MOTORLAR-5 HAFTA GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ Yrd.Doç.Dr. Alp Tekin ERGENÇ
GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ Gerçek motor çevrimi standart hava (teorik) çevriminden farklı olarak emme, sıkıştırma,tutuşma ve yanma, genişleme ve egzoz olmak üzere beş süreçten oluşan açık çevrimdir. Bu nedenle gerçek motor çevrim iş alanın ile standart hava (teorik) çevrim iş alanı arasında bir fark oluşmaktadır. Teorik çevrimden farklı olarak piston ÜÖN dan AÖN ya giderken silindir içersinde oluşan alt basıncın etkisi ile dış ortamdan silindire taze dolgu emilir. Piston hızının yüksek ve emme supabı dolgu geçiş alanın dar olması nedeni ile ve emme sisteminde oluşan basınç kayıpları, emme basıncını dış ortam basıncın altına düşürür.
GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ P1 = (0,85 0,95) Po -Burada; P1 - Emme sonu basıncı,p 0 - Dış ortam basıncıdır Ayni şekilde egzoz supabı kesit alanı ve egzoz sistemin direncin etkisi ile yanmış gazların dış ortama atılması daha yüksek basınçta olur. Pr = (1,03 1,15) Po -Burada; Pr - Egzoz (yanmış) gaz basıncıdır. Yüksek basınç ve sıcaklıktaki yanmış gazların bir kısmı yanma odasında kalır ve emilmekte olan taze dolgu ile karışması sonucunda taze dolgunun ısınmasına neden olurlar. Artan taze dolgu sıcaklığı sonucunda kütlesel olarak silindirlere girebilen taze dolgu miktarı azalır. Görüldüğü gibi emme ve egzoz süreçleri esnasında oluşan olayların neden olduğu enerji kaybı sonucunda çevrim iş alanında Lo kadar bir iş kaybı meydana gelmektedir.
GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ Sıkıştırma ve genişleme süreçleri, çevrimin tersinir olmaması ve gaz ile silindir cidarları arasında çevrim boyunca oluşan karşılıklı ısı iletimin sonucunda izentropik olarak gerçekleşememektedirler. Sıkıştırma sürecin başlarında cidarlardan gaza doğru olan ısı iletimi ve genişleme sürecin başlarında devam etmekte olan yanmanın etkisi ile çevrim iş alanında mavi ile taranmış olan alan kadar bir iş kazancı meydana gelmektedir. Daha sonra ise sıkıştırma sürecinde ısı iletimin gazdan cidara doğru olacak şekilde yön değiştirmesi ile ÜÖN dan önce yanmanın başlamış olması ve genişleme sürecin başlarındaki yanma yoğunluğun azalması ve yüksek sıcaklıktaki gazlardan silindir cidarlarına doğru olan ısı iletimin etkisinin artması ile çevrim iş alanında kırmızı ile taranmış alan kadar iş kaybı meydana gelir.
GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ Standart hava çevriminde yanma yerine sabit hacimde ve sabit basınçta gerçekleşebilen ısı sokumu kullanılarak sisteme ısı verilmektedir. Gerçek motorlarda ise sistemin ısı artışı yanma sonucunda olmaktadır. Yanmanın sabit basınçta ve sabit basınçta tam olarak gerçekleşememesi sonucunda faydalı iş alanında bir kayıp meydana gelmektedir. Standart hava çevrimi sistemden sabit hacimde ısı çekerek tamamlanır.gerçek motor çevriminde ise çekilmesi sıcak yanmış gazların dış ortama atılması ile gerçekleşir. Bu gazların sabit hacimde ve sonsuz hızda dış ortama atılması olanaksız olduğundan faydalı iş alanında bir kayıp meydana gelir. Yukarda söz edilen nedenlerden dolayı standart hava (teorik) çevrimin termik verimi (ηt) ile gerçek motor verimi arasında bir fark vardır. Gerçek motor çevrim verimine indike verim (ηi ) denir ve bu verim teorik çevrim veriminden daha küçüktür
GERÇEK MOTOR ÇEVRİMİ ηi= ηt*ηg ηg ye organik verim veya motorun iyilik derecesi denir. Bu verim gerçek motor çevrim veriminin teorik çevrim verimine ne oranda yaklaştığımızı gösterir. Dört stroklu motorlarda birinci strok emme strokudur ve bu strokta silindire taze dolgu dolar. Emme sürecin büyük bir kısmı bu strokta gerçeklenir. Emme sürecini 220 280derece krank açısı kadar bir sürede tamamlanırken emme stroku ise 180 derece krank açısıdır. Emme süreci emme strokundan daha uzundur, çünkü emme süreci egzoz strokun sonlarında emme supabın açılması ile başlar ve sıkıştırma strokun başlarında emme supabın kapanması ile sona erer. Emme süreci termik, hidromekanik ve motor konstrüksiyonu gibi faktörlere bağlıdır. Motorun diğer parametrelerin ayni kalmak şartı ile, silindir içersinde bulunan taze dolgu yanabilecek yakıt miktarını ve bunun sonucunda silindirden elde edilecek olan işi belirlemiş olur.
