BİR DİZEL MOTORUNDA EGZOZ GAZLARI, SOĞUTMA SUYU VE SÜRTÜNMELER YOLUYLA KAYBEDİLEN ISI ENERJİSİNİN BELİRLENMESİ ÖZET

Transkript

1 Politknik Drisi Journal of Polytchnic Cilt: 5 Sayı: 3 s , 2002 Vol: 5 No: 3 pp , 2002 BİR DİZEL MOORUNDA EGZOZ GAZLARI, SOĞUMA SUYU VE SÜRÜNMELER YOLUYLA KAYBEDİLEN ISI ENERJİSİNİN BELİRLENMESİ Sahir SALMAN, Can ÇINAR, ola OPGÜL* Can HAŞİMOĞLU** *Gazi Ünivrsitsi knik Eğitim Fakültsi Makin Bölümü Bşvlr, ANKARA **Slçuk Ünivrsitsi knik Eğitim Fakültsi Makin Bölümü Slçuklu, KONYA ÖZE İçtn yanmalı motorlarda, motora yakıt il vriln ısı nrjisini mkanik nrjiy dönüştürürkn, bir takım kayıplar mydana lmktdir. Bu kayıplar; zoz, soğutma, sürtünm v radyasyon yoluyla olmaktadır. Bu çalışmada; tk silindirli dirkt püskürtmli bir dizl motorunda, motor dvrin bağlı olarak silindir içrisin sürüln toplam ısı nrjisinin, fktif olarak alınan nrji v kayıp nrjilr (zoz, soğutma v sürtünm) dönüşn miktarları dnysl olarak inclnmiştir. Anahtar Klimlr: Dizl motoru, ısı balansı, dnysl analiz HE DEERMINAION OF HEA LOSSES FROM EXHAUS GASES, COOLING WAER AND FRICION IN A DIESEL ENGINE ABSRAC Whil convrtin th hat nry into th mchanical nry, som losss tak plac in intrnal combustion nins. hs losss occur via xhaust, coolin, friction and radiation. In this study a sinl cylindr dirct injction disl nin was usd. Dpndin upon th nin spd th ratio of total hat nry to ffctiv nry and lost nris (xhaust, coolin and friction) wr invstiatd xprimntally. 1.GİRİŞ Ky Words: Disl nin, hat balanc, xprimntal analysis İçtn yanmalı motorlarda, motor milindn alınan faydalı işin, motora yakıtla vriln nrjiy oranı, frn trmik vrimi olarak tanımlanır. Motora vriln yakıtın sahip olduğu ısı nrjisini mkanik nrjiy dönüştürürkn, bir takım kayıplar mydana lmktdir. Bu kayıplar; zoz, soğutma, sürtünm v radyasyon ibi yollarla olmaktadır. Frn trmik vriminin arttırılabilmsi için, bu kayıpların azaltılması v toplam kayıptaki paylarının bilinmsi rklidir. Kayıp nrjilrin v fktif ücün blirlnrk dğrlndirilmsin ısı balansı dnilmktdir. Isı balansı, bir motorun konomikliğini blirldiği ibi çşitli kayıplar hakkında da fikir vrmktdir (1-6). İçtn yanmalı motorlarda, maksimum çvrim sıcaklığı motorun yapısal özlliklri ndniyl sınırlandırılmıştır. Bu ndnl; pistonlu içtn yanmalı motorlarda, motor parçalarının sıcaklıklarının kontrol dilbilmsi için soğutma sistmin ihtiyaç vardır. Şkil 1 d iki v dört zamanlı dizl motorlarında soğutma yoluyla oluşan ısı kayıplarının bir karşılaştırılması yr almaktadır. Şkildn d örüldüğü ibi hr iki motorda da frn ortalama fktif basıncı artıkça ısı kaybı da azalmaktadır. Dört zamanlı bir dizl motorunda soğutma yoluyla oluşan ısı kaybı % arasında dğişmktdir. Bu ısı kaybı; soğutma suyuna v yağlama yağına çn ısıyı kapsamaktadır. Yalnızca yağlama yağına ortalama % 8 lik bir kayıp söz konusudur (2,7,8). Şkil 1. Dizl motorlarında soğutma il kaybdiln ısı (7) Pistonlu motorlarda, çvrimin dvamlılığını sağlayabilmk v zoz zamanındaki pompa- 233

