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. The performance of an engine is evaluated on the basis of the following : (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. 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

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 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

5 Temel Kavramlar Zaman veya Strok: Motorlarda, pistonun ÜÖN ile AÖN arasındaki hareketine zaman veya strok" adı verilmektedir. Bu hareket dört zamanlı motorlarda krank mili açısı cinsinden dir. Kardeş Çalışan Pistonlar: Silindirler içinde aynı yönde, aynı y kseklikte 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 s re 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 p sk rtmenin, benzin motorlarında buji kıvılcımının çakıp yanmanın başlatılmasına avans denir.

6 Temel Kavramlar İndike İç güç: Motorun silindirleri içinden veya piston zerinden alınan g ce indike g ç denir. İndike g c n ölç lmesi için silindirlerdeki maksimum yanma sonu basıncının basınç ölçerlerle ölç lmesi gerekir. Efektif Faydalı güç: Motorun krank mili yada volanından ölç len g ce efektif g ç denir. Efektif g c n ölç lmesi için dinamometreler kullanılır. Verim: Elde edilen sonuç ile bu sonucu elde etmek için harcanan çaba arasındaki oranı ifade eder. Motorda alınan g c n verilen g ce oranının y zde olarak ifadesidir. Daima y zde y zden azdır. Mekanik verim: Motorun çıkışından alınan g c n piston zerinden alınan g ce oranıdır. Mekanik verim, silindir içerisinde yanmadan dolayı oluşan g c n krank milinden alınıncaya kadar ne kadar kayba uğradığını gösterir. Silindirde elde edilen g ç, krank milinden alınıncaya kadar, başta sürtünme ve atalet kayıpları olmak zere bir çok mekanik kayba uğrar. Motorun gücü; Ortalama efektif basınca, Strok hacmine Dönme sayısına bağlıdır.

7 Motorlarda Performans Termik verim: Motorun, yakıtın yanmasından oluşan enerjiyi faydalı bir işe dön şt rebilme oranıdır. Yanma sonucunda oluşan ısı enerjisinin b y k 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 d şebilir. Özgül yakıt sarfiyatı: Motorun 1kWh başına harcadığı yakıt miktarına denir. Alt ısıl değer ve Üst )sıl Değer: Yanma tepkimelerinde bilinmesi gereken iki tanımlama alt ısıl değer ve st 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 st ısıl değer, buharlaşma ısısı dahil olmak zere açığa çıkan toplam ısı enerjisidir.

8 Temel Kavramlar

9 Temel Kavramlar

10 Temel Kavramlar

11 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

12 Temel Kavramlar Hava fazlalık katsayısı λ : Birim miktardaki yakıt için kullanılan hava miktarının, teorik tam yanma için gerekli minimum hava miktarına oranıdır. λ = Sisteme s r len 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 s r len gerçek yakıt miktarı/teorik yakıt miktarı Dizel Motorlarda Hava Yakıt Oranı (A/F): Dizel motorlarda daima λ>1 b y kt r.

13 Bazı Kavramlar Hava Yakıt Oranı (A/F): Genellikle k tlesel olarak ifade edilir ve bir yanma işleminde hava k tlesinin yakıt k tlesine oranı diye tanımlanır. Stokiyometrik oran: λ= 14,7/1) Benzin motorlu otomobillerin optimum emisyon kontrol n n ve yakıt ekonomisinin hava/yakıt oranının yaklaşık 14.7/1 olduğu zaman sağlanacağı bulunmuştur. (ava/yakıt karışımı stokiyometrik değerlerin altında veya zerinde olduğu zaman bu durum sensör tarafından algılanarak geri beslenme sinyali retilir.

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

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

16 Motor Karakteristikleri Motor kodu BJB Motor hacmi 1 6 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 g c, belli bir d zeye kadar dev/dak ile orantılı olarak artar. Ç nk dev/dak y kseldikçe zaman başına d şen iş miktarı artırılır. Ancak, belirli bir değerin üzerinde dönemeyen dinamik parçalar nedeniyle, dev/dak ve g ç çıkışında sınırlamalar vardır.

17 Bir dizel motorun performans eğrileri

18 Üstten kamlı benzinli bir motorun tipik performans eğrileri

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

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

21 Motor Karakteristikleri 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. Kia, 2007 PS: Pferdestärke Bir beygir gücü (hp), 75 kg'lik ağırlığı bir saniyede 1 m çekmek için gereken g çt r.

