BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVAR DERSİ. İçten Yanmalı Motorlarda Performans ve Enerji Dağılımı Deneyi

Transkript

1 BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVAR DERSİ İçtn Yanmalı Motorlarda rformans v Enrj Dağılımı Dny Laboratuvar Tarh: Laboratuvarı Yöntn: Laboratuvar Yr: Laboratuvar Adı: Öğrncnn Adı-Soyadı : Numarası: İmza :

2 1. AMAÇ Br motorun blrl gaz klbğ konumlarında karaktrstk büyüklüklrnn hsaplanması v bu büyüklüklrn dvr sayısı l dğşmlrnn grafksl göstrlmsdr. 2. GİRİŞ Laboratuvar ortamında grçklştrln dnyn bu raporunda, br taşıt motoruna tkyn faktörlrn nlr olduğu, bunların hang ç vya dış tknlrl dğştğn, hang yöntmlrl ölçülblcğn v üzrnd n tür hsaplamaların yapılablcğ rdlncktr. Dny sonunda arzu dln dğrlr ulaşablmk çn taşıt motorları l lgl br çok büyüklük v dğr karşımıza çıkacaktır. 3. TEORİ Motor Güçlr : Motorlarda k çşt güç ölçümü yapılır. 1. İndk Güç (İç Güç) : Slndr grmş oaln karışımın yanması l mydana gln ısı nrjsnn, mkank nrjy dönüşms motorun slndrlr çnd olmaktadır. Bu ndnl, motorun slndrlr çndn vya pston üzrndn alınan güc ndk güç (İç Güç) dnr. İndk gücün ölçümü ndkatör adı vrln chazlarla yapılmaktadır. Motorlarda grçk p-v dyagramına ndkatör dyagramı adı vrlmktdr. İndkatörlr mkank, optk vya lktrkl tp olablrlr. Gnllkl lktrksl ndkatörlrdn zo-lktrk basınç snsörü (Kuvars krstal), amplfkatör (Yüksltc), krank vrc v osslaskop vya osslograf grubu ndkatör dyagramı çıkarmak çn kullanılmaktadır. Şkl.1`d kuvars krstal, basınç dğşmn, krank vrc s hacm dğşmn lktrk grlmn dönüştürmktdr. Elktrk grlmlr mkank ttrşmlr gör yüksk frkanslı analog şartlrdr. Bu grlmlr djtal hal çvrn konvrtör (Dönüştürücü) kullanılarak br küçük tp blgsayar v yazıcı yardımıyla p-v dyagramına at dğrlndrmlr programlanablr.

3 Şkl.1 (İndkatör dyagramının analog-djtal dğrlndrm sstm) Düşük basınç v yüksk basınç ndkatörlrndk hacm ölçğ Ö x1, Ö x2 (m³/cm.); basınç ölçklrnn brs Ö y1, dğr Ö y2 (N/m²/cm.) olsun. Çvrm başına nt ndk ş : W [Nm] vya [J] 2 Öx2. Öy2 1 Öx 1. Öy 1 Böylc ndk güç, n ç (Çvrm/s) olmak üzr 3 p nçw /10 [kj/s.] vya [kw] olur. İndk gücün % 15-30`u sürtünmlr ynmk çn harcanır. Motorlarda y br yağlama yapılmasına rağmn yn d sürtünm kayıpları hmal dlmyck kadar fazladır. Krank ml, muylu v yataklarında, pston, skman, slndr cdarları, krank ml ksnl gzntsn sınırlayan kılavuz yatak yüzylr, kam ml yatakları v tcklrd mydana gln sürtünmlr, hayl güç yutar. Sürtünmy harcanan gücün büyük br bölümü skmanlarla slndr cdarları arasındak sürtünmy ynmk çn harcanır. Gnllkl sürtünm gücünün % 75` skmanlarla slndr cdarları arasındak sürtünmlr çn sarfdlr. İndk güçtn, sürtünmy gdn güç çıkarılırsa, gry fktf (Faydalı) güç kalır. Efktf güç, motorun krank ml ucundan ölçüln grçk gücüdür. Efktf güç p smbolü l göstrlrs ; p p p olur. Buradak p m sürtünmlr harcanan güçtür. m

