motor hesabı
TRANSCRIPT
4.1 ÖNEMLİ MOTOR KARAKTERİSTİKLERİ
retici firmalar tarafından verilen motor performans değerleri genellikle normal servis
şartlarında ekonomik yakıt sarfiyatı, güvenirlik ve sağlamlık sağlayan maksimum
gücü gösterirler. Maksimum moment ve ulaşılabilen maksimum devir değerleri de
aynı sekil de verilir. Bu değerler silindir hacmine bağlı olduğu için farklı silindir
hacmine sahip aynı kategorilerdeki motorlar arasında mukayese yapmak açısından oldukça
faydalıdır. Bu bölümde, motorun çalışmasını karakterize etmek için yaygın olarak kullanılan
geometrik bağıntı ve parametreler verilecektir. Bir motorun performansı aşağıdaki kriterlerle
hassas olarak belirlenebilir:
En çok kullanılan motor çalışma aralıkları içerisinde her bir hız kademesinde verdiği
maksimum güç (veya maksimum tork).
Motorun emniyetli olarak çalışabileceği güç ve devir aralığı.
Motorun emniyetli olarak çalışabileceği üst limitlerin tespiti açısından aşağıdaki tanımlar
önemlidir. bunlar:
Maksimum anma gücü : Motorun belirli bir süre için çalışmasına müsaade edilen
üretebileceği en üst güç sınırı.
Normal anma gücü : Motorun sürekli çalışması durumunda üretebileceği en üst güç
sınırı.
Nominal devir : Motordan yukarıda tanımı verilen güçlerin elde edildiği devir.
Ü
BÖLÜM 4
4.2 GEOMETRİK ÖZELLİKLER
Aşağıdaki parametreler motorun temel geometrilerini tanımlamaktadır.
Sıkıştırma oranı :
=c
h
c
ch
V
V
V
VV
hacmi silindirminimum
hacmi silindir Maksimum1 (1)
Vc: Ölü hacim
Vh: Strok hacmi
Silindir çap-strok oranı:
R= L
D (2)
Biyel uzunluğu -krank çap oranı:
=r
l (3)
Şekil 1. silindir,piston biyel ve krank
geometrisi.
İlave olarak, strok ve çap arasında
L = 2r (4)
şeklinde bir ilişki vardır. Yukarıda verilen parametrelerin tipik değerleri: Buji ateşlemeli
motorlarda (BAM) =8-12, dizel motorlarında ise =12-24; küçük ve orta büyüklüklerde
motorlar için D/L=0.8-1.2, çok büyük ağır devirli dizel motorlarında 0.5’e kadar düşmekte;
küçük ve orta büyüklüklerde =3-4, ağır devirli büyük dizel motorlarında ise =5-9
olmaktadır.
s l
r
a
D
L Vc
ÜÖN
AÖN
Herhangi bir krank açısı konumunda ( ) silindir hacmi V:
V= Vc + )( srlD
4
2
(5)
Burada s, krank ve piston pin eksenleri arasındaki uzaklıktır ve krank açısı konumuna bağlı
olarak
s= r.cos +(l2 -r
2 sin
2 )
1/2 (6)
Burada açısı krank açısı olarak ifade edilmektedir. Denklem 4
yukarıdaki tanımlar kullanılarak yeniden düzenlenirse:
])sin(cos)[( 2122
21 111
cV
V (7)
Şekil 2. Hatırlatma
Herhangi bir krank açısı konumunda yanma odası yüzey alanı:
A=Asb +Ap + D (l+r-s) (8)
Burada Asb silindir başlığı yanma odası yüzey alanı,Ap piston yüzey alanı. Düz yüzeyli piston
için
Ap= D2/4 yazılabilir. Denklem (8) denklem (6) kullanılarak yeniden düzenlenirse:
A= Asb +Ap + ])sin(cos[ 21221
2
DL (9)
Önemli bir karakteristikte ortalama piston hızı pS dir:
pS =2Ln (10)
r
l
r sin
s
burada n, motor devridir (devir/s).Ortalama piston hızı, hızın bir fonksiyonu olarak motor
davranışını analiz etmek açısından devir sayısına göre daha anlamlıdır. Örneğin, emme
manifoldunda ve silindir içerisindeki gaz akış hızları daha çok pS ’ye göre formüle edilir.
Yine ısı transferi hesaplarında ısı iletim katsayısının bulunmasında silindir içerisindeki gaz
hızları ortalama piston hızına bağlı olarak verilmektedir. Anlık piston hızı Sp diferansiyel
formda
dt
dsS p (11)
ifade edilir. Piston hızı, strok başlangıcında sıfır, strokun ortalarına doğru maksimum ve strok
sonunda tekrar sıfıra düşer. Denklem 6’ nın diferansiyeli alınıp ortalama piston hızına
oranlanırsa
2122
12 )sin(
cossin
p
p
S
S(12)
Şekil 3’de Sp nin 53.rl için
krank açısına bağlı olarak değişimi
görülmektedir.