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

23 Motor Karakteristikleri Motor gücü ve torku Okuma Parçası: Temel motor performansı, motor g c ve torku gibi iki ana faktör ile temsil edilir. Genellikle, motor performansının en önemli bileşeni beygir g c (hp) de denilen çıkıştır g çt r. Beygir g c, belirli bir s rede 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 g çt r. Beygir g c (HP) için daha sıkça kullanılan bir kısaltma Almanca "Pferdestärke" kelimesinden t reyen PS'dir. Motor g c g n m zde 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 Br t gibi ek kelimeler görebilirsiniz. Br t değer, motor araçtan sök lm ş olduğu zamanki saf motor g c d r. Net değer ise, motor araca takılı olduğu zamanki motor g c d r. Benzinli motorda, net değer br t değerden %15 daha azdır. Bu, şanzımandan, lastiklerden, vb gelen s rt nme kayıplarından kaynaklanır. Eğer belirtilmediyse, daha b y k olan değer br t değerdir. Motor g c, bir zaman işlevidir. Motor g c, dev/dak ile orantılı olarak artar, ç nk dev/dak y kseldikçe zaman başına d şen iş miktarı artırılır. Ancak, belirli bir değerin zerinde dönemeyen dinamik parçalar nedeniyle, dev/dak ve g ç çıkışında sınırlamalar vardır. Bu nedenle maksimum g ç çıkışı dev/dak ile gösterilir, örneğin 6000 dev/dak'ta 100 kw gibi.

24 Tork (Moment), motorun dönd rme 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 y kseldikçe belli bir devire kadar artar ve bu devirden sonra, motor devri arttırılmaya devam edilirse tork azalmaya başlar. Bunun nedeni, hacimsel verimin azalmasıdır. Yani y ksek devirlerde motorun nefes alma kabiliyeti d şer. Motor torku ile tekerlek torku arasındaki fark; dön şt rme oranlarından kaynaklanmaktadır. Araçlarda motorun bir tekerleğe ilettiği tork, lastikle zemin arasındaki s rt nme kuvvetiyle, tekerlek yarıçapının çarpımına eşittir. Dolayısıyla, bu tork ne kadar b y k olursa; araç o kadar hızlı ivmelenebilir ve seri manevralar yapabilir. Tabii; lastiğin zeminle arasında oluşturabileceği azami s rt nme kuvvetinin aşılmaması, yani patinaja yol açılmaması kaydıyla.

25 Ortalama Efektif Basınç: Motorun gerçek çevrimdekine eşdeğer bir Pe g c vermesi için bir strok boyunca pistona etkimesi gereken sabit basınçtır. Önemli notlar: 1. Motor g c, ortalama efektif basınç ve motor devrine bağlı olarak değişir. 2. Ortalama efektif basınç, efektif g ç için krankın s rekli çevrilmesini sağlayan ve motor torku ile doğru orantılı olan bir b y kl kt r.

26 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 1000 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 14.7:1 for petrol. Automotive Science and Mathematics, Allan Bonnick, 2008 Brake mean effective pressure vs. sfc at constant engine speed

27 Çap Strok Oranı Motor dizaynında; G ç Dönme sayısı Silindir sayısı ve tertibi İki ya da dört zamanlı oluşu gibi etkenler göz ön ne alınarak; Motorun ana boyutları olan silindir çapı (D) ve strok (H) belirlenir. Kısa strok: Kısa strok, y ksek g çl ve y ksek y kl motorlar için kullanılır. Strok/çap oranı 1'den daha azdır. Bu da strokun çaptan daha k ç k olduğu anlamına gelir. Uzun strok: Uzun strok, y ksek bir motor torku elde etmek için kullanılır. Strok/çap oranı 1'den daha y ksektir. Bu da strokun çaptan daha b y k olduğu anlamına gelir. Kare strok: Strok/çap 1'dir. Bu da strokun çapa eşit olduğu anlamına gelir. Kia, 2007

28 Çap Strok Oranı Toyota Strok-çap oranı, motorun boyutlarını (yani uzunluğunu, genişliğini ve y ksekliğini etkiler. Strok-çap oranı, sıkıştırma oranını etkiler. Strok-çap oranı, sıkıştırma hacminin y zey alanının (Ac), sıkıştırma hacmine oranını da etkiler. Bu oran ısının soğutma ortamına geçişini tanımlar. Bunun için Ac/Vc nin m mk n mertebe k ç k olması istenir. Strok-çap oranı, krank mili titreşimlerini etkiler. Aynı strok hacminde strok-çap oranı ne kadar k ç k ise, krank mili titreşimi o kadar b y k olur.

