MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENSİLİĞİ BÖLÜMÜ SIKIŞTIRMA İLE ATEŞLEMELİ MOTORLAR

Transkript

1 MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENSİLİĞİ BÖLÜMÜ SIKIŞTIRMA İLE ATEŞLEMELİ MOTORLAR Hazırlayan: Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

2 Greek Alfabesi

3 İçten Yanmalı Motorların Tarihçesi 860: Fransız Lenoir ilk çalışan içten yanmalı motoru yaptı. Bu motor kömür gazıyla çalışıyordu ve yaklaşık %3 bir verimliliği vardı. 867: Nicolaus August Otto ve Eugen Langen içten yanmalı motorun daha gelişmiş biçimini Paristeki Dünya sergisinde sergilediler. Bu motorun verimliliği %9 idi. 878: Nicolaus August Otto sıkıştırma ilkesiyle çalışan ilk gazlı motoru yaptı. Bu motor 4 zaman ilkesine göre çalışıyordu. Verimlilik %5 çıktı. 883: Gottlieb Daimler ve Wilhelm Maybach sıcak tüp ateşlemeli ilk yüksek devirli 4 zamanlı benzin motorunu geliştirdiler. Bu motor pervaneli araçlar için uygundu. 887: Robert Bosch motorlar için elektrikli ateşlemeyi geliştirdi. 893: Wilhelm Maybach karbüratörü icat etti. Aynı zamanda Ford ilk motorlu aracını üretti. 897: Rudolf Diesel Dört yıllık bir geliştirme aşamasından sonra, kendi motorunu üretti. Kendi adıyla anılan bu motor, yüksek basınçla sıkıştırılmış havanın içine basınçlı hava yardımıyla gazyağı püskürtülerek çalışıyordu. Bu ilk adımlardan sonra, içten yanmalı motor her alanda sürekli gelişti. Yakıt düzeni ateşleme düzeni ve gerçek mekanik mühendisliğinde gelişmeler görüldü. Bu gelişmeler bugün hala sürmektedir. Geliştirme mühendisleri yeteneği ve servis ömrünü artırmak aynı zamanda yakıt tüketimi ve egzoz salımlarını azaltmak amacıyla sürekli yeni teknolojiler kullanmaya çalışmaktadırlar.

4 Dizel Motorun Tarihi Serüveni Dünyanın ilk seri üretim dizel binek otomobili olan Mercedes-Benz 260 D nin 936 da Berlin Otomobil Fuarı nda sergilenmesinin üzerinden tam 76 yıl geçti. 950 li yıllara kadar dizel motorlu binek otomobiller benzinle çalışanlara oranla pek rağbet görmedi fakat bu üreticileri yıldırmadı. Nitekim İkinci Dünya Savaşı sonrası dönemde dizel motorlar binek otomobillerde gittikçe önem kazanmaya başladı. Aynı yıllarda düşük maliyetleri sayesinde dizel motorlu binek otomobiller, özellikle de zorlu sürüş koşullarına dayanmak zorunda kalan taksilerde gittikçe popülerlik kazandı. Dizel motorlarda sırasıyla; sıra tipi (sıralı) yakıt pompaları, dağıtıcı pompalar (yıldız pompalar) ve bu tip pompaların dağıtıcı ve sıralı pompaları için ilk elektronik kumanda sistemini piyasaya sürüldü. A.Demir, «Dizel motorların tarihi serüveni (2)...», otoguncel.com, 202

5 Dizel Motorun Tarihi Serüveni Dizel motorlarda sırasıyla; sıralı (sıra tipi), dağıtıcı pompa (yıldız pompa) ve Common Rail enjeksiyon teknolojileri kullanıldı. 985 li yıllarda dağıtıcı ve sıralı pompalar için ilk elektronik kumanda sistemleri piyasaya sürüldü. Akabinde 989 da dizel motorlarda direk enjeksiyon için ilk eksenel piston pompası kullanıldı. Bu yeni teknoloji, yakıtın yaklaşık 000 bar civarı yüksek basınçta doğrudan silindire püskürtülmesine, bu şekilde özellikle etkili bir yanma elde edilmesine olanak tanıdı. Bu da düşük yakıt tüketimi ve emisyonlarla birlikte daha iyi yüksek çıkışı ve daha iyi hızlanma anlamına geliyordu yılında piezo enjektörlere sahip Common Rail enjeksiyon sistemi piyasaya sürüldü. Önceki modellerle kıyaslandığında, bu sistem, dizel motorun yakıt tüketimini ve egzoz emisyonlarını düşürürken motor gürültüsünü de azalttı. Ekonomik, çevre dostu dizel motorlar için daha iyi verim Azot Oksit (NO X ) emisyonlarının yarıdan fazla düşürülmesi gerektiği anlamına gelen Euro 5 ten Euro 6 emisyon standardına geçişle birlikte son yıllarda yakıt tüketimini düşürme hedefleri de daha sıkı hale geldi. Dizel yakıt sistemleri üzerine çalışan mühendisler halen, daha katı emisyon sınırlarını karşılamak ve yakıt tüketimiyle karbondioksit (CO 2 ) emisyonlarını daha da düşürmek amacıyla 2000 bar dan daha fazla basınç üretebilen enjeksiyon sistemleri üzerinde çalışmaktadırlar. A.Demir, «Dizel motorların tarihi serüveni (2)...», otoguncel.com, 202

6 . Optimum performance 2. Good fuel economy 3. Low pollution 4. Minimum noise level 5. Easy cold starting 6. Economic servicing 7. Acceptable durability 8. Least weigh 9. Compact size 0. Economic manufacture. Aesthetic appearance Modern Requirements M.J. Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology, Fourth edition, 2007

7 Genel Motor Gereksinimleri GENEL MOTOR GEREKSİNİMLERİ Çeşitli gereksinimler, motor tarafından karşılanmalıdır. Her performans karmaşık bir şekilde birbirine bağlıdır ve motorun performansını etkileyebilir. Gereksinimler şunlardır: Düşük emisyon: Verimli motor yanması, egzoz emisyonunun azaltılması için anahtar noktadır. Bu da farklı yanma odası tasarımlarıyla sağlanabilir. Kompakt ve hafif: Motor ağırlığının toplam araç ağırlığının yaklaşık %0-5'i olduğunu göz önünde bulundurursak, daha iyi çıkış ve yakıt verimliliği elde etme yöntemi motorun kompakt ve hafif olmasını sağlamaktır. Aynı çıkış ile daha hafif motora sahip aracın gücü daha yüksek olacaktır ve yakıt tüketimi azaltılacaktır. İyi tepki: Motorlar, sürüş güvenliği sağlandığı ölçüde sürücü komutlarına tepki vermelidir. Sessiz: Motor, yakıtın yanmasıyla tahrik kuvveti ürettiğinden, ses ve titreşim önlenemez. Bu seslerin ve titreşimlerin yolcu bölmesine aktarılmasını önlemek önemlidir. Kullanışlılık: Motor, aracın mekanik bir parçası olduğundan, servis ile ilgili parçalara erişim sağlamak önemlidir. Kia, 2007

8 Kia, 2007

9 Engine Nomenclature Top dead centre Bottom dead centre Piston stroke Cylinder bore Piston displacement Engine capacity Stroke/bore ratio Engine power Engine torque M.J. Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology, Fourth edition, 2007

