, genellikle basit bir venturi (ingilizce: venturi effect) sistemi kullanarak gazı hava akışına karıştırır. İlk gaz motorları, hava ve yakıt gazı için ayrı girişleri bulunan 3-vanalı sistemler kullanmışlardır.

Gaz motorunun, Dizel motora göre zayıf noktası egzoz vanalarıdır, çünkü gaz motorunun ürettiği atık gazlar/egzoz gazları aynı miktardaki gaz girişine kıyasla diğer türdeki motordaki atık gazdan/egzoz gazından çok daha yüksek sıcaklıktadır ve bu üretilen güç çıkışını sınırlar. Bu yüzden, aynı üreticiden çıkan bir Dizel motoru, aynı hacimdeki motor bloğu kıyaslandığında, gaz motoru versiyonundan her zaman daha yüksek bir sınır güç çıkışı değerine sahip olmaktadır. İngilterede, Dizel motoru genellikle 3 farklı değerlendirme göstergesine sahiptir: — beklemede(ingilizce: standby), birincil (ingilizce: prime), ve devamlı çalışma, diğer bir deyişle 1-saatlik, 12-saatlik ve süresiz/devamlı; diğer yandan gaz motoru genellikle sadece süresiz/devamlı değerlendirme göstergesine sahiptir. Bu gösterge değeri de Dizeldeki karşılığından daha az olmaktadır.

Günümüze kadar çeşitli ateşleme sistemleri kullanılmıştır. Bunlar arasında sıcak-tüp ateşleyicileri (ingilizce: hot-tube ignitor) ve kıvılcım ateşleme  sistemleri (ingilizce: spark ignition) bulunmaktadır. Pek çok modern gaz motoru türü aslında Çok-yakıtlı: Çift yakıtlı motorlardır  (dual-fuel engines). Asıl enerji kaynağı gaz yakıtı ile havanın karışımı olmasına rağmen, ateşleme bu karışımın içine çok küçük miktarda Dizel yakıtı enjekte edilmesiyle sağlanmaktadır.

Doğal gaz ile çalışan gaz motorları genellikle %35 - %45 arasında bir ısı verimine sahiptirler (Düşük Isıtma Değeri, ingilizce: LHV -Lower heating value)[12]. 2018 yılı itibarıyla, en iyi motorlar artık 50% civarında bir ısı verimine ulaşabilmektedirler (LHV bazında).[13]. Bu gaz motorları genellikle orta-hızlı motorlardır(Bergen Engines). Yakıt enerjisi çıkış bacasında yükselir, kalanı ise atık ısı olarak görünür[6]. Büyük motorlar küçük versiyonlara göre daha verimlidirler. Diğer yandan, biyogaz ile çalışan gaz motorları ise genellikle biraz daha az verimlidirler (~%1-%2) ve singaz (ingilizce: syngas) kullanımı ise verimliliği daha da düşürmektedir. INNIO Jenbacher firmasına ait ve hala aktif olarak üretimde olan J624 motoru, dünyanın ilk yüksek verimli metan-yakıtlı 24-silindirli gaz motorudur[14].

Motor verimliliği konusunda, göz önününde bulundurulması gereken konu gazın hangi kriterinin/değerinin dikkate alınacağıdır: Düşük Isıtma Değeri (ingilizce: lower heating value-LHV) veya Yüksek Isıtma Değeri (ingilizce: higher heating value -HHV). Motor üreticileri genellikle verimlilik değerlerini bildirirken, bahsettikleri verimlilik gazın düşük Isıtma değerine dayanmaktadır. Bir başka deyişle, gazın içinde doğal olarak bulunan nemi buharlaştırmak için enerji alındıktan sonraki verimden bahsedilmektedir. Gaz dağıtım şebekeleri genellikle gazın yüksek ısıtma değeri (yani toplam enerji içeriği) üzerinden fiyatlandırma yapmaktadırlar. Düşük ısıtma değerine (LHV) dayanan verimlik değeri, örn., %44 iken aynı motorun, doğal gaz yakıtı için, yüksek ısıtma değerine dayanan verimliliği %39.6 civarı olabilmektedir.

Önemli olan, bu verimlilik karşılaştımalarının aynı özelliklere sahip motorlar arasında yapılmasıdır. Örneğin, motoru soğutan suyu çevirmek/hareket ettirmek için bazı üreticiler mekanik olarak işletilen pompalar kullanırken diğerleri elektrikle işletilen pompalar kullanmaktadır. Elektrik kullanımı ise gözardı edildiğinde, bu motorlar hatalı bir şekilde yüksek görünen verimlilik değerlerine sahip olabilmektedirler.

Motordan çıkan ısı, bina ısıtılmasında ya da başka bir ısıtma işleminde kullanılabilir. Bir motorda; atık ısının yaklaşık yarısına yakın kısmı, motor ceketi/kaplamasından, yağ soğutucu ve soğutma-sonrası çevrimden, sıcak su olarak gelir ve yaklaşık 110 °C'ye kadar ısınmış olabilmektedir. Geri kalanı ise yüksek-sıcaklıktaki ısı olarak ortaya çıkar ve , egzoz gazı ısı değiştiricisi yardımıyla, basınçlı sıcak su ya da buhar üretiminde kullanılabilir.

En yaygın iki motor tür, Hava soğutmalı motor ile su soğutmalı (ingilizce: water cooled motordur. Günümüzde su soğutmalı motorlarda, içten yanmalı motorun içinde antifriz kullanılmaktadır.

Bazı motorlar, ek olarak yağ ile soğutan bir bileşen içerebilirler.

Soğutma süreci fazlalık ısıyı uzaklaştırma gerektirmektedir; çünkü aşırı ısınma, yıpranma, çatlama veya şekil bozulması/yamulma gibi sebeplerle birleşerek, motorun bozulmasına/durmasına sebebiyet verebilir.

Aşağıdaki formülde, tam kapasite için gerekli normal koşullarda çalışan bir gaz motorunun, gaz akış gereksinimin hesaplanmasında kullanılmaktadır.

${\displaystyle Q={\frac {P}{\eta }}\cdot {\frac {1}{LHV_{gas}}}}$

formülde:

• ${\displaystyle Q}$ normal koşullarda gaz akışı
• ${\displaystyle {P}}$ motor gücü
• ${\displaystyle {\eta }}$ mekanik verim
• LHV, gaza ait düşük ısıtma değeri (ingilizce: Low Heating Value)