Ortalama piston hızı, motor sürtünmesi
ve çalışan aksamların ataletlerinden
kaynaklanan yükleri yenmedeki
başarısının göstergesidir. Bilindiği gibi
motora giren gazların akışına karşı
direncin varlığı veya hareketli
parçaların atalet kuvvetlerinin
oluşturduğu gerilmeler ortalama piston
hızının ulaşabileceği maksimum değeri
8 - 15 m/s arasında sınırlamaktadır.
Otomobil motorlarının atalet kuvvetleri daha küçük olduğu için pS aralığın üst sınırında,
gemi motorları gibi atalet kuvvetleri yüksek motorlarda ise alt sınırlarında seçilmektedir.
53.rl
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0 90 180
ÜÖN Krank Açısı, AÖN
P
P
S
S
Şekil 3 Anlık piston hızı/ ortalama piston hızı oranının
Krank açısına göre değişimi ( =3.5 için)
4.3 DÖNDÜRME MOMENTİ VE EFEKTİF GÜÇ
Motor momenti normal olarak bir dinamometre ile ölçülür. Motor mili dinamometre rotoruna
bağlanmıştır. Rotor statora elektro-manyetik, hidrolik veya mekanik sürtünmeli olarak
bağlanır. Statorda sabit gövdeye dönme hareketi yapacak şekilde düşük sürtünmeli yataklarla
bağlanmıştır. Ancak bu hareket rotordaki gibi bir devir yapma hareketi olmayıp eksen
etrafında bağlı bulunduğu kolla kuvvet aktarabilecek kısmi bir açısal dönme hareketidir.
Rotorun dönmesiyle stator üzerinde oluşan moment statoru dengeleyen ağırlıklar, yaylar veya
pnomatik araçlar vasıtasıyla ölçülür.
Motor tarafından oluşturulan döndürme momenti ;
T = F.b (13)
Motor tarafından üretilen güç ve dinamometre tarafından yutulan güç açısal hız ve momentin
çarpımına eşittir.
P = 2πn T (14)
Burada n krank mili devir sayısıdır(devir/s). SI birim sistemine göre formülize edecek olursak
P= 2.π.n(devir/s).T(Nm).10-3
(kW) (15)
Moment motorun iş yapabilme kabiliyetinin ölçüsüdür; güç ise yapılan işin birim zamanda ne
kadar yapılacağını gösterir. Ölçüm neticesinde bulunan güce fren veya efektif güç Pe adı
verilir.
Şekil 1. Dinamometrenin çalışma prensibi
F
b Yük
hücresi
4.4 MEKANİK VERİM
İndike gücün bir kısmı bir motorun egzoz gazlarını dışarı atmak ve emme havasını silindire
almak amacıyla harcanır(pompalama kaybı).Bir kısmı ise yatak, piston ve motorun diğer
mekanik parçalarını sürtünmelerini yenmek ve fan, devri daim pompası gibi parazitik
kayıplara harcanır. İşte yatak piston ve diğer motor mekanik aksamının sürtünmesini yenmek
ve motor aksesuarlarını çalıştırmak için gerekli güce sürtünme gücü Ps denir.Dolayısıyla
Pi = Pe + Ps (16)
şeklinde ifade edilir.Sürtünme gücünü doğru olarak tespit etmek güçtür.Yüksek devirli
motorlar için yaygın olarak kullanılan yöntem motoru bir dinamometre ile döndürmek ve tüm
sürtünmeleri yenmek için dinamometre tarafından harcanması gereken gücün ölçülmesi
esasına dayanmaktadır.Motor devri, gaz kelebek açıklığı , yağ ve su sıcaklıkları ve çevre
şartları teste tabi tutulacak motorun çalışması esnasındaki şartlarla aynı tutulur.Bu metotla
ölçümün tam sağlıklı olmamasının sebebi piston ve segmanlar üzerindeki gaz kuvvetlerinin
test motorunun yanması esnasındaki kuvvetlerden daha az olmasıdır.Aynı şekilde silindir
cidarındaki yağ sıcaklığında test altındaki motorun silindir cidar yağ sıcaklığından düşüktür.
Motor tarafından üretilen efektif gücün indike güce oranı mekanik verimi verir.
i
e
iP
sP
iP
eP
m1 (17)
Burada Pe: Efektif güç, Pi= indike güç, Ps=Sürtünme gücü olarak adlandırılır.Burada
Pi=Pe+Ps olduğu hatırlanmalıdır.