2 Sahir SALMAN,Can ÇINAR,ola OPGÜL,Can HAŞİMOĞLU/POLİEKNİK DERGİSİ,CİL 5, SAYI 3, 2002 lama kaybını azaltabilmk için zoz supabının AÖN dn önc açılması rkir. Böylc zoz azlarının taşıdıkları ısı dışarıya atılır. Ezoz azları yoluyla yaklaşık olarak % 30 luk bir kayıp mydana lmktdir. Silindir içrisin sürüln ısının bir kısmı da radyasyonla ısı transfri ndniyl kaybdilmktdir. Radyasyonla ısı transfri, nfraruj ışınları il rçklşmktdir. Bu ışınlar tki alanları içrisin irn cisimlrin molküllrinin harktlrini hızlandırarak, onların ısınmalarına ndn olurlar. Sürtünm kayıpları is; çalışan motor parçaları arasında oluşan sürtünmlr, mm v zoz kanallarındaki kayıplar v su pompası, yağ pompası ibi yardımcı motor lmanlarından kaynaklanan sürtünmlr yoluyla oluşmakta v % 10 civarındadır. Piston mkanizması (piston, sman, biyl v komprsyon yüklri) toplam sürtünm kaybının % 50 sini oluşturmaktadır. Supap sistmind % 25, krank mili yataklarında % 10 v yardımcı motor parçalarında is; % 15 lik bir sürtünm kaybı oluşmaktadır (2,9-14). Şkil 2. Motor dvrin bağlı olarak sürtünm ortalama fktif basıncının dğişimi (13) Bu çalışmada içtn yanmalı motorlarda ısı kayıplarına ndn olan bu tknlrdn zoz azları, soğutma suyu v sürtünm yoluyla kaybdiln ısı nrjisi motor dvrin bağlı olarak inclnmiştir. 2. EORİK ANALİZ Ezoz azlarının içrdiği ısı nrjisi üç bölümd ifad dilbilir. Bunlar; 1) Ezoz manifoldu il zoz kalorimtrsi arasında kaybolan ısı nrjisi, 2) Ezoz kalorimtrsindn çkiln ısı nrjisi, 3) Ezoz kalorimtrsini trk dn azların artık ısı nrjisi, olarak ifad dilbilir (15). Buna ör zoz azlarının taşıdığı toplam ısı nrjisi; Q. 1.( ).( (1) ) şitliği il ifad dilbilir. Bu şitlikt rkli sadlştirmlr yapılırsa; Q. (2) 1 ç şitliği ld dilir. Ezoz kalorimtrsindki ısı balansı;. m.( ) (3) m s ps s2 s1 şitliği ifad dilir. Bu şitliktn, s ps.(s2 s1 ) (4) ( ) ld dilbilir. 4 no lu şitlik, 2 no lu şitlikt yrin yazılırsa; m.( ) Q s ps s2 s1.(1 ç ) (5) ( ) şitliği il zoz azlarına çn ısı nrjisi miktarı hsaplanabilir. Soğutma suyuna çn ısı nrjisi;.( ) (6) Qs ms ps ms 2 ms1 şitliği il hsaplanabilir. 3. MAERYAL MEO Dnylrd kullanılan dirkt püskürtmli dizl motorunun tknik özlliklri Çizl 1 d yr almaktadır. Dnylrd, Mc Clur firması tarafından ürtiln Hydra marka lktrikli bir dinamomtr kullanılmıştır. Dnylr tam yükt /min il /min motor dvri aralığında rçklştirilmiştir. Çizl 1. Dnyd kullanılan tk silindirli dizl motorunun tknik özlliklri Markası Silindir Çapı X Kurs Sıkıştırma Oranı 19,8/1 Ricardo Hydra 80,26 X 88,9 mm ç 234