29 Çap, Strok ve Hacim Kia, 2007

30 Sıkıştırma Oranı 1. Üst öl nokta ÜÖN 2. Yanma odası hacmi (Vc) 3. Kurs (Strok) (s) 4. Piston kursu hacmi (Vh) 5. Alt öl nokta AÖN 4 zamanlı dizel motorlar genel olarak 12 ile 26, benzinli motorlar ise 8 ile 11 arasında bir sıkıştırma oranına sahiptir. Sıkıştırma oranı artarsa, motorun verimliliği ve g c de artar. Sıkıştırma oranı belirli bir seviyeye kadar arttırılabilir, ç nk g ç 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 (cm3), and Vc is the combustion space clearance volume (cm3). M.J. Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology, Fourth edition, 2007

31 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

32 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 y k ne bağlı olarak işletme koşullarını b y k ölç de etkiler. P M V Subbarao, Mechanical Losses in An Engine, Mechanical Engineering Department

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

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

35 Friction: Measurement Methods Measurement of FMEP from IMEP Direct Motoring Tests Willans Line 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

36 Morse testi Motor fren g c n n indike g çten daha k ç k olmasına sebep olan g ç kayıplarının temel nedenleri; motor yataklarındaki, supaplardaki, pistonsegman ve silindirlerdeki s rt nme kayıplarıdır. Morse testi, s rt nme kayıpları ve aynı zamanda çok silindirli bir motorun indike g c için yaklaşık değerler sağlayan bir motor testidir. Morse testi, bir dinamometrede sabit motor devrinde y r t l r. Testin birinci fazında t m silindirler ateşlediğinde motorun fren g c kaydedilir. Devamında bir silindirin ateşlemesi devre dışı bırakılır ve dinamometrenin y k ; motoru, t m silindirlerde ateşlemenin olduğu durumdaki hıza getirilmesi için ayarlanır. Sonra fren g c kaydedilir. The Morse test is applicable only to multicylinder engines. In this test, the engine is first run at the required speed and the output is measured. Then, one cylinder is cut out by short circuiting the spark plug or by disconnecting the injector as the case may be. Under this condition all other cylinders motor this cut-out cylinder. The output is measured by keeping the speed constant at its original value. The difference in the outputs is a measure of the indicated horse power of the cut-out cylinder. Thus, for each cylinder the ip is obtained and is added together to find the total ip of the engine.

37 Morse test Reading Text Frictional losses in the engine bearings, the valve train and the piston and piston rings are the main causes of the power loss that makes the brake power of an engine smaller than the indicated power. The Morse test is an engine test that give an approximate value for the frictional losses and which also provides an approximate value for the indicated power of a multi-cylinder engine. The Morse test is conducted at constant engine speed on a dynamometer. The first phase of the test records the brake power of the engine when all cylinders are firing. Subsequently, one cylinder is prevented from firing and the dynamometer load is adjusted to bring the engine up to the same speed as it was when all cylinders were firing, the brake power then being recorded. The difference between brake power with all cylinders working and that obtained when one cylinder is cut out is the indicated power of the cylinder that is not working. This procedure is repeated for each of the cylinders and the indicated power for the whole engine is the sum of the power of the individual cylinders.

38 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre Testleri Testing Commonly Measured Parameters 1. Torque 2. Speed 3. Fuel Consumption 4. Emissions 5. Temperatures (head, exhaust, coolant) Occasionally Measured Parameters 1. Combustion Pressure 2. Ignition Timing 3. Dynamics (accelerations, vibrations, stress) 4. Knock 5. Intake/Exhaust Pressures 6. Valve Lift 7. Acoustics Note: These parameters can be measured manually or automatically.