Sürtünme kuvveti gazların silindire alınması ve dışarı atılması esnasındaki gerekli kuvvetleri
içerdiği için mekanik verim motor dizaynı ve motor devrine bağlı olduğu kadar gaz
kelebeğinin konumuna da bağlıdır.Tipik modern otomobil motorlarında gaz kelebeğinin tam
açılması durumunda, 1800-2400 d/d’nın altında mekanik verim % 90 iken maksimum devirde
bu değer % 75 ' e düşer. Rölantide gaz kelebeği tamamen kapatıldığı için mekanik verim
neredeyse sıfıra kadar düşer. Çünkü rölanti esnasında yakıtın tümü motorun sürtünmeleri
yenecek şekilde gönderilir.
4.6 ORTALAMA EFEKTİF BASINÇ
Tork, belirli bir motorun iş yapabilme kabiliyetini önemli bir ölçü kriteri olmakla birlikte,
büyüklüğü motor ölçülerine bağlıdır.Çok daha faydalı izafi motor performans ölçme kriterleri,
çevrimden elde edilen işin strok hacmine bölünmesiyle bulunur. bu şekilde saptanan
parametre birim alana uygulanan kuvvet birimiyle ifade edilir ve ortalama efektif basınç Pme,
olarak adlandırılır.Çevrimin işi
Wç = n
iP . (20)
Burada W= Çevrim işi, P=Güç, n = Motor devri (devir/s) i = Her bir güç stroku için gerekli
krank tur sayısı (i =2 4 stroklu motorlar, i=1/2 iki stroklu motorlar için). Tek bir silindir için
ortalama efektif basınç ise
Pm = nV
iP
h .
. (21a)
SI birimiyle denklemi yeniden yazarsak
Pm (kPa) = )/().(
).(
sdevirndmV
ixkWP
h
3
310 (21b)
Ortalama efektif basınç tüm silindirlerini(k=sinlidir sayısı) ve motorun ana
ölçülerini(strok,H ve silindir çapı,D) içine alacak şekilde genelleştirilirse aşağıdaki şekilde
gösterilir:
Pm = iknAH
P
...
.6000 (21c)
Eğer motorun toplam silindir hacmi dikkate alınıyorsa VH=Vh.k=H.A.k olduğu
hatırlanmalıdır. Burada silindir içerisindeki güç ifadesi alınırsa, ortalama basınç indike
ortalama basınç, çıkış milinden ölçünen güç ile hesaplanırsa efektif ortalama basınç olarak
ifade edilir. Ortalama basınç aynı zamanda tork cinsinden de yazılabilir. Problem
çözümlerinde birim analizine dikkat edilmelidir. Denklem (14 ) kullanılarak denklem (21c)
düzenlenirse
Pm (kPa) = )(
).(...3
286
dmV
mNTi
h
(22)
Dizayn hesaplarında, motorun kaplayacağı hacim yer önemlidir. Dolayısıyla iyi bir motor
dizaynı, istenen güç ve torkun sağlana bilmesi için düşük silindir hacimlerinde bile yüksek
ortalama efektif basınç verebilmelidir. Yada verilen devir aralıklarında istenilen güç ve torkun
elde edilmesi için gerekli silindir hacmi ortalama efektif basınç kabulüyle yapılabilir. Değişik
motor tiplerinde tipik ortalama efektif basınç değerleri aşağıda verilmiştir.
Tablo 4.1 İçten yanmalı motorlara ait tipik maksimum ortalama efektif basınç değerleri
Motor tipi Maksimum ortalama efektif basınç aralığı (kPa)/
elde edildiği devir(dev/dak)
Doğal emişli benzinli motorlar
Maksimum anma gücünde
850-1050/3000
Yukarıdaki değerlerden %10-15 aşağı
Türbo doldurmalı benzin motorlar
Maksimum anma gücünde
1250-1700
900-1400
Doğal emişli dizel motorlar
Maksimum anma gücünde
700-900
700
Türbo doldurmalı dört stroklu dizel motoru
Türbo doldurmalı ara soğutmalı
Maksimum anma gücünde
1000-1200
1400
850
Büyük güçlü düşük devirli 2 stroklu dizel 1600
Yukarıdaki performans parametrelerinin ir motor dizaynına başlarken nasıl kullanıldıklarına
ait bir örnek aşağıda verilmiştir.
Örnek.
3000 d/d civarlarında maksimum 150 N.m tork üretecek dört silindirli bir buji
ateşlemeli bir motor tasarlanacaktır. Motorun strok hacmini, çap, strok ve üretebileceği
maksimum efektif gücü tahmin ediniz.