4 2. Efktf Güç : Efktf güc, faydalı güç, tkn güç vya frn gücü d dnlmktdr. Bu güç motorun grçk gücüdür. Slndrlr çnd ld dln ndk güçtn; motorun çalışması çn grkl olarak harcanan güçlr çıktıktan sonra, motorun volanından vya kasnağından ölçüln güçtür. İndk güçtn % 25 oranında daha küçüktür. Güç ölçümünd kullanılan chazlara gnl olarak dnamomtr dnr. Ancak dnamomtrlr drkt olarak gücü dğl, gücün hsaplanmasına yarayan kuvvt vya momnt ölçrlr. Motorun ürttğ fktf gücü vya döndürm momntn ş vya lktrk nrjsn dönüştürrk yutan ş maknsn frn (Brak, brams) adı vrlr. Efktf güç bulunurkn şu mkanzmalar kullanılır. a) rony Frn b) Elktrkl Dnamomtr c) Hdrolk (Su) Frnlm Sstm Bunlardan başka taşıtlar üzrndk motor gücünü doğrudan doğruya ölçbln şas dnamomtrlr d vardır. Ancak bu chazlar, gücü tkrlktn ölçrlr. Bu ndnl vts kutusu, kardan ml v dfransyld kayıplara uğrayan güç, motor volanından ölçüln güçtn daha küçüktür. Yukarıdak mkanzmalardan braz bahsdck olursak ; a) rony Frn l fktf gücün ölçülms : En sk v n bast güç ölçm chazıdır. Azam gücü 100 BG` kadar v dvr sayısı da 1000 dv/dk.`yı gçmyn motorlara uygulanablr. Bu sstmd motor volanını saran frnlm şrdnn çnd sürtünm katsayısı yüksk frnlm pabuçları, frnlm mktarını saptayan baskül v bağlantı kolları vardır. Motor tam gazda v yüksüz olarak n yüksk dvr çıkarılır. Sıkma vdaları yavaş yavaş sıkılarak motor yüklnr. Motorun dvr düşmdn çıkablcğ n fazla yük basküld bulunur. b) Elktrkl dnamomtr l fktf gücün ölçülms : Elktrk dnamosu l br motorun fktf gücünü ölçmk oldukça kolaydır. Gücü ölçülck motor, kavrama l jnratör bağlanır. Jnratör motor tarafından döndürüldüğü çn br akım ürtcktr. Jnratörün kutupları arasından ölçüln akım şddt v voltajın çarpımı motorun fktf gücünü vrcktr. Ayrıca jnratör vrm d çarpıma dahl dlr.

5 c) Hdrolk (Su) frnlm sstm l fktf gücün ölçülms : Br su frn sstm gnl hatlarıyla stator, rotor, momnt kolu v traz gb lmanlardan mütşkkldr. Rotor, harktn motordan alan ml yataklanmıştır v mll brlkt dönr. Stator da sabt gövdy dönm harkt yapacak şkld yataklanmıştır. Ancak bu harkt rotordak gb sürkl br dvr yapma harkt olmayıp ksn trafında bağlı bulunduğu kolla aktarablck kısm br açısal dönm harktdr. Şkl.2`d stator-rotor-traz grubunun çalışma prnsb vrlmştr. Motorun vrdğ M d döndürm momnt önc rotora tsr tmktdr. Rotor s statora br dvrd 2πr yolu olan br kuvvt çft (f/2) l tkmktdr. Bu, motora karşı br drnç oluşturmaktadır. Frnn (Elktrkl, manytk, yüzy sürtünml gb) çalışma prnsbn gör br drnç oluşturma v momnt yutma karaktrstğ vardır. Bu sayd laboratuvarlarda motorun gücünü ölçmk mümkün olmaktadır. Statoru döndürmy çalışan f kuvvt çftnn hasıl ttğ momnt M d f. r traz tarafından l msafd uygulanan F kuvvt l dnglncktr. M d f. r F. l [Nm] Dolayısı l rotor br dvr yapınca sürtünm kuvvtlrnn ş, W f 2.. r. f 2.. F. l [Nm/dvr] Dvr sayısı takomtr vya strobotak dnn dvr ölçücü altlr yardımıyla ölçülür. Dvr sayısı n [dvr/s.] olarak alındığında, W. n 2.. F. l n [Nm/s.] vya [W] bulunur. f. Güç dğr [kw] olarak bulunmak stnrs 3 W. n 2.. F. l. n /10 F. l. n /159,1549 [kw] olarak hsaplanır. f Bu motorun frnd bulunan fktf gücüdür. Motorun momnt çn yukarıdak faddn, M F. l 159,15. n [Nm] yazılablr. Eğr l = 1,59 [m.] sçlrs d / 2 F.n/10 formülü ld dlr.

