MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

Transkript

1 MARMARA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Motorlarda Performans HAZIRLAYAN Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

2 Engine Performance Engine performance is an indication of the degree of success of the engine performs its assigned task, i.e. the conversion of the chemical energy contained in the fuel into the useful mechanical work.theperformanceofanengineisevaluatedonthebasis ofthefollowing: (a) Specific Fuel Consumption (b) Brake Mean Effective Pressure (c) Specific Power Output (d) Specific Weight (e) Exhaust Smoke and Other Emissions The particular application of the engine decides the relative importance of these performance parameters. Applied Thermal Engineering

3 Engine Performance For Example: For an aircraft engine specific weight is more important whereas for an industrial engine specific fuel consumption is more important. For the evaluation of an engine performance few more parameters are chosen and the effect of various operating conditions, design concepts and modifications on these parameters are studied. The basic performance parameters are the following: (a) Power and Mechanical Efficiency (b) Mean Effective Pressure and Torque (c) Specific Output (d) Volumetric Efficiency (e) Fuel-air Ratio (f) Specific Fuel Consumption (g) Thermal Efficiency and Heat Balance (h) Exhaust Smoke and Other Emissions (i) Specific Weight Mean Effective Pressure: Mean effective pressure is defined as a hypothetical/average pressure which is assumed to be acting on the piston throughout the power stroke. Applied Thermal Engineering

4 Engine Performance Important Performance Parameters of I.C. Engines:- The important performance parameters of I.C. engines are as follows: Friction Power, Indicated Power, Brake Power, Specific Fuel Consumption, Air Fuelratio Thermal Efficiency Mechanical Efficiency, Volumetric Efficiency, Exhaust gas emissions, Noise

5 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

6 Temel Kavramlar Zaman veya Strok: Motorlarda, pistonun ÜÖN ile AÖN arasındaki hareketine zaman veya strok"adıverilmektedir.buhareketdörtzamanlımotorlardakrankmiliaçısıcinsinden180 0 dir. Kardeş Çalışan Pistonlar: Silindirler içinde aynı yönde, aynı yükseklikte beraber hareket edip farklı zamanları yapan pistonlardır. Örnek olarak ÜÖN dan AÖN ya hareket eden iki pistondan biri emme, diğeri genişleme zamanındadır. Supap Bindirmesi: Dört zamanlı motorlarda egzoz zamanı sonu ve emme zamanı başlangıcında her iki supabın belli bir süre beraberce açık bulunmasına supap bindirmesi denir. Sente: Dört zamanlı motorlarda sıkıştırma zamanı sonunda ve genişleme zamanı başlangıcında piston ÜÖN da bulunduğunda emme ve egzoz supaplarının kapalı kalmasına sente denir. Avans: Motorlarda yanmanın termodinamik bakımdan en uygun zamanda bitirilmesi için sıkıştırma zamanı sonlarında piston ÜÖN ya gelmeden birkaç derece önce, dizel motorlarında püskürtmenin, benzin motorlarında buji kıvılcımının çakıp yanmanın başlatılmasına avans denir.

7 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. Motorun gücü; Ortalama efektif basınca, Strok hacmine Dönme sayısına bağlıdır.

8 Motorlarda Performans 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 1kWh başına harcadığı yakıt miktarına denir. 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.

9 Temel Kavramlar

10 Temel Kavramlar

11 Temel Kavramlar

12 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 221, Issue 1, October 1998, Pages 1 8

13 Temel Kavramlar Hava fazlalık katsayısı (λ): Birim miktardaki yakıt için kullanılan hava miktarının, teorik tam yanma için gerekli minimum hava miktarına oranıdır. λ = Sisteme sürülen gerçek hava miktarı/teorik hava miktarı Yakıt fazlalık katsayısı (φ): Birim miktardaki hava için kullanılan yakıt miktarının, teorik tam yanma için gerekli minimum yakıt miktarına oranıdır. Φ = Sisteme sürülen gerçek yakıt miktarı/teorik yakıt miktarı Dizel Motorlarda Hava Yakıt Oranı (A/F): Dizel motorlarda daima λ>1 büyüktür.

14 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= 14,7/1) Benzin motorlu otomobillerin optimum emisyon kontrolünün ve yakıt ekonomisinin hava/yakıt oranının yaklaşık 14.7/1 olduğu zaman sağlanacağı bulunmuştur. Hava/yakıt karışımı stokiyometrik değerlerin altında veya üzerinde olduğu zaman bu durum sensör tarafından algılanarak geri beslenme sinyali üretilir.