Çözüm:
Maksimum güç için tablo 1’den Pme= 925 kPa almak uygun olur. Denklem (23), tork
ve Pme arasındaki ilişkiyi vermektedir. Buna göre
V (dm3) =
3dm
.).(.2
925
1502286286 xx
p
mNiTmaks
me
Dört silindirli bir motor için, strok hacmi, çap ve strok arasında
Vd =4x LD2
4
D=L olarak kabul edersek, yukarıdaki bağıntıdan D=L= 86 mm bulunur. Maksimum
anma gücü maksimum ortalama piston hızı pS =15 m/s kabul ederek bulunabilir.
maksimum ortalama piston hızı:
pS =2Lnmaks
Buradan nmaks= 87 m/s (5200 d/d) olarak bulunur. Bu devirdeki motor gücü ise
Pe,maks= kW .
)()(70
102
872800
10 33
3
x
xx
i
ndmVkPaP maksme
4.7 ÖZGÜL YAKIT SARFİYATI VE VERİM
Motor testlerinde yakıt sarfiyatı kütlesel debi ym.
olarak ifade edilir.Çok daha kullanışlı bir
parametre ise birim güç başına tüketilen yakıt miktarını ifade eden özgül yakıt sarfiyatıdır.
Silindire sevk edilen yakıtın motorda birim güç üretmek için ne kadar verimli olarak
kullanıldığının göstergesidir.
be(g/kW.h) = )(
)/(.
kWP
hgym (23)
Özgül yakıt sarfiyatının düşük olması arzulanır. Benzin motorları için efektif özgül yakıt
tüketiminin en iyi değerleri 270 g/kWh civarında iken dizel motorlarında bu değer 200
g/kWh'ın altındadır.Ağır devirli dizellerde bu değer 110 g/kWh ' a kadar düşer.
Özgül yakıt sarfiyatı g/kWh birimi ile ifade edilir. Oysa, motordan almayı arzu ettiğiniz
çıktının (çevrim başına iş veya güç) motorun çalışması için verilen gerekli girdiye (yakıt
enerjisi) oranını ifade eden bir boyutsuz parametre(verim) tanımlamak daha faydalıdır. Bu
parametre motor veriminin bir ölçüsüdür.
Yanmayla açığa çıkan yakıt enerjisi QG, çevrim başına motora gönderilen yakıtın (kütlesel
yakıt debisi, ym ) ile yakıtın alt ısıl değerinin (Hu) çarpımı olarak verilir(QG= ym .Hu). Yakıt
ısıl değeri Hu, belirli miktardaki yakıtın hava ile (standart bir test yöntemiyle yakıt
kalorimetresinde) tam yanması sonucu belirlenir.Yanmayla açığa çıkan ısıl enerji, yanma
ürünleri orijinal sıcaklığına kadar soğutulurken kalorimetre etrafındaki soğutma suyuna
verilir. Soğutma suyuna transfer edilen ısı yakıtın ısıl değerini verir.Yakıtın motor içerisinde
ne kadarının faydalı işe dönüştürüldüğü Yakıt dönüşüm verimi veya efektif verim ile ifade
edilir ve aşağıdaki şekilde gösterilir:
uHym
P
uHnrnym
nrPn
uHym
çW
fe
)/(
)/( (24)
Denklem 23’deki P/y
m terimi yukarıdaki denklemde yerine konulursa:
)/()./(
.,
kgkJuHhkWgebf
61063 (25)
bulunur. Motorlarda kullanılan ticari hidrokarbon yakıtların tipik ısıl değerleri 42-44 MJ/kg.
arasındadır.Dolayısıyla normal hidrokarbon yakıtlarda özgül yakıt sarfiyatı yakıt dönüşüm
verimi ile ters orantılıdır.
Gerçek yanma işleminde motora gönderilen yakıtın tamamı yanmaya iştirak etmediğinden
yakıtın tüm enerjisinden istifade etmek mümkün olmamaktadır. Silindir içerisinde yakıtın
yanması için yeterli miktarda hava mevcut ise gönderilen yakıtın enerjisinin hemen hemen
tamamı ( % 96' dan daha fazlası ) ısı enerji olarak açığa çıkar. Yakıtın tamamını yakacak
(okside edecek) yeterli hava yok ise oksijen yetersizliği yakıt enerjisinin tamamının açığa
çıkmasına engel olur.
4.8 HAVA/YAKIT VE YAKIT/HAVA ORANLARI
Benzin motorlarında yakıt/hava oranı pratikte tüm çalışma sınırları boyunca sabit kalır. Dizel
motorlarında verilen bir devirde hava debisi yükle değişmez, yakıt ise yüke bağlı olarak
değişir. Dolayısıyla genellikle hava-yakıt oranı yerine yakıt-hava oranı kullanılır.Bir karışım
içerisindeki yakıtın tamamının yanması için gerekli havayı içeren karışıma kimyasal olarak
doğru veya stokyometrik yakıt-hava oranı olarak adlandırılır. Bu karışımdan daha fazla yakıt
içeren karışıma zengin karışım daha az yakıt içeren karışıma ise fakir karışım adı verilir.