39 Motor deneyleri genel olarak a) Bir motorun; yapımcı firmanın garanti ettiği karakteristik özellikleri gerçekleyip gerçeklemediğinin kontrol, b) Motorları geliştirme çalışmalarında; çeşitli yapısal (konstr ktif) ve işletme özelliklerinin motor karakteristikleri zerindeki etkilerinin belirlenmesi, amaçları ile yapılır. Motor Deneyleri arfoyleri/lab18.pdf

40 Motor Deneyleri Bu amaçlarla; motorların istenen bazı işletme b y kl klerinin sabit tutulabildiği ve istenen bazı b y kl klerin değiştirilebildiği bir deney d zeneğine bağlanmaları ve çalıştırılmaları gerekir. Böylece motor çeşitli koşullar altında çalışırken gerekli bilinmeyen b y kl kler ölç l r.

41 Motor Deneyleri

42 Motor Deneylerinde Çeşitli Büyüklüklerin Ölçülmesi: 1. Motorun y klenmesini ve dönd rme momentinin ölç lmesini sağlayacak bir yükleme elemanı, 2. Devir sayısını ölçmeye yarayan bir takometre, 3. Yakıt t ketimini ölçmeyi sağlayan bir ölçekli kap, 4. Hava debisini ölçmeye yarayan bir orifıs veya lüle ve bir sıvılı manometre d zeneği, 5. Soğutma suyunun debisini ölçmeye yarayan bir lüle ve manometre veya rotametre d zeneği, 6. Egzoz gazlarının sıcaklığını ölçmeye yarayan bir termokupl termometre ve göstergesi, 7. Emme havası giriş, soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıklarını ölçmeye yarayan termometre ve göstergeler bulunan bir deney sistemi kullanılmalıdır. Motor Deneyleri Rotametre: Rotametre; içinden debisi ölç lecek olan sıvının aktığı, d şey konik bir silindir ve silindir içinde hareket edebilen bir topaçtan oluşur.

43 Motor Deneyleri İndikatör diyagramı: Silindir içindeki basınç değişimini gösteren indikatör diyagramı g n m zde elektronik yollarla duyarlı bir şekilde belirlenebilmektedir. Elektronik yöntemle indikatör diyagramının belirlenmesinde, silindir içindeki basınç değişimi bir transducer ile elektrik sinyallerine dön şt r lmekte, daha sonra bu sinyaller bir amplifikatörde y kseltilerek bir bilgisayara aktarılabilmekte veya bir osiloskoba gönderilebilmektedir. Basıncın krank açısına veya silindir hacmine göre değişimi osiloskobun ekranında gözlenebilmekte, istenirse fotoğrafı da çekilebilmektedir. Bu yolla çeşitli motor karakteristiklerinde yapılacak değişikliklerin indikatör diyagramı zerindeki etkileri deneysel olarak incelenebilmekte, ayrıca indikatör diyagramı ile teorik hesaplama yöntemlerinin doğruluk derecesi kontrol edilebilmektedir. Transducer: Bir sinyali istenilen sinyale çeviren etkin devre elemanıdır.

44 Egzoz gazları: Egzoz gazları çeşitli kimyasal, optik veya değişik yollarla analiz edilerek motor karakteristiklerinin egzoz gazları ve dolayısı ile yanma zerindeki etkileri incelenebilmektedir. Motor Deneyleri Sıcaklık dağılımları: Değişik motor elemanları zerine yerleştirilen elektronik termometrelerle sıcaklık dağılımının, ısıl y klerin çeşitli karakteristiklere bağlı olarak nasıl değiştikleri incelenebilmektedir. Gaz akışı olayları: Motorların emme ve egzoz kanallarındaki gaz akışı olayları ve silindir içindeki gaz hareketleri; kızgın tel anemometresi veya laserdoppler anemometresi yardımı ile deneysel olarak incelenebilmektedir. Böylece motorların emme ve egzoz donanımlarının ve yanma odalarının geliştirilmesine çalışılmaktadır. Anemometre, r zgar/hava hızını ölçen alettir.