Motor gücünü artırmak için silindirlere mümkün olan maksimum miktardaki taze dolgu emilmelidir. Silindirlerin doldurma miktarı volumetrik verim veya doldurma katsayısı ile tanımlanır. ηvol - volümetrik verim L ger - emme esnasında silindir içersine gerçekte emilen taze dolgu miktarı Lo - normal şartlarda emilebilecek maksimum taze dolgu miktarı Emme süreci egzoz sürecinden sonra meydana gelir ve belirli miktarda egzoz gazı sıkıştırma hacminde kalır. Bu gaza art gaz denir ve basıncı ve sıcaklığı dış ortama atılmakta olan yanmış gazların basıncına (P r ) ve sıcaklığına (T r )eşittir. Egzoz supap açıklığı ile egzoz sistemin hidrodinamik dirençleri sonucunda egzoz gazların dış ortama atılma basınçları Pr dış ortam Po dan büyük olur. Piston ÜÖN dan AÖN ya doğru giderken taze dolgunun emilebilmesi için ilk önce art gazın basıncı dış ortam basıncının altına düşmeli. Emme strokun bir kısmı art gazın genleşmesi için kullanıldığımdan, taze dolgunun emilebileceği hacim azalır.
Taze dolgu silindire emilirken, emme sistemin en dar kesitinde oluşan hız U1 = (40 130)m/s mertebelerindedir. Bu oldukça yüksek hızların etkisi ile emme supabı kesiti ve emme sisteminde önemli hidrodinamik dirençlerin oluşmasına neden olur ve bu bölgelerde ile silindirde basınç düşer.bu basınç kaybın etkisi ile emme sonu taze dolgu basıncı P1 olur.
Bu iki nokta arasındaki akış için Bernouli denklemi; Burada; ξ - emme sistemin hidrodinamik basınç kayıp katsayısı
Silindir içinde taze dolgunun eksenel hızı piston ortalama hızına eşit olduğunu kabul edilmesi halinde iki noktadaki akış için süreklilik denklemi;
Görüldüğü gibi, emme sonu oluşan silindir iç basıncı motor devir sayısının karesi ile doğru orantılıdır, supap kesit alanın karesi ile ters orantılıdır. Emme sistemin hidrodinamik basınç kayıp katsayısının (ξ ) etkisi motorun dizel veya Otto olmasına bağlı olarak farklı olur. Dizel motorlarında güç silindire püskürtülen yakıt miktarı ile ayarlanır ve inşa edilmiş belirli bir motor için hidrodinamik basınç kayıp katsayısı (ξ ) sabittir ve motor işletme şartına bağlı değildir.
Bu tip motorlarda emme sonu basınç değişimi sadece motor devir sayısının fonksiyonudur. Otto motorlarında güç kontrolü için gaz kelebeğin konumuna bağlı olarak emme manifoldun kesitinin değişimi sonucunda hidrodinamik basınç kayıp katsayısı (ξ ) değişir. Bu nedenle kıvılcım ateşlemeli motorlarda emme sonu basınç değişimi motor devir sayısı ve motor yükün ( gaz kelebeği açıklığı) fonksiyonudur.
Emme esnasında emilen taze dolgunun sıcaklığı değişir. T0 sıcaklığındaki taze dolgu önceki çevrimden kalan ve daha yüksek Tr sıcaklığında olan nr mol sayısındaki egzoz gazları ile karışarak sıcaklığı artar. Ayni zamanda taze dolgunun silindir kafası, piston yüzü,silindir cidarları ve supaplar gibi sıcak motor yüzeyleri ile temasta olduğundan sıcaklığı biraz daha yükselir. Bu nedenlerden dolayı emme sonu taze dolgu sıcaklığı T1 > T 0 olur. Sıcaklık artışları motor tipine göre değişmekle beraber ortalama (10 40) C mertebesindedir. Emme sürecinde supap kesitin ve emme manifoldun hidrodinamik basınç kaybının etkisi ile silindir içersindeki basınç dış ortam basıncının altına düşer. Basıncın düşmesi ve sıcaklığın artması sonucunda taze dolgunun özgül kütlesi ρ düşer ve emme sonunda ρ 1 < ρ 0 olur. Bunun sonucunda da silindirin strok hacminde (VH ) bulunması gereken taze dolgu miktarından daha az dolgu girer.