15 Volumetric efficiency diesel engine Torque vs. engine speed Automotive Science and Mathematics, Allan Bonnick, 2008

16 Specific fuel consumption vs. engine speed Automotive Science and Mathematics, Allan Bonnick, 2008

17 Motor Karakteristikleri Motor kodu BJB Motor hacmi 1896 cm³ Silindir başına supap 2 Silindir çapı 79.5 mm Strok 95.5 mm Sıkıştırma oranı 18 : 1 Maks. güç 77 kw 4000 d/d de Maks. tork 250 Nm 1900 d/d de Motor işletim sistemi EDC 16 Egzoz gazı Egzoz gazı devridaimi ve sonrası iyileştirme: oksidasyon katalizatörü Egzoz emisyon standartı EU 3/EOBD Tork ve Performans Eğrisi Caddy 2004 Devir (rpm) Motor gücü, belli bir düzeye kadar dev/dak ile orantılı olarak artar. Çünkü dev/dak yükseldikçe zaman başına düşen iş miktarı artırılır. Ancak, belirli bir değerin üzerinde dönemeyen dinamik parçalar nedeniyle, dev/dak ve güç çıkışında sınırlamalar vardır.

18 Bir dizel motorun performans eğrileri

19 Üstten kamlı benzinli bir motorun tipik performans eğrileri

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

21 Motor Karakteristikleri Automotive Handbook, 2002 Ortalama Efektif Basınç: Motorun gerçek çevrimdekine eşdeğer bir Pe gücü vermesi için bir strok boyunca pistona etkimesi gereken sabit basınçtır.

22 Motor Karakteristikleri W'yi (Watt) temsil eden SI birim sisteminde 1 PS yaklaşık W'tır. Bu nedenle, 100 PS = 73.5 kw veya100kw=136ps'dir. Kia, 2007 PS: Pferdestärke Bir beygir gücü (hp), 75 kg'lik ağırlığı bir saniyede 1 m çekmek için gereken güçtür.

23 Motor Karakteristikleri 4 çeşit beygir gücü(hp, horse power) tanımı vardır. Bunlar; uluslararası, metrik, su ve elektriktir. Bunların arasında çok küçük farklar vardır. 1hp(international/uluslararası) : 745, W 1hp(electrical/elektrik) : 746 W 1hp(water/su) : 746,043 W 1hp(metric/metrik) : 735,4988 W

24 Motor Karakteristikleri Motor gücü ve torku Okuma Parçası: Temel motor performansı, motor gücü ve torku gibi iki ana faktör ile temsil edilir. Genellikle, motor performansının en önemli bileşeni beygir gücü(hp) de denilen çıkıştır(güçtür). Beygir gücü, belirli bir sürede yapılan iş miktarını gösteren iş verimliliğidir. Bu konsept, İngiltere'de buhar makinesini icat eden James Watt tarafından önerildi. Bir beygir gücü (hp), 75 kg'lik ağırlığı bir saniyede 1 m çekmek için gereken güçtür. Beygir gücü (HP) için daha sıkça kullanılan bir kısaltma Almanca "Pferdestärke" kelimesinden türeyen PS'dir. Motor gücü günümüzde kw cinsinden belirtilir. W'yi (Watt) temsil eden SI birim sisteminde 1 PS yaklaşık W'tır. Bu nedenle, 100 PS = 73.5 kw veya 100 kw = 136 PS'dir. Teknik özelliklerde bazen kw/devir biriminden önce (Net) veya (Brüt) gibi ek kelimeler görebilirsiniz. Brüt değer, motor araçtan sökülmüş olduğu zamanki saf motor gücüdür. Net değer ise, motor araca takılı olduğu zamanki motor gücüdür. Benzinli motorda, net değer brüt değerden %15 daha azdır. Bu, şanzımandan, lastiklerden, vb gelen sürtünme kayıplarından kaynaklanır. Eğer belirtilmediyse, daha büyük olan değer brüt değerdir. Motor gücü, bir zaman işlevidir. Motor gücü, dev/dak ile orantılı olarak artar, çünkü dev/dak yükseldikçe zaman başına düşen iş miktarı artırılır. Ancak, belirli bir değerin üzerinde dönemeyen dinamik parçalar nedeniyle, dev/dak ve güç çıkışında sınırlamalar vardır. Bu nedenle maksimum güç çıkışı dev/dak ile gösterilir, örneğin 6000 dev/dak'ta 100 kw gibi.