Gerçek yakıt-hava oranının kimyasal olarak doğru ( stokiyometrik oran ) yakıt-hava oranına
eşdeğerlik oranı olarak adlandırılır.Motor testlerinde, kütlesel hava debisi hm ve kütlesel yakıt
debisi ym birlikte ölçülür.Bu debi oranları motor çalışma şartlarının belirlenmesinde
kullanılır.
Hava/Yakıt Oranı ( H/Y ) =
ym
hm
(26a)
Yakıt/Hava Oranı ( Y/H ) =
hm
ym
(26b)
Klasik bir benzin motorunda normal çalışma aralığı 12 H/Y 18 ( 0,056 H/Y 0,083 )
iken Dizel motorları için bu değer18 H/Y 70 ( 0,014 Y/H 0,056 )
aralığındadır.Gerçek yakıt-hava oranının stokiyometrik karışıma oranı eşdeğerlilik oranı
olarak adlandırılır ve:
teorik
gerçek
HY
HY
)/(
)/( (27a)
şeklinde gösterilir. Gerçek hava/yakıt oranının teorik hava-yakıt oranı ise hava fazlalık
katsayısı( ) olarak ifade edilir. HFK :
1
(27b)
şeklindedir.
4.9 VOLUMETRİK(HACİMSEL) VERİM
Emme sistem elemanları (hava filtresi, karbüratör, gaz kelebeği (benzin motorlarında) emme
manifoldu, emme portu, emme supabı) motora girebilecek hava miktarını sınırlamaktadır.
Motor emme sisteminin verimliliğinin ölçümünde kullanılan parametre volümetrik
verimdir.Volümetrik verim farklı bir emme işlemine sahip olduğu için sadece dört stroklu
motorlar için kullanılır.Volümetrik verim, emme sistemine gönderilen hacimsel hava
debisinin, pistonun yer değiştirdiği hacmin debisine bölünmesiyle bulunur.
nhVgh
hm
v,
2 (28)
Burada h,g giriş havası yoğunluğudur. (Burada motor devrinin dikkate alındığına dikkate
edilmelidir).Volümetrik verim aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
hVgh
ghm
v,
, (29)
Burada mh,g, çevrim başına silindire gönderilen hava miktarıdır. Burada, hava yoğunluğu
olarak atmosferik hava yoğunluğu alındığı takdirde, volümetrik verim tüm emme
sisteminin pompalama performansını gösterir.Emme manifoldunun yoğunluğu alındığı
takdirde ise sadece emme portu veya emme supaplarının pompalama performansını
gösterir. Doğal emişli motorlarda maksimum arasındadır.Dizel motorlarının volümetrik
verimi benzin motorlarından biraz daha yüksektir.
4.10 MOTOR ÖZGÜL HACMİ VE ÖZGÜK AĞIRLIĞI
Çoğu uygulamalarda verilen bir güç için motor ağırlığı ve işgal ettiği hacim önem arz eder.
Bu özellikleri birbiriyle karşılaştırmak amacıyla iki parametre tanımlanır. Bunlar:
Özgül ağırlık =güç Üretilen
ağırlığıMotor (30a)
Özgül hacim =güç Üretilen
hacmiMotor (30b)
Bu parametreler, iki farklı motorun araç üzerinde işgal ettikleri hacme karşılık ürettikleri güç
ve güç başına araç ağırlığına etkileri noktasından karşılaştırılmasında çok faydalıdır. İyi ir
motor dizaynı üretilen güç aşına ağırlığı düşük ve işgal ettiği hacim bakımından küçük
olmalıdır.
4.11 GÜÇ VE VOLÜMETRİK VERİM DÜZELTME FAKTÖRLERİ
Verilen bir motor devri için, motora giren havanın basınç,nem ve çevre hava sıcaklığı motora
giren hava miktarını ve dolayısıyla motordan elde edilen güç üretimini etkiler. Motor güç
ölçümlerinde düzeltme faktörleri, benzinli motorlar için gaz kelebeğinin tam açık olduğu
koşullarda motordan elde edilen güç ve motorun volümetrik verimini standart atmosfer
şartlarına indirgemek amacıyla kullanılır. Böylece iki farklı motorun aynı şartlara
indirildiğinde performans yönünden karşılaştırılması daha gerçekçi olur. Tipik standart çevre
havası şartları tablo 4.1’de görülmektedir.