6 Tablo.1`d frn trazlrnd kullanılan bazı bastlştrlmş güç formüllr vrlmştr. Şkl.2 (Rotor-Stator grubunun çalışma prnsb) Motorlarda Momntn Oluşması : Tablo.1 (Güç Formüllr) Momnt; mllr, dşllr v tkrlklr uygulanan v onların br ksn trafında dönmlrn sağlayan döndürm v burma çabasıdır. Güç s, motorun ş yapma hızıdır. İş vya güç ld tmk çn ksnlkl harkt olması grkr. Yanma başlangıcında, pston ÜÖN`da kn, yanan karışımın basıncı l krank kolu v byl ksn, aynı doğrultuda bulunduğundan momnt sıfır olur. Momnt olablms çn, kuvvt doğrultusu l bu kuvvtn uyguladığı pston kolu ksn arasındak açı, 180º`dn küçük olması grkr. Yanma sonunda (ston ÜÖN`yı 20-25º kadar gçnc) oluşan maksmum basınç l pston AÖN`ya doğru tlmktdr. A noktasında; pston, pston pm vasıtasıyla üzrndk basıncı pston koluna ltr. Krank ml pston koluna uygulanan bu kuvvt l dönmy başlar. Krank ml drsğn tk dn kuvvt Şkl.3`d görüldüğü gb pston kursunun hr noktasında aynı dğldr.

7 Şkl.3 (Yanma sonunda basıncın oluşturduğu kuvvtlrn dağılımı) Yanma sonunda ld dln yanma basıncı, pstonu AÖN`ya harkt ttrrkn, bu basıncın mydana gtrdğ kuvvtn tümü krank ml drsğn tk tmz. Şkl.3`t olduğu gb toplam kuvvt A noktasında blşnlrn ayrılır. R kuvvt, pstonun harkt yönünün aksn gtmy zorlayan ylmszlk kuvvtnn karşılanmasında, F kuvvt s pston-skman v pston-slndr yüzylr arasındak sürtünmlr harcanır. Yanma sonu oluşan toplam kuvvttn bu kuvvttlr çıkarıldıktan sonra gry kalan kuvvt, pston kolu ksn doğrultusunda krank ml drsğn tk dr. Bu kuvvt n büyük dğr, byl ksn l krank ml drsğnn ksn arasındak açı 90º`dn büyüdükç vya küçüldükç, momnt mydana gtrn () kuvvt azalır. Momnt, anayatak muylusu ksn l byl muylusu ksn arasındak L uzaklığı l kuvvtn bağlıdır. Bnznl motorlarda gaz klbğnn, dzl motorlarında pompa kramayrnn konumunun, yağ v soğutucu akışkan sıcaklıklarının sabt tutulduğu dny şartlarında krank ml dvrn bağlı olarak güç, momnt v yakıt sarfyatı dğşmlrn motor karaktrstklr vya karaktrstk ğrlr dnr. Motor karaktrstklrnn blrlnms motor dnylrnn sasını tşkl dr v sadc motorun çıplak olarak v statk prformansının blnmsn sağlamayıp aynı zamanda motorun taşıt üzrnd grçk hzmt şartlarındak prformansı hakkında da önmkl blglr vrr. Şkl.4`d br motora at karaktrstklr görülmktdr.