3 BİR DİZEL MOORUNDA EGZOZ GAZLARI, SOĞUMA.../ POLİEKNİK DERGİSİ, CİL 5, SAYI 3, 2002 Maksimum Motor Dvri /min Şkil 3. Ezoz kalorimtrsi (15) Ezoz azına çn ısı kaybını ölçbilmk amacıyla Cussons firması tarafından ürtiln v Şkil 3 t yr alan zoz kalorimtrsi kullanılmıştır. Bu kalorimtr susturucular il zoz manifoldu arasına bağlanmıştır. Üzrind bulunan bir akışmtr il kalorimtrdn çn suyun dbisini L/h aralığında, 20 L/h hassasiytind ölçülbilmktdir. Sıcaklıklar 12 kanallı Elimko 6000 marka trmokupllu cihaz il 1 C hassasiytind ölçülmüştür. Soğutma suyuna çn ısının tspiti için motora irn v çıkan soğutma suyu sıcaklıkları il suyun dbisinin bilinmsi rkmktdir. Dinamomtrnin kontrol panlindki dijital östr yardımıyla suyun iriş v çıkış sıcaklıkları 0,1 C hassasiytind ölçülbilmktdir. Soğutma suyu dbisinin tspiti için basınç farkını ölçn akışmtr kullanılmıştır. Sürtünm yoluyla mydana ln kayıpları blirlmk için başlanıçta motor, çalışma sıcaklığına kadar ısıtılmış v durdurularak lktrikli dinamomtr tarafından döndürülmüştür. Motor dvrin bağlı olarak sürtünm momnti ölçülmüştür. Hsaplanan ısı yüzdlri silindir içrisin sürüln toplam ısı nrjisin oranlanarak ld dilmiştir. Sonuçlar rafik halind sunulmuştur. 4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİ- RİLMESİ Şkil 4 t motor dvrin bağlı olarak motor ücü v motor momntinin dğişimi örülmktdir. Dnyin rçklştirildiği motor, maksimum momnti /min motor dvrind 22,9 Nm olarak vrmiştir. Motorun maksimum ücü is, /min motor dvrind 8,25 kw olarak rçklşmiştir. Şkil 5 t motor dvrin bağlı olarak frn özül yakıt tüktimi v trmik vrim dğişimi vrilmiştir. Frn özül yakıt tüktimi /min motor dvrind 354,2 /kwh il minimum dğrini almıştır. Bu motor dvrinin üzrind v altında, frn trmik vrimdki azalmaya bağlı olarak özül yakıt tüktimi artmaktadır. Motor dvrin bağlı olarak, /min motor dvrindn itibarn dvir arttıkça frn trmik vrimin /min motor dvrin kadar iyilştiği v bu dvirdn sonra vrimd bir azalma olduğu örülmktdir. Şkil 6 da motor dvrin bağlı olarak sürtünm, zoz v soğutma suyuna çn ısının dğişimi örülmktdir. Maksimum momnt dvri olan /min motor dvrind, zoz v soğutma suyu yoluyla mydana ln ısı kayıpları inclndiğind; bu kayıpların diğr motor dvirlrin ör daha az olduğu örülmktdir. Kayıpların azaldığı bu motor dvrind diğr motor dvirlrin ör frn trmik vriminin daha yüksk olduğu v frn özül yakıt sarfiyatı azaldığı anlaşılmaktadır. Sürtünm kayıpları da motor dvrin bağlı olarak artmaktadır. Şkil 4. Motor dvrin bağlı olarak motor ücü v momntinin dğişimi 235

