MOTOR PERFORMANSI Prof Dr. Selim Çetinkaya 1
Geometrik özellikler ÜÖN daki silindir hacmi V c Herhangi bir krank açısında pistonun üstündeki hacim: 2 D Vs Vc s 4 2 2 s = r (1 - Cos q) + L (1 - ) l r/l 1- l Sin q Strok hacmi: 2 D Vh H 4 Sıkıştırma oranı: r c V V t c Vh V V c h 2
Geometrik özellikler Strok/çap oranı: Motor boyutlarına en çok etki eden faktör, piston strokunun (kursunun) silindir çapına oranıdır ve kısaca strok/çap oranı olarak ifade edilmektedir. H X D Kısa strok daha az sürtünme demektir. Kısa strok yataklara gelen atalet ve santrifüj yüklerini de azaltır. Kısa strok uygulamasının bir başka avantajı da motor yüksekliğinin azaltılmasıdır. Bu oranın seçim isabeti, amaçlanan hizmete uygun motor boyutlarının elde edilmesinde son derece önemlidir. 3
Geometrik özellikler Strok/çap oranları (X): Dört zamanlı benzin motorlarında 0,6-1,1 Dört zamanlı kamyon diesel motorlarında 0,9-1,2 Dört zamanlı orta hızlı diesel motorlarında 1,2-1,4 İki zamanlı düşük hızlı diesel motorlarında1,8-2,2 4
Geometrik özellikler Ortalama ve anlık piston hızları: c c m m 2Hn Hn 30 H = m; n = 1/min; c m = m/s c r(sinq l 2 Sin2q) Standard otomobil motorlarının ortalama piston hızları esas olarak malzeme dayanımına bağımlıdır ve yaklaşık 15 m/s dir. Bu nedenle, uzun stroklu motorlar daha düşük hızlarda, kısa stroklu motorlar ise daha yüksek hızlarda çalışırlar. 5
Geometrik özellikler Ortalama piston hızı, atalet kuvvetleri, yataklara gelen yükler, hacimsel verim, özgül yakıt tüketimi ve motorun ömrüne etki eden bir büyüklüktür. Aşınmaların az, motorun uzun ömürlü ve özgül yakıt tüketiminin düşük olması için, ortalama piston hızının düşük olması arzu edilmektedir (5-6 m/s kadar). Özgül gücün yükseltilmesi ise, daha yüksek ortalama piston hızlarıyla sağlanmaktadır. Ortalama piston hızları (c m ): Benzin motorlarında 10-17 m/s Orta hızlı diesel motorlarında 10-11 m/s İki zamanlı diesel motorlarında 6-7 m/s 6
İndike ortalama basınç İndike ortalama basınç (P mi ), silindir içerisinde çevrim süresince değişen basınçların ortalamasıdır ve motorla ilgili hesaplamalarda kullanılan bir büyüklüktür. İndike ortalama basıncın hesaplanmasında indikatör diyagramlarından yararlanılabilir. A P mi L m AW A: Diyagram alanı, mm 2 L: Diyagram genişliği, mm, m: İndikatör katsayısı, mm/kpa hp mi LV h 7
Fren ortalama efektif basıncı Motor boyutlarına çok etki eden diğer bir faktör de, fren ortalama efektif basıncıdır. Fren ortalama efektif basıncı (P me ) de, tıpkı indike ortalama basınç (P mi ) gibi, motorla ilgili hesaplamalarda kullanılan bir büyüklüktür: P me = P mi. m Fren ortalama efektif basıncı motor üzerinden doğrudan ölçülemez. Ancak şöyle hesaplanabilir: P me 60 P V H e n f P me : Fren ortalama efektif basıncı, kpa P e : efektif fren gücü, kw n : motor hızı, 1/min f: her bir krank dönüşündeki çevrim sayısı = 4 zamanlılarda 0,5 = 2 zamanlılarda 1 8
Fren ortalama efektif basıncı Fren ortalama efektif basıncının belirlenmesinde şu eşitlikten de yararlanılabilir: P me = t p m v H mix a 0 t : teorik termik verim, p : iyilik derecesi, m : mekanik verim, v : hacimsel verim, H mix : karışımın alt ısıl değeri, kj/m 3, a : motora giren havanın yoğunluğu, kg/m 3, 0 : havanın 1 bar basınçta ve 0 C sıcaklıktaki yoğunluğu, kg/m 3 9
Fren ortalama efektif basıncı İyi tasarlanmış motorlarda tam gazdaki maksimum fren ortalama efektif basınçları (P me ): Dört zamanlı motorlarda: Buji ile ateşlemeli : 850-1050 kpa Sıkıştırma ile ateşlemeli: 700-900 kpa Türboşarjlı sıkıştırma ile ateşlemeli: 1250-1700 kpa Türboşarjlı buji ile ateşlemeli: 1000-1200 kpa İki zamanlı motorlarda: Standard sıkıştırma ile ateşlemelilerde dört zamanlılarla eş değerde Büyük düşük devirli sıkıştırma ile ateşlemeli: 1600 kpa Not: Anma (maksimum) fren gücündeki P me ler %10 - %15 daha azdır. 10
Fren ortalama efektif basıncı Maksimum P me tam gazda ve belirli bir motor hızında elde edilmektedir. Gaz kelebeği kısıldıkça P m e azalır. Verilen bir strok hacmi için daha yüksek maksimum P me daha fazla tork demektir. Verilen bir tork için daha yüksek maksimum P me, daha küçük bir motor, motorda daha yüksek gerilmeler ve sıcaklıklar, daha kısa motor ömrü veya daha hantal motor demektir. Aynı P me için 2 zamanlılar, 4 zamanlılara oranla yaklaşık iki kat güç üretirler. 11
Örnek 6 silindirli, 11,67 cm silindir çapında ve 12,00 cm strokunda, çıkış gücü 2200 1/min de 144 kw olan dört zamanlı bir motorun fren ortalama efektif basıncı kaç kpa dır? Çözüm V H P me 2 11,67 12,006 4 1000 120144,0 0,00772200 7,70L 1024kPa 12
Sürtünme ortalama efektif basıncı Önceki eşitlikler uyarlanarak, P mf 120Pf V n H e P mf : sürtünme ortalama efektif basıncı (kpa) 13
Örnek Önceki örnekteki motorun sürtünme gücü 25,4 kw ise, sürtünme ortalama efektif basıncı kaç kpa dır? Çözüm P mf 12025,4 0,0077 2200 180kPa 14
Geometrik özellikler Motorun toplam süpürme (strok) hacmi, D 2 V H z 4 H = V h. z = Toplam silindir hacmi (V T ) ise, bütün silindirlerin silindir hacimlerinin toplamıdır. V T = V t. z Sıkıştırma oranı (), silindir hacminin, yanma odası hacmine oranıdır. Vt = = V c Vh V V c c Sıkıştırma oranları: Diesel motorlarında 16/1... 24/1 Benzin motorlarında 7/1... 10/1 15
İndike güç İndike güç motor silindirlerinde üretilen güçtür. Silindir basınç verilerinden yararlanılarak çevrim boyunca gazlar tarafından pistonun üzerine yapılan iş hesaplanabilir. Bu veriler tipik olarak P-V diyagramından elde edilir. Her bir çevrim için indike iş: PdV P W i P mak s Atm Eg. K ÜÖ N V c A Em.K +w - w V Eg. A Em.K AÖN V Emme W>0 Sıkıştırma W<0 Güç W>0 Egzoz W<0 16 H
İndike güç Brüt indike iş (W i,brüt >0), her bir çevrimdeki sadece sıkıştırma ve genişleme stroklarında piston üzerine yapılan net iştir. Pompalama işi (W p <0), emme ve egzoz strokları boyunca gazlar üzerine yapılan net iştir. Net indike iş, her bir çevrimde tüm strokların birlikte verdiği iştir: W i,net = W i,brüt W p 17
İndike güç İndike güç: P i Wnf i (kj çevrim)(devir s)(çevrim / devir) kw Motor boyutları (V H ), sıkıştırma oranı () ve motor hızı (n) arttıkça güç artar. 18
