Microsoft PowerPoint - 1-2. HAFTA_SAM_TEMEL

MARMARA ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
MAKİNE MÜHENSİLİĞİ BÖLÜMÜ
SIKIŞTIRMA İLE
ATEŞLEMELİ MOTORLAR
Hazırlayan:
Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR
Greek Alfabesi
İçten Yanmalı Motorların Tarihçesi
1860: Fransız Lenoir ilk çalışan içten yanmalı motoru yaptı. Bu motor kömür gazıyla
çalışıyordu ve yaklaşık %3 bir verimliliği vardı.
1867: Nicolaus August Otto ve Eugen Langen içten yanmalı motorun daha gelişmiş
biçimini Paristeki Dünya sergisinde sergilediler. Bu motorun verimliliği %9 idi.
1878: Nicolaus August Otto sıkıştırma ilkesiyle çalışan ilk gazlı motoru yaptı. Bu
motor 4 zaman ilkesine göre çalışıyordu. Verimlilik %15 çıktı.
1883: Gottlieb Daimler ve Wilhelm Maybach sıcak tüp ateşlemeli ilk yüksek devirli 4
zamanlı benzin motorunu geliştirdiler. Bu motor pervaneli araçlar için uygundu.
1887: Robert Bosch motorlar için elektrikli ateşlemeyi geliştirdi.
1893: Wilhelm Maybach karbüratörü icat etti. Aynı zamanda Ford ilk motorlu aracını
üretti.
1897: Rudolf Diesel Dört yıllık bir geliştirme aşamasından sonra, kendi motorunu
üretti. Kendi adıyla anılan bu motor, yüksek basınçla sıkıştırılmış havanın içine basınçlı
hava yardımıyla gazyağı püskürtülerek çalışıyordu. Bu ilk adımlardan sonra, içten
yanmalı motor her alanda sürekli gelişti. Yakıt düzeni ateşleme düzeni ve gerçek
mekanik mühendisliğinde gelişmeler görüldü. Bu gelişmeler bugün hala sürmektedir.
Geliştirme mühendisleri yeteneği ve servis ömrünü artırmak aynı zamanda yakıt
tüketimi ve egzoz salımlarını azaltmak amacıyla sürekli yeni teknolojiler kullanmaya
çalışmaktadırlar.
Dizel Motorun Tarihi Serüveni
…Dünyanın ilk seri üretim dizel binek otomobili olan Mercedes-Benz 260 D’nin
1936’da Berlin Otomobil Fuarı’nda sergilenmesinin üzerinden tam 76 yıl geçti.
1950’li yıllara kadar dizel motorlu binek otomobiller benzinle çalışanlara oranla pek
rağbet görmedi fakat bu üreticileri yıldırmadı. Nitekim İkinci Dünya Savaşı sonrası
dönemde dizel motorlar binek otomobillerde gittikçe önem kazanmaya başladı. Aynı
yıllarda düşük maliyetleri sayesinde dizel motorlu binek otomobiller, özellikle de
zorlu sürüş koşullarına dayanmak zorunda kalan taksilerde gittikçe popülerlik
kazandı. Dizel motorlarda sırasıyla; sıra tipi (sıralı) yakıt pompaları, dağıtıcı
pompalar (yıldız pompalar) ve bu tip pompaların dağıtıcı ve sıralı pompaları
için ilk elektronik kumanda sistemini piyasaya sürüldü.
A.Demir, «Dizel motorların tarihi serüveni (2)...», otoguncel.com, 2012
Dizel Motorun Tarihi Serüveni
Dizel motorlarda sırasıyla; sıralı (sıra tipi), dağıtıcı pompa (yıldız pompa) ve
‘Common Rail enjeksiyon teknolojileri kullanıldı. 1985’li yıllarda dağıtıcı ve sıralı