4 Sahir SALMAN,Can ÇINAR,ola OPGÜL,Can HAŞİMOĞLU/POLİEKNİK DERGİSİ,CİL 5, SAYI 3, 2002 Şkil 5. Motor dvrin bağlı olarak frn özül yakıt tüktimi v frn trmik vrimin dğişimi Şkil 6. Motor dvrin bağlı olarak sürtünm, zoz v soğutma suyuna çn ısının dğişimi 5. SONUÇLAR VE ARIŞMA Silindir içrisin sürüln ısının motor dvrin ör dğişimi inclndiğind, maksimum momnt dvrind fktif üc dönüşn ısı nrjisi oranının n yüksk dğrini aldığı v bu dvird zoz azı il soğutma suyu yoluyla kaybdiln ısı nrjisinin azaldığı örülmüştür. Maksimum momnt dvrindn itibarn motor dvri arttırıldığında vya azaltıldığında fktif üc dönüşn ısı nrjisinin azaldığı v zoz il soğutma suyu yoluyla mydana ln ısı kayıplarının arttığı blirlnmiştir. SEMBOLLER c : Ezoz azlarının özül ısısı (kj/kk) c ps : Suyun özül ısısı (kj/kk) : Kalorimtrdn çn zoz azlarının dbisi (k/s) Q : Ezoz azlarının taşıdığı toplam ısı (kw) Q s : Motor soğutma suyuna çn ısı (kw) ç : Ortam sıcaklığı (K) 1 : Ezoz manifoldundaki zoz azının sıcaklığı (K) : Soğutma suyu çıkış sıcaklığı (K) : Ezoz çıkış sıcaklığı (K) ms1 : Motor soğutma suyu iriş sıcaklığı (K) ms 2 : Motor soğutma suyu çıkış sıcaklığı (K) s1 : Soğutma suyu iriş sıcaklığı (K) s2 : Soğutma suyu çıkış sıcaklığı (K) KAYNAKLAR 1. Borat, O., Balcı, M. v Sürmn, A., İçtn Yanmalı Motorlar, knik Eğitim Vakfı Yayınları, Cilt 1, Çtinkaya, S., İçtn Yanmalı Motorlar Laboratuarı Drs Notları. 3. Nwton, K., Stds, W. and Garrtt,. K., h Motor Vhicl, Buttrworth Hinmann Prss, Enland, Zammit, S. J., Motor Vhicl Eninrin Scinc for chnicans, Lonman Scintific & chnical, Bck, N. J., Uyhara, O. A., Emiritus, P. and Johnson, W. P., Effcts of Ful Injction on Disl Combustion, SAE Papr, No: , Yalçıntp, M. R., Dizl Motorları knolojisi, aylor, C. F., h Intrnal Combustion Enin In hory and Practis, h MI Prss, Volum I, Yoshimoto, Y., sukahara, M. and Kuramoto,., Improvmnt of BSFC by Rducin Disl Enin Coolin Losss with Emulsifid Ful, SAE Papr, No: , Ball, W. F., Jackson, N. S., Pilly, A. D. And Portr, B. C., h Friction of a 1.6 Litr Automotiv Enin-Gasolin and Disl, SAE Papr, No: , Hywood, J. B., Intrnal Combustion Enin Fundmntals, Mc Graw-Hill Book Company, Brown, W. L., h Catrpillar IMEP Mtr and Enin Friction, SAE Papr, No: , Wakuri, Y., Sojima, M., Ejima, Y., Hamatak,. and Kitahara,., Studis on Friction Charactristics of Rciprocatin Enins, SAE Papr, No: , Pulkrabk, W. W., Eninrin Fundamntals of th Intrnal Combustion Enin, Prntic Hall Inc. Nw Jrsy,

5 BİR DİZEL MOORUNDA EGZOZ GAZLARI, SOĞUMA.../ POLİEKNİK DERGİSİ, CİL 5, SAYI 3, Hararl, R. and Shr, E., 1997, Eninrin Fundamntals of th Intrnal Combustion Enin, Prntic Hall Inc. 15. G. Cussons Ltd., Cussons Exhaust Gas Calorimtrs Instruction Manul,