10 Motor Karakteristikleri Benzin motorlarda gaz kelebeğinin, dizel motorlarda pompa kramayerinin konumunun; ayrıca motor yağ ve soğutucu akışkan sıcaklıklarının sabit tutulduğu deney şartlarında krank mili devrine bağlı olarak güç, tork ve yakıt sarfiyatı değişimlerine motor karakteristikleri denir. BMW 2 liter diesel engine

11 Temel Kavramlar Çevrim: Bir motorda iş elde etmek için tekrarlanmadan meydana gelen olayların toplamına bir çevrim denir. Dört zamanlı motorlarda bir çevrimin tamamlanabilmesi için pistonun dört hareketine gerek vardır. Dört zamanlı motorlarda bir çevrimin oluşması için, krank milinin 720 o dönmesi gerekir Zaman veya Strok: Motorlarda, pistonun ÜÖN ile AÖN arasındaki hareketine zaman veya strok" adı verilmektedir. Bu hareket teorik olarak krank mili açısı cinsinden 80 o dir. Kardeş Çalışan Pistonlar: Silindirler içinde aynı yönde, aynı yükseklikte beraber hareket edip farklı zamanları yapan pistonlardır. Örnek olarak ÜÖN den AÖN ye hareket eden iki pistondan biri emme, diğeri genişleme zamanındadır. Supap Bindirmesi: Dört zamanlı motorlarda emme ve egzoz supapları, egzoz zamanı sonunda ve emme zamanı başlangıcında, piston ÜÖN de bulunduğunda belli bir süre beraberce açık bulunmasına supap bindirmesi denir. Sente: Dört zamanlı motorlarda sıkıştırma zamanı sonunda ve genişleme zamanı başlangıcında piston ÜÖN de bulunduğunda emme ve egzoz supaplarının kapalı kalmasına sente denir. Avans: Motorlarda yanmanın termodinamik bakımdan en uygun zamanda bitirilmesi için sıkıştırma zamanı sonlarında piston ÜÖN ye gelmeden birkaç derece önce, dizel motorlarında püskürtmenin, benzin motorlarında buji kıvılcımının çakıp yanmanın başlatılmasına avans denir.

12 . Üst ölü nokta (ÜÖN) 2. Yanma odası hacmi (Vc) 3. Kurs (Strok) (s) 4. Piston kursu hacmi (Vh) 5. Alt ölü nokta (AÖN) Sıkıştırma Oranı 4 zamanlı dizel motorlar genel olarak 2 ile 26 arasında bir sıkıştırma oranına sahiptir. Sıkıştırma oranı artarsa, motorun verimliliği ve gücü de artar. Sıkıştırma oranı belirli bir seviyeye kadar arttırılabilir, çünkü güç daha fazla arttırılamaz. Yoksa, sıkıştırma oranı belirli sınırları aştığından motor zarar görebilir. Compression ratio (usually abbreviated to CR) where is the compression ratio, Vh is the cylinder swept volume (cm 3 ), and Vc is the combustion space clearance volume (cm 3 ). M.J. Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology, Fourth edition, 2007

13 Motor Karakteristikleri Silindir Hacmi Swept Volume/cylinder: V s = d 4 2 B s A p s Inlet Port s x A p V s = swept volume d B = bore diameter s = stroke Note: In valve design the Volume which flows into the cylinder must equal the volume which flows through the inlet port. The velocity past the valve must then be considerably greater than the velocity in the cylinder. s Professor Richard Hathaway, Internal Combustion Engine Induction Tuning, ME 468 Engine Design

14 Motorlarda Performans Toplam Silindir Hacmi

15 Ateşleme Sırası Motor silindirlerinin ateşlenme sırası veya silindirlerde güç zamanının meydana geliş sırasıdır. Ateşleme sırası; 4 silindirli motorlarda genellikle iken, 6 silindirli motorlarda ise dür. Automotive Handbook, 2002

16 Ateşleme Sırası

17 Genel Motor Sınıflandırması Çalışma zamanlarına göre motor sınıflandırılması 2 zamanlı motor 4 zamanlı motor Çalışma çevriminin karakterine göre Yanmanın sabit hacimde olduğu (Otto) Yanmanın sabit basınçta olduğu (Diesel) Yanmanın kısmen sabit hacim kısmen de sabit basınçta olduğu (Seilinger) Ateşleme türüne göre Kıvılcımla/Bujiyle ateşlemeli benzinli motor Sıkıştırma ile ateşlemeli motor Karışımın oluşumuna göre Hava yakıt karışımının silindir dışında oluşturulması Hava yakıt karışımının silindir içinde oluşturulması

18 Genel Motor Sınıflandırması Soğutma yöntemine göre Su soğutmalı Hava soğutmalı Kullanılan yakıta göre Sıvı yakıtlı (Benzin, Motorin, Kerozen, Alkol, Bitkisel Yağ) Gaz yakıtlı (Doğal Gaz - CNG, LPG) Kullanım amaçlarına göre Stasyoner Gemi Lokomotif Taşıt Uçak

19 Genel Motor Sınıflandırması Supap düzenine göre L, I, F, T Havanın silindirlere doldurulma şekline göre Doğal/Tabii emişli motorlar Aşırı doldurmalı motorlar Yakıt türüne göre Benzinli motorlar Dizel motorlar Esnek yakıtlı motorlar Doğalgazlı motorlar Hidrojen yakıtlı vs.

20 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar

21 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar

22 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar V tipi motor: Silindirleri V şeklinde, iki eğik düzlem üzerinde bulunan motorlara denir. V-8 motor, iki eğik düzlem üzerinde silindirleri dörder dörder sıralanmış olan motordur. V tipi ile sıra tipi motor tasarımının kıyaslanması: V tipi motorlarda, silindir blokları aynı silindir sayılı sıra tipi motorlara göre çok daha kısa, hafif, sarsıntı ve titreşimlere daha çok dayanıklıdır. V tipi motorlarda krank ve kam mili daha küçük olacağından motorun dengelenmesi daha kolay olacaktır.

23 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar Boksör tipi motorlar (orijinal İngilizcesiyle boxer engine ya da horizontally opposed engine); silindirleri karşılıklı yatay bir düzlem üzerinde ve aralarında 80 derecelik açı ile birleşmiş motorlardır. Bu motorların parça sayıları diğer motorlara göre daha azdır. Yanal ağırlık dengesini maksimumda sağlayan boksör motorlarda, karşılıklı pistonlar eşzamanlı olarak üst ölü noktaya eriştiğinden dolayı dengelenmesi problemini oluşturmamaktadır. Alfa Romeo, Porsche ve Subaru gibi markalar belli modellerinde bu motoru tercih etmektedir. Dar alanda minimum dirençle maksimum güç alınmasını teminen kısa piston kolu kullanımına imkan verir. Fakat yüksek yakıt tüketimi sebebi ile günümüzde pek tercih edilmemektedir. Boksör motorların en belirgin avantajları, yatay silindir yerleşimi ve kompakt yapıları sayesinde dar motor haznesi olan araçlara kolaylıkla uygulanabilmesi ve genel olarak da hacmine göre yüksek torklu motor olmasıdır. Motorun şekli, otomobilin ağırlık merkezini aşağı çektiğinden dolayı aracın yol tutuş kararlılığını da artırır. V tipi motorla karşılaştırıldığında boksör tipi motorlar, dizayndan kaynaklanan iyi bir denge sağlar. Böylece pistonun momentumu, karşı taraftaki piston hareketi ile dengelenir. Bu motorlar daha düzgün ve titreşimsiz çalışır ve dengeleme mili gerektirmezler. Ancak V tipi ve sıra tip motorlarla kıyaslandığında biraz daha gürültülüdürler. V tipi motordan daha büyük bir burulma titreşimi üretir ve böylece daha büyük volan gerektirir.

