İKİ ZAMANLI BENZİNLİ BİR MOTORUN PERFORMANSININ BİLGİSAYAR SİMÜLASYONU YARDIMI İLE ANALİZİ GÖKSEL KAYA YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ

Transkript

1 İKİ ZAMANLI BENZİNLİ BİR MOTORUN PERFORMANSININ BİLGİSAYAR SİMÜLASYONU YARDIMI İLE ANALİZİ GÖKSEL KAYA YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HAZİRAN 2010 ANKARA

2 Göksel KAYA tarafından hazırlanan İKİ ZAMANLI BENZİNLİ BİR MOTORUN PERFORMANSININ BİLGİSAYAR SİMÜLASYONU YARDIMI İLE ANALİZİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA Tez Danışmanı, Makine Eğitimi Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. A. İhsan ACAR Tarımsal Makinaları Ana Bilim Dalı, Ankara Üniversitesi Prof. Dr. H. Serdar YÜCESU Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. Halit KARABULUT Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi Doç. Dr. Can ÇINAR Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi Tarih: 29/06/2010 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Göksel KAYA

4 iv İKİ ZAMANLI BENZİNLİ BİR MOTORUN PERFORMANSININ BİLGİSAYAR SİMÜLASYONU YARDIMI İLE ANALİZİ (Yüksek Lisans Tezi) Göksel KAYA GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Haziran 2010 ÖZET İçten yanmalı motorların ekonomik ve etkili kullanımı giderek daha çok önem kazanmaktadır. Bu nedenle, motor performansının iyileştirilmesi konusunda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Motor performansının belirlenmesi, matematiksel model kullanımı ve deneysel çalışma olmak üzere iki aşamada yapılmaktadır. Birinci aşamada, henüz tasarı halindeki motorun performansı çevrim analizi aracılığı ile teorik matematiksel model kullanılarak belirlenmekte, motor parametrelerinden her birinin motor karakteristiklerine etkileri incelenmektedir. İkinci aşamada, teorik çalışma doğrultusunda deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Bilgisayar teknolojisindeki baş döndürücü gelişmeler nedeniyle mühendislikte oluşturulan matematiksel modellerin çözümü kolaylaşmış, teorik çalışmalar daha da önem kazanmıştır. Simülasyonlar sonucunda içten yanmalı motorların silindir basınç ve sıcaklığı, ortalama indike basınç, ortalama efektif basınç ve ısıl verim gibi karakteristik değerleri hesaplanabilmektedir. Ancak, sonuçların geçerliliği, değişik işletme koşullarının ve bunlara uygun performansı belirleyecek parametrelerin matematiksel modele gerçekçi bir yaklaşımla katılmasına bağlıdır. Bu çalışmada, iki zamanlı benzinli bir motorun performansının analizi için MATLAB/SIMULINK programlama dilinin kullanılmasıyla bir bilgisayar programı geliştirilmiştir.

5 v Simülasyon sonucunda silindir basınç ve sıcaklığı, ortalama indike ve efektif basınç, efektif güç, efektif moment ve ısıl verim gibi karakteristik değerler hesaplanmıştır ve motor hızı veya krank mili açısına bağlı olarak grafikleri çizdirilmiştir. Sonuçlar test sonuçlarıyla uyuşmaktadır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Benzinli motor, simülasyon, modelleme, iki zamanlı motor, motor performansı Sayfa Adedi : 106 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA

6 vi PERFORMANCE ANALYSIS OF A TWO-STROKE SPARK IGNITION ENGINE BY COMPUTER SIMULATION (M.Sc. Thesis) Göksel KAYA GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2010 ABSTRACT Economic and effective use of internal combustion engines is becoming more and more important. Therefore, intense studies about increasing the performance of the engines are performed. Determination of the engine performance has been done in two stages. At the first stage, the performance of the engine still in a draft form is determined through the cycle analysis in a theoretical way by using a mathematical model. At this stage each parameter of the engine is changed and its effect on engine characteristics are determined. At the second stage, experimental studies are done in accordance with theoretical work. Due to the enormous advances in computer technology, the solutions of the mathematical models formed in engineering have become easier and theoretical work has gained greater importance. Characteristic values such as cylinder pressure and temperature, mean indicated pressure, mean effective pressure and thermal efficiency can be calculated by using the generated simulation programs. However, the validity of the results depends on attending of the different operating conditions and the parameters which will determine the appropriate performance into a mathematical model in a realistic approach. In this study, a computer program was developed to simulate the

7 vii performance of a two-stroke spark ignition engine by using MATLAB/SIMULINK programming language. Characteristic values such as cylinder pressure and temperature, mean indicated and effective pressure, effective power, effective torque and thermal efficiency were calculated and their graphics were drawn depending on the engine speed and the angle of crankshaft by using the generated simulation program. Results are compatible with the test results. Science Code : Key Words : Spark ignition engine, simulation, modeling, two-stroke engine, engine performance Page Number : 106 Adviser : Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA ya, ayrıca çalışma arkadaşlarım İdris SANCAKTAR, Ergün YÜCESOY, Özer ŞENYURT ve M. Selim ÇAKIROĞLU na, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli aileme teşekkürü bir borç bilirim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xiii SİMGELER VE KISALTMALAR... xvi 1. GİRİŞ LİTERATÜR ÖZETİ İKİ ZAMANLI MOTORLAR Çalışma Prensipleri Sıkıştırma işlemi Yanma ve genişleme işlemi Port Zaman Diyagramları İki ve Dört Zamanlı Motorların Kıyaslanması Süpürme Teorisi Dönüş (ters) akışlı süpürme TEORİK ÇEVRİM ANALİZİ İki Zamanlı Motorların Hava Standart Otto Çevrimi Çevrimin İncelenmesi Sıkıştırma işlemi (a-c)... 25

10 x Sayfa Sabit hacimde yanma (c-z) Genişleme işlemi (z-b) GERÇEK ÇEVRİM HESAPLAMALARI İÇİN ANALİTİK MODEL Gerçek Motor Çevrimlerindeki Sınırlamalar Krank Mili Açısına Göre Piston Pozisyonu Çevrim İşlemleri Süpürme işlemi Sıkıştırma işlemi Yanma işlemi Genişleme işlemi Egzoz işlemi Motor Performans Karakteristikleri Ortalama indike ve efektif basınçlar İndike ve efektif güçler İndike ve efektif momentler İndike ve efektif ısıl verimler İndike ve efektif özgül yakıt tüketimleri SİMÜLASYON SONUÇLARI VE TARTIŞMA Silindir Basınç, Sıcaklık ve Motor Karakteristik Eğrileri Sıkıştırma Oranının Etkisi Hava Fazlalık Katsayısının Etkisi SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR... 83

11 xi Sayfa EKLER EK-1 Simülasyon Program Kodları ÖZGEÇMİŞ... 96

12 xii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 5.1. Bazı gazların lineer özgül ısı değişimindeki A ve B katsayıları Çizelge 5.2. Mekanik kayıplar ortalama basıncındaki a ve b katsayıları Çizelge 6.1. Simülasyonu yapılan motorun karakteristikleri Çizelge 6.2. Simülasyonu yapılan motorun çevrim hesabındaki bazı kabuller Çizelge 6.3. Motor özellikleri Çizelge 6.4. Motor özellikleri... 66