Emme sonunda piston AÖN da iken silindirde bulunan taze dolgunun mol sayısı ;
Genel gaz kanununa göre
Denklemde çıkartmak için ve ηvol birbirinin fonksiyonu olmaktan yı yeniden tanımlayalım;
1 noktasında yani emme sonu durumun ısı denge hali için aşağıdaki denklem yazılabilir; Bu denklemde ΔT taze dolgunun emiş esnasında taze dolgunun sıcaklığındaki değişimi göstermektedir. Bu sıcaklık farkın artması halinde taze dolgunun özgül kütlesi azalır ve bu nedenle volümetrik verim azalır.
ΔTısıtrf - Silindirin sıcak yüzeyleri ( Silindir cidarı, silindir kafası, piston yüzü ve egzoz supabı gibi) ile taze dolgu arasındaki ısı transferinden kaynaklanan sıcaklık farkıdır. ΔTbuh - Yakıtın çekmiş olduğu buharlaşma ısısı sonucu taze dolguda meydana gelen sıcaklık farkıdır. Dizel motorları için ΔTbuh = 0 olur. ΔTısıtrf nin oluşmasına motor yükü, motor devir sayısı ve motorun soğutma durumu etkili olmaktadır. Motor yükü artığı zaman ortalama motor sıcaklıkları artığından taze dolguya olan ısı transferi artar.
Motor devir sayısının artması sonucunda, birim zamanda gerçekleşen iş çevrim sayısının artımına bağlı olarak silindir cidar sıcaklıkların artması beklenebilir, fakat ayni zamanda sıcak gazların silindirde toplam kalma süreleri azalacağı için yani ısı transferi için ayrılan süre daha az olacağından silindir cidar sıcaklıkların azalması da beklenebilir, veya bu iki olayın ortak etkisine bağlı olarak silindir cidar sıcaklıkları hiç değişmeyebilir. Isı transferi hesaplamalar için gerekli olan ortalama cidar sıcaklıkları ortalama ısı transfer katsayısının ve silindire giren yakıtın buharlaşan kısmının belirlenmesindeki belirsizlikler ve emme süresince ısı transfer alanının sürekli değişmesi ΔT nin hesabını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle bu değerler deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlara görekullanılırlar. Kullanılabilecek değerler aşağıda verilmiştir.
Aşırı doldurma durumunda T0 sıcaklığı yerine kompresör çıkış sıcaklığı Tkom kullanılmalıdır. Deneysel sonuçlara göre T1 için geçerli değerler aşağıda verilmiştir;
Volumetrik Verim Sıvılaştırılmış gaz yakıtları ile çalışan motorların 1 kmol gaz için ısı denge aşağıdaki gibi yazılır:
Volumetrik Verim ϕ1= 1,02 1,07 dört stroklu motorlar için. Taze dolgu ile yanmış gazın molekülar ısınma ısılar arasındaki farkı belirlemek için ϕ katsayısı kullanılır. Hava fazlalık katsayısının fonksyonu olarak ϕ nin aldığı değerler aşağıda verilmiştir. λ = 0,8 ϕ = 1,13 λ = 1,0 ϕ = 1,17 λ = 1,2 ϕ = 1,14 λ = (1,4 1,8) ϕ = 1,10
Volumetrik Verim Emme supabı piston AÖN dan ÜÖN ya doğru giderken gecikme ile kapanır. Bu süre içersinde taze dolgu silindire girmeye devam eder. Bu sürede fazladan giren taze dolgu volümetrik verimin artmasına neden olur ve bu artış volümetrik verim formülünde ϕ1 ( ek doldurma katsayısı) ile gösterilir. Burada; ne - silindire emilen toplam taze dolgunun mol sayısı n e1 - silindire 1 noktasına kadar ( Piston AÖN ya gelinceye kadar) emilen taze dolgunun mol sayısı.
Volumetrik Verim Buna göre volümetrik verim formülü: denklem 2 elde edilir. 1 nolu denklem ve 2 nolu denklemlerin sağ tarafların eşitliğinden;
Volumetrik Verim 1 ve 3 nolu denklemlerin sol tarafları eşit olduğuna göre
Volumetrik Verim Emme ve egzoz supapları ÜÖN bölgesinde ayni anda açık kalmaları halinde önceki çevrimden kalan art gaz miktarı daha az olmaktadır. Bu nedenle Vr < V 2 olmaktadır. Sıkıştırma hacmi ile art gazın işgal etmiş olduğu hacimler arasındaki eşitsizliği dikkate almak için ϕ 2 süpürme katsayısı kullanılır.
Volumetrik Verim olur ve buna ideal volümetrik verim denir.