Tablo 4.1 Standart çevre şartları
Kuru hava atmosfer basıncı(mmHg) Su buharı kısmi basıncı (mmHg) Sıcaklık ( 0C)
736.6 mmHg 9.65mm 29.4
Düzeltme faktörünün temeli, tek boyutlu, kararlı hal, sıkıştırılabilir akış koşulları kabulüyle
akış kısıtlama alanı AE (akışa dik en dar kesit) olan bir orifisten geçen kütlesel akış miktarını
veren
211
0
2
00
0
1
2
//)(
p
p
p
p
RT
pAm E
h (31)
formülüne dayanır. Bu denklemde,akışkan, gaz sabiti R olan ve özgül ısılar oranı ( =cp/cv)
sabit olan ir ideal gaz olduğu kabul edilmektedir. Formülde p0, ve T0 orifis öncesi basınç ve
sıcaklık, p ise dar kesitteki basıncı ifade etmektedir. Şayet, gaz kelebeğinin tam açık olduğu
koşullarda p/p0 oranı sabit olarak kabul edilirse, kesitten geçen kuru havanın kütlesel
debisinin( hm ):
hm 0
0
T
p (32)
olduğu görülmektedir.
Tam gaz kelebeği açıklığında indike gücün değeri kuru hava kütlesel debisi hm ile orantılıdır.
Dolayısıyla, elde edilen indike gücü standart atmosfer şartlarına indirgemek için
Pi,s= CF Pi,m (33)
bağıntısı kullanılır. Burada s indisi standart şartları, m indisi ise ölçüm değerlerini ifade
etmektedir. Düzeltme faktörü CF aşağıdaki şekilde ifade edilir:
21/
,
,
s
m
mbm
ds
FT
T
pp
pC (34)
burada, ps,d = Standart kuru hava mutlak basıncı
pm = Ölçülen çevre havası mutlak basıncı
pb,m= Ölçülen çevre havası kısmi su buharı basıncı
Tm = Ölçülen çevre sıcaklığı,K
Ts = Standart çevre hava sıcaklığı,K
Motor çıkış milinden elde edilen efektif güç de, denklem (30) ile düzeltilir. Sürtünmeye
harcanan gücün (Pf,m ) değişmediği kabulüyle düzeltilmiş efektif güç (Pe,s):
Pe,s = CF.Pi,m - Pf,m (35)
Volümetrik verimin, denklem 28-29 incelendiğinde hm / h,g ile orantılı olduğu görülmektedir.
h,g ise p/T ile orantılı olduğundan, volümetrik verim düzeltme faktörü FC :
21 /
,
,
FCm
s
mv
sv
T
T (36)
olacaktır.
4.12 ÖZGÜL EMİSYONLAR VE EMİSYON İNDEKSİ
Azot oksitler (NOx, genellikle NO ve NO2 nin ortak adıdır), CO2 (Karbondioksit), HC(
yanmamış hidrokarbonlar), CO (Karbon monoksit) ve partikül (PM) seviyeleri bir motor için
önemli işletme karakteristikleridir. Günümüzde gelişen motor teknolojilerinin arkasındaki en
büyük itici güç çevre ve insan sağlığı açısından zararlı olan bu kirletici bileşenlerin azaltılası
çabalarıdır. Günümüzde geliştirilen bir motorda yüksek performans ve düşük yakıt
sarfiyatının yanı sıra motorun uluslar arası normların öngördüğü değerlerin altında kirletici
açığa çıkarması gerekir. Egzoz gazlarında emisyon konsantrasyonları genellikle ppm ( parts
per million ) veya hacimsel yüzde olarak verilirler. Ancak bu değerler motorun güç ve
hacminden bağımsız olduğundan açığa çıkaracağı toplam kirleticileri göstermesi bakımından
başka gösterim yöntemlerine ihtiyaç vardır. Emisyon seviyelerine göstermek maksadıyla
yaygın olarak kullanılan iki yöntem vardır.Bunlar özgül emisyonlar ve emisyon
indeksidir.Özgül emisyonlar birim güç başına kütlesel kirletici miktarını ifade eder.
P
msNO NOx
x
(37a)
P
msCO CO
(37b)
P
msHC HC
(37c)
P
msPM PM
(37d)
Burada emisyonlar özgül veya indike emisyonlar olarak adlandırılmaktadır. Birimleri daha
çok g/kWh şeklinde gösterilmektedir. Emisyonların gösteriminde bir diğer yöntem emisyon
indeksi kullanmaktır:
)/(
)/(
skgm
sgmEI
y
NOx
NOx
(38)
benzer gösterimler diğer bileşenler içinde yazılailir.