13 xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Clerk tarafından yapılan iki zamanlı motorun şeması... 4 Şekil 2.2. Simülasyon sonuçlarına göre yanma hacmi ve yüzeyi... 6 Şekil 2.3. İki zamanlı bir motorun sayısal çözüm ağı... 9 Şekil 2.4. Silindir basıncı-piston hareketi diyagramı... 9 Şekil 2.5. Gaz sıcaklığı-zaman diyagramı Şekil 2.6. Hava fazlalık katsayısının silindir basıncına etkisi Şekil 2.7. Hava fazlalık katsayısının gaz sıcaklığına etkisi Şekil 2.8. Krank mili açısı-silindir basıncı diyagramı Şekil 3.1. İki zamanlı bir motorun gaz değişim diyagramı Şekil 3.2. İki zamanlı benzinli bir motorun çalışmasının şematik gösterimi Şekil 3.3. İki zamanlı benzinli bir motorun port zamanlama diyagramı Şekil 3.4. Dönüş (ters) akımlı süpürme Şekil 4.1. Hava standart otto çevrimi Şekil 5.1. İçten yanmalı motorlar için piston-krank-biyel geometrisi Şekil 5.2. İki zamanlı bir motorda gerçek basınç-hacim diyagramı Şekil 6.1. Silindir basıncının silindir hacmiyle değişimi Şekil 6.2. Silindir basıncının krank mili açısıyla değişimi Şekil 6.3. Gaz sıcaklığının krank mili açısıyla değişimi Şekil 6.4. Ortalama indike ve efektif basıncın motor hızına bağlı değişimi Şekil 6.5. Ortalama indike ve efektif momentin motor hızına bağlı değişimi Şekil 6.6. Ortalama indike ve efektif gücün motor hızına bağlı değişimi... 63

14 xiv Şekil Sayfa Şekil 6.7. Motor gücü ve momentinin motor hızına bağlı değişimi Şekil 6.8. Motor gücü ve momentinin motor hızına bağlı değişimi Şekil 6.9. Motor gücü-motor hızı grafiği Şekil Motor gücünün motor hızına bağlı değişimi Şekil Motor momenti-motor hızı grafiği Şekil Motor momentinin motor hızına bağlı değişimi Şekil Ortalama indike ve efektif özgül yakıt tüketiminin motor hızına bağlı Şekil Ortalama indike ve efektif verimin motor hızına bağlı değişimi Şekil Sıkıştırma oranının silindir basıncına etkisi Şekil Sıkıştırma oranının silindir basıncına etkisi Şekil Sıkıştırma oranının gaz sıcaklığına etkisi Şekil Sıkıştırma oranının ortalama efektif basınca etkisi Şekil Sıkıştırma oranının efektif momente etkisi Şekil Sıkıştırma oranının efektif güce etkisi Şekil Sıkıştırma oranının efektif özgül yakıt tüketimine etkisi Şekil Sıkıştırma oranının efektif verime etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının silindir basıncına etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının silindir basıncına etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının gaz sıcaklığına etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının ortalama efektif basınca etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının efektif momente etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının efektif güce etkisi Şekil Hava fazlalık katsayısının efektif özgül yakıt tüketimine etkisi... 79

15 xv Şekil Sayfa Şekil Hava fazlalık katsayısının efektif verime etkisi... 79

16 xvi SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama ε Sıkıştırma oranı ρ Yoğunluk (kg/m 3 ) γ r φ i ξ z β ζ λ V α ω μ Artık gazlar katsayısı İndikatör diyagramı yuvarlatma katsayısı Yanmada ısıdan yararlanma verimi Kısılma kayıpları katsayısı Sürtünme kayıpları katsayısı Basınç artma oranı Nable operatörü Hava fazlalık katsayısı Açısal hız (rad/s) Molekülsel değişim katsayısı η Verim (%) η e Efektif verim (%) η i İndike verim (%) η v Hacimsel verim (%) θ Krank mili açısı ( ο ) s Piston yolu (m) U e l r Türbülans alev hızı (m/s) Biyel boyu (m) Krank yarıçapı (m) c v Sabit hacimde özgül ısı (kj/kmol K)

17 xvii Simgeler Açıklama c p Sabit basınçta özgül ısı (kj/kmol K) A pis Piston alana (m 2 ) b i b e d pis H H u k k a k WG K wg m n n p N M i M e P P atm P r P eg P mi P me P mm P i P e İndike özgül yakıt tüketimi (kg/kwh) Efektif özgül yakıt tüketimi (kg/kwh) Piston çapı (m) Strok (m) Alt ısıl değer (kj/kg) Bir devirde iş yapan kurs sayısı Adyabatik üs Su gazı denge katsayısı yerine geçen katsayı Su gazı denge katsayısı Kütle (kg) Devir (1/min) Politropik üs Mol sayısı (kmol) İndike moment (Nm) Efektif moment (Nm) Basınç (bar) Atmosfer basıncı (bar) Egzoz basıncı (bar) Egzoz sisteminin geri basınç farkı (bar) Ortalama indike basınç (bar) Ortalama efektif basınç (bar) Mekanik kayıplar ortalama basıncı (bar) İndike güç (kw) Efektif güç (kw) R Üniversal gaz sabiti (kj/kg K) Re Reynold sayısı S Entropi (kj/kgk)

18 xviii Simgeler Açıklama T Sıcaklık (K) T atm T r Q U Atmosfer sıcaklığı (K) Egzoz sıcaklığı (K) Isı (kj) İç enerji (kj) V Hacim (m 3 ) V c Yanma odası hacmi (m 3 ) V h Kurs hacmi (m 3 ) V sv Süpürme hacmi (m 3 ) V p Piston hızı (m/s) V m W z En dar manifold kesitindeki hız (m/s) İş (kj) Silindir sayısı Kısaltmalar Açıklama AA AÖN EGAA EGKG EMAA EMKG HFK Ateşleme avansı Alt ölü nokta Egzoz portu açılma avansı Egzoz portu kapanma gecikmesi Emme portu açılma avansı Emme portu kapanma gecikmesi Hava fazlalık katsayısı

19 1 1. GİRİŞ Teknolojideki gelişmelere paralel olarak içten yanmalı motorlardaki gelişmeler de şaşırtıcı boyutlardadır. Ancak motorların temel yapılarında esaslı bir değişiklik olmamıştır. Yeni bir motorun tasarlanmasında veya mevcut motorun geliştirilmesinde motor karakteristikleri önemli bir yer tutar. Motor karakteristiklerinin belirlenmesi, motor deneylerinin esasını teşkil eder ve sadece motorun çıplak ve statik olarak performansının bilinmesini sağlamayıp aynı zamanda taşıt üzerinde gerçek hizmet şartlarındaki performansı hakkında da önemli bilgiler verir. Bu amaçla motorun termodinamik davranışının incelenmesi ve gerçek hizmet şartlarındaki performansının belirlenmesi için simülasyon programları kullanılmaktadır. Bilgisayarlarla, bir motorun çalışması sırasında gerçekleşen olayların sayısal modellemesi yapılıp imalatçıların kullanımına sunulduğunda, uzun sürecek deneysel işlemlerin süresi kısaltılmaktadır. Bilgisayarların teknolojide yerlerini alması ve sayısal hesaplama yöntemlerindeki iyileşmeler, içten yanmalı motor karakteristiklerinin belirlenmesi için yapılan hesaplamalardan daha gerçekçi sonuçlar alınmasını sağlamıştır. Örneğin, iyi bir yakıt ekonomisine ve egzoz emisyonlarının azaltılmasına yönelik taleplerin karşılanması için teorik model kullanımı iyi bir araçtır. Motorların matematiksel olarak modellenmesi sayesinde; 1. Farklı çalışma koşullarında motorun beklenen davranışı gerçekleştirme yeteneği belirlenebilmektedir [1]. 2. Artan bilgisayar hızları ve kısalan analiz süreleri ile maliyet daha etkin olarak çıkarılabilmekte ve uygulanan sayısal metotlarla simülasyonda iyileşme sağlanmaktadır [1].