25 Tork (Moment), motorun döndürme kuvvetini ifade eder ve yaygın kullanılan birimi Newton Metre (Nm) dir. Motor Karakteristikleri 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. 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.

26 Ortalama Efektif Basınç: Motorun gerçek çevrimdekine eşdeğer bir Pe gücü vermesi için bir strok boyunca pistona etkimesi gereken sabit basınçtır. Önemli notlar: 1. 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.

27 Brake mean effective pressure Thebrakemeaneffectivepressure(bmep)maybeobtainedfromthebrakepowercurveoftheengineas follows:bmep=brakepowerinkw 1000 l*a*nnm.inthisequation,l=lengthofenginestrokein metres,a=cross-sectionalareaofthecylinderboreinsquaremetres,andn=thenumberofworking strokes per second. Whenbmepisplottedagainstenginespeed,thecurveproducedisthesameshapeasthetorquecurve 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 engineisrunatconstantspeed,onadynamometer,andtheair fuelratioisvaried.themainpointto 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 14.7:1 for petrol. Brake mean effective pressure vs. sfc at constant engine speed Automotive Science and Mathematics, Allan Bonnick, 2008

28 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 silindirçapı(d)ve strok(h) belirlenir. Kısa strok: Kısa strok, yüksek güçlü ve yüksek yüklü motorlar için kullanılır. Strok/çap oranı 1'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 1'den daha yüksektir. Bu da strokun çaptan daha büyük olduğu anlamına gelir. Kare strok: Strok/çap 1'dir. Bu da strokun çapa eşit olduğu anlamına gelir. Kia, 2007

29 Çap Strok Oranı Toyota Strok-çap oranı, motorun boyutlarını (yani uzunluğunu, genişliğini ve yüksekliğini etkiler. Strok-çap oranı, sıkıştırma oranını etkiler. Strok-çap oranı, sıkıştırma hacminin yüzey alanının(ac), sıkıştırma hacmine oranını da etkiler. Bu oran ısının soğutma ortamına geçişini tanımlar. Bunun için Ac/Vc nin mümkün mertebe küçük olması istenir. Strok-çap oranı, krank mili titreşimlerini etkiler. Aynı strok hacminde strok-çap oranı ne kadar küçük ise, krank mili titreşimi o kadar büyük olur.

30 Çap, Strok ve Hacim Kia, 2007

31 Sıkıştırma Oranı 1.Üstölünokta(ÜÖN) 2. Yanma odası hacmi(vc) 3. Kurs(Strok)(s) 4. Piston kursu hacmi(vh) 5.Altölünokta(AÖN) 4 zamanlı dizel motorlar genel olarak 12 ile 26,benzinlimotorlarise8ile11arasındabir 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 ε is the compression ratio, Vh is the cylinder swept volume (cm3), and Vc is the combustion space clearance volume(cm3). M.J. Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology, Fourth edition, 2007

32 Motorlarda Sürtünme Classification of Mechanical Losses Internal combustion engines involve mechanical losses due to relative motions among the components such as Piston, crank and valve trains or bearings. A mechanical efficiency of internal combustion engine (ICE) is 0% at idling and about 90% at high operating load. P M V Subbarao, Estimation of Mechanical Losses in An Engine, Mechanical Engineering Department

33 Major Components of IC Engine Friction Crank shaft friction Reciprocating friction Valve train friction Auxiliary component friction Pumping losses Pompalama kayıpları: Emme zamanında dolguyu silindire ve egzoz zamanında da yanma artıklarını silindirden atmak için gerekli işe pompalama kaybı denmektedir. Supap zamanlamasının pompalama kayıplarına önemli derecede etkisi vardır. Dolgu değişiminde, sadece supap sisteminin değil, aynı zamanda emme ve egzoz kanalları boyutlarının da, özellikle motor devrine ve yüküne bağlı olarak işletme koşullarını büyük ölçüde etkiler. P M V Subbarao, Mechanical Losses in An Engine, Mechanical Engineering Department

34 Distribution of Fuel Power P M V Subbarao, Mechanical Losses in An Engine, Mechanical Engineering Department

35 Distribution of Mechanical Losses P M V Subbarao, Mechanical Losses in An Engine, Mechanical Engineering Department

36 Friction: Measurement Methods Measurement of FMEP from IMEP Direct Motoring Tests Willans Line Retardation Test Morse Test imep- indicated mean effective pressure fmep- friction mean effective pressure P M V Subbarao, Estimation of Mechanical Losses in An Engine, Mechanical Engineering Department