4.13 PERFORMANS PARAMETRELERİ ARASINDAKİ İLİŞKİLER
4.7-4.10 kısımları altında tanımlanan parametrelerin motor performansına etkileri, güç,tork ve
ortalama efektif basınç bu parametreler cinsinden verildiğinde çok bariz bir şekilde
görülecektir. Yukarıda tanımlanan parametrelerden 14 numaralı güç ifadesi, 21 nolu ortalama
efektif basınç ifadesi, 25 numaralı yakıt dönüşüm verimi (efektif verim), 26b numaralı hava-
yakıt oranı ve 28 nolu volümetrik verim ifadeleri güç formülünde yerine konulmak suretiyle
performans parametreleri arasında aşağıdaki şekilde bir ilişki çıkarılabilir:
Rn
HYuHnhmeP)/.(...
(39)
Dört zamanlı motor çevrimleri için güç ifadesine volümetrik verimi de ilave etmek
gereklidir.Bu durumda :
2
)/(,..... HYghuHLhVve
eP (40)
Moment ifadesi ,T :
4
)/.(,.... HYghuHhVveT (41)
Ortalama efektif basınç
)/.(... , HYHmeP ghuve (42)
Birim piston alanı başına alınan güç çoğunlukla özgül güç olarak adlandırılır. Silindir
ölçüsünden bağımsız olarak motor dizaynlarının mevcut piston alanını kullanmaktaki
başarısının ölçüsüdür. Ortalama piston hızını da denkleme koyarsak özgül güç :
44
pSmePpSHYghuHve
pA
P .)./.(,... (43)
Formülden de görüldüğü gibi özgül güç, ortalama efektif basınç ile ortalama piston hızının
çarpımıyla orantılıdır. Bu ilişkilerden motor performansını arttırmak için şu sonuçları
çıkarmak mümkündür:
1. Yüksek yakıt dönüşüm verimi
2. Yüksek volümetrik verim
3. Giriş hava sıcaklığını artırmak suretiyle verilmiş silindir hacminden elde edilecek
gücü arttırmak
4. Motorda başarılı yanmayı sağlayabileceği ölçüde fazla Y/H oranı
Yüksek ortalama piston hızı gereklidir.
4.14 DİZAYN VE PERFORMANS DEĞERLERİ :
Farklı uygulama alanlarında kullanılan benzin ve dizel motorlarının tipik dizayn ve
performans değerleri tablo 4.1 de gösterilmiştir. Dört stroklu motorlar çok küçük ve çok
büyük motor tipleri haricinde üstün özellikler gösterirler. Motorlar büyüdükçe aşırı
doldurmalı imal edilirler. Maksimum fren ortalama efektif basıncı aşırı doldurmalı motorlarda
, doğal emişli motorlara göre daha yüksektir. Benzin motorlarının max. yakıt-hava oranı dizel
motorlarınkinden daha yüksek olduğu için, doğal emişli benzin motorları max. fren ortalama
efektif basınç seviyeleri daha yüksektir. Motor ölçüsü arttıkça , fren özgül yakıt sarfiyatı
düşmektedir ve yakıt dönüşüm verimi sürtünme ısı kaybının azalması nedeniyle artmaktadır.
Tablo 4.1 motor tiplerine göre performans parametrelerinin değişimi.
Str
ok
Sık
ıştı
rm
a O
ran
ı
Ça
p (
m)
Str
ok
/Ça
p O
ran
ı
Dev
ir (
d/d
)
Ort
ala
ma
efe
kti
f
ba
sın
ç (b
ar)
Ağ
ırlı
k/G
üç
Ora
nı(
kg
/kW
)
Ya
kıt
Sa
rfiy
atı
(gr/
kW
h)
Buji Ateşlemeli Motorlar (BAM)
Küçük(Motosiklet) 2/4 6-10 0,05-0,085 1,2-0,9 4500-7500 4-10 5,5-2,5 350
Yolcu Arabaları 4 8-10 0,07-0,1 1,1-0,9 4500-6500 7-10 4-2 270
Kamyonlar 4 7-9 0,09-0,13 1,2-0,7 3600-5000 6,5-7 6,5-2,5 300
Wankel Motorları 4 9 0,57 dm3/oda 6000-8000 9,5-10,5 1,6-0,9 300
Sıkıştırarak Ateşlemeli Motorlar (SAM)
Yolcu arabaları 4 16-
20 0,075-0,1 1,2-0,9 4000-5000 5-7,5 5-2,5 250
Kamyonlar 4 16-
20 0,1-0,15 1,3-0,8 2100-4000 6-9 7-4 210
Lokomotif 4/2 16-
18 0,15-0,4 1,1-1,3 425-1800 7-23 6-18 190
Gemi dizelleri 2 10-
12 0,4-1 1,2-3,0 110-400 9-17 12-50 180
Problemler
1. Dört stroklu , 4 silindirli bir benzin motoru 125 kW indike güç üretmektedir.Fren
beygir gücü ise 100 kW'dır.Sürtünme gücünü ve mekanik verimi hesaplayınız.