İndike güç İndike motor gücü P i P mi V H 60 n f P mi : indike ortalama basınç, kpa V H : toplam strok hacmi, m 3 n : devir sayısı, 1/min f : bir silindirde bir devirdeki çevrim sayısı, (dört zamanlı motorlarda 0,5, iki zamanlı motorlarda 1) Dört zamanlı motorlarda P i PmiVHn 120 19
Örnek Strok hacmi 7,70 litre olan önceki problemdeki motor, 2200 1/min ve P mi = 1200 kpa ile çalışırken indike gücü kaç kw tır? Çözüm P i 1200 7,702200 120000 169,4kW 20
Efektif tork Efektif tork (fren torku), motor tarafından üretilen ve bir dinamometre ile çıkış milinden ölçülen kullanılabilir torktur. Stator Rotor R Kuvvet F N load cell Motorun döndürme kuvveti: F T Motor torku M e : Bir devirde yol= 2 r 2 Bir devirde iş: F T 2 r 2 n min -1 deki iş: F T 2 r 2 n Saniyedeki iş (güç): F.2r 60 T 2 Pe n birimi : W Me F T.r 2 P M e.n 9549 FR birimi :kw birimi :Nm Yerine yazarak sadeleştirilir ve kw a dönüştürülürse; e J
Efektif tork Önceki iki eşitliklerden, efektif fren torku: M e VHP 4 me Not: Yukarıdaki eşitlik dört zamanlı motorlar içindir. İki zamanlı motorlar için payda 2 olmalıdır. 22
Tork ve güç n hızında dönen bir motorun ürettiği ve dinamometre tarafından absorbe edilen güç P e : P e M e (2 n) M birimi : rad devir devir s (Nm) Watt : milin açısal hızı, rad/s 23
Tork ve güç İlk zamanlardaki motor geliştirme çalışmalarında volandaki motor gücünün belirlenmesinde prony freni kullanıldığından, ölçülen güce fren gücü denmiştir. P e 2Men 60000 e Mene 9549 P e : efektif güç (fren gücü) (kw) M e : volandaki tork (Nm) 24
Efektif güç Fren gücü (efektif güç), çıkış milinden ölçülen ve motor tarafından üretilen kullanılabilir güçtür. Fren gücü, mekanik sürtünme ve parazit yükler nedeniyle (yağ pompası, klima kompresörü, vb.) silindirlerde gazlar tarafından üretilen güçten daha azdır. P e P me V H 60 n f Dört zamanlı motorlarda: P e P me VH 120 n 25
Laboratuar motor test sistemi T 9 T 10 Intercooler Motor T 2 Dinamometre Hava/su girişi Şaft T 8 T 11 Egzoz manifoldu T 4 T 3 T 1 Hava girişi T 12 T 6 Şehir suyu T 7 Türboşarjör T 13 T 13 Isı eşanjörü T 5 Katalitik konvertör Katalitik konvertör çıkışında egzoz T 14 T 13 Su çıkışı 26
Efektif güç Efektif motor gücü P e, laboratuarlarda ve standardlarla tanımlanmış koşullar altında, dinamometre denilen cihazlarla ölçülmektedir. Bu standardlardan bazıları şunlardır: TS Türk Standardı EN European Norm ISO International Standardization Organization DIN Deutsche Industrie Norm (Alman Endüstri Standardı), SAE Society of Automotive Engineers BS British Standards CUNA Comissione tecnica di Unificiazione Nell Automobile (Otomobil teknik Standardlar Birliği) JIS Japanese Industrial Standards AFNOR Association Française de Normalisation 27
Örnek Önceki örnekten devamla, volandaki fren torku 625 Nm ise, fren gücü kaç kw tır? Çözüm P e 625 2200 9549 144,0kW 28
Sürtünme gücü İndike motor gücü (P i ) ile efektif motor gücü (P e ) arasındaki fark, sürtünme (kayıp) gücü (P f ) olarak adlandırılmaktadır. P f = P i P e Sürtünme gücü; segmanlar, yataklar ve motorun iş yapan diğer elemanlarındaki sürtünmelere bağlı kayıp güç ile yakıt pompası, su pompası, yağ pompası, soğutma vantilatörü, alternatör ve klima kompresörünü çalıştırmak üzere harcanan gücün toplamıdır. 29
Örnek Önceki örnekteki motorun, sürtünme gücü kaç kw tır? Çözüm P f 169,4-144,0 25,4kW 30
Litre gücü Litre gücü, efektif motor gücünün, motorun toplam strok hacmine oranıdır. Pe PL V H Büyük litre gücü, daha küçük boyutlu motor fakat daha fazla güç demektir. Otomotiv motorlarının litre gücü değerleri: Kamyon diesel motorlarında 13-19 kw/l Otomobil diesel motorlarında 20-25 kw/l Otomobil benzin motorlarında 30-48 kw/l Motosiklet motorlarında (iki veya dört zamanlı) 20-25 kw/l 31
Güç ağırlığı (veya kütlesi) Güç ağırlığı (G P ), motorun ağırlığının (G, kg olarak), motorun efektif gücüne (Pe) oranıdır. G P G P e Küçük güç ağırlığı, genellikle motorun devir sayısının artırılmasıyla sağlanmaktadır. Otomotiv motorlarının güç ağırlığı değerleri: Kamyon diesel motorlarında 4-5,5 kg/kw Otomobil benzin motorlarında 2 kg/kw 32
İyilik derecesi İyilik derecesi ( p ), motorun indike gücünün teorik çevrim gücüne (kusursuz makinenin gücüne) oranıdır. p Pi P t = i t İyilik derecesinin yükselmesi, motorun mükemmele yaklaşmasının bir göstergesidir. İyilik derecesi: Otomotiv benzin motorlarında 0,4-0,7 Otomotiv diesel motorlarında 0,6-0,8 33
Yakıtın verdiği ısı (yakıt eşdeğeri güç). Q f P fe mfhu 3600 P fe : Yakıt eşdeğeri güç (kw) m f : Yakıtın kütlesel debisi (kg/h) H u : Yakıtın yalın ısıl değeri (kj/kg) 34
Örnek 2 no lu diesel yakıtından saatte 35,7 litre tüketen bir motorun P fe gücü nedir? (2 no lu diesel için H u = 45,000 kj/kg) Çözüm P fe qffh 3600 u P fe 35,7 0,840 45000 3600 375kW q f : yakıt tüketimi (L/h) f : yakıtın yoğunluğu (kg/l) 35
Yanma verimi Silindirdeki yanma için süre için çok kısa olduğundan yakıtın tamamı yakılamaz veya bölgesel sıcaklıklar yanmaya yeterince yardımcı olamaz. Yakıtın küçük bir yüzdesi yanamaz ve egzoz gazlarıyla atılır. Yanma verimi şöyle tanımlanır: verilen gerçek isi Qin Q in c verilen teorik isi m H m H Q in : yanma ile her bir çevrimde verilen ısı m f : silindire her bir çevrimde verilen yakıt kütlesi H u : yakıtın alt ısıl değeri (her bir birim kütle için kimyasal enerji ) f u f u 36
Isıl verim Isıl verim şöyle tanımlanır: t bir bir çevrimde is çevrimde verilen isi W Q in c W m f H u veya t alinan güç verilen isi W Q in c W m f H u Isıl verimler fren veya indike değerlerle de verilebilir. İndike ısıl verimler %50 - %60 ve fren ısıl verimleri genellikle %30 kadardır. 37
İndike ısıl verim Bir motorun indike verimi ( i ), motorun indike gücünün (P i ), birim zamanda motora yakıtla verilen ısıya (B. H u ) oranıdır. i 3600Pi B H u Ayrıca; i = t. p eşitliği de kullanılabilir. 38
Efektif ısıl verim Bir motorun efektif verimi ( e ), motorun efektif gücünün (P e ), birim zamanda motora yakıtla verilen ısıya (B. H u ) oranıdır. e 3600P B H Efektif verim ayrıca; e = t. p. m = i. m eşitlikleriyle de hesaplanabilir. u e Efektif verimler, en iyi koşullarda: Otomotiv benzin motorlarında 0,25... 0,30, Otomotiv diesel motorlarında 0,30... 0,45, Boşta çalışma sırasında ise 0,0 39
Mekanik verim Silindirde üretilen gücün bir kısmı motor sürtünmelerinin karşılanmasına ve gazların motora ve motordan pompalanmasına harcanmaktadır. Bir motorun mekanik verimi ( m ), motorun efektif gücünün (P e ), indike gücüne (P i ), oranıdır. m P P e i 40
Mekanik verim Mekanik verim, gaz kelebeği konumuna, motor tasarımına ve motor hızına bağımlıdır. Otomobil motorları için tam gazdaki tipik değerler: 2000 1/min de % 90 ve maksimum hızda % 75. Motorların mekanik verimleri genel olarak % 80 dolayındadır. Gazı kısma pompalama işini artırdığından fren gücü azalır. Bu nedenle mekanik verim azalarak ve rölantide sıfıra yaklaşır. 41
Örnek Önceki örnekteki motorun indike, mekanik ve fren ısıl verimleri ne kadardır? Çözüm i m e 169,4 375,0 144,0 169,4 144,0 375,0 0,452 0,850 0,384 42
Hacimsel verim Kısa çevrim süreleri ve akış kısıtlamalarına bağımlı olarak, silindirlere ideal miktardan daha az hava girer. Hacimsel verim ( v ), silindire alınan gerçek karışım kütlesinin (m act ), silindire alınması gereken teorik karışım kütlesine (m teo ) oranıdır: mact v m v teo. 2m V a act H n m act = s. V h m teo = a. V h olduğundan; v s a T P a T P s s a s : silindirdeki dolgu yoğunluğu, kg/m 3 a : dış ortamdaki havanın yoğunluğu, kg/m 3 T s : silindirdeki dolgu sıcaklığı, K T a : dış ortamdaki havanın sıcaklığı, K P s : silindirdeki dolgu basıncı, bar P a : dış ortamdaki havanın basıncı, bar 43
Hacimsel verim Standard koşullardaki hacimsel verim ile ölçülen herhangi bir koşul arasındaki farkı belirlemede kullanılan düzeltme katsayısı ise; K v vs va T T s a Tam gazdaki tipik hacimsel verimler ( v ): Dört zamanlı motorlarda 0,7-0,9 İki zamanlı karterden süpürmeli motorlarda 0,5-0,7 44
Hava/yakıt oranı Uygun bir yanma için, silindirlere bağıl miktarlarda hava ve yakıt alınmalıdır. Hava/yakıt oranı şöyle tanımlanır: A /F m m a f m m a f İdeal A/F 15/1 kadardır, 6/1 19/1 aralığında yanma mümkündür. Buji ile ateşlemeli motorlarda A/F, çalışma koşullarına bağlı olarak 12/1 18/1 aralığındadır. Sıkıştırma ile ateşlemeli motorlarda karışım oldukça heterojendir ve A/F, 18/1 70/1 aralığındadır. Air/fuel ratio limits 6.0:1 9.0:1 11.5:1 12.5:1 13.2:1 14.7:1 15.5:1 16.2:1 18-22:1 Rich run limit Low power, black smoke Rich best torque at WOT Safe best power at WOT Lean best torque at WOT Chemically ideal Lean light load, part throttle Best economy, part throttle Lean run limit 45
Özgül yakıt tüketimi Taşıtların yakıt ekonomileri için genellikle km/l, mpg, veya L/100 km ifadeleri kullanılmaktadır. Motor testlerinde yakıt tüketimi L/h veya kg/h olarak ölçülür. Bu ifadede motor yükü dikkate alınmaz. Yakıt tüketiminin daha iyi bir ifadesi ise özgül yakıt tüketimidir. Özgül yakıt tüketimi, b e (sfc), motora sağlanan yakıtın ne derece verimli kullanıldığının bir göstergesidir. B m f be be Pe Pe Efektif ısıl verim eşitliği B için düzenlenip, yerine yazılırsa; b e 3600 H e u Özgül yakıt tüketimleri: Benzin motorlarında Diesel motorlarında 0,345-0,285 kg/kwh 0,285-0,190 kg/kwh 46
Özgül yakıt tüketimi Özgül yakıt tüketimi çeşitleri: b i : indike özgül yakıt tüketimi b e : fren özgül yakıt tüketimi b p : kuyruk mili (PTO) özgül yakıt tüketimi b d : çeki demiri (drawbar) özgül yakıt tüketimi 47
Örnek Önceki örnekteki motorun indike ve fren özgül yakıt tüketimleri ne kadardır? Çözüm b i b e 35,7L /h 169,4kW 35,7L /h 144,0kW 0,211L / kwh 0,248L /kwh 48
Fren özgül yakıt tüketimi motor hacmi ilişkisi Büyük motorların özgül yakıt tüketimleri b e, gazlardan silindir duvarlarına olan ısı kayıplarının azalmasına bağlı olarak azalmaktadır. Not: Silindir çapı arttıkça silindir yüzey/hacim oranı artar. silindir yüzey alanı 2rL 1 2 silindir hacmi r L r 49
Fren özgül yakıt tüketimi motor hacmi ilişkisi Özgül yakıt tüketimi belirli bir motor hızında minimumdur. Artan sürtünme ve azalan fren gücüne bağımlı olarak, yüksek hızlarda b e artar. Artan süre için gazlardan silindir ve piston duvarlarına ısı kayıplarına, dolaysıyla azalan indike güce bağımlı olarak, düşük hızlarda b e artar. Sıkıştırma oranı arttıkça daha yüksek ısıl verime bağımlı olarak b e azalır. 50
Karışımın ısıl değeri Karışımın ısıl değeri (H mix ), 1 m 3 norm hava - yakıt karışımının ısıl değeridir. H mix H a / f u teo l a 0 (l a 1 için) H mix H u a / f teo 0 (l a 1 için) H mix : Karışımın ısıl değeri, kj/m 3, H u : Yakıtın alt ısıl değeri ( 42 000 kj/kg), a/f teo : Teorik hava/yakıt ağırlık oranı ( 14,8/1) 0 : Atmosferik kuru havanın 0 C (273 K) deki yoğunluğu, ( 0 = 1,293 kg/m 3 ) l a : Hava fazlalık katsayısı 51
Bir motorun ısı balansı Motorda kullanılan yakıtın verdiği enerjiye oranla, kayıp enerjiler ve motor çıkışından alınan faydalı enerjinin değerlendirilmesinde "ısı balansı ndan yararlanılmaktadır. Isı balansı, yanma odasında sağlanan enerjinin, daha sonra nerelere gittiğinin belirlenmesidir. Başta gelen ısı kayıpları; egzoz, soğutma ve sürtünme yoluyla dışarıya atılanlardır. Ayrıca, radyasyon ve değerlendirilemeyen diğer kayıplar da kazanılmış enerjide bir miktar azalma meydana getirmektedir. Güç olarak elde edilebilen ısı % 24 Sürtünmeye kaybedilen ısı % 4 Egzozla kaybedilen ısı % 40 Soğutma ile kaybedilen ısı % 28 Radyasyonla kaybedilen ısı % 4 Toplam %100 52
Motor dinamometresi 53
Motor dinamometresi 54
Engine Torque Vs. Dyno Torque System operates where load (dyno) torque equals that of the Engine By varying the engine throttle and load we can test any point under the engines max torque curve 55
Yol yükü gücü Taşıt motorlarını test etmek için gerekli kısmi yük güç seviyesi, bir taşıtı düz yolda ve sabit hızda sürmek için gerekli güçtür. Yol yükü gücü P r, taşıtın yuvarlanma direnci ve aerodinamik direncini karşılamak için gerekli motor gücüdür. P r (f ro m g v 1 2 a C D A v v 2 v ) v v f ro : yuvarlanma direnci katsayısı (0,012 0,015) m v : taşıtın kütlesi g : yer çekimi ivmesi a : ortam hava yoğunluğu C D : hava direnci katsayısı (otomobillerde için: 0,3 0,5) A v : taşıtın ön izdüşüm alanı v v : taşıt hızı 56
57