45 Motor Deneyleri Motor Deneyi Çeşitleri: Motorlar uygulamada çoğunlukla ya taşıtlarda ya da stasyoner olarak (generatörlerde veya inşaat makinelerinde) kullanılmaktadır. Bu kullanım alanlarına göre motorlardan beklenen özellikler farklı farklıdır. Örneğin; bir taşıt motoru sabit gaz durumunda motor y k ne göre belirli bir alt ve st devir sayısı aralığında çalışmalı ve bu aralıkta özellikleri bilinmelidir. Öte yandan bir santral motoru; retilen elektriğin belirli bir frekansta olması için, sabit devir sayısında çalışmalıdır. Motorların bu farklı t r çalışma koşullarına uygun olarak, motor deneyleri de farklı olabilir.

46 Motor Deneyleri 1. Taşıt Motorları Deneyleri: Bu amaçla motor çalıştırıldıktan sonra; bir taraftan gaz arttırılırken, araç bir su freni veya jeneratör aracılığı ile yavaş yavaş yüklenir. Gaz kolu istenen konuma getirildiğinde motor uygun şekilde y klenerek en d ş k devirde kararlı çalışması sağlanır. Bu y k altında motorun devir sayısı en d ş k (minimum) devir sayısıdır. Daha sonra y k yavaş yavaş azaltılarak motorun devir sayısının artması sağlanır. Her adımda; devir sayısı, dönd rme momenti, gibi motorun istenen karakteristikleri ölç l r. Her hızdaki ölçüm yapılırken motorun en az 1 dakika kararlı olarak çalışması gerekir. Böylece, belirli gaz konumunda, en d ş k devirden en y ksek devire kadar motorun karakteristikleri belirlenmiş olur. Benzer işlemler istenirse değişik gaz konumlarında da yinelenir. Ölçülen değerler kullanılarak efektif güç, ortalama efektif basınç, özgül yakıt tüketimi, efektif verim vb. gibi çeşitli teknik büyüklükler hesaplanır. Daha sonra hesaplanan bu değerler devir sayısına bağlı olarak eğriler şeklinde veya performans eğrileri biçiminde çizilir.

47 Motor Deneyleri 2. Motorların Geliştirme Deneyleri: Motorları geliştirme çalışmalarında; motor belirli bir gaz konumunda çalışırken sıkıştırma oranı, ateşleme avansı, yakıt-hava oranı vb. gibi teknik özelliklerden biri değiştirilir. Örneğin her sıkıştırma oranında y kleme ayarlanarak motorun devir sayısının sabit kalması sağlanır. Her adımda gerekli b y kl kler ölç l r. Elde edilen sonuçların değerlendirilmesi ile sıkıştırma oranının motorun çeşitli teknik özelliklerini nasıl etkilediği ve en uygun sıkıştırma oranının ne seçilmesi gerektiği belirlenmiş olur. 3. Stasyoner Motor Deneyleri: Elektrik santralleri, şantiye ve inşaatlar gibi alanlarda kullanılan stasyoner motorların y kleri en d ş k değerden başlamak zere yavaş yavaş arttırılır ve her y kleme durumunda gaz ayarlanarak devir sayısının sabit kalması sağlanır. Böylece sabit devir sayısında çeşitli y klerde motorun karakteristik değerleri belirlenir ve daha sonra gerekli işlemler yapılarak istenen b y kl kler hesaplanır. Ölç len veya hesaplanan bu değerler motor g c ne bağlı eğriler şeklinde değerlendirilir.

48 Motor Deneyleri 1. Taşıt Motorları Deneyleri: Taşıtlarda, motorun rettiği g ç, g ç aktarma organları (kavrama, dişli kutusu, diferansiyel ve akslar) tarafından tekerleklere iletilir ve taşıtın hareketini sağlar. Taşıtların kalkış ve duruşlarında ve çeşitli yol koşularındaki hareketlerinde gerekli dönd rme momentleri ve devir sayıları farklı farklıdır. Motorun, taşıtın çalışma koşullarına uyum sağlayabilmesi için, değişik gazlarda ve devir sayılarında çalışması gerekir. Bu nedenle taşıt motorları, sabit gaz durumlarında değişik devir sayılarında denenir. Taşıt motorlarının değişik hızlarda denenebilmesi için; tam gaz, 3/4 gaz, 1/2 gaz, 1/4 gaz gibi istenen gaz durumlarında en d ş k ve en y ksek hızların aralığında çalıştırılmaları gerekir.