Sürtünme gücü =Ps = Pi – Pe = 125 – 100 = 25 kW
Mekanik verim = ηm = i
e
P
Px100 =
125
100x100 = % 80
2. 4 silindirli, dört stroklu bir dizel motorunun silindir çapı 80 mm, stroku 80 mm dir.
Sıkıştırma oranı 8 ' dir. Motorun toplam strok hacmini ve klerens hacmini
hesaplayınız .
Çözüm:
Strok hacmi Vs = 4
d2 L =
4. 8
2 . 8 = 402,1 cm
3
Toplam strok hacmi = Silindir sayısı . Vh
= 4.402,1
= 1608,4 cm3
Sıkıştırma Oranı = = Vc
VcVh = 1 +
Vc
Vh
Klerens hacmi = Vc = 1
1.Vh =
18
1. 402,1 = 57,4 cm
3
3. Mekanik verimi % 80 olan bir motor 30 kW güç üretiyor. İndike gücü ve sürtünme
gücünü bulunuz. Sürtünme gücü sabit kabul edersek yarım yükte mekanik verimi
hesaplayınız.
Çözüm:
İndike güç, Pi = m
eP=
8,0
30= 37,5 kW
Sürtünme gücü, Ps = Pi – Pe = 37,5 – 30 = 7,5 kW
½ yükte fren gücü, Pe= 0,5 . 30 = 15 kW
Mekanik verim, ηm = se
e
PP
Px100 =
5,715
15x100 = % 66,7
4. Tek silindirli bir dizel motorunun ısıl verimi % 30 ‘dur. Kullanılan yakıtın ısıl
değeri 42000 kJ/kg’dir. Mekanik verim % 80 ise be ve bi' yi hesaplayınız ( kg/kWh )
Çözüm:
Efektif verim = ηe = Hum
P
y
e
( ym = kg/sn)
= be = Hue
3600=
42000.3,0
3600= 0,286 kg/kWh
= bi = be . m = 0,286 . 0,80 = 0,229 kg/kWh
5. Tek silindirli , 4 stroklu bir dizel motorunun strok hacmi ( 300 d/d ) 790 cm3'dür.
Motora 49 Nm tork (moment) uygulandığında, efektif basıncın 980 kPa olduğu tespit
edilir.motorun efektif gücünü ve mekanik verimini hesaplayınız.
Çözüm:
Efektif Güç , Pe = 60000
..2 dMn=
60000
49.300.2= 1,54 kW
İndike Güç, Pi= 60000
... nAHPme
= 60
... inVP Hmi = 98000 . 790 . 10-6
. 2
300.60
1
= 1,94 kW
ηm = i
e
P
Px100 =
94,1
54,1x 100 = % 79,4
6. İki stroklu bir dizel motoru 368 kW efektif güç üretirken sürtünme kayıplarını
yenmek için 73,6 kW güç harcanıyor. Motor H/Y oranı 20:1 olup 180 kg/h yakıt
harcıyor.
a - İndike gücü
b - Mekanik verimi
c - Hava sarfiyatını
d - İndike termik verim
e - Efektif verim
Çözüm:
a. Pi = Pe + Ps = 368 + 73,6 = 441,6 kW
b. ηm =i
e
P
Px 100 =
6,441
368x 100 = % 83,3
c. yh mF
Am . = 20 . 180 kg/h = 1 kg/sn
d. ηi = uy Hm
Pi
.=
42000.05,0
6.441= % 21
e. ηe = ηi .ηm=0.833.0.21=%17.5
7. 4 stroklu bir Dizel motorun efektif gücü 441,6 kW olup , mekanik verimi % 85
'dir.Bir saatte ölçülen yakıt sarfiyatı 160 kg.'dır.8 saatteki hava sarfiyatı ise 410
kg.'dır.Yakıtın ısıl değeri 42,000 kJ/kg.'dir.
a - İndike gücü
b - Sürtünme gücünü
c - Hava - yakıt oranı
d - İndike termik verim
e - Efektif verim
Çözüm:
a. kWP
Pm
e
i 5,51985,0
6,441
b. Ps = Pi - Pe = 519,5 – 441,6 = 77,9 kW
c. A / F = 0,683 / 0,044 = 15,5
d. ηi= 1,28%281,042000.044,0
5,519
. uy
i
Hm
P
e. ηb = ηm . ηi = 0,85.28,1 = % 23,9