20 2 3. Motor parametrelerinin her biri için matematiksel modelin çözümlemesi ile performans değişimi araştırılabilmekte, optimum motor karakteristikleri belirlenebilmektedir [1]. Motorların termodinamik davranışlarının incelenmesi 1950 li yıllarda ideal çevrimlerle yapılmış, bilgisayar teknolojisinin gelişmesine paralel olarak 1960 lı yılların başından itibaren daha gerçekçi ifadeler kullanılmaya başlanmıştır li yıllardan itibaren ise hem termodinamik hem de akış mekaniği ile ilgili hesaplamalara dayalı çok boyutlu modeller kullanılmaya başlanmış ve daha gerçekçi sonuçların elde edilmesi mümkün olmuştur. Çok boyutlu modeller daha gerçekçi sonuçlar vermesine rağmen modellemenin uygulanmasındaki zorluklar dezavantajıdır. Tek boyutlu modellerin ise üç boyutlu modellere göre daha basit yapıları vardır ve termodinamiksel ve deneysel verilere bağlı modellerde oldukça iyi sonuçlar vermektedir [2]. Benzinli bir motorun simülasyonunu sıkıştırma ile ateşlemeli motorun simülasyonundan ayıran temel farklar, yanma işlemi ile karışımın oluşturulmasında toplanmaktadır. Benzinli bir motordaki yanmanın analizi için, yanma odası genellikle iki bölgeye ayrılmaktadır. Bu bölgeler, alev cephesi tarafından birbirinden ayrılan, yanmış ve yanmamış gazlardan oluşan bölgelerdir. Her iki bölgenin farklı sıcaklıklarda ancak aynı basınçta oldukları kabul edilmektedir. İşte simülasyonlarda karşılaşılan ve tam olarak çözülemeyen gerçek problem, motor geometrisi ile yanmış gaz hacminin biçimi arasındaki ilişkidir. Seçilebilecek modellerden bir tanesi, yanmış gazlar için basit geometrik biçimden oluşan bir ısı transfer yüzeyi ve ortalama sıcaklıkları kullanmaktır [3]. Bu çalışmanın amacı, iki zamanlı benzinli bir motorun performansının bilgisayar ortamında simülasyonla belirlenmesidir. Simülasyon programının hazırlanmasında MATLAB/SIMULINK programlama dili kullanılmıştır. Bu programın tercih edilme sebebi, mühendislik alanında geçerli ve yaygın bir kullanım alanının bulunuyor olmasıdır.

21 3 2. LİTERATÜR ÖZETİ Çeşitli yakıtların bir silindir piston düzeneği içerisinde yanması sonunda elde edilen ısı enerjisinden mekanik enerji elde etmek amacı ile 150 yıldan beri çeşitli ısı makineleri yapılmaktadır da Lenoir tarafından hava gazı ile çalışan verimi % 5 ten küçük olan bir gaz makinesi yapılmıştır de Nicolaus August Otto atmosferik gaz motorunu yapmıştır. Daha sonra Otto şimdikine benzer hava gazı ile çalışan, alev ile ateşlemenin yapıldığı, hızı 200 1/min den düşük 4 zamanlı motoru yapmıştır. Bunun ardından Gottlieb Daimler, petrolden üretilen hafif yakıt kullanmış ve 1883 te devir sayısını 800 1/min e çıkarmıştır. Yine 1883 te Wilhelm Maybach karbüratör aracılığı ile yakıt-hava karışımının hazırlandığı motoru yapmıştır. Karl Benz sisteme elektrikli ateşleme donanımını ekleyerek 1885 te dört zamanlı bir benzin motoru ile 3 tekerlekli bir taşıtı başarılı bir şekilde yürütmüştür. Bu arada bir Alman mühendis Rudolf Diesel bir makalesinde sıkıştırılıp basınç ve sıcaklığı yükseltilmiş olan havanın içerisine kolay tutuşabilen bir yakıtın püskürtülerek kendi kendine tutuşturulabileceğini ve bu ilkeye göre bir motorun çalışabileceğini ileri sürmüş ve 1892 de patent almıştır. Bu ilkeye göre ilk dizel motoru 1899 da Krupp firmasında üretilmiştir lerin başında bu ilk benzin ve dizel motorlarının yapılmasından bu yana motorlar hızla yaygınlaşarak karayolu taşıtlarından gemilere, trenlere, uçaklara ve tarım makinelerine kadar çok geniş bir alanda kullanılan en yaygın ısıl makineler durumuna gelmiştir [4]. İki zamanlı motorlar konusunda ilk çalışma ise 1878 yılında İngiliz mühendis Sir Dugald Clerk tarafından yapılmıştır. Bu motordaki emme ve egzoz işlemleri, dört zamanlı motorlardaki emme ve egzoz supapları yerine, silindirin yan tarafında bulunan, emme ve egzoz portları üzerinden olmaktaydı. Şekil 2.1 de Clerk in yapmış olduğu iki zamanlı motorun şeması görülmektedir.

22 4 Şekil 2.1. Clerk tarafından yapılan iki zamanlı motorun şeması [5] 1. Eksantrik 2. Krank mili 3. Güç pistonu 4. Egzoz portları 5. Sürgü valf 6. Transfer kanalı 7. Süpürme pistonu 1891 yılında İngiltere de Joseph Day tarafından, emme işlemi için karterden sıkıştırmalı bir motor yapılmıştır. Bu motorda, karışım girişi ve egzoz çıkışı için zamanlamaları piston ayarlamaktadır. Daha sonraları bu motorun gelişme süreci başlamıştır [5]. İki zamanlı motorların otomobillerde kullanılması 1930 lu yıllarda başlamıştır. Bu dönemde neredeyse tüm otomobil firmaları otomobillerinde iki zamanlı motorları kullanmış veya denemeler yapmıştır. Bunların başında Wartburg, Trabant, Auto Union, GM ve Saab gibi büyük firmalar gelmektedir yılına kadar Wartburg ve Trabant firmaları adet iki zamanlı motora sahip otomobil satmış, 1987 de bu sayı adetle maksimum seviyesine ulaşmıştır [6]. İki zamanlı motorların modellenmesi üzerine yapılan çalışmaların çoğu akış ve yanma süreçlerinin özellikleri üzerine olmuştur. Ohyagi ve arkadaşları 1985 yılında türbülanslı yanma odası kullanan benzinli bir motorda alev yayılımının modellemesini yapmışlardır. Bu çalışmada yanma odası içindeki toplam kütle, yanmış gaz bölümü ve yanmamış gaz bölümü adı altında ikiye

23 5 bölünmüştür. Yanma odası boyunca basıncın üniform olduğu kabul edilmiştir. Yanma odasındaki yanmış kütle bölümü, benzinli bir motorda çeşitli çalışma şartları ve yanma odası geometrileri için zamanın bir fonksiyonu olarak ele alınmıştır. Bunu yapmak için, yanmamış gazın yoğunluk değişiminin ve yanma odasındaki gaz akış yapısının etkilerini içeren türbülanslı yanma modeli geliştirilmiştir. Hesaplanan sonuçlar tek silindirli benzinli bir motorun kullanılmasıyla elde edilen deneysel bilgilerle karşılaştırılmıştır. Önerilen model, alev yayılım işlemlerini iyi simule etmiş ve şu sonuçlara varılmıştır: 1. Türbülent alev hızı ( U e ), laminer alev hızının toplamı olarak türetilmiştir ve bölünmüş yanma odaları arasındaki gaz hızına ve bir de anlık yanmamış gaz yoğunluğuna bağlı bir terimdir [7]. 2. Girdap merkezindeki ateşlemeyle yüksek girdaplı yanma odası için türbülent alev hızı, hız alanının homojenliğinden dolayı alevin konumuna bağlıdır [7]. Befrui ve Kratochwill tarafından 1990 yılında iki zamanlı benzinli ilmek süpürmeli bir motorda yanma işleminin modellenmesi için çok boyutlu sayısal bir model kullanılmıştır. Modelde verilen ilişki Şekil 2.2 de görülmektedir. Bu modelde silindir gömleği çevresindeki emme portlarının düzenlemesi, egzoz portu boyunca çapla ilgili yüzeylere göre simetriktir. Böylece, alanın hesaplanması silindir hacminin yarısıyla sınırlandırılmıştır. Önerilen makalede şu sonuçlara varılmıştır: 1. Süpürme akışı yanma boyunca sürdürülebilir ama türbülans hızlı bir şekilde azalır [8]. 2. Alevle, ilmek süpürmeden arta kalan gazların güçlü etkileşimi, özellikle erken yanma aşamalarında, alevin gelişimini belirgin şekilde etkiler [8]. 3. Bujinin konumu, akış-alev etkileşiminin ve bundan kaynaklanan yanma karakteristiklerinin dikkate alınmasıyla önem taşımaktadır [8].

24 6 Şekil 2.2. Simülasyon sonuçlarına göre yanma hacmi ve yüzeyi [8] Kuo 1996 yılında benzinli bir motorda silindir basıncının sayısal modellemesini yapmıştır. Bu izentropik gaz prosesi modelinde, McCustion, Lavoire ve Kaufmann modeline bir orifis boyunca gaz akışı modelinin ilave edilmesiyle silindirdeki gaz basıncının oldukça doğru bir şekilde tahmin edildiği belirtilmektedir. Modelin en önemli kusuru, yanma boyunca yakıtın reaktivitesindeki değişimi hesaba katmamasıdır [9]. Yıldız ve arkadaşları 2000 yılında yayınladıkları bir makalede benzinli bir motorun en uygun çalışma koşulları ve performansını belirlemek için bir matematiksel model geliştirdiklerini açıklamışlardır. Matematiksel modele uygun bir bilgisayar programı geliştirilmiş, çeşitli hava fazlalık katsayısı, ateşleme avansı ve yanma süresi kombinasyonları, gerçek motor gücünü sağlayacak koşullarda denenerek, optimum hava fazlalık katsayısı, ateşleme avansı ve yanma süresi değerleri belirlenmiştir. Enerji denklemleri kullanılarak sıkıştırma, yanma ve genişleme periyotlarında basınç ve sıcaklığın birer derecelik krank mili açısına göre değişimleri belirlenmiştir. Buna göre, model kullanılarak saptanan uygun çalışma koşullarında gerçek güç değeri ± %1'den küçük bir hata ile hesaplanmıştır [10]. Moriyoshi ve arkadaşları 2001 yılında iki zamanlı doğru akışlı benzinli bir motorda karışımın hazırlanışının nümerik analizini modellemişler, yüksek yükleme şartlarında, daha yüksek püskürtme basıncının, gelişmiş atomizasyondan dolayı daha iyi karışım değişikliklerine neden olduğunu, düşük yükleme şartlarında ise karışım

25 7 oluşumu için daha etkili olan piston duvarında, yakıt çarpması ve gaz hareketinden dolayı püskürtme basıncının kesin bir değere ayarlanamadığını tespit etmişlerdir [11]. Sekmen ve arkadaşları 2005 yılında yakıt olarak izo-oktan ( C H 8 18 ) kullanan tek silindirli, 4 zamanlı, doğal emişli benzinli bir motorun ideal hava-yakıt çevrim analizini incelemek üzere matematiksel bir simülasyon modeli geliştirmişlerdir. Bu modelde, bir bilgisayar programı yardımıyla sıkıştırma oranı, motor hızı ve hava fazlalık katsayıları için motorun krank açısına bağlı olarak silindir basınç ve sıcaklık değişimleri elde edilerek ortalama indike basınç, yakıt ve hava tüketimleri, indike güç, ısıl verim gibi bazı motor performans değerleri hesaplanmıştır. Hazırlanan bilgisayar programı farklı motor hızları, sıkıştırma oranları ve hava fazlalık katsayıları için çalıştırıldığında, şu tespitler yapılmıştır: 1. Maksimum silindir basınç ve sıcaklıkları, ortalama indike basınç, indike güç, indike verim gibi parametreler sıkıştırma oranı artışıyla artmaktadır [12]. 2. Artan motor hızı ile indike güç, ortalama indike basınç, hava ve yakıt tüketimleri gibi parametreler bir noktaya kadar artmış ve daha sonra azalma göstermiştir [12]. 3. Sabit sıkıştırma oranında (8:1) hava fazlalık katsayısı artırıldığında (0,95-1,05 aralığında 0,05 birimlik adımlar halinde); silindir basınç ve sıcaklıkları, ortalama indike basınç, indike güç, yakıt tüketimi parametreleri azalmış, karışım fakirleştikçe ideal gaz özelliklerine yaklaştığından ısıl verim ve hava tüketimi artmıştır [12]. Mitianiec ve Forma 2008 yılında iki zamanlı tek silindirli direkt enjeksiyonlu bir motora ait karışım oluşumunu modellemişlerdir. Bu makalede, tepedeki direkt püskürtme karışım oluşumunda dikkate alınmıştır. Piston tepesi dairedir ve yanma odası yarım küreden oluşur. Her iki transfer portu, egzoz portu merkezi ve silindir

26 8 eksenine nazaran simetriktir. Ağ üretimi ve simülasyon, ön işlemci KIVA3V ile yapılmıştır. Püskürtme boyunca fiziksel işlemlerin modellemesi bir deneysel kurulum varsayımıyla gerçekleştirilmiştir. Püskürtme ve yanmanın diferansiyel denklemleri KIVA programıyla çözümlenmiştir. Püskürtülen yakıtın sıvı ve gaz hallerinin dağılımını gaz hızının etkilediği anlaşılmıştır. Silindirdeki karışımın farklı fazlardaki hareketi şu genel eşitlikle ifade edilmiştir [13]: ( r. ρ. ϕ ) i. i. i + V ( ri.. ρi. ui. ϕi ri. Γϕ i. gradϕi) = ri. t Sϕ i (2.1) Burada; ρ i ϕ i u i Γ ϕi : Faz yoğunluğu : Entalpi, gaz hareketinin momentumu, türbülans enerjisi gibi faz özellikleri : Fazın hız vektörü : Fazdaki ϕ değerinin difüzyon katsayısı Sϕ i : ϕ i değişiminin kaynak terimi V : Nable operatörü şeklinde tanımlanmıştır. Mitianiec ve Forma tarafından modellenen sayısal ağ Şekil 2.3 de görülmektedir.

27 9 Şekil 2.3. İki zamanlı bir motorun sayısal çözüm ağı [13] Mikalsen ve Roskilly 2008 yılında elektrikli güç jeneratörü ile çalışan sıkıştırma ile ateşlemeli serbest pistonlu iki zamanlı bir motorun tasarım ve simülasyonuna dair bir model geliştirmişlerdir. Bu çalışmada simülasyon programı, motor girdi değişkenleri ve tasarım parametrelerinin etkisini incelemek için MATLAB sayısal hesaplama yazılımı kullanarak yazılmıştır. Pistonun hareketi, piston hızı ve pozisyonunu veren Euler sayısal integrasyonunun kullanılmasıyla çözülmüştür. Program hem sabit durum çıkışlarını, hem de motor performansının geçici etkilerini incelemeye olanak sağlamaktadır. Geliştirilen programdan elde edilen silindir basıncı-piston pozisyonu ve gaz sıcaklığı-zaman diyagramları Şekil 2.4 ve 2.5 te görülmektedir [14]. Şekil 2.4. Silindir basıncı-piston hareketi diyagramı [14]

28 10 Şekil 2.5. Gaz sıcaklığı-zaman diyagramı [14] Sekmen P. ve Sekmen Y yılında benzinli bir motorun gerçek hava-yakıt çevrim analizini incelemek üzere matematiksel bir simülasyon modeli geliştirmişlerdir. Bu modelde, doğal emişli Otto çevrimine göre çalışan tek silindirli dört zamanlı bir motorun çevrim analizini incelemek için FORTRAN programlama dilinde matematiksel bir simülasyon modeli geliştirilmiştir. Program çalıştığında aşağıdaki sonuçlar gözlenmiştir: 1. Maksimum silindir basıncı ve sıcaklığı motor hızı arttıkça artmış, ortalama efektif basınç ve ısıl verimin tepe değerleri /min de elde edilmiş ve daha sonra azalmaya başlamıştır [15]. 2. Silindir basınç ve sıcaklığı, ortalama efektif basınç, efektif güç ve özgül yakıt tüketimi hava fazlalık katsayısının artmasıyla azalmıştır [15]. 3. Program, silindir ölçüleri ve silindir giriş şartlarını değiştirebilmesi sayesinde motor performanslarının karşılaştırılmasını yapabilir. Program ayrıca değişik gaz kelebeği açıklıklarındaki sıkıştırma oranı, egzoz gaz geri dönüşümü ve egzoz emisyonun ilave edilmesiyle bir çalışma yapmak için de uygundur [15]. Simülasyona göre hava fazlalık katsayısının silindir basıncına ve sıcaklığına etkisi Şekil 2.6 ve Şekil 2.7 de görülmektedir.

29 11 Şekil 2.6. Hava fazlalık katsayısının silindir basıncına etkisi [15] Şekil 2.7. Hava fazlalık katsayısının gaz sıcaklığına etkisi [15] Semin ve arkadaşları 2008 yılında dinamik ağ kullanarak piston portlu motorlarda silindir içindeki akışı modellemişlerdir. Bu modelde iki zamanlı benzinli karşı akışlı bir motorun üç boyutlu analizi için sayısal bir analiz sunulmuştur. Modelde yüksek devirlerde düşük devirlere göre daha yüksek silindir basıncının oluşacağı sonucuna varılmıştır. Simülasyon sonucuna dayalı olarak, silindir basınç değerleri farklı hızlar için krank mili açısının bir fonksiyonudur. Simülasyon sonucunda elde edilen ve

30 12 silindir basıncının motor hızına bağlı olarak değişimini gösteren krank mili açısısilindir basıncı diyagramı Şekil 2.8 de görülmektedir [16]. Şekil 2.8. Krank mili açısı-silindir basıncı diyagramı [16] Motoyama ve Gotoh 1985 yılında iki zamanlı motorlarda yüksek sıkıştırma oranının etkisini incelemek üzere bir model geliştirmişlerdir. Modelde, yüksek sıkıştırma oranının, iki zamanlı hava soğutmalı bir motosiklet motorun çıkış gücü ve özgül yakıt tüketimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Modelde şu sonuçlara varılmıştır: 1. Çeşitli kayıplardan dolayı, beklenen teorik değerlere ulaşmak için iyileşme oranının yeterli olmamasına rağmen, yüksek sıkıştırma oranıyla yakıt tüketimini iyileştirmek mümkündür [17]. 2. Düşük yüklerde kayıplardaki artış, artan kısa devre, artan mekanik kayıplar ve soğutma kayıpları ile açıklanabilir. Ağır yüklerde, zaman kaybı artar ama kısa devrenin etkisiyle birlikte mekanik kayıplar ve soğutma kayıpları azalır. Çalışma gazlarının değişken özgül ısı oranı, kayıpları kontrol altına almak için etkili bir tedbirdir [17].

31 13 3. Yüksek sıkıştırma oranı, artan ısı kayıpları ve vuruntuya rağmen çıkış gücünü iyileştirmeyi mümkün kılar [17].

32 14 3. İKİ ZAMANLI MOTORLAR 3.1.Çalışma Prensipleri Krank milinin tam bir devrinde, diğer bir deyimle pistonun iki stroğunda bir iş çevrimi oluşturan makinelere iki zamanlı motor adı verilir. İki zamanlı motorlarda karışım silindire silindir gövdesine açılmış portlardan girerken, gazların atılışı, yine silindir gövdesi üzerine açılmış egzoz portları veya egzoz supapları üzerinden olmaktadır. Şekil 3.1 de iki zamanlı bir motorun gaz değişim diyagramı, Şekil 3.2 de iki zamanlı bir benzinli motorun çalışması şematik olarak gösterilmiştir. Şekil 3.1. İki zamanlı bir motorun gaz değişim diyagramı [18] a) b) c) Şekil 3.2. İki zamanlı benzinli bir motorun çalışmasının şematik gösterimi a) Sıkıştırma, Kartere emme b) Genişleme, Karterde sıkıştırma c) Süpürme

33 Sıkıştırma işlemi Piston AÖN da iken silindir içerisi taze karışım (yakıt-hava karışımı) ve artık egzoz gazları ile doludur. Piston ÜÖN ya giderken daha yüksek olan egzoz portları kapanıncaya kadar etkin bir sıkıştırma olmaz. Taze karışımın bir bölümü egzoz portlarından dışarı kaçar. Bu durum iki zamanlı benzin motorlarının verimlerinin düşük olmasının temel nedenidir. Egzoz portları kapandıktan sonra etkin sıkıştırma başlar. Politropik sıkıştırma sonunda gazların basınç ve sıcaklığı artar. Taze karışımın içindeki yakıt buharlaşır ve tutuşmaya hazır duruma gelir. Burada geometrik olarak strok hacmi V h olmakla birlikte, egzoz portlarının yüksekliği ' nedeniyle ΔV h kadar hacim kaybı olur ve etkin strok hacmi olur. Bu da iki zamanlı motorların gücünün iki kat olamamasının diğer bir nedenidir. Pistonun üst tarafı sıkıştırma yaparken alt tarafı karter boşluğu ve vakum oluşturur. Piston ÜÖN ya yaklaştığında reed valften kartere yakıt hava karışımı dolar. Sıkıştırma sonunda; V h Basınç; Benzin motorlarında bar Dizel motorlarında bar Sıcaklık; Benzin motorlarında K Dizel motorlarında K olur [19] Yanma ve genişleme işlemi Piston ÜÖN ya yaklaşırken ateşleme avansı kadar önce bujide elektrik kıvılcımı oluşturulur. Yanmaya bağlı olarak küresel bir alev cephesi oluşur ve hızlı bir şekilde genişler. Yanma 1/1000 saniye kadar sürdüğünden bu sırada piston çok az hareket

34 16 edebilir. Bu nedenle, yanmanın yaklaşık olarak sabit hacimde olduğu varsayılabilir. Yakıtın yanma ısısı açığa çıkar ve sıcaklık ve basınç birdenbire artar. Oluşan basınçlı yanmış gazlar pistonu hızla AÖN ya iter, hacim artar ve politropik genişleme olur. Krank milinden döndürme momenti ve yararlı iş elde edilir. Bu arada pistonun alt yüzü, kartere daha önceden dolmuş olan yakıt-hava karışımını biraz sıkıştırır. Piston AÖN ya yaklaştığında, önce egzoz portları açılır. 0,3-0,5 MPa basınçlı yanmış gazlar egzoz kanalından hızla dışarıya boşalmaya başlar ve basınç hızlı bir şekilde düşer. Bunun ardından süpürme portları da açılır. Karterde biraz sıkıştırılmış olan taze karışım süpürme portlarından silindire gelerek, geriye kalan egzoz gazlarını süpürür ve dışarıya atar. Taze karışımı yönlendirerek daha iyi bir süpürme sağlamak amacı ile süpürme portları hafif alttan yukarı ve teğetsel olarak açılabilir ve piston tablasının üst tarafı hafif çıkıntılı yapılabilir. Süpürme yapılırken taze karışımın bir bölümü egzoz gazları ile dışarı kaçabilir. Ayrıca akım çizgilerinin ulaşamadığı ölü noktalarda artık egzoz gazları bulunabilir. Bu da iki zamanlı benzin motorlarının verim ve güç düşüklüğünün başka bir nedenidir. Böylece pistonun iki hareketi veya krank milinin bir tam turu sonunda bir iş çevrimi tamamlanmış olur. İki zamanlı motorlarda, portların açılma ve kapanma süreleri ile ateşleme veya püskürtme avanslarının önemi büyüktür. İki zamanlı motorların supap zamanları ve ateşleme avansları aşağıdaki değerler arasında değişmektedir [19]. Egzoz Portları EGAA K.M.A. AÖN dan önce EGKG K.M.A. AÖN dan sonra Emme Portları EMAA K.M.A. AÖN dan önce EMKG K.M.A. AÖN dan sonra Ateşleme Avansı A.A K.M.A. ÜÖN dan önce

35 17 Egzoz ve emme portlarının açılma avansları ve kapanma gecikmeleri aynı ise simetrik; farklı ise asimetrik olarak adlandırılır. 3.2.Port Zaman Diyagramları İki ve dört zamanlı motorların tümünde, bir iş çevrimi için emme, sıkıştırma, yanmagenişleme ve egzoz süreçleri gereklidir. İki ve dört zamanlı motorlar arasında termodinamik olaylar bakımından hiç bir fark yoktur. Fark, karışımın silindirlere alınışı ve egzoz gazlarının silindirlerden atılışındadır. Egzoz gazlarının silindirlerden atılışı ve süpürme havası veya karışımının silindirlere verilişi, port zaman diyagramı denilen diyagramlar üzerinden açıklanmaktadır. Şekil 3.3 de iki zamanlı benzinli bir motorun port zaman diyagramı görülmektedir. Şekil 3.3. İki zamanlı benzinli bir motorun port zamanlama diyagramı [20] 3.3. İki ve Dört Zamanlı Motorların Kıyaslanması İki zamanlı motorların yararları ve sakıncaları, dört zamanlılarla karşılaştırmalı olarak şu şekilde özetlenebilir: 1. Dört zamanlı motorlara göre, eşit ana boyutlar (silindir çapı ve piston stroku), silindir sayısı ve devir sayılarında teorik olarak iki misli güç üretirler. Böylelikle,

36 18 aynı güç için iki zamanlı motorların özgül ağırlığı ve boyutları dört zamanlı motorlarınkinden önemli şekilde küçük olur [20]. 2. Özellikle silindir sayısının dörtten fazla olduğu motorlarda, krank milinin moment dalgalanmalarına karşı iyi dengelenmesi nedeniyle ağır bir volana gerek yoktur. Yüksek devirli dört zamanlı motorlar ise düzgün çalışma sağlayabilmek için daha ağır volanlar gerektirirler [20]. 3. İki zamanlı motorlarda dört zamanlı motorlara göre daha yüksek mekanik verim değerleri sağlanmaktadır [20]. 4. İki zamanlı motorların dört zamanlı motorlara göre bir başka üstünlüğü de yapılarındaki sadeliktir. Özellikle dört zamanlı motorlarda supap mekanizmasının karmaşık yapıda oluşu ve çok gürültülü işletmeye neden olması, dikkate alınması gereken önemli bir sakıncadır [20]. 5. İki zamanlı motorlarda yeterli olmayan süpürme havası veya karışımı kullanıldığında, silindirler egzoz gazlarından iyi temizlenememekte, ayrıca silindirler iyi şarj edilmediklerinden, dört zamanlılara oranla daha küçük ortalama basınçlar elde edilmektedir. Diğer yandan, fazla süpürme karışımı kullanıldığında ise karışım kaybı olmakta, yakıt ekonomisi kötüleşmektedir. [20]. 6. İki zamanlı motorların egzoza olan karışım kaybı nedeniyle ısı kayıpları daha fazla ve egzoz emisyonları daha kötüdür ve genellikle standartları karşılayamamaktadır [20]. 7. İki zamanlı motorlarda süpürme etkinliğini artırmak üzere yetersiz susturucu kullanılmakta, bu nedenle egzoz gürültüsü daha fazla olmaktadır [20].

37 Süpürme Teorisi İki zamanlı motorlarda silindirin egzoz gazlarından temizlenmesi olayına süpürme adı verilir. Dört zamanlı motorların silindirlerinin egzoz gazlarından temizlenmesi piston tarafından cebren sağlanır. Egzoz zamanının sonuna doğru oluşturulan supap bindirmesi de yanma odasının atık gazlardan temizlenmesinde yardımcı olur. İki zamanlı motorlarda ise pistonun egzoz gazlarını süpürmesi söz konusu olmadığından, silindirlerin egzoz gazlarından temizlenmesinde atmosfer basıncından biraz daha yüksek basınçtaki hava veya karışımın süpürme etkisinden yararlanılır. İki zamanlı motorlarda silindirlerin egzoz gazlarından temizlenmesi ve temiz hava veya karışımla doldurulması, yakıt ekonomisi ve yüksek verim sağlanmasını olumlu etkiler. Bu amaca yönelik olarak iki zamanlı motorlarda iki ayrı süpürme yöntemi kullanılmaktadır. Bunlar dönüş veya ters akışlı süpürme ve doğru akışlı süpürmedir. Doğru akışlı süpürme, hava-yakıt karışımının emme portundan girdiği, egzoz gazlarının egzoz supaplarından çıktığı iki zamanlı motorlarda kullanılmaktadır [21]. Bu çalışmada sadece ters akışlı süpürme dikkate alınmıştır Dönüş (ters) akışlı süpürme Bu tür süpürmede hava veya karışımın silindire verilişi ve egzoz gazlarının atılışı, silindirlerin gövdeleri veya gömleklerine açılmış portlar yardımıyla sağlanır. Hava veya karışım, süpürme portlarından silindirlere verilir, silindir kapağına doğru yükselir ve ona çarparak geriye döner. Bu arada önüne kattığı gazları da egzoz portlarından silindir dışına atar. Hava veya karışım akımı yönünün önce yukarı, sonra aşağıya doğru oluşu nedeniyle bu süpürme yöntemine Dönüş (Ters) Akışlı Süpürme denir [21]. Şekil 3.4 te Dönüş (ters) akışlı süpürme görülmektedir.