49 Motor Deneyleri Bu düzeneklerde gerekli büyüklüklerin ölçülmesi ve hesaplanması: 1. Yükleme Elemanları ve Momentin Ölçülmesi: Motor deneylerinde retilen g c yutan ve y klemeyi sağlayan başlıca iki t r y kleme elemanı kullanılır Jeneratör ile Yükleme (Elektrik Dinamometresi): Motorun mili bir jeneratöre bağlanırsa, motorun rettiği g ç elektrik enerjisine çevrilmiş olur. Bu elektrik enerjisi paralel bağlı dirençlerde ısıya dön şt r lerek harcanabilir. Anahtarlarla kumanda edilen dirençlerden istenilen kadarı devreye sokularak motorun y k ayarlanmış olur. Elektrik dinamometresinin rotoru denenecek motorun miline, statoru ise bir dengeleme d zeneğine bağlanmıştır. Dinamometre Jeneratör çalışırken, yani elektrik retirken statorda bir zıt elektromotor kuvvet oluşur ve stator rotorun dönme yön nde dönmek ister. Motorun mekanik g c veya dinamometreden çekilen elektriksel g ç arttıkça, etki eden döndürme momenti de b y r. Demek ki statorda bu şekilde oluşan moment; motor milindeki dönd rme momentine eşittir. Dinamometrenin statoruna etki eden bu moment bir dengeleme sistemi ile dengelenebilir ve ölç lebilirse, motorun dönd rme momenti belirlenmiş olur. Bu amaçla stator, iki ucundan serbestçe dönmesine olanak sağlayan yataklar zerine oturtulur. Öte yandan statora etki eden moment, bir ucu moment koluna bağlı ve diğer ucu yere sabit olarak tutturulmuş bir yaylı terazi ve moment koluna asılan ağırlıklar tarafından dengelenir.

50 Motor Deneyleri 1.2. Su Freni ile Yükleme Motor deneylerinde y kleme ve moment ölç m için uygulanan en yaygın yöntemlerden biri de su freni (hidrolik fren)dir. Hidrolik frenlerde genellikle sıvı olarak su kullanılır. Su frenleri motor y k ne bağlı olarak çeşitli tiplerde yapılmakta ise de çalışma ilkeleri t m nde aynıdır. Su freni motor miline bağlı olarak dönen özel kanatlı bir rotor ve rotoru çevreleyen, yataklar zerine oturtulmuş bir statordan oluşur. Statorun iç tarafında da kanatlar olabilir ve statora elektrik dinamometresindeki gibi bir moment ölçme d zeneği eklenir. Motor; rotoru çevirmeye başladığında, rotorun kanatları suyu dışa doğru fırlatır ve çevrede girdap hareketleri yapan bir su tabakası oluşur. Böylece girdap, dönme hareketleri ve radyal hareketler gibi karmaşık hareketler yapan su bir taraftan ısınarak motorun rettiği mekanik enerjiyi yutarken, öte yandan motorun dönd rme momentine eşit bir momentle su freninin statorunu çevirmeye çalışır. Stator iki ucundan rulmanlı olarak yataklanmıştır ve zerine etki eden momentin etkisi ile dönmek ister. Statora eklenen yaylı bir ölçme d zeneği ile hem statorun dönmesi sınırlanır, hem de motorun söz konusu dönd rme momentine karşı gelen ve moment koluna etki eden kuvvet ölç l r. Deneyden önce J koluna asılan, bilinen ağırlıkların moment etkilerinden yararlanılarak, motor dururken transducer in kalibrasyonu yapılır. Su freninin içindeki su zamanla ısınacağı için s rekli olarak değiştirilmelidir. Frenin içindeki su miktarı arttıkça yutulan enerji de artar. Su girişine yerleştirilen ayarlanabilir bir A vanası ile, su miktarı ve sonuçta motorun y klenmesi istenilen şekilde ayarlanır.

