motor hesabı

4.1 ÖNEMLİ MOTOR KARAKTERİSTİKLERİ

retici firmalar tarafından verilen motor performans değerleri genellikle normal servis

şartlarında ekonomik yakıt sarfiyatı, güvenirlik ve sağlamlık sağlayan maksimum

gücü gösterirler. Maksimum moment ve ulaşılabilen maksimum devir değerleri de

aynı sekil de verilir. Bu değerler silindir hacmine bağlı olduğu için farklı silindir

hacmine sahip aynı kategorilerdeki motorlar arasında mukayese yapmak açısından oldukça

faydalıdır. Bu bölümde, motorun çalışmasını karakterize etmek için yaygın olarak kullanılan

geometrik bağıntı ve parametreler verilecektir. Bir motorun performansı aşağıdaki kriterlerle

hassas olarak belirlenebilir:

En çok kullanılan motor çalışma aralıkları içerisinde her bir hız kademesinde verdiği

maksimum güç (veya maksimum tork).

Motorun emniyetli olarak çalışabileceği güç ve devir aralığı.

Motorun emniyetli olarak çalışabileceği üst limitlerin tespiti açısından aşağıdaki tanımlar

önemlidir. bunlar:

Maksimum anma gücü : Motorun belirli bir süre için çalışmasına müsaade edilen

üretebileceği en üst güç sınırı.

Normal anma gücü : Motorun sürekli çalışması durumunda üretebileceği en üst güç

sınırı.

Nominal devir : Motordan yukarıda tanımı verilen güçlerin elde edildiği devir.

Ü

BÖLÜM 4

4.2 GEOMETRİK ÖZELLİKLER

Aşağıdaki parametreler motorun temel geometrilerini tanımlamaktadır.

Sıkıştırma oranı :

=c

h

c

ch

V

V

V

VV

hacmi silindirminimum

hacmi silindir Maksimum1 (1)

Vc: Ölü hacim

Vh: Strok hacmi

Silindir çap-strok oranı:

R= L

D (2)

Biyel uzunluğu -krank çap oranı:

=r

l (3)

Şekil 1. silindir,piston biyel ve krank

geometrisi.

İlave olarak, strok ve çap arasında

L = 2r (4)

şeklinde bir ilişki vardır. Yukarıda verilen parametrelerin tipik değerleri: Buji ateşlemeli

motorlarda (BAM) =8-12, dizel motorlarında ise =12-24; küçük ve orta büyüklüklerde

motorlar için D/L=0.8-1.2, çok büyük ağır devirli dizel motorlarında 0.5’e kadar düşmekte;

küçük ve orta büyüklüklerde =3-4, ağır devirli büyük dizel motorlarında ise =5-9

olmaktadır.

s l

r

a

D

L Vc

ÜÖN

AÖN

Herhangi bir krank açısı konumunda ( ) silindir hacmi V:

V= Vc + )( srlD

4

2

(5)

Burada s, krank ve piston pin eksenleri arasındaki uzaklıktır ve krank açısı konumuna bağlı

olarak

s= r.cos +(l2 -r

2 sin

2 )

1/2 (6)

Burada açısı krank açısı olarak ifade edilmektedir. Denklem 4

yukarıdaki tanımlar kullanılarak yeniden düzenlenirse:

])sin(cos)[( 2122

21 111

cV

V (7)

Şekil 2. Hatırlatma

Herhangi bir krank açısı konumunda yanma odası yüzey alanı:

A=Asb +Ap + D (l+r-s) (8)

Burada Asb silindir başlığı yanma odası yüzey alanı,Ap piston yüzey alanı. Düz yüzeyli piston

için

Ap= D2/4 yazılabilir. Denklem (8) denklem (6) kullanılarak yeniden düzenlenirse:

A= Asb +Ap + ])sin(cos[ 21221

2

DL (9)

Önemli bir karakteristikte ortalama piston hızı pS dir:

pS =2Ln (10)

r

l

r sin

s

burada n, motor devridir (devir/s).Ortalama piston hızı, hızın bir fonksiyonu olarak motor

davranışını analiz etmek açısından devir sayısına göre daha anlamlıdır. Örneğin, emme

manifoldunda ve silindir içerisindeki gaz akış hızları daha çok pS ’ye göre formüle edilir.

Yine ısı transferi hesaplarında ısı iletim katsayısının bulunmasında silindir içerisindeki gaz

hızları ortalama piston hızına bağlı olarak verilmektedir. Anlık piston hızı Sp diferansiyel

formda

dt

dsS p (11)

ifade edilir. Piston hızı, strok başlangıcında sıfır, strokun ortalarına doğru maksimum ve strok

sonunda tekrar sıfıra düşer. Denklem 6’ nın diferansiyeli alınıp ortalama piston hızına

oranlanırsa

2122

12 )sin(

cossin

p

p

S

S(12)

Şekil 3’de Sp nin 53.rl için

krank açısına bağlı olarak değişimi

görülmektedir.

Ortalama piston hızı, motor sürtünmesi

ve çalışan aksamların ataletlerinden

kaynaklanan yükleri yenmedeki

başarısının göstergesidir. Bilindiği gibi

motora giren gazların akışına karşı

direncin varlığı veya hareketli

parçaların atalet kuvvetlerinin

oluşturduğu gerilmeler ortalama piston

hızının ulaşabileceği maksimum değeri

8 - 15 m/s arasında sınırlamaktadır.

Otomobil motorlarının atalet kuvvetleri daha küçük olduğu için pS aralığın üst sınırında,

gemi motorları gibi atalet kuvvetleri yüksek motorlarda ise alt sınırlarında seçilmektedir.

53.rl

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 90 180

ÜÖN Krank Açısı, AÖN

P

P

S

S

Şekil 3 Anlık piston hızı/ ortalama piston hızı oranının

Krank açısına göre değişimi ( =3.5 için)

4.3 DÖNDÜRME MOMENTİ VE EFEKTİF GÜÇ

Motor momenti normal olarak bir dinamometre ile ölçülür. Motor mili dinamometre rotoruna

bağlanmıştır. Rotor statora elektro-manyetik, hidrolik veya mekanik sürtünmeli olarak

bağlanır. Statorda sabit gövdeye dönme hareketi yapacak şekilde düşük sürtünmeli yataklarla

bağlanmıştır. Ancak bu hareket rotordaki gibi bir devir yapma hareketi olmayıp eksen

etrafında bağlı bulunduğu kolla kuvvet aktarabilecek kısmi bir açısal dönme hareketidir.

Rotorun dönmesiyle stator üzerinde oluşan moment statoru dengeleyen ağırlıklar, yaylar veya

pnomatik araçlar vasıtasıyla ölçülür.

Motor tarafından oluşturulan döndürme momenti ;

T = F.b (13)

Motor tarafından üretilen güç ve dinamometre tarafından yutulan güç açısal hız ve momentin

çarpımına eşittir.

P = 2πn T (14)

Burada n krank mili devir sayısıdır(devir/s). SI birim sistemine göre formülize edecek olursak

P= 2.π.n(devir/s).T(Nm).10-3

(kW) (15)

Moment motorun iş yapabilme kabiliyetinin ölçüsüdür; güç ise yapılan işin birim zamanda ne

kadar yapılacağını gösterir. Ölçüm neticesinde bulunan güce fren veya efektif güç Pe adı

verilir.

Şekil 1. Dinamometrenin çalışma prensibi

F

b Yük

hücresi

4.4 MEKANİK VERİM

İndike gücün bir kısmı bir motorun egzoz gazlarını dışarı atmak ve emme havasını silindire

almak amacıyla harcanır(pompalama kaybı).Bir kısmı ise yatak, piston ve motorun diğer

mekanik parçalarını sürtünmelerini yenmek ve fan, devri daim pompası gibi parazitik

kayıplara harcanır. İşte yatak piston ve diğer motor mekanik aksamının sürtünmesini yenmek

ve motor aksesuarlarını çalıştırmak için gerekli güce sürtünme gücü Ps denir.Dolayısıyla

Pi = Pe + Ps (16)

şeklinde ifade edilir.Sürtünme gücünü doğru olarak tespit etmek güçtür.Yüksek devirli

motorlar için yaygın olarak kullanılan yöntem motoru bir dinamometre ile döndürmek ve tüm

sürtünmeleri yenmek için dinamometre tarafından harcanması gereken gücün ölçülmesi

esasına dayanmaktadır.Motor devri, gaz kelebek açıklığı , yağ ve su sıcaklıkları ve çevre

şartları teste tabi tutulacak motorun çalışması esnasındaki şartlarla aynı tutulur.Bu metotla

ölçümün tam sağlıklı olmamasının sebebi piston ve segmanlar üzerindeki gaz kuvvetlerinin

test motorunun yanması esnasındaki kuvvetlerden daha az olmasıdır.Aynı şekilde silindir

cidarındaki yağ sıcaklığında test altındaki motorun silindir cidar yağ sıcaklığından düşüktür.

Motor tarafından üretilen efektif gücün indike güce oranı mekanik verimi verir.

i

e

iP

sP

iP

eP

m1 (17)

Burada Pe: Efektif güç, Pi= indike güç, Ps=Sürtünme gücü olarak adlandırılır.Burada

Pi=Pe+Ps olduğu hatırlanmalıdır.

Sürtünme kuvveti gazların silindire alınması ve dışarı atılması esnasındaki gerekli kuvvetleri

içerdiği için mekanik verim motor dizaynı ve motor devrine bağlı olduğu kadar gaz

kelebeğinin konumuna da bağlıdır.Tipik modern otomobil motorlarında gaz kelebeğinin tam

açılması durumunda, 1800-2400 d/d’nın altında mekanik verim % 90 iken maksimum devirde

bu değer % 75 ' e düşer. Rölantide gaz kelebeği tamamen kapatıldığı için mekanik verim

neredeyse sıfıra kadar düşer. Çünkü rölanti esnasında yakıtın tümü motorun sürtünmeleri

yenecek şekilde gönderilir.

4.6 ORTALAMA EFEKTİF BASINÇ

Tork, belirli bir motorun iş yapabilme kabiliyetini önemli bir ölçü kriteri olmakla birlikte,

büyüklüğü motor ölçülerine bağlıdır.Çok daha faydalı izafi motor performans ölçme kriterleri,

çevrimden elde edilen işin strok hacmine bölünmesiyle bulunur. bu şekilde saptanan

parametre birim alana uygulanan kuvvet birimiyle ifade edilir ve ortalama efektif basınç Pme,

olarak adlandırılır.Çevrimin işi

Wç = n

iP . (20)

Burada W= Çevrim işi, P=Güç, n = Motor devri (devir/s) i = Her bir güç stroku için gerekli

krank tur sayısı (i =2 4 stroklu motorlar, i=1/2 iki stroklu motorlar için). Tek bir silindir için

ortalama efektif basınç ise

Pm = nV

iP

h .

. (21a)

SI birimiyle denklemi yeniden yazarsak

Pm (kPa) = )/().(

).(

sdevirndmV

ixkWP

h

3

310 (21b)

Ortalama efektif basınç tüm silindirlerini(k=sinlidir sayısı) ve motorun ana

ölçülerini(strok,H ve silindir çapı,D) içine alacak şekilde genelleştirilirse aşağıdaki şekilde

gösterilir:

Pm = iknAH

P

...

.6000 (21c)

Eğer motorun toplam silindir hacmi dikkate alınıyorsa VH=Vh.k=H.A.k olduğu

hatırlanmalıdır. Burada silindir içerisindeki güç ifadesi alınırsa, ortalama basınç indike

ortalama basınç, çıkış milinden ölçünen güç ile hesaplanırsa efektif ortalama basınç olarak

ifade edilir. Ortalama basınç aynı zamanda tork cinsinden de yazılabilir. Problem

çözümlerinde birim analizine dikkat edilmelidir. Denklem (14 ) kullanılarak denklem (21c)

düzenlenirse

Pm (kPa) = )(

).(...3

286

dmV

mNTi

h

(22)

Dizayn hesaplarında, motorun kaplayacağı hacim yer önemlidir. Dolayısıyla iyi bir motor

dizaynı, istenen güç ve torkun sağlana bilmesi için düşük silindir hacimlerinde bile yüksek

ortalama efektif basınç verebilmelidir. Yada verilen devir aralıklarında istenilen güç ve torkun

elde edilmesi için gerekli silindir hacmi ortalama efektif basınç kabulüyle yapılabilir. Değişik

motor tiplerinde tipik ortalama efektif basınç değerleri aşağıda verilmiştir.

Tablo 4.1 İçten yanmalı motorlara ait tipik maksimum ortalama efektif basınç değerleri

Motor tipi Maksimum ortalama efektif basınç aralığı (kPa)/

elde edildiği devir(dev/dak)

Doğal emişli benzinli motorlar

Maksimum anma gücünde

850-1050/3000

Yukarıdaki değerlerden %10-15 aşağı

Türbo doldurmalı benzin motorlar


1250-1700

900-1400

Doğal emişli dizel motorlar


700-900

700

Türbo doldurmalı dört stroklu dizel motoru

Türbo doldurmalı ara soğutmalı


1000-1200

1400

850

Büyük güçlü düşük devirli 2 stroklu dizel 1600

Yukarıdaki performans parametrelerinin ir motor dizaynına başlarken nasıl kullanıldıklarına

ait bir örnek aşağıda verilmiştir.

Örnek.

3000 d/d civarlarında maksimum 150 N.m tork üretecek dört silindirli bir buji

ateşlemeli bir motor tasarlanacaktır. Motorun strok hacmini, çap, strok ve üretebileceği

maksimum efektif gücü tahmin ediniz.

Çözüm:

Maksimum güç için tablo 1’den Pme= 925 kPa almak uygun olur. Denklem (23), tork

ve Pme arasındaki ilişkiyi vermektedir. Buna göre

V (dm3) =

3dm

.).(.2

925

1502286286 xx

p

mNiTmaks

me

Dört silindirli bir motor için, strok hacmi, çap ve strok arasında

Vd =4x LD2

4

D=L olarak kabul edersek, yukarıdaki bağıntıdan D=L= 86 mm bulunur. Maksimum

anma gücü maksimum ortalama piston hızı pS =15 m/s kabul ederek bulunabilir.

maksimum ortalama piston hızı:

pS =2Lnmaks

Buradan nmaks= 87 m/s (5200 d/d) olarak bulunur. Bu devirdeki motor gücü ise

Pe,maks= kW .

)()(70

102

872800

10 33

3

x

xx

i

ndmVkPaP maksme

4.7 ÖZGÜL YAKIT SARFİYATI VE VERİM

Motor testlerinde yakıt sarfiyatı kütlesel debi ym.

olarak ifade edilir.Çok daha kullanışlı bir

parametre ise birim güç başına tüketilen yakıt miktarını ifade eden özgül yakıt sarfiyatıdır.

Silindire sevk edilen yakıtın motorda birim güç üretmek için ne kadar verimli olarak

kullanıldığının göstergesidir.

be(g/kW.h) = )(

)/(.

kWP

hgym (23)

Özgül yakıt sarfiyatının düşük olması arzulanır. Benzin motorları için efektif özgül yakıt

tüketiminin en iyi değerleri 270 g/kWh civarında iken dizel motorlarında bu değer 200

g/kWh'ın altındadır.Ağır devirli dizellerde bu değer 110 g/kWh ' a kadar düşer.

Özgül yakıt sarfiyatı g/kWh birimi ile ifade edilir. Oysa, motordan almayı arzu ettiğiniz

çıktının (çevrim başına iş veya güç) motorun çalışması için verilen gerekli girdiye (yakıt

enerjisi) oranını ifade eden bir boyutsuz parametre(verim) tanımlamak daha faydalıdır. Bu

parametre motor veriminin bir ölçüsüdür.

Yanmayla açığa çıkan yakıt enerjisi QG, çevrim başına motora gönderilen yakıtın (kütlesel

yakıt debisi, ym ) ile yakıtın alt ısıl değerinin (Hu) çarpımı olarak verilir(QG= ym .Hu). Yakıt

ısıl değeri Hu, belirli miktardaki yakıtın hava ile (standart bir test yöntemiyle yakıt

kalorimetresinde) tam yanması sonucu belirlenir.Yanmayla açığa çıkan ısıl enerji, yanma

ürünleri orijinal sıcaklığına kadar soğutulurken kalorimetre etrafındaki soğutma suyuna

verilir. Soğutma suyuna transfer edilen ısı yakıtın ısıl değerini verir.Yakıtın motor içerisinde

ne kadarının faydalı işe dönüştürüldüğü Yakıt dönüşüm verimi veya efektif verim ile ifade

edilir ve aşağıdaki şekilde gösterilir:

uHym

P

uHnrnym

nrPn

uHym

çW

fe

)/(

)/( (24)

Denklem 23’deki P/y

m terimi yukarıdaki denklemde yerine konulursa:

)/()./(

.,

kgkJuHhkWgebf

61063 (25)

bulunur. Motorlarda kullanılan ticari hidrokarbon yakıtların tipik ısıl değerleri 42-44 MJ/kg.

arasındadır.Dolayısıyla normal hidrokarbon yakıtlarda özgül yakıt sarfiyatı yakıt dönüşüm

verimi ile ters orantılıdır.

Gerçek yanma işleminde motora gönderilen yakıtın tamamı yanmaya iştirak etmediğinden

yakıtın tüm enerjisinden istifade etmek mümkün olmamaktadır. Silindir içerisinde yakıtın

yanması için yeterli miktarda hava mevcut ise gönderilen yakıtın enerjisinin hemen hemen

tamamı ( % 96' dan daha fazlası ) ısı enerji olarak açığa çıkar. Yakıtın tamamını yakacak

(okside edecek) yeterli hava yok ise oksijen yetersizliği yakıt enerjisinin tamamının açığa

çıkmasına engel olur.

4.8 HAVA/YAKIT VE YAKIT/HAVA ORANLARI

Benzin motorlarında yakıt/hava oranı pratikte tüm çalışma sınırları boyunca sabit kalır. Dizel

motorlarında verilen bir devirde hava debisi yükle değişmez, yakıt ise yüke bağlı olarak

değişir. Dolayısıyla genellikle hava-yakıt oranı yerine yakıt-hava oranı kullanılır.Bir karışım

içerisindeki yakıtın tamamının yanması için gerekli havayı içeren karışıma kimyasal olarak

doğru veya stokyometrik yakıt-hava oranı olarak adlandırılır. Bu karışımdan daha fazla yakıt

içeren karışıma zengin karışım daha az yakıt içeren karışıma ise fakir karışım adı verilir.

Gerçek yakıt-hava oranının kimyasal olarak doğru ( stokiyometrik oran ) yakıt-hava oranına

eşdeğerlik oranı olarak adlandırılır.Motor testlerinde, kütlesel hava debisi hm ve kütlesel yakıt

debisi ym birlikte ölçülür.Bu debi oranları motor çalışma şartlarının belirlenmesinde

kullanılır.

Hava/Yakıt Oranı ( H/Y ) =

ym

hm

(26a)

Yakıt/Hava Oranı ( Y/H ) =

hm

ym

(26b)

Klasik bir benzin motorunda normal çalışma aralığı 12 H/Y 18 ( 0,056 H/Y 0,083 )

iken Dizel motorları için bu değer18 H/Y 70 ( 0,014 Y/H 0,056 )

aralığındadır.Gerçek yakıt-hava oranının stokiyometrik karışıma oranı eşdeğerlilik oranı

olarak adlandırılır ve:

teorik

gerçek

HY

HY

)/(

)/( (27a)

şeklinde gösterilir. Gerçek hava/yakıt oranının teorik hava-yakıt oranı ise hava fazlalık

katsayısı( ) olarak ifade edilir. HFK :

1

(27b)

şeklindedir.

4.9 VOLUMETRİK(HACİMSEL) VERİM

Emme sistem elemanları (hava filtresi, karbüratör, gaz kelebeği (benzin motorlarında) emme

manifoldu, emme portu, emme supabı) motora girebilecek hava miktarını sınırlamaktadır.

Motor emme sisteminin verimliliğinin ölçümünde kullanılan parametre volümetrik

verimdir.Volümetrik verim farklı bir emme işlemine sahip olduğu için sadece dört stroklu

motorlar için kullanılır.Volümetrik verim, emme sistemine gönderilen hacimsel hava

debisinin, pistonun yer değiştirdiği hacmin debisine bölünmesiyle bulunur.

nhVgh

hm

v,

2 (28)

Burada h,g giriş havası yoğunluğudur. (Burada motor devrinin dikkate alındığına dikkate

edilmelidir).Volümetrik verim aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.

hVgh

ghm

v,

, (29)

Burada mh,g, çevrim başına silindire gönderilen hava miktarıdır. Burada, hava yoğunluğu

olarak atmosferik hava yoğunluğu alındığı takdirde, volümetrik verim tüm emme

sisteminin pompalama performansını gösterir.Emme manifoldunun yoğunluğu alındığı

takdirde ise sadece emme portu veya emme supaplarının pompalama performansını

gösterir. Doğal emişli motorlarda maksimum arasındadır.Dizel motorlarının volümetrik

verimi benzin motorlarından biraz daha yüksektir.

4.10 MOTOR ÖZGÜL HACMİ VE ÖZGÜK AĞIRLIĞI

Çoğu uygulamalarda verilen bir güç için motor ağırlığı ve işgal ettiği hacim önem arz eder.

Bu özellikleri birbiriyle karşılaştırmak amacıyla iki parametre tanımlanır. Bunlar:

Özgül ağırlık =güç Üretilen

ağırlığıMotor (30a)

Özgül hacim =güç Üretilen

hacmiMotor (30b)

Bu parametreler, iki farklı motorun araç üzerinde işgal ettikleri hacme karşılık ürettikleri güç

ve güç başına araç ağırlığına etkileri noktasından karşılaştırılmasında çok faydalıdır. İyi ir

motor dizaynı üretilen güç aşına ağırlığı düşük ve işgal ettiği hacim bakımından küçük

olmalıdır.

4.11 GÜÇ VE VOLÜMETRİK VERİM DÜZELTME FAKTÖRLERİ

Verilen bir motor devri için, motora giren havanın basınç,nem ve çevre hava sıcaklığı motora

giren hava miktarını ve dolayısıyla motordan elde edilen güç üretimini etkiler. Motor güç

ölçümlerinde düzeltme faktörleri, benzinli motorlar için gaz kelebeğinin tam açık olduğu

koşullarda motordan elde edilen güç ve motorun volümetrik verimini standart atmosfer

şartlarına indirgemek amacıyla kullanılır. Böylece iki farklı motorun aynı şartlara

indirildiğinde performans yönünden karşılaştırılması daha gerçekçi olur. Tipik standart çevre

havası şartları tablo 4.1’de görülmektedir.

Tablo 4.1 Standart çevre şartları

Kuru hava atmosfer basıncı(mmHg) Su buharı kısmi basıncı (mmHg) Sıcaklık ( 0C)

736.6 mmHg 9.65mm 29.4

Düzeltme faktörünün temeli, tek boyutlu, kararlı hal, sıkıştırılabilir akış koşulları kabulüyle

akış kısıtlama alanı AE (akışa dik en dar kesit) olan bir orifisten geçen kütlesel akış miktarını

veren

211

0

2

00

0

1

2

//)(

p

p

p

p

RT

pAm E

h (31)

formülüne dayanır. Bu denklemde,akışkan, gaz sabiti R olan ve özgül ısılar oranı ( =cp/cv)

sabit olan ir ideal gaz olduğu kabul edilmektedir. Formülde p0, ve T0 orifis öncesi basınç ve

sıcaklık, p ise dar kesitteki basıncı ifade etmektedir. Şayet, gaz kelebeğinin tam açık olduğu

koşullarda p/p0 oranı sabit olarak kabul edilirse, kesitten geçen kuru havanın kütlesel

debisinin( hm ):

hm 0

0

T

p (32)

olduğu görülmektedir.

Tam gaz kelebeği açıklığında indike gücün değeri kuru hava kütlesel debisi hm ile orantılıdır.

Dolayısıyla, elde edilen indike gücü standart atmosfer şartlarına indirgemek için

Pi,s= CF Pi,m (33)

bağıntısı kullanılır. Burada s indisi standart şartları, m indisi ise ölçüm değerlerini ifade

etmektedir. Düzeltme faktörü CF aşağıdaki şekilde ifade edilir:

21/

,

,

s

m

mbm

ds

FT

T

pp

pC (34)

burada, ps,d = Standart kuru hava mutlak basıncı

pm = Ölçülen çevre havası mutlak basıncı

pb,m= Ölçülen çevre havası kısmi su buharı basıncı

Tm = Ölçülen çevre sıcaklığı,K

Ts = Standart çevre hava sıcaklığı,K

Motor çıkış milinden elde edilen efektif güç de, denklem (30) ile düzeltilir. Sürtünmeye

harcanan gücün (Pf,m ) değişmediği kabulüyle düzeltilmiş efektif güç (Pe,s):

Pe,s = CF.Pi,m - Pf,m (35)

Volümetrik verimin, denklem 28-29 incelendiğinde hm / h,g ile orantılı olduğu görülmektedir.

h,g ise p/T ile orantılı olduğundan, volümetrik verim düzeltme faktörü FC :

21 /

,

,

FCm

s

mv

sv

T

T (36)

olacaktır.

4.12 ÖZGÜL EMİSYONLAR VE EMİSYON İNDEKSİ

Azot oksitler (NOx, genellikle NO ve NO2 nin ortak adıdır), CO2 (Karbondioksit), HC(

yanmamış hidrokarbonlar), CO (Karbon monoksit) ve partikül (PM) seviyeleri bir motor için

önemli işletme karakteristikleridir. Günümüzde gelişen motor teknolojilerinin arkasındaki en

büyük itici güç çevre ve insan sağlığı açısından zararlı olan bu kirletici bileşenlerin azaltılası

çabalarıdır. Günümüzde geliştirilen bir motorda yüksek performans ve düşük yakıt

sarfiyatının yanı sıra motorun uluslar arası normların öngördüğü değerlerin altında kirletici

açığa çıkarması gerekir. Egzoz gazlarında emisyon konsantrasyonları genellikle ppm ( parts

per million ) veya hacimsel yüzde olarak verilirler. Ancak bu değerler motorun güç ve

hacminden bağımsız olduğundan açığa çıkaracağı toplam kirleticileri göstermesi bakımından

başka gösterim yöntemlerine ihtiyaç vardır. Emisyon seviyelerine göstermek maksadıyla

yaygın olarak kullanılan iki yöntem vardır.Bunlar özgül emisyonlar ve emisyon

indeksidir.Özgül emisyonlar birim güç başına kütlesel kirletici miktarını ifade eder.

P

msNO NOx

x

(37a)

P

msCO CO

(37b)

P

msHC HC

(37c)

P

msPM PM

(37d)

Burada emisyonlar özgül veya indike emisyonlar olarak adlandırılmaktadır. Birimleri daha

çok g/kWh şeklinde gösterilmektedir. Emisyonların gösteriminde bir diğer yöntem emisyon

indeksi kullanmaktır:

)/(

)/(

skgm

sgmEI

y

NOx

NOx

(38)

benzer gösterimler diğer bileşenler içinde yazılailir.

4.13 PERFORMANS PARAMETRELERİ ARASINDAKİ İLİŞKİLER

4.7-4.10 kısımları altında tanımlanan parametrelerin motor performansına etkileri, güç,tork ve

ortalama efektif basınç bu parametreler cinsinden verildiğinde çok bariz bir şekilde

görülecektir. Yukarıda tanımlanan parametrelerden 14 numaralı güç ifadesi, 21 nolu ortalama

efektif basınç ifadesi, 25 numaralı yakıt dönüşüm verimi (efektif verim), 26b numaralı hava-

yakıt oranı ve 28 nolu volümetrik verim ifadeleri güç formülünde yerine konulmak suretiyle

performans parametreleri arasında aşağıdaki şekilde bir ilişki çıkarılabilir:

Rn

HYuHnhmeP)/.(...

(39)

Dört zamanlı motor çevrimleri için güç ifadesine volümetrik verimi de ilave etmek

gereklidir.Bu durumda :

2

)/(,..... HYghuHLhVve

eP (40)

Moment ifadesi ,T :

4

)/.(,.... HYghuHhVveT (41)

Ortalama efektif basınç

)/.(... , HYHmeP ghuve (42)

Birim piston alanı başına alınan güç çoğunlukla özgül güç olarak adlandırılır. Silindir

ölçüsünden bağımsız olarak motor dizaynlarının mevcut piston alanını kullanmaktaki

başarısının ölçüsüdür. Ortalama piston hızını da denkleme koyarsak özgül güç :

44

pSmePpSHYghuHve

pA

P .)./.(,... (43)

Formülden de görüldüğü gibi özgül güç, ortalama efektif basınç ile ortalama piston hızının

çarpımıyla orantılıdır. Bu ilişkilerden motor performansını arttırmak için şu sonuçları

çıkarmak mümkündür:

1. Yüksek yakıt dönüşüm verimi

2. Yüksek volümetrik verim

3. Giriş hava sıcaklığını artırmak suretiyle verilmiş silindir hacminden elde edilecek

gücü arttırmak

4. Motorda başarılı yanmayı sağlayabileceği ölçüde fazla Y/H oranı

Yüksek ortalama piston hızı gereklidir.

4.14 DİZAYN VE PERFORMANS DEĞERLERİ :

Farklı uygulama alanlarında kullanılan benzin ve dizel motorlarının tipik dizayn ve

performans değerleri tablo 4.1 de gösterilmiştir. Dört stroklu motorlar çok küçük ve çok

büyük motor tipleri haricinde üstün özellikler gösterirler. Motorlar büyüdükçe aşırı

doldurmalı imal edilirler. Maksimum fren ortalama efektif basıncı aşırı doldurmalı motorlarda

, doğal emişli motorlara göre daha yüksektir. Benzin motorlarının max. yakıt-hava oranı dizel

motorlarınkinden daha yüksek olduğu için, doğal emişli benzin motorları max. fren ortalama

efektif basınç seviyeleri daha yüksektir. Motor ölçüsü arttıkça , fren özgül yakıt sarfiyatı

düşmektedir ve yakıt dönüşüm verimi sürtünme ısı kaybının azalması nedeniyle artmaktadır.

Tablo 4.1 motor tiplerine göre performans parametrelerinin değişimi.

Str

ok

Sık

ıştı

rm

a O

ran

ı

Ça

p (

m)

Str

ok

/Ça

p O

ran

ı

Dev

ir (

d/d

)

Ort

ala

ma

efe

kti

f

ba

sın

ç (b

ar)

Ağ

ırlı

k/G

üç

Ora

nı(

kg

/kW

)

Ya

kıt

Sa

rfiy

atı

(gr/

kW

h)

Buji Ateşlemeli Motorlar (BAM)

Küçük(Motosiklet) 2/4 6-10 0,05-0,085 1,2-0,9 4500-7500 4-10 5,5-2,5 350

Yolcu Arabaları 4 8-10 0,07-0,1 1,1-0,9 4500-6500 7-10 4-2 270

Kamyonlar 4 7-9 0,09-0,13 1,2-0,7 3600-5000 6,5-7 6,5-2,5 300

Wankel Motorları 4 9 0,57 dm3/oda 6000-8000 9,5-10,5 1,6-0,9 300

Sıkıştırarak Ateşlemeli Motorlar (SAM)

Yolcu arabaları 4 16-

20 0,075-0,1 1,2-0,9 4000-5000 5-7,5 5-2,5 250

Kamyonlar 4 16-

20 0,1-0,15 1,3-0,8 2100-4000 6-9 7-4 210

Lokomotif 4/2 16-

18 0,15-0,4 1,1-1,3 425-1800 7-23 6-18 190

Gemi dizelleri 2 10-

12 0,4-1 1,2-3,0 110-400 9-17 12-50 180

Problemler

1. Dört stroklu , 4 silindirli bir benzin motoru 125 kW indike güç üretmektedir.Fren

beygir gücü ise 100 kW'dır.Sürtünme gücünü ve mekanik verimi hesaplayınız.

Sürtünme gücü =Ps = Pi – Pe = 125 – 100 = 25 kW

Mekanik verim = ηm = i

e

P

Px100 =

125

100x100 = % 80

2. 4 silindirli, dört stroklu bir dizel motorunun silindir çapı 80 mm, stroku 80 mm dir.

Sıkıştırma oranı 8 ' dir. Motorun toplam strok hacmini ve klerens hacmini

hesaplayınız .

Çözüm:

Strok hacmi Vs = 4

d2 L =

4. 8

2 . 8 = 402,1 cm

3

Toplam strok hacmi = Silindir sayısı . Vh

= 4.402,1

= 1608,4 cm3

Sıkıştırma Oranı = = Vc

VcVh = 1 +

Vc

Vh

Klerens hacmi = Vc = 1

1.Vh =

18

1. 402,1 = 57,4 cm

3

3. Mekanik verimi % 80 olan bir motor 30 kW güç üretiyor. İndike gücü ve sürtünme

gücünü bulunuz. Sürtünme gücü sabit kabul edersek yarım yükte mekanik verimi

hesaplayınız.

Çözüm:

İndike güç, Pi = m

eP=

8,0

30= 37,5 kW

Sürtünme gücü, Ps = Pi – Pe = 37,5 – 30 = 7,5 kW

½ yükte fren gücü, Pe= 0,5 . 30 = 15 kW

Mekanik verim, ηm = se

e

PP

Px100 =

5,715

15x100 = % 66,7

4. Tek silindirli bir dizel motorunun ısıl verimi % 30 ‘dur. Kullanılan yakıtın ısıl

değeri 42000 kJ/kg’dir. Mekanik verim % 80 ise be ve bi' yi hesaplayınız ( kg/kWh )

Çözüm:

Efektif verim = ηe = Hum

P

y

e

( ym = kg/sn)

= be = Hue

3600=

42000.3,0

3600= 0,286 kg/kWh

= bi = be . m = 0,286 . 0,80 = 0,229 kg/kWh

5. Tek silindirli , 4 stroklu bir dizel motorunun strok hacmi ( 300 d/d ) 790 cm3'dür.

Motora 49 Nm tork (moment) uygulandığında, efektif basıncın 980 kPa olduğu tespit

edilir.motorun efektif gücünü ve mekanik verimini hesaplayınız.

Çözüm:

Efektif Güç , Pe = 60000

..2 dMn=

60000

49.300.2= 1,54 kW

İndike Güç, Pi= 60000

... nAHPme

= 60

... inVP Hmi = 98000 . 790 . 10-6

. 2

300.60

1

= 1,94 kW

ηm = i

e

P

Px100 =

94,1

54,1x 100 = % 79,4

6. İki stroklu bir dizel motoru 368 kW efektif güç üretirken sürtünme kayıplarını

yenmek için 73,6 kW güç harcanıyor. Motor H/Y oranı 20:1 olup 180 kg/h yakıt

harcıyor.

a - İndike gücü

b - Mekanik verimi

c - Hava sarfiyatını

d - İndike termik verim

e - Efektif verim

Çözüm:

a. Pi = Pe + Ps = 368 + 73,6 = 441,6 kW

b. ηm =i

e

P

Px 100 =

6,441

368x 100 = % 83,3

c. yh mF

Am . = 20 . 180 kg/h = 1 kg/sn

d. ηi = uy Hm

Pi

.=

42000.05,0

6.441= % 21

e. ηe = ηi .ηm=0.833.0.21=%17.5

7. 4 stroklu bir Dizel motorun efektif gücü 441,6 kW olup , mekanik verimi % 85

'dir.Bir saatte ölçülen yakıt sarfiyatı 160 kg.'dır.8 saatteki hava sarfiyatı ise 410

kg.'dır.Yakıtın ısıl değeri 42,000 kJ/kg.'dir.

a - İndike gücü

b - Sürtünme gücünü

c - Hava - yakıt oranı

d - İndike termik verim

e - Efektif verim

Çözüm:

a. kWP

Pm

e

i 5,51985,0

6,441

b. Ps = Pi - Pe = 519,5 – 441,6 = 77,9 kW

c. A / F = 0,683 / 0,044 = 15,5

d. ηi= 1,28%281,042000.044,0

5,519

. uy

i

Hm

P

e. ηb = ηm . ηi = 0,85.28,1 = % 23,9

motor hesabı

Documents