24 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar VR Motorlar

25 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar W Tipi motorlar

26 Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar W Tipi Motorlar

27 Genel Motor Sınıflandırması İki Zamanlı Benzin Motorları

28 Genel Motor Sınıflandırması Dört Zamanlı Benzin Motorları

29 Genel Motor Sınıflandırması The two-stroke diesel cycle goes like this: When the piston is at the top of its travel, the cylinder contains a charge of highly compressed air. Diesel fuel is sprayed into the cylinder by the injector and immediately ignites because of the heat and pressure inside the cylinder. This is the same process described in How Diesel Engines Work. The pressure created by the combustion of the fuel drives the piston downward. This is the power stroke. As the piston nears the bottom of its stroke, all of the exhaust valves open. Exhaust gases rush out of the cylinder, relieving the pressure. As the piston bottoms out, it uncovers the air intake ports. Pressurized air fills the cylinder, forcing out the remainder of the exhaust gases. The exhaust valves close and the piston starts traveling back upward, re-covering the intake ports and compressing the fresh charge of air. This is the compression stroke. As the piston nears the top of the cylinder, the cycle repeats with step.

30 İki Stroklu Dizel Motor Yakıt enjektörü Silindir Püskürtme Biyel Piston Egzoz portu Süpürme portu Egzoz Krank Süpürme Sıkıştırma

31 Genel Motor Sınıflandırması Dört Zamanlı Dizel Motorlar

32 Genel Motor Sınıflandırması Wankel/Rotary Motorlar Wankel/Rotary motorlar, döner pistonlu motorlar olarak ta adlandırılırlar. Genel olarak döner pistonlu motorlar, oval bir gövde ile bu gövde içerisinde eksantrik olarak dönen üç köşeli bir rotordan ibarettir. Rotor, bir iç ve bir dış dişli yardımıyla, motor ana miline bağlıdır. Bu motorlarda; emme, sıkıştırma, iş, egzoz zamanları rotorun etrafında meydana gelir. Genel olarak dezavantajları ise; yüksek yüzey hacim oranlı yanma odası yüzünden daha düşük termodinamik verim. Daha yüksek CO (karbonmonoksit) emisyonları. Oval gövde ve rotor konvansiyonel motor türlerine göre zor şartlara (yüksek sıcaklık ve basınç) çok daha fazla maruz kaldığından aşınmaları daha hızlı olur. Ancak, seramik gibi aşınmaya daha dayanıklı malzemeler sayesinde motor ömrü ve verimliliği artırılmış. Geliştirilmiş olmasına rağmen yakıt tüketimi biraz yüksek ve bakım onarım masrafları daha pahalı.

33

34 Wankel Motorlar - Örnek Mazda RX-8 Engine 2-rotorlu Wankel/Rotary Şanzıman 6 İleri Manuel Tahrik Türü Arkadan İtişli Motor Hacmi (cc) 308 Beygir Gücü (BG/d/d) 23 / 8200 En Yüksek Tork (Nm)/(d/d) 2 / 5500 Son Hız (km/s) km/s Hızlanma (sn) km/s Şehir Dışında Yakıt Tüketimi (litre) km/s Şehir İçinde Yakıt Tüketimi (litre).4

35 STIRLING MOTORLARI Robert Stirling, 86 yılında dışarıdan ısı vermeli bir motor tasarlamış ve ilk sıcak hava motorunu imal etmiştir. Stirling in yaptığı bu ilk motorun en önemli özelliklerinden birisi de rejeneratör kullanması olmuştur. Orjinal patent numarası 408 ve yılı 86 olarak kayıtlara geçen bu motorun teorik çevrimi iki sabit hacim ve iki sabit sıcaklık işleminden oluşmaktadır. İcadından 9. yüzyılın sonlarına kadar birçok değişik çeşidi çok sayıda üretilmiş ve mekanik güç elde etmek için kullanılmıştır. 20. Yüzyılın başlarından itibaren petrolün kullanımında ve İçten Yanmalı Motorlarda (İYM) meydana gelen büyük gelişmeler bir ölçüde Stirling motorunun gelişimini olumsuz etkilemiş ve Stirling motorları İYM ile rekabet edememişlerdir. 20. Yüzyılın son yarısında meydana gelen petrol krizleri ve petrole yıl ömür biçilmesi İYM nin yerine ikame edilebilecek yeni makinalar üzerinde araştırmaları gündeme getirmiş ve Stirling motorları ile ilgili önemli gelişmeler 960 yılından sonra kaydedilmiştir. Tam kapalı tip Stirling motorlarının yapılması ile motorda farklı çalışma gazları kullanma imkanı ortaya çıkmış ve aynı zamanda motor yüksek basınçlarda çalışma gazı ile doldurularak daha küçük hacimli motorlardan daha yüksek güç elde etme imkanı ortaya çıkmıştır.

36 STIRLING MOTORLARI (dvm.) Özellikle Helyum ve Hidrojen gibi ısı depolama kapasiteleri havaya göre çok yüksek olan gazların kullanımıyla Stirling motoru güç çıkışında önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Bugün dünyanın birçok ülkesinde araştırma kurumları ve çeşitli şirketler tarafından Stirling motorları ile ilgili çalışmalar büyük bir hızla sürdürülmektedir. Amerika Birleşik Devletlerinde NASA başta olmak üzere, General motor, Ford Motor, Cummins motor ve birçok üniversite tarafından araştırmalar sürdürülmekte ve bu araştırmalara önemli kaynak ayrılmaktadır. Yine dünyanın önde gelen kurumlarından MAN (Almanya), Philips (Hollanda), United Stirling (İngiltere) ve birçok firma bu çalışmaları devam ettirmektedir. Stirling çevrimi iki sabit hacim ve iki sabit sıcaklık işleminden meydana gelmektedir. Bu çevrime göre çalışan makinalarda -2 işlemi sabit sıcaklıkta sıkıştırma işlemidir. Bu işlemin sabit sıcaklıkta gerçekleşebilmesi için çalışma gazından ısı çekilmesi gerekmektedir. 2-3 işleminde harici bir kaynaktan çalışma gazına ısı verilmesi gerekmektedir. 3-4 işleminde sabit sıcaklıkta genişleme işlemidir, çalışma gazı pistona iş yaptırır. Genişleme işleminin sabit sıcaklıkta gerçekleşebilmesi için çalışma gazına ısı verilmesi gerekir. Çevrimde 4- işlemi son işlemdir. Bu işlem sırasında çalışma gazından dışarıya sabit hacimde ısı atılması gerekmektedir.

37 STIRLING MOTORLARI (dvm.) Stirling motorlarında 4- sabit hacimde durum değişim işlemi boyunca dışarıya atılan ısı bir rejeneratörde depo edilerek 2-3 sabit hacimde durum değişme işlemi boyunca aynen çalışma gazına geri verilir. Böylece çalışma gazına dışarıdan ısı verme işlemi yalnızca 3-4 sabit sıcaklıkta genişleme işleminde ve çalışma gazından ısı alınması işlemi de -2 sabit sıcaklıkta sıkıştırma işlemi boyunca yapılmaktadır. Şekilde Stirling çevrimine ait p-v diyagramları görülmektedir.

38 STIRLING MOTORLARI (dvm.) Stirling motoru dıştan ısı vermeli bir motordur, içten yanmalı motorlara ve diğer ısı motorlarına kıyasla bir çok avantaj sağlamaktadır. Bu avantajları şu şekilde sıralayabiliriz:. Stirling motorları diğer motorlara kıyasla en büyük termik verime sahiptir ve uzun dönemde veriminin %50 yada daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. 2. Stirling motoru her türlü yakıtı kullanabilir, bu yakıt gaz, sıvı yada katı, fosil, fosil olmayan veya biomas yada güneş radyasyonu olabilir. 3. Az bakım gerektirir, çünkü valf, buji ile ateşleme, dizel enjeksiyon sistemi yoktur ve silindirler kuru yağlanır. 4. Çok uzun ömürlü olurlar, çünkü segmanlar ile silindirlerin temasını (yanma basıncından dolayı) artıran yanma olayı yoktur. Karterde bulunan yağlama yağının silindirdeki çalışma maddesi ile teması kesilmiştir. 5. Fosil kökenli yakıtlarla çalıştırıldığında dışarıda yanmadan dolayı emisyonlar düşüktür. NOx, CO ve yanmamış hidrokarbon emisyonları düşüktür. 6. İçten yanmalı motorlara nazaran titreşimleri daha azdır, düzgün moment değişimine sahiptir, titreşimlere neden olan periyodik moment değişimi azdır. 7. Gürültü azdır, içten yanmalı motorlarda silindir içerisinde çok yüksek basınç ve şoklardan meydana gelen gürültüler Stirling motorunda dıştan ısı sürülmesi ile önlenmektedir. 8. İçten yanmalı motorlara oranla maliyeti daha ucuzdur. Yardımcı sistemler azdır, kam mili, supap, yağ filtresi ve pompası, hava filtresi gibi parçalar yoktur. Bu yüzden imalatı çabuk, kolay ve ucuzdur.

39 STIRLING MOTORLARI (dvm.) Stirling motorları bazı dezavantajlara da sahiptir. Bunlar:. Tüm devrelerin büyük termik ataletlerine bağlı olarak düşük hızlanma ivmesi 2. Bir çok kısımlarının tasarımının deneysel bilgi gerektirmesi, 3. İçten yanmalı motorlara oranla daha büyük kütle ve oranlar, 4. Çalışma ve krank boşlukları arasında güvenli yalıtım güçlüğü, olarak gösterilebilir.

40

41 Comparison between diesel engines and gasoline engines Understanding the fundamental characteristics of diesel engines is very important for engine system design and powertrain technology assessment. Compared to gasoline engines, diesel engines have the following advantages: Low fuel consumption and low CO2 emissions. The high compression ratio used in diesel engines generally results in high thermodynamic cycle efficiency although mechanical friction may increase with peak cylinder pressure. Diesel engines usually use unthrottled operation so that the pumping loss can be lower. High torque at low speeds and better drivability. Diesel combustion can tolerate a high level of turbocharging so that they can burn more fuel to match the available charge air to produce higher torque than gasoline engines. Low carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) due to the high air fuel ratio employed in diesel combustion. Qianfan Xin, Diesel engine system design, Woodhead Publishing Limited, 20

42 Comparison between diesel engines and gasoline engines However, there are several design challenges for diesel engines compared with their gasoline counterparts as follows: Higher engine-out particulate matter (PM) and smoke due to the combustion with heterogeneous mixtures in the engine cylinder. Lower air utilization due to the heterogeneous combustion. More difficult control in tailpipe outlet NOx. The three-way catalyst used for NOx control on gasoline engines cannot be used in diesel engines because diesel engines are operated with lean air fuel ratio. Diesel engine emissions control is detailed in Majewski and Khair, 2006) Lower exhaust temperature caused by lean burn combustion. This can make diesel particulate filter (DPF) regeneration difficult. Higher noise from fuel injection, combustion, and mechanical impact. Heavier engine weight: Diesel engines need to use heavy structure to endure the high peak cylinder pressure produced by high compression ratio. Higher cost, primarily due to the sophisticated and expensive fuel injection equipment and the diesel particulate filter used in diesel engines. Lower engine rated speed, due to the limitation of slow combustion speed in the heterogeneous combustion in diesel engines. Instead of having rated speed at rpm like in gasoline engines, the rated speed of automotive diesel engines is usually limited to rpm. Lower power density (i.e., lower specific power per volume of engine displacement), which is due to the limitation of rated speed and hence rated power. More difficult in cold start. Qianfan Xin, Diesel engine system design, Woodhead Publishing Limited, 20

43 Bazı Kavramlar Hava Yakıt Oranı (A/F): Genellikle kütlesel olarak ifade edilir ve bir yanma işleminde hava kütlesinin yakıt kütlesine oranı diye tanımlanır. Stokiyometrik oran: (λ= 4,7/) Benzin motorlu otomobillerin optimum emisyon kontrolünün ve yakıt ekonomisinin hava/yakıt oranının yaklaşık 4.7/ olduğu zaman sağlanacağı bulunmuştur. Hava/yakıt karışımı stokiyometrik değerlerin altında veya üzerinde olduğu zaman bu durum sensör tarafından algılanarak geri beslenme sinyali üretilir.

44

45 Temel Kavramlar Hava fazlalık katsayısı (λ): her yakıt için kimyasal yapısına bağlı olarak tam yanmasını sağlayacak teorik bir hava miktarı vardır. Birim ağırlıktaki yakıtı yakmak için gerekli olan bu miktara kimyasal olarak doğru veya stokyometrik hava miktarı denir. Dizel motorlarda genellikle λ.4 değerlerinde çalışmaktadır. Daha düşük değerlerde ise motor isli çalışma bölgesine girmektedir.

46 Bir beygir gücü (hp), 75 kg'lik ağırlığı bir saniyede m çekmek için gereken güçtür. W'yi (Watt) temsil eden SI birim sisteminde PS yaklaşık W'tır. Bu nedenle, 00 PS = 73.5 kw veya 00 kw = 36 PS'dir. PS: Pferdestärke Temel Kavramlar

47 Tork (Moment), motorun döndürme kuvvetini ifade eder ve yaygın kullanılan birimi Newton Metre (Nm) dir. Pistonu iten kuvvetin artması, yanma odasındaki basınca bağlıdır. Bu basınç; ana hatları ile motorun devrine, sıkıştırma oranına, silindir içerisine alınan yakıt-hava karışımının miktarına ve yanma verimine bağlıdır. Bu kuvvetin artışı, krank miline uygulanan torku arttırır. Motor torku, devir yükseldikçe belli bir devire kadar artar ve bu devirden sonra, motor devri arttırılmaya devam edilirse tork azalmaya başlar. Bunun nedeni, hacimsel verimin azalmasıdır. Yani yüksek devirlerde motorun nefes alma kabiliyeti düşer.

48 Kısa Not Motor torku ile tekerlek torku arasındaki fark; dönüştürme oranlarından kaynaklanmaktadır. Araçlarda motorun bir tekerleğe ilettiği tork, lastikle zemin arasındaki sürtünme kuvvetiyle, tekerlek yarıçapının çarpımına eşittir. Dolayısıyla, bu tork ne kadar büyük olursa; araç o kadar hızlı ivmelenebilir ve seri manevralar yapabilir. Tabii; lastiğin zeminle arasında oluşturabileceği azami sürtünme kuvvetinin aşılmaması, yani patinaja yol açılmaması kaydıyla.

49 Ortalama Efektif Basınç: Motorun gerçek çevrimdekine eşdeğer bir Pe gücü vermesi için bir strok boyunca pistona etkimesi gereken sabit basınçtır. Önemli notlar:. Motor gücü, ortalama efektif basınç ve motor devrine bağlı olarak değişir. 2. Ortalama efektif basınç, efektif güç için krankın sürekli çevrilmesini sağlayan ve motor torku ile doğru orantılı olan bir büyüklüktür.

50 Moment bir makinanın iş yapabilme yeteneği için değerli bir ölçü olmasına rağmen motor büyüklüğüne bağlıdır. Daha faydalı göreceli motor performans ölçüsü, çevrim başına elde edilen işi çevrim başına deplase edilen silindir hacmine bölünmesi ile elde edilir. Bu parametreye ortalama efektif basınç denir.

51

52 Brake mean effective pressure vs. sfc at constant engine speed Automotive Science and Mathematics, Allan Bonnick, 2008

53 Reading Text Brake mean effective pressure The brake mean effective pressure (bmep) may be obtained from the brake power curve of the engine as follows: bmep = brake power in kw 000 l*a*n Nm. In this equation, l = length of engine stroke in metres, a = cross-sectional area of the cylinder bore in square metres, and n = the number of working strokes per second. When bmep is plotted against engine speed, the curve produced is the same shape as the torque curve because torque is related to bmep. Engine performance data such as specific fuel consumption, and its relationship to bmep, at a given engine speed, may be shown in graphical form as in Figure. Here the engine is run at constant speed, on a dynamometer, and the air fuel ratio is varied. The main point to note here is that maximum bmep is developed when the mixture is rich. The minimum fuel consumption occurs when the air fuel ratio is slightly weaker than the chemically correct air fuel ratio of 4.7: for petrol.

54 Temel Kavramlar İndike (İç) güç: Motorun silindirleri içinden veya piston üzerinden alınan güce indike güç denir. İndike gücün ölçülmesi için silindirlerdeki maksimum yanma sonu basıncının basınç ölçerlerle ölçülmesi gerekir. Efektif (Faydalı) güç: Motorun krank mili yada volanından ölçülen güce efektif güç denir. Efektif gücün ölçülmesi için dinamometreler kullanılır. Verim: Elde edilen sonuç ile bu sonucu elde etmek için harcanan çaba arasındaki oranı ifade eder. Motorda alınan gücün verilen güce oranının yüzde olarak ifadesidir. Daima yüzde yüzden azdır. Mekanik verim: Motorun çıkışından alınan gücün piston üzerinden alınan güce oranıdır. Mekanik verim, silindir içerisinde yanmadan dolayı oluşan gücün krank milinden alınıncaya kadar ne kadar kayba uğradığını gösterir. Silindirde elde edilen güç, krank milinden alınıncaya kadar, başta sürtünme ve atalet kayıpları olmak üzere bir çok mekanik kayba uğrar.

55 Silindir içindeki gazların pistona olan iş transferi indike iş olarak isimlendirilir. Silindir basıncı ve karşılık gelen silindir hacmi bir P-V diyagramı halinde çizilerek genişleme ve sıkıştırma eğrileri arasında kalan alan entegre edilerek hesaplanabilir. Burada n R, her güç stroku için krank mili dönme sayısıdır n R 2s 4s 2 W c, i P PdV İndike güç: i W c, i n R N

56 The ratio of the brake horsepower to the indicated horsepower is known as the mechanical efficiency. T.K. GARRETT, K. NEWTON, The Motor Vehicle, Thirteenth Edition, 200

57 Temel Kavramlar Termik verim: Motorun, yakıtın yanmasından oluşan enerjiyi faydalı bir işe dönüştürebilme oranıdır. Yanma sonucunda oluşan ısı enerjisinin büyük bir kısmı soğutma, yağlama sistemi ve egzoz gazları ile dışarı atılır. Ancak geriye kalan ısı verimli işe çevrilebilir. Hacimsel (Volümetrik) verim: Emme zamanında silindire alınan havanın silindir hacmine oranıdır. Normal şartlarda bu verim %80 civarındadır. Motor devri arttıkça, supapların açık kalma zamanı azalacağından %50 ye kadar düşebilir. Özgül yakıt sarfiyatı: Motorun kwh başına harcadığı yakıt miktarına denir. Özgül yakıt tüketimi, birim güç çıkışı için motora gönderilen yakıt miktarıdır. Bir motorun verilen yakıtı iş üretmek için ne kadar verimli kullandığının bir ölçüsüdür. Bir motorun veriminin ölçüsü, yakıt dönüşüm verimi olarak bilinir. Bir çevrimde üretilen gücün bir çevrimde verilen yakıt enerjisine oranı olarak tanımlanır. Alt ısıl değer ve Üst Isıl Değer: Yanma tepkimelerinde bilinmesi gereken iki tanımlama alt ısıl değer ve üst ısıl değerdir. Alt ısıl değer, bir yanma tepkimesinde oluşan suyun buhar fazında olması durumunda açığa çıkan ısı enerjisidir. Üst ısıl değer ise, bir yanma tepkimesinde oluşan suyun sıvı fazında olması durumunda açığa çıkan ısı enerjisini tanımlamaktadır. Yani üst ısıl değer, buharlaşma ısısı dahil olmak üzere açığa çıkan toplam ısı enerjisidir.

58 Temel Kavramlar Bir dizel motorun performans eğrileri

59 Characteristic curves of diesel engine variables Automotive Science and Mathematics, Allan Bonnick, 2008

60 Temel Kavramlar Üstten kamlı benzinli bir motorun tipik performans eğrileri

61 Temel Kavramlar

62 Typical fuel energy distribution in an internal combustion engine Power distribution in an automobile during city driving. C.M Taylor, Automobile engine tribology design considerations for efficiency and durability, Wear Volume 22, Issue, October 998, Pages 8

63 Çap Strok Oranı Motor dizaynında; Güç Dönme sayısı Silindir sayısı ve tertibi İki ya da dört zamanlı oluşu gibi etkenler göz önüne alınarak; Motorun ana boyutları olan silindir çapı (D) ve strok (H) belirlenir. Kısa strok: Kısa strok, yüksek güçlü ve yüksek yüklü motorlar için kullanılır. Strok/çap oranı 'den daha azdır. Bu da strokun çaptan daha küçük olduğu anlamına gelir. Uzun strok: Uzun strok, yüksek bir motor torku elde etmek için kullanılır. Strok/çap oranı 'den daha yüksektir. Bu da strokun çaptan daha büyük olduğu anlamına gelir. Kare strok: Strok/çap 'dir. Bu da strokun çapa eşit olduğu anlamına gelir. Kia, 2007

64 Çap Strok Oranı Strok-çap oranı, motorun boyutlarını (yani uzunluğunu, genişliğini ve yüksekliğini) etkiler. Strok-çap oranı, sıkıştırma oranını etkiler. Strok-çap oranı, sıkıştırma hacminin yüzey alanı Ac nin sıkıştırma hacmine oranını da etkiler. Bu oran ısının soğutma ortamına geçişini tanımlar. Bunun için Ac/Vc nin mümkün mertebe küçük olması istenir. Dolayısıyla cidarlar motorun çalışması sırasında daha sıcaktır ve bu tutuşma gecikme süresini kısaltır. Strok-çap oranı, krank mili titreşimlerini etkiler. Benzin motorlarında strok-çap oranı : 0,65-, Dizel motorlarında strok-çap oranı (yüksek devirli) : 0,9-,4 Dizel motorlarında strok-çap oranı (düşük devirli) :,4-2,0

65 Reading Text An engine is described as a square engine when it has equal bore and stroke dimensions, giving a bore/stroke value of exactly. By custom, engines that have a bore/stroke ratio of between 0.95 and.04 can be considered "square". An engine is described as under-square or long-stroke if its cylinders have a smaller bore than its stroke - giving a ratio value of less than. At a given engine speed, a longer stroke increases engine friction and increases stress on the crankshaft. The smaller bore also reduces the area available for valves in the cylinder head, requiring them to be smaller or fewer in number. These factors favor lower engine speeds, under-square engines are most often tuned to develop peak torque at relatively low speeds. An under-square engine will typically be more compact in the directions perpendicular to piston travel but larger in the direction parallel to piston travel. An engine is described as over-square or short-stroke if its cylinders have a greater bore diameter than its stroke length, giving a bore/stroke ratio greater than. An over-square engine allows for more and larger valves in the head of the cylinder, lower friction and lower crank stress. Due to the increased piston- and head surface area, the heat loss increases as the bore/stroke-ratio is increased excessively. These characteristics favor higher engine speeds, over-square engines are often tuned to develop peak torque at a relatively high speed. The reduced stroke length allows for a shorter cylinder and sometimes a shorter connecting rod, generally making over-square engines less tall but wider than undersquare engines of similar engine displacement.

66 Motorların Araçtaki Yerleşim Düzeni Bernd Heißing Metin Ersoy (Eds.); Chassis Handbook - Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives With 970 figures and 75 tables; st Edition 20. Transverse front-engine with front-wheel-drive 2. Transverse front-engine with all-wheel-drive 3. Longitudinal front-engine with front-wheel-drive 4. Longitudinal front-engine with rear-wheel-drive 5. Longitudinal front-engine with all-wheel-drive 6. Transverse rear-engine with rear-wheel-drive 7. Longitudinal rear-engine with rear-wheel-drive 8. Longitudinal rear-engine with all-wheel-drive 9. Longitudinal mid-engine with rear-wheel-drive

67 Araçtaki Yerleşim Düzeni

68 Araçtaki Yerleşim Düzeni Some typical vehicle/powertrain configurations Edited by David A. Crolla, Automotive Engineering Powertrain, Chassis System and Vehicle Body; Butterworth-Heinemann, 2009

69 Araçtaki Yerleşim Düzeni Bernd Heißing Metin Ersoy (Eds.); Chassis Handbook - Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives With 970 figures and 75 tables; st Edition 20 Comparison of the different powertrain layouts and their worldwide market shares (2005 data) Three main powertrain configurations and their corresponding typical suspension configurations make up 98% of all vehicles sold today: transverse mounted front engine with front-wheel-drive (75% of all vehicles worldwide), longitudinally-mounted front engine with rear-wheel-drive (6%), and allwheeldrive (7%). All other configurations combined make up less than 2% of all vehicles sold

70 ÇEVRİM/LER

71 Motorun Parçaları

72 Motorun Parçaları Sistemler: Emme Sistemi Egzoz Sistemi Yağlama Sistemi Yakıt Sistemi Soğutma Sistemi Marş Sistemi Şarj Sistemi Turboşarj gibi yardımcı sistemler

73 ÜÖN A Krank Biyel Mekanizması S x L : Biyel boyu R : Krank yarıçapı H : Strok α : Krank açısı ( ) β : Biyel açısı ( ) ω : Krankın açısal hızı (rad/s) A : Üst ölü nokta A : Alt ölü nokta : Piston yolu S x L+R H AÖN A A C O α β L R B Biyel boyu : Biyel büyük başı merkezi ile biyel küçük başı merkezi arasındaki mesafe. Krank yarıçapı : Krank mili ekseni ile biyel muylusu ekseni arsındaki mesafe. Alt ölü nokta : Perno ekseninin krank mili eksenine en yakın olduğu konum. Üst ölü nokta : Perno ekseninin krank mili eksenine en uzak olduğu konum. Strok : Alt ölü nokta ile üst ölü nokta arasındaki mesafe. Piston yolu : Perno eksenin üst ölü noktaya olan uzaklığı. Krank açısı : Krank kolu ekseninin silindir ekseni ile yaptığı açı. Biyel açısı : Biyel ekseninin silindir ekseni ile yaptığı açı. Krankın açısal hızı : Krankın kendi ekseni etrafında dönüş hızı. ω

74 Bu motorlarda, silindire alınan hava, piston tarafından 2/ ila 26/ oranında sıkıştırılarak sıcaklık ve basıncı arttırılır. Sıcaklık ve basıncı artan hava içerisine dizel yakıtı püskürtülerek, yakıtın kendi kendine tutuşup yanması sağlanır. Havanın silindire alınıp egzozun dışarı atılması, dört zamanlı benzin motorunda hava-yakıt karışımının silindire alınıp egzozun dışarı atılması gibidir. Hava-yakıt karışımının kalitesi değiştirilerek hızlandırılan veya yüklenen dizel motorları, benzin motorlarına göre daha yüksek bir verime sahiptirler. Dizel Motor

75 Dizel Motor Diesel Engine Classification Qianfan Xin, Diesel engine system design, Woodhead Publishing Limited, 20

76 Şekil - Toyota Dizel Motor - Çevrim

77 Dizel Motor Çevrimi Emme zamanı: Piston ÜÖN den AÖN ye hareket eder pistonun ani yer değiştirmesi ile silindir içinde emiş oluşur. Emme supabının açık oluşu nedeniyle dış ortamdaki basınçlı hava içeri hareketlenip basıncı eşitlemeye çalışırken silindirin de hava ile doldurulması sağlanır. Şekil - Toyota

78 Dizel Motor Çevrimi Sıkıştırma zamanı: Piston AÖN den ÜÖN ye hareket ederken açık olan emme supabı da kapanır, bu durumda her iki supap da kapalıdır. İçeriye alınmış olan hava bu zamanda sıkıştırılır. Piston ÜÖN ye gelmeden önce yakıt püskürtülür, sıkıştırma sonu sıcaklığının etkisiyle yakıt ÜÖN den hemen önce kendiliğinden tutuşur. Şekil - Toyota

79 Şekil - Toyota Dizel Motor Çevrimi

80 Reading Text: BENZİNLİ MOTOR: Power and expansion stroke Combustion starts with the ignition of the mixture, usually before TDC. During combustion process high temperature, high pressure gases push the piston towards BDC and force the crank to rotate. Maximum temperature of K and pressure of 3 7 MPa is reached in the cylinder. DİZEL MOTOR: Power and expansion stroke Combustion starts with the injection of the fuel spray into the combustion chamber, usually before TDC with certain injection advance. There is ignition delay before combustion starts. During combustion process high temperature, high pressure gases push the piston towards BDC and force the crank to rotate. Maximum temperature of K and pressure of 4 8 MPa (IDI engines) and 7 0 MPa (DI engines) is reached in the cylinder. The spark-ignition engine (or Sl engine): the mixture is compressed to approximately bar (ε = 8...2) on the compression stroke, to generate a final compression temperature of C. Diesel Engine: During the compression stroke intake air is compressed to bar in naturally aspirated engines or bar in supercharged engines, so that its temperature increases to C. Bosch Automotive Handbook, 2002

81 Dizel Motor Çevrimi Güç/İş/Genişleme zamanı: Her iki supapta kapalıdır. Yanma sonucunda basınç hızla yükselir. Bu basınçta pistonu ÜÖN den AÖN ye doğru iter. Yanma işlemi belirli bir süre alacağı için yakıtın püskürtülmesi ÜÖN den önce başlayıp ÜÖN den kısa bir süre sonra bitirilir. Şekil - Toyota

82 Dizel Motor Çevrimi Egzoz zamanı: Egzoz supabı AÖN nin öncesinde açılır. Geriye kalan yanma basıncı egzoz gazlarının bir kısmını egzoz supabına sürükler ve piston AÖN den ÜÖN ye çıkarken piston egzoz gazlarını açık olan supaptan atarak silindiri yanmış gazlardan temizler. Böylece çalışma çevrimi tamamlanmış olur. Şekil - Toyota

83 ÖNEMLİ NOTLAR: Adyabatik proses: Sistemle çevre arasında ısı alışverişinin olmadığı prosestir. Tersinir proses: Viskozite etkisi, ısı iletimi etkisi, kütle difüzyonu etkisi gibi dissipatif (dağıtıcı) etkilerin olmadığı prosestir. İzantropik proses: Hem adyabatik hem de tersinir olan prosestir. Kaynak: M. Adil Yükselen, Sıkıştırılabilir Aerodinamik, UZB362, Bahar dönemi ders notları, *** Tersinir Süreç: Gerçek bir termal işlemde bir tersinir süreç, ardarda gelen çok sayıda, geçici denge durumlarından oluşmakta olduğundan, bir yarı-kararlı süreç tir veya daha doğru bir nitelendirme ile, bir yarı-kararlı süreçler bütünü dür. Böyle bir sürecin bir başlangıcında ve bir de bitiminde olmak üzere iki denge durumu kabul edilir ki buna göre, tersinir süreç (veya tersinir olduğu kabul edilebilecek süreç), ilk denge ve son denge durumları arasındaki sürecin, birbirini takip eden (ardışık) denge durumlarından oluşması halidir. Bu vazıyette, her bir noktanın P ve V değeri belirlenebileceğinden, süreç bir çizgi ile gösterilebilir. Kaynak: Durmuş Hocaoğlu, Termodinamik in İkinci Kanunu ve Entropi Ders Notu, Kasım, *** İç Enerji Değişimi DU nun Belirlenmesi : Tersinir ve Tersinmez Süreçler Mekanik veya termal kaynaklardan sağlanan enerji ile sistemin iç enerjisinin değiştiğini biliyoruz. Bununla beraber sistem bir i halinden s haline doğru ilerlerken işlem sonsuz küçük adımlarla veya bir veya birkaç adımda gerçekleştirilebilir. Eğer işlem sonsuz küçük adımlarla gerçekleştiriliyorsa süreç tersinir (reversible), aksi durumda tersinmez (irreversible) olarak adlandırılır.

84 OKUMA PARÇASI: Termodinamiğin Yasaları: Termodinamiğin sıfırıncı yasası: İki termodinamik sistemin her biri üçüncü bir sistemle termodinamik dengede ise aralarında da termodinamik dengededirler. Termodinamiğin birinci yasası: Bir sistemin iç enerjisindeki artış, sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır. Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Termodinamiğin ikinci yasası: Entropi, bir termodinamik sistemden başka sistemlere iş şeklinde aktarılması imkânsız enerji miktarı olmak üzere, izole bir termodinamik sistemin entropisi zamanla artmaktadır. Termodinamiğin üçüncü yasası: Mutlak sıcaklıkta entropi sıfırdır. Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu belirtir. Termodinamiğin ikinci yasasında yer alan entropi, ısı enerjisinin tamamının mekanik işe dönüştürülmesinin imkânsız olduğunu ifade eden termodinamik bir niceliktir. Sistemdeki düzensizlik arttıkça, sistemin entropisi artar, yani sistemin faydalı iş verme kabiliyeti azalır. Bir su damlası ısıtıldığında buharlaşır ve molekülleri daha düzensiz bir hal alır. T sıcaklığındaki bir cisme ΔQ kadarcık bir ısı verildiğinde, entropisi ΔS=ΔQ/T kadar artar. Entropi ye, izole bir sistem içindeki düzensizlik derecesi olarak da bakılabilir.

85 ÖNEMLİ NOTLAR: İçten tersinir ve adyabatik (izantropik) bir hal değişimi sırasında entropi sabit kalır. Bir hal değişimi sırasında entropi sabit kalıyorsa, bu hal değişimine izantropik hal değişimi olarak isim verilir. Mükemmel Gazların İzantropik Hal Değişimleri denklemi sıfıra eşitleyerek elde ederiz İdeal gazın izantropik bağıntıları yalnızca ideal gazların hal değişimleri için geçerlidir.

86 TEORİK STANDART HAVA ÇEVRİMLERİ Bir içten yanmalı motorun çalışma çevrimi emme, sıkıştırma, yanma, genişleme ve egzoz işlemlerinden oluşur. İçten yanmalı motorlar açık sistem gibi işlem görse de tam bir termodinamik çevrimi tamamlamazlar. İş yapan akışkan sisteme belirli şartlarda girerken, çıkışta başka şartlarda çıkar. Başlangıçtaki şartlara dönülmez. (Taze hava olarak girer, yanmış egzoz gazı olarak çıkar.) İçten yanmalı motorların genel analizini yapabilmek oldukça zordur. Gerçek çevrime yaklaştırılmış ideal bir kapalı çevrimin performansını analiz etmek gerçek bir motorda cereyan eden olayları anlamak açısından faydalı olabilir. Bu amaçla kullanılan yaklaşımlardan birisi standart hava çevrimi kullanmaktır. Standart hava çevriminin analizinde bir takın kabuller yapılır. Bu kabuller; İş gören akışkan mükemmel gaz kabul edilen havadır ve bilindiği gibi ideal gazlarda P.V=m.R.T veya P=.R.T bağlantıları geçerlidir. İş gören akışkanın kütlesinde değişme yoktur. Tüm prosesler tersinirdir. Isı sabit sıcaklıkta ki bir ısı kaynağından alınmakta ve çevrim esnasında kimyasal bir reaksiyon gerçekleşmemektedir. Yani yanma gerçekleşmemektedir. Bu durumda silindire gönderilen yakıtın tüm enerjisini açığa çıkardığı da kabul edilebilir. Isı sabit sıcaklıktaki bir ısı kuyusuna verilmektedir. Sistemden çevresine herhangi bir ısı kaybı yoktur. İş gören akışkanın çevrim boyunca özgül ısıları değişmemektedir (sabittir). İş gören akışkanın sabitleri (c v, c p, k ve mol ağırlığı, M) standart atmosfer şartlarındaki hava ile aynı özelliklere sahiptir (c p =.005 kj/kgk, c v =0.77 kj/kgk, k=,4 ve M=29 kg/kmol) Adnan Parlak, Teorik Standart Hava Çevrimleri,

87 Karma Çevrim (Seilinger)

88 Karma Çevrim (Seilinger) OKUMA PARÇASI: Sıkıştırma (-2) Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve egzoz valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar. Sabit Hacimde Yanma (2-3) Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada silindire enjektör tarafından yakıt püskürtülmeye başlar. Sıkışarak ısınmış havayla karşılaşan yakıt yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar. Sisteme ısı girişinin olduğu ilk safha bu safhadır. Sabit Basınçta Yanma (3-4) Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar fakat yanma devam ettiğinden basınç düşmez. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Böylece bu safhada da sisteme ısı girişi devam etmiş olur. Genleşme (4-5) Artık silindire yakıt püskürtülmemektedir ve yanma durmuştur. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar. Egzoz (5-6) Sistem 5 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz sisitemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. Gerçekte, dışarıya ısının atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir.

89 Teorik karma çevrimi hava standart çevrimleri içerisinde en genel haldeki denklemleri verdiğinden ve bazı özel hallerde Diesel ve Otto çevrimlerine ait formüllerde çıkarılabildiğinden, önce karma çevrimin iş ve verim ifadeleri çıkarılarak, özel haller için dizel ve Otto çevrimlerine ait özel bağıntılara geçirecektir. Çevrimin başlangıç sıcaklık ve basıncı T ve P dır. İzentropik sıkıştırma neticesinde 2 noktasındaki sıcaklık değeri: (P V k = P 2.V 2k ) ile (P.V =m.r.t ve P 2.V 2 =m.r.t 2 ) T 2 = T (V /V 2 ) k- = T. k- ( ) 2 noktasından itibaren sisteme sabit hacimde ısı eklenmektedir. 3 noktasındaki sıcaklık değeri; T 3 =T 2.(P 3 /P 2 ) ( 2 ) Burada = P 3 /P 2 (Basınç artma oranı) olarak gösterilirse; =P 3 /P 2 =T 3 /T 2 ( 3 ) ( ) Denklemindeki T 2 eşitliğini ( 2 ) denkleminde yerine koyarsak T 3 =T.. k- ( 4 ) İfadesi bulunur. ve 3 noktaları için hal denklemleri yazılıp oranlanır ve 3 denklemi kullanılırsa: T 3 =(P 3 /P ).(V 3 /V ).T ( 5 ) Adnan Parlak, Teorik Standart Hava Çevrimleri,

90 Elde edilir. Sabit basınçta çevrime ilave edilen ısı sonucunda 4 noktasında ulaşılan sıcaklık T 4 =(V 4 /V 3 ).T 3 (6 ) Burada =V 4 /V 3, püskürtme oranı ya da genişleme oranı olarak ifade ederiz. ifadesi ( 6 ) denklemine konarak düzenlenirse; T 4 =T...є k- ( 7 ) İfadesi bulunur. Son sıcaklık T 5 sabit basınçta çevrime ısı sürülmesinden sonra izoentropik genişleme sonunda elde edilir. Buna göre; T 5 =T 4.(V 4 /V 5 ) k- =T 4 /r e k- ( 8 ) Bulunur. Burada r e =V /V 4 =V 5 /V 4 hacimsel genişleme oranını göstermektedir. Buna göre püskürtme oranı adı da verilen sabit basınçta ısı girişine ait hacim oranı; =(V 4 /V 3 )=(V 4 /V 2 )=(V 4 /V ).(V /V 2 )=/r e ( 9 ) şeklinde ifade edilir. ( 9 ) ifadesindeki r e nin ve ( 7 ) ifadesindeki T 4 ün eşitlikleri ( 8 ) de yerine konulursa: T 5 = T... k- /r e k- )= T..(/r e ) k = T.. k (0 ) Bulunur. Adnan Parlak, Teorik Standart Hava Çevrimleri,

91 є V /V 2 Sıkıştırma oranı P 3 /P 2 = T 3 / T 2 Basınç artma oranı V 4 /V 3 = T 4 / T 3 Püskürtme oranı, kesme oranı r e V 4 /V 5 Genişleme oranı Çevrime transfer edilen ısı ve çevrimden elde edilen r ç bilinirse buradan çevrim verimi bulunabilir. Birim kütlesel akış başına 2 noktasından 4 noktasına ilave edilen ısı miktarı q G =c v.(t 3 -T 2 )+c p (T 4 -T 3 )= ( 5 ) veya; k q G = cvt. k (6 ) Çevrim parametreleri cinsinden ifade edersek q G =c v.t. k- [(-)+.k.(-)] ( 7 ) 5 arasında çevrimden atılan ısı q Ç =c v.(t 5 -T )=c v.t (T 5 /T -) ( 9 ) q Ç =c v.t. (. k ) ( 20 ) Çevrimden birim kütle başına elde edilen işi W net =q G - q Ç (2) = c v.t. k- [(-)+.k.(-)]- (. k ) Adnan Parlak, Teorik Standart Hava Çevrimleri,

92 Adnan Parlak, Teorik Standart Hava Çevrimleri,

93 Idealized Diesel Cycle

94 Dizel Motor Gerçek Çevrimi

95 Dizel Motor Çevrimi Teorik Çevrim Sıkıştırma (a-b) Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve egzoz valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar. Sabit Basınçta Yanma (b-c) Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada ısınmış hava üzerine enjektörden yakıt püskürtülerek yanma başlar. Genleşme (c-d) Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar. Bu durum d noktasına kadar böyle devam eder. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar. Egzoz (d-e) Sistem d noktasına (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz sistemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. Gerçekte, dışarıya ısının atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir. Yrd. Doç. Dr. Alp Tekin ERGENÇ, Motorlar Ders Notları, Yıldız Teknik

96 Dizel Çevrimi Termodinamiği

97 Dizel Çevrimi Termodinamiği L ç Q Q 2 Q m. cp.( T3 T2 ) t L ç Q Q Q Q 2 Q Q 2 Q2 mc. v.( T4 T ) PV mrt V T P3 P2 PV mrt V T 2 PV PV PV 4 PV 2 k 4 k mrt PV 3 PV 2 2 k 3 k 2 V V V 4 V 2. 2 P 3 P 2 : ön. geniş oranı g mrt P. T T 2 T2 k P T T P P 4 T V V 3 2 k k k g Yrd. Doç. Dr. Alp Tekin ERGENÇ, Motorlar Ders Notları, Yıldız Teknik

98 Dizel Çevrimi Termodinamiği k k g k k g T T T T P P ) ( ) (. ) ( ) (. ).(. ).( T T T T T T k T T T T T T T T k k c c T T m c T T m c t p v p v t ).( ) (. ) ( ) (. g k k g g k k k g t k k Yrd. Doç. Dr. Alp Tekin ERGENÇ, Motorlar Ders Notları, Yıldız Teknik

99 Dizel Çevrimi Ortalama İndike Basınç Q Q 2 L ç. ; Q L Q L t ç ç t ).(. 2 3 T T mc Q v T T T m c L p ç t k c c v p v p c k c.. k R c R c k c R c c v v v v p 2. k T T g k t g k t t ç V P k k T k R k m T T T k R k m L g k t g k t H ç mi P k k V P V k k V L P Yrd. Doç. Dr. Alp Tekin ERGENÇ, Motorlar Ders Notları, Yıldız Teknik

100 Supap Diyagramı

101 Supap Diyagramı

102 Caddy 2004 Supap Diyagramı