51 Motor Deneyleri

52 Motor Deneyleri

53 Motor Deneyleri

54 Motor Deneyleri

55 Motor Deneyleri

56 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre A Dynamometer is a LOAD device It applies a load to an engine so we can test the performance of the engine under a variety of circumstances (Power, Speed)

57 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre Testleri Reading Text: A Dynamometer is load device used to measure an engines torque and speed. We often measure Fuel Consumption, Emissions and other parameters as well. A dynamometer can also be used to control the speed of the engine by varying the load placed on the engine. Dynos are often used to test different engine designs at the same load settings (Torque and Speed) for comparison purposes. We want to test the engine under conditions similar to the actual conditions (speed, torque) in the field, or even simulate an actual drive cycle with the dynamometer

58 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre Testleri Dynamometers There are 2 basic kinds of dynamometers: Absorption Dynamometers: These are devices that absorb the mechanical power from the test engine. Transmission Dynamometers: These are basically torque measurement devices placed in a power transmission link (ie. a shaft). They can be used to measure torque and speed, and thus power. All Absorption Dynamometers share some basic features: The shaft is connected to a Rotor housed in a Stator. There is some form of coupling (mechanical, hydraulic, aerodynamic, electromagnetic) between the Rotor and Stator. Equal and opposite torques are induced on the Rotor and Stator:

59 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre Testleri Comparison of Dyno Designs Various Dyno Designs There are many different designs used in dynamometers. Here are the most common ones: 1. Frictional 2. Hydraulic 3. Generator 4. Eddy current 5. Fan 6. Vehicular 7. Motored Dynos Frictional: Oldest design. Hard to control. Wear on frictional surfaces is a problem. Hydraulic: Highest power in smallest package (pump). Generator: Inexpensive and easy to control. Fairly large for a given power. Eddy current: Easiest to control. Low Inertia and bearing losses. Fan: Very inexpensive. Needs careful calibration. Less accurate. Vehicular: Requires measurement of vehicle mass. Ignores air drag. Good for vehicular studies.

60 Dynamometer Automotive Engineering - Powertrain, Chassis System and Vehicle Body Edited by David A. Crolla, 2009

61 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre Testleri Engine Dynamometer Couples directly to the engine No gearbox or transmission Engine speed = Dyno speed A Dynamometer may also be coupled to the output of a transmission or gear box. Speed and Torque of the engine and dyno are different by the gear ratio (Speed, Torque.

62 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Dinamometre Testleri Bearings The body of the dynamometer must be free to rotate, so it is supported on bearings.

63 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Load Cell Mounting The rotation of the dynamometer housing is resisted by a load cell which measures the force. The Load cell should be loaded in only one direction (ie. axially) to avoid biasing the output. Generally the load cell is mounted so the force is perpendicular to the axis of the shaft. Dinamometre Testleri Torque Measurement Torque is almost always measured with a strain gage instrumented load cell or force transducer. This is a mechanical member which undergoes significant strain with an applied force. Load Cell mounts via ball-joint ends

64 Durability is usually expressed as a minimum time or vehicle mileage before the occurrence of any major type of structural failures (e.g., wear-out). For example, a B10 durability life is the expected life (e.g., 20,000 hours or one million miles) at which 10% of the population fails. A B50 durability life is the expected life at which 50% of the population fails. Engine durability testing A durability specification of B10 life at one million miles (or equivalent number of engine hours) represents that 10% of the engine population will fail within one million miles. The equivalent reliability specification can be stated as the reliability is 90% or the probability of failure is 10% at one million miles. Engine durability testing is the most important development work to validate the design after the prototype is available. Typical engine durability tests include full-load test in the lab, over-fueling test, loadcycle tests, field test in vehicles, etc. Motor dayanıklılık testi (Engine durability testing) B10 olarak tanımlanan dayanaklılık ömr (B10 durability life) beklenen öm rd r. B10, saatlik ya da 1 milyon millik çalışma anlaşılır. 10 ifadesinden bu öm rde retilen motorlardan %10 nun başarısız olabileceğini göstermektedir. B50 ise belirtilen öm rdeki motorlardan %50 sinin başarısız olabileceği anlamına gelir. Diesel engine system design, Woodhead Publishing Limited, 2011

65 Temel Bazı Kavramlar

66 Kütlesel ve (acimsel debi Dr. M. Azmi AKTACİR-2010-ŞANLIURFA, Harran Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

67 Kütlesel Debi Ölçme Düzeni Belirli bir zaman aralığında akan akışkanın k tlesinin tartılarak tespiti en basit ve en hassas yöntemdir. Atmosferik şartlarda buharlaşmayan sıvılar için oldukça kolay bir yöntem olmasına rağmen buharlaşabilen sıvı ve gazlar için bu yöntemi kullanırken özel önlem alınmalıdır. Dr. M. Azmi AKTACİR-2010-ŞANLIURFA, Harran Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