8 Şkl.4 (Br motorun karaktrstk ğrlr) Şkl.4`tk momnt ğrsnd; momnt, dvr sayısı artışı (n > n M çn) l azalmaktadır. Dvr sayısının artışı l mm zamanı kısalır. Dolayısı l slndrlr grck karışım mktarı azalır v motorun volumtrk (Hacmsl) vrm düşr. Düşük dvrlrd (n < n M çn) s slndrlr daha fazla karışım grr. Emm zamanı daha uzundur v momnt n M dvr sayısına kadar artmaktadır. Şkl.4`tk Çalışma Aralığı nda momntn artan dvrl azaldığı, gücün s arttığı görülmktdr. Motor n mn dvrn altında çalışırkn oluşturduğu momnt çok düşüktür. Düşük dvrlrd, mm sübabının AÖN`dn sonra kapatılması, hacmsl vrm olumsuz yönd tk dr. Düşük dvrlrd sübap bndrms anında yanma odasında daha çok gzos gazı kalır. Dğr br durum s düşük dvrlrd karbüratör boğazından gçn havanın hızının azalması ndn l yakıtın hava l karışması y olmaz v karışım oranı bozulacağından y br yanma grçklşmz. Güç ğrsnd, güç n max dvr sayısına kadar artmakta daha sonra s azalmaktadır. Çünkü yukarıda açıklanan ndnlrdn dolayı hacmsl vrm azalmakta, sürtünmlr artmaktadır. Son yıllarda br motorun gücündn zyad momntn önm vrlmktdr. Br taşıtın daha çabuk hızlanıp lrlmsn sağlayan durum, motordan tkrlklr ltln, döndürm momntnn büyük oluşudur. Yn glştrln motorların slndr çapları kurslarından büyük olanlarda momnt ğrlr sk motorlara gör daha düz olur. Düşük dvrlrd, momnt daha yüksk olduğu gb dvr yükslnc fazla düşmz. Çünkü slndr çapları v sübaplar daha büyük olduğu çn, slndrlr fazla karışım alınarak, hacmsl vrm arttırılır. Dğr taraftan kurs boyu kısa olduğu çn, pston v skman sürtünmlrn harcanan güç daha az olur.

9 Ortalama Efktf Basınç : Ortalama fktf basınç motorun grçk çvrmdkn şdğr br gücünü vrms çn br strok boyunca pstona tkms grkn sabt basınç olarak tarflnmştr. Motor gücü, br çvrmdk W [Nm/çvrm] ş v ş yapan dvr sayısı n ç [çvrm/s.] cnsndn ; W. n [W] dr. V H Z. Vh [m³] toplam strok hacm olmak üzr, ç p m W [N/m²] olarak bulunur. V V. n. H H ç İk zamanlı motorlarda = 1 [çvrm/dvr], dört zamanlı motorlarda = 1/2 [çvrm/dvr] olmaktadır. Motorun aynı ndkatör dyagramında şdğr gücünü vrms çn br strok boyunca pstona tkms grkn sabt basınçtır. Başka br fadyl bu basınç ş zamanı anında ÜÖN`dan AÖN`ya kadar pston yüzynn hr cm²`sn aynı dğrd tk dn kuvvttr dy tanımlanablr. Brm [kg/cm² vya N/m²] dr. Ortalama fktf basınç ştlklrndk W v dğrlr yrn sırasıyla W v dğrlr alınarak bnzr ştlklr ortalama ndk basınç çn d yazılablr. Sonuç olarak ; W. n [W] ç m W [N/m²] ld dlr. V V. n. H H ç Efktf Yakıt Sarfyatı : Laboratuvar şartlarında br motorun yakıt sarfyatını dny tssatında hacmsl olarak tspt tmk mümkündür. Bll çalışma şartlarında motorun Δt [s.] zaman aralığında tükttğ yakıtın hacm ΔV [cm³] olsun. Yakıtın yoğunluğu ρ y [gr/cm³] s, özgül yakıt sarfyatı ; b V. y. t olarak bulunur.

10 Motor gücü `nn [kw] olarak alındığı açıktır. Kütlsl yakıt dbs m y [gr/s.] cnsndn bu ştlğ b m y [gr/kwh] şklnd yazablrz.. İstr hacmsl str kütlsl ölçüm yapılsın, hata oranını azaltmak çn ΔV vya Δm dğrlrn mümkün mrtb yüksk tutmak grkr. İndk Yakıt Sarfyatı : Burada da harç, b ştlğnd sas alınan vrlr v brmlr aynn kullanılmakta, sadc fktf güç dğr yrn ndk güç dğr sas alınmaktadır. Dolayısı l ; b V. y ( t) m. y [gr/kwh] yazılablcktr. Burada ΔV [cm³], ρ y [gr/cm³], Δt [s.] v fadlrdr. [kw] cnsndn brmlr olan Vrmlr : 1 - Efktf Vrm : Motor mlndn alınan şn vrln toplam nrjy oranı şklnd tarf dln fktf vrm (vya gnl vrm) ş vya güç oranları şklnd yazılırsa, W W / t ştlğ l fad dlr.. QT QT / t m y. H u 2 - İndk Vrm : İndkatör dyagramında bulunan şn vrln toplam nrjy oranı şklnd tarf dlblr. İş vya güç oranları cnsndn ; W W / t 3,6x10 6 fad dlr.. Q Q / t m b H u y. H. u Burada b [gr/kwh] v H u [kj/kg] brmlrn sahp dğrlrdr.

11 3 Mkank Vrm : Mkank vrm, slndrdk sürtünm v pompalama kayıplarını htva dn br vrm olduğuna gör fktf büyüklüklr arasında tarflnyor dmktr. O zaman mkank vrm ; m W olarak yazılablr. W b b 4. DENEYİN YAILIŞI Motor çalıştırılır. Rjm grdktn sonra gaz klbğ bll br konum çn ayarlanır. Su frn vasıtasıyla yüklm yapılır. Bu durumda frnlm kuvvt, harcanan yakıtın hacm v gçn sür ölçülür. Hr dfasında yüklm mktarı arttırılarak ölçümlr tkrarlanır. Aynı ölçümlr dğşk gaz klbğ konumları çn tkrar dlr. 5. DENEY DÜZENEĞİ, KULLANILAN ALET VE CİHAZLAR a) Motor : Motor tp : Ford XLD 418T Zamanı : 4 Zamanlı Yakıt tp : Dzl Slndr sayısı : 4 Slndr çapı Slndr kursu Toplam strok hacm Motor maks. Gücü Maks. döndürm momnt : 82,5 [mm.] : 82 [mm.] : 1753 [cm³] : 47 [kw] 3600 [d/dak] : 143 [Nm.] 2200 [d/dak.] b) Hdrolk su frn (Motoru yüklmk çn) c) Yakıt ölçm sstm, kronomtr d) Motor dvrn ölçmk çn takomtr Dny tssatındak frnlmnn yapıldığı momnt kolu 0,955 [m.]`dr.

12 6. VERİLER t [s.] F [N] n [dvr/dk.] Tablo.2 (Dny Vrlr) 7. SORULAR 1.Rotor-stator grubunda kullanılan Stran-gag(yük hücrs) n çalışma prnsbn açıklayınız. 2. Hr br ölçüm çn, a) Tablo2 y doldurunuz b) M d,,b dğrlrn hsaplayınız. 3. Tüm bu ölçüm sonucunda ld dcğnz vrlrl a) m n grafğn, b) b n grafğn, c) M d n grafğn, d) n grafğn çznz. 4. Dny sonuçlarından harktl, ld dln grafklr yorumlayınız.