38 Şekil 3.4. Dönüş (ters) akımlı süpürme [21] 20

39 21 4. TEORİK ÇEVRİM ANALİZİ İçten yanmalı motorlarda çevrimin termodinamik analizi karmaşık simülasyonlarla yapılabileceği gibi basit hava standart çevrimleriyle de yapılabilmektedir. Teorik motor çevrimleri, motorların silindirleri içindeki olayları basit şekilde gösteren bir yaklaşımdır. Teorik motor çevrimleri aracılığıyla tasarlanacak motorların performans parametreleri yaklaşık olarak önceden belirlenebilir ve farklı motorlar arasında karşılaştırma yapılabilir İki Zamanlı Motorların Hava Standart Otto Çevrimi Teorik motor çevrimlerinde birçok varsayımlar ve basitleştirmeler yapılır ve teorik motor çevrimlerinin hesabı sonunda bulunan sonuçların incelenmesiyle motor silindirleri içindeki olayların yapısı daha iyi anlaşılır. Teorik motor çevrimlerinde uygulanan başlıca varsayımlar şunlardır: 1. Teorik çevrimlerde silindir içinde sabit miktarda karışımın bulunduğu varsayılır. Gerçekte motorun çalışabilmesi için dışarıdan taze hava-yakıt karışımının emilmesi ve yanma sonunda yanmış egzoz gazlarının dışarı atılması gerekir [22]. 2. Motor çalışırken gazların özgül ısılarının sabit kaldığı varsayılır, ( c v = sabit, c p = sabit ). Halbuki motorlarda gerçekte sıcaklıklar önemli düzeyde değiştiği için gerçek çevrim hesaplarında özgül ısıların sıcaklıkla değiştiği hesaba katılmalıdır ( c v 1 = T T ( A + 2BT dt ) [22]. ) Teorik motor çevrimlerinde sıkıştırma ve genişleme işlemlerinin çevre ile ısı alışverişi olmadan (adyabatik) gerçekleştirildiği varsayılır. Gerçekte ise sıkıştırma ve genişleme işlemleri boyunca çevre ile sürekli ısı alışverişi olur [22].

40 22 4. Gerçekte sıkıştırma ve genişleme işlemleri adyabatik değil politropik karakterde işlemlerdir [22]. k Teorik: PV a = sabit (4.1) n Gerçek: PV p = sabit (4.2) 5. Teorik çevrimlerde sisteme Q 1 ısısının verildiği düşünülür. Gerçekte ise Q 1 ısısı değişik hidrokarbonların karışımı olan sıvı veya gaz yakıtların, havanın oksijeni ile yanması sonunda açığa çıkar. Yanma boyunca silindir içindeki gazların basınç, sıcaklık ve hacimleri sürekli değişir, çevre ile ısı alışverişi olur, türbülanslı yapıda gaz hareketleri olur, yüksek sıcaklık etkisiyle karmaşık yapılı birçok zincirleme kimyasal reaksiyon meydana gelir, gazların yapısı değişir [22]. 6. Teorik çevrimlerde sıkıştırma, yanma ve genişleme gibi işlemlerin tam ölü noktalarda başlayıp bittiği varsayılır. Bunun sonucunda teorik motor çevrimleri keskin, köşeli eğriler şeklinde olur. Gerçekte ise emme veya egzoz portları avanslı (öncelikli) olarak açılır ve gecikmeli olarak kapatılır. Ateşleme veya püskürtme avanslı olarak başlatılır. Yanma bir anlık olmaz belirli bir süre devam eder. Bütün bunların sonucunda gerçek motor çevrimleri köşeli değil de yuvarlatılmış karakterde olur [22]. 7. Teorik çevrimlerde silindir içinde oluşan gaz basıncının ve pistona etki eden kuvvetlerin kayıp olmaksızın krank milinde döndürme momentine dönüştüğü varsayılır. Gerçekte piston ile silindir duvarları arasında, yataklar gibi tüm hareketli motor elemanlarında sürtünme kayıpları ve gaz kaçakları olur. Su pompası, yağ pompası, fan, şarj dinamosu gibi yardımcı donanımlar motorun ürettiği işin bir bölümünü harcar. Homojen olmayan karışımdan dolayı tam olmayan yanma gerçekleşebilir. Ayrıca egzoz ve emme işlemlerinde (karışım değişimi işlemlerinde) iş harcanır. Bütün bu kayıplar mekanik kayıplar işi şeklinde göz önüne alınmalıdır. Teorik çevrimlerde mekanik kayıplar göz önüne alınmaz [22]. Şekil 4.1 de hava standart otto çevrimi görülmektedir.

41 23 Şekil 4.1. Hava standart otto çevrimi Şekil 4.1 den de görüleceği gibi hava standart otto çevriminde: a c arasında izentropik sıkıştırma işlemi, c Z arasında sabit hacimde ısı girişi, Z b izentropik genişleme işlemini, b a arasında sabit hacimde ısı çıkışı gerçekleşir. P a ve T a biliniyorsa ayrıca Q 1 ısısı veya P z basıncı gibi bir değer verilmişse ve motorun sıkıştırma oranı da biliniyorsa termodinamik bilgilerden yararlanarak c, Z, b noktalarının basınç ve sıcaklıkları hesaplanabilir. Ayrıca ısısı ve çevrim işi ( W ç = Q 1 Q 2 ) hesaplanabilir. Böylece ısıl verim ( η t =W ç / Q1 ) hesaplanabilir. Q 2 W ç Q1 Q2 q2 η t = = = 1 (4.3) Q1 Q1 q1 C Z durumları arasında sisteme sabit hacimde ( ) ısı girişi meydana gelmektedir. Sisteme giren ısı miktarı; Q 1

42 24 Q = mc ( T T ) (4.4) 1 V Z C q = c ( T T ) (4.5) 1 v z c b a durumları arasında sistemden çevreye ısı geçişi olmaktadır. Sistemden çıkan ısı Q 2 ile gösterilirse; Q = mc ( T T ) (4.6) 2 v b a q = c ( T T ) (4.7) 2 v b a Bu durumda ısıl verim; q2 cv(tb - Ta ) Ta ( Tb / Ta 1) η t = 1 = 1 = 1 (4.8) q c (T - T ) T ( T / T 1) 1 v z c c z c olur. a-c ve z-b hal değişimlerinin izentropik ve alınırsa; v a = vb, c vz v = olduğu göz önüne T T a c v = v c a k 1 k 1 a v z = v b a T = T b z (4.9) olur. Bu bağıntılar ısıl verim denkleminde yerine konur ve basitleştirilirse; 1 η t = 1 k a (4.10) 1 ε olur. Çevrimi inceleyebilmek için motorun sıkıştırma oranının ve silindire sokulan ısı miktarı veya yanma sonu basınç ve sıcaklığı gibi bazı özelliklerinde bilinmesi gerekir.

43 25 Sıkıştırma oranı; V V a c h h ε = = = 1+ (4.11) c V + V V c V V c Basınç artma oranı; P = P z λ (4.12) c 4.2. Çevrimin İncelenmesi Sıkıştırma işlemi (a-c) a c durumları arasında adyabatik sıkıştırma işlemi gerçekleştirilir. V a = V b (4.13) V c = V z (4.14) P k = ε a (4.15) c P a a 1 T = k c T a ε (4.16) olur Sabit hacimde yanma (c-z) c Z durumları arasında sisteme sabit hacimde ısı girişi meydana gelmektedir.

44 26 P z k = λ P = λp ε a (4.17) c a T z a = T k 1 cλ = Taλε (4.18) olur Genişleme işlemi (z-b) z b durumları arasında izentropik genişleme işlemi meydana gelmektedir. P b P ε z = (4.19) k a T b T = k ε a z 1 (4.20) olur.

45 27 5. GERÇEK ÇEVRİM HESAPLAMALARI İÇİN ANALİTİK MODEL Teorik çevrimler incelenirken birçok varsayımlar yapılmıştı. Bu varsayımların sonucunda teorik çevrim köşeli karakterde olur. Ayrıca teorik çevrimde egzoz ve emme işlemleri yer almaz. Gerçek çevrimde sıkıştırma ve genişleme boyunca çevre ile ısı alışverişi olur. Gazların özgül ısıları sıcaklığa bağlı olarak sürekli değişir. Yanma boyunca karmaşık kimyasal reaksiyonlar ve akım karışıklıkları olur. Çeşitli sürtünmeler, mekanik kayıplar ve gaz kaçakları olur. Motorun çalışabilmesi için yanmış gazlar dışarı atılır ve dışarıdan taze karışım emilir. Ayrıca yanma tam üst ölü noktada başlamaz. Ateşleme ÜÖN dan biraz önce avanslı olarak başlatılır. Portlar tam ölü noktalarda açılıp kapatılmaz, avanslı olarak açılır, gecikmeli olarak kapatılır. Bunun sonucunda gerçek çevrim köşeli değil de yuvarlatılmış karakterde olur Gerçek Motor Çevrimlerindeki Sınırlamalar Gerçek motor çevrimlerinde birçok karmaşık olay vardır. Bunlar sıkıştırılabilir akış, yanma, türbülanslı iç akımlar, ısı transferi ve sürtünme olaylarıdır ve bu olayları tam teorik şekilde modellemek güçtür. Burada belirli yaklaşımlarla geliştirilmiş olan bir yöntem tanınacaktır. Bu yöntemde uygulanacak başlıca varsayımlar şu şekilde özetlenebilir: 1. Gerçek motorlarda emme olurken sıkıştırılabilir bir akışkan olan hava kesiti değişen emme kanallarından geçer ve benzin motorlarında havanın içersine ayrıca yakıt püskürtülür. Bu yakıt kısmen buharlaşır, gaz kelebeği yarı kapalı durumda olabilir. Bütün bu etkiler göz önüne alarak emme olayını modellemek güçtür. Çevrim hesabında emilen havanın sıkıştırılabilme özelliğinin çok az olduğu varsayılarak, bernoulli denkleminden yararlanarak emme boyunca basınç düşüşünün olduğu düşünülmüştür. Emme boyunca bütün kısılma ve 2 sürtünme kayıpları bir β + ξ toplam kayıp katsayısı ile göz önüne alınmıştır. Δ Pa Böylece emme sonu basıncı doğal emişli motorlarda P 1 = P 0 ΔPa olur. Emme

46 28 sonu sıcaklığı emilen taze karışımın ve artık egzoz gazlarının sabit basınç altında karıştıkları düşünülerek bir ortalama sıcaklık şeklinde hesaplanmıştır. Egzoz işlemi ise gazların egzoz portuntan hızla boşaldığı düşünülerek P r ve T r arasında yazılan yarı amprik bir bağıntıdan yararlanılarak değerlendirilmiştir [22]. 2. c p, c v özgül ısılarının sıcaklıkla lineer değiştiği varsayılarak ortalama özgül ısı; c v 1 = T T ( A + 2BT dt ) 2 0 (5.1) bağıntısıyla hesaplanmıştır. Her gaz için A ve B katsayıları özgül ısı tablolarına eğri uydurarak elde edilmiştir [22]. 3. Gerçekte sıkıştırma ve genişleme işlemleri politropik karakterdedir. Sıkıştırma ve genişleme boyunca silindir içindeki gazların sıcaklıkları sürekli değişir. Sıcak motor duvarlarından gazlara veya gazlardan duvara ısı geçişi olur. Bu nedenle gerçekte sıkıştırma ve genişlemenin her adımında ayrı bir n politrop üssü geçerli olur. Çevrim hesabında sıkıştırmanın sabit bir politrop üssüyle, genişleme işleminin de sabit bir politrop üssüyle gerçekleştiği varsayılmıştır [22]. n 2 n 1 4. Yakıt, yanma süresince havanın oksijeni ile zincirleme reaksiyonlara girer. Türbülanslı akım karışıkları ve silindir duvarlarına ısı transferi olur. Bu arada yanma odasının hacim, basınç ve sıcaklıkları sürekli olarak değişir. İçerideki gazların yapısı değişir ve yanma ısısı açığa çıkar. Yanma işlemindeki bütün kayıplar, yanmada ısıdan yararlanma verimi ξ z ile göz önüne alınmış ve 1 kg yakıtın yanması sonunda sisteme verilen ısı; θ 1 = ξ z H u (5.2) ifadesiyle hesaplanmıştır [22].

47 29 5. Gerçek motorlarda çeşitli mekanik kayıplar görülür. Çevrim hesabında bütün mekanik kayıplara karşılık gelen mekanik kayıplar ortalama basıncı aşağıdaki bağıntılar ile göz önüne alınmıştır. P = a + (5.3) mm bv p Burada V p ortalama piston hızıdır ve Hn V p = (m/s) (5.4) 30 bağıntısıyla bulunur [22]. 6. Çevrim hesabında piston ile silindir duvarları arasında segmanlardan gaz kaçaklarının olmadığı varsayılacaktır. Gerçekte motorun yıpranma durumuna göre silindirlerden dışarıya doğru az veya çok gaz kaçakları meydana gelir [22] Krank Mili Açısına Göre Piston Pozisyonu Çevrimlerin P-V ve P-Q diyagramlarının çizilebilmesi için, sistemin uygun krank açılarındaki durumunun hesaplanması gerekmektedir. Şekil 5.1 de içten yanmalı motorlar için krank-piston-biyel geometrisi görülmektedir.

48 30 Şekil 5.1. İçten yanmalı motorlar için piston-krank-biyel geometrisi Şekil 5.1 den yararlanarak piston yolu; s 2 2 = l + r( 1 cosθ ) l ( r sinθ ) (5.5) ifadesinden belirlenebilir [23]. Burada; l r : Biyel boyu, (m) : Krank yarıçapı, (m) ο θ : Krank mili açısı, ( ) Anlık silindir hacmi ise, 2 πd pis V s = Apiss + Vc = s + 4 V c (5.6) ifadesinden belirlenebilir. Burada; A pis : Piston alanı, (m 2 ) V c : Yanma odası hacmi, (m 3 ) d pis : Piston çapı, (m) s : Piston yolu, (m)

49 31 Süpürme hacmi için; V sv π = z d pish (5.7) 4 ifadesi yazılabilir [24]. Burada; d pis : Piston çapı, (m) H z : Strok, (m) : Silindir sayısı 5.3. Çevrim İşlemleri Benzinli iki zamanlı bir motorun gerçek çevrimine ait basınç-hacim diyagramı Şekil 5.1 deki gibi gösterilebilir. Şekil 5.2. İki zamanlı bir motorda gerçek basınç-hacim diyagramı Çevrim aşağıdaki işlemlerden oluşmaktadır: 1-2 eğrisi sıkıştırma işlemi 2-3 eğrisi yanma işlemi

50 eğrisi genişleme işlemi 4-5 eğrisi egzoz açılma işlemi 5-a-6 eğrisi karışımla süpürme işlemi 6-1 eğrisi pistonla süpürme işlemi Süpürme işlemi Süpürme basıncı İki zamanlı motorlarda, dört zamanlı motorlardan farklı olarak yakıt-hava karışımı, atmosfer basıncının üstünde bir basınçla ( =1,1-1,4 bar) silindire verilir. Verilen bu karışıma süpürme karışımı denilir ve basıncı çeşitli yollarla sağlanır. P 5 İki zamanlı motorlarda, A.Ö.N daki yakıt-hava karışımının süpürme basıncı, süpürme portlarındaki akış kayıplarından dolayı süpürme karışımının basıncına göre biraz düşüktür. Yakıt-hava karışımının A.Ö.N daki basıncı; P a P5 + Peg = (bar) (5.8) 2 Burada P eg egzoz sisteminin geri basınç farkıdır ve iki zamanlı motorlarda; P eg = 0,06 (bar) (5.9) değerini alır [25]. Süpürme işlemi boyunca oluşan bütün kayıplar nedeniyle P a basıncına göre kadar bir basınç düşüşü meydana gelir. Bu basınç düşüşü; Δ Pa