68 (acimsel debi ölçme düzeni Belirli bir zaman aralığında akan akışkan, hacmi belirlenebilen bir kapta toplanarak veya hacmi belirli bir kaptan, belirli zaman aralığında bu akışkanın kullanılması ile hacimsel debi bulunur. Hacimsel debi ölç m, k tlesel debi dışında pratikte kullanılan diğer bir yöntemdir. Dr. M. Azmi AKTACİR-2010-ŞANLIURFA, Harran Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü

69 Rotametre: Rotametre; içinden debisi ölç lecek olan sıvının aktığı, d şey konik bir silindir ve silindir içinde hareket edebilen bir topaçtan oluşur. Termokapl: Kısaca )sıl çiftdir. Sıcaklık algılamaya yarayan bir sensörd r. Bu sensörler termal potansiyel farkını elektriksel potansiyel (Voltaj) ya da mv değerinde elektriksel potansiyelleri termal potansiyel olarak algılayabilirler. Termokupllar -200 'den 2320 C'ye kadar çeşitli proseslerde yaygın olarak kullanılır. Thermocouples are the most popular temperature sensors. They can measure a wide range of temperatures. The main limitation is accuracy, system errors of less than 1 C can be difficult to achieve. How they work In 1822, an Estonian physician named Thomas Seebeck discovered (accidentally) that the junction between two metals generates a voltage which is a function of temperature. Thermocouples rely on this Seebeck effect. Although almost any two types of metal can be used to make a thermocouple, a number of standard types are used because they possess predictable output voltages and large temperature gradients.

70 Seebeck effect / Seebeck Etkisi: 1821 de Seebeck, kapalı bir devre iki aynı metalden oluştuğunda ve metallerin farklı sıcaklıklarda iken devreden elektrik akımının aktığını keşfetmiştir. Tel uçlarının b k lerek veya lehimlenerek meydana getirildiğini kabul edelim; bu tellerin birisi bakır, diğeri demir olsun. Bir ucu, oda sıcaklığında tutulurken diğeri daha y ksek bir sıcaklıkta ısıtılırsa sıcak uçta bakırdan demire, soğuk uçta ise demirden bakıra bir akım retilir.

71 Dr. Horizon Gitano-Briggs, Dynamometry and Testing of Internal Combustion Engines Seminar; University Science Malaysia, June Strain-Gage (Gerilim Ölçer Sensörler G n m zde teknolojinin ilerlemesi ile sensör teknolojileri de önem kazanmıştır. Bunlardan biri de Strain-Gage sensörleridir. Pek çok ismi vardır. Gerilim ölçerler, gerilim pulu ve şekil değişikliği sensörleridir. Strain-Gage Nedir? Temel çalışma prensibi olarak, direnç değişiminden yararlanarak boy değişimin elektriksel bir sinyal olarak algılanmasına dayanır. Asıl olarak strain gauge'ler özel olarak retilmiş elektriksel dirençlerdir. Transducer: Bir sinyali istenilen sinyale çeviren etkin devre elemanı. Transduser, elektronikte bir enerji t r n başka bir enerji t r ne çeviren aygıttır.

72 Reading Text What is the difference between an AC motor and a DC motor? / July 29, 2011 Q&A While both A.C. and D.C. motors serve the same function of converting electrical energy into mechanical energy, they are powered, constructed and controlled differently. 1 The most basic difference is the power source. A.C. motors are powered from alternating current (A.C.) while D.C. motors are powered from direct current (D.C.), such as batteries, D.C. power supplies or an AC-to-DC power converter. D.C wound field motors are constructed with brushes and a commutator, which add to the maintenance, limit the speed and usually reduce the life expectancy of brushed D.C. motors. A.C. induction motors do not use brushes; they are very rugged and have long life expectancies. The final basic difference is speed control. The speed of a D.C. motor is controlled by varying the armature winding s current while the speed of an A.C. motor is controlled by varying the frequency, which is commonly done with an adjustable frequency drive control. 2 1.Saeed Niku. Introduction to Robotics: Analysis, Control, Applications. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., Page Robert S. Carrow. Electrician s technical reference: Variable frequency drives. Delmar Thomson Learning, Page 45 Published by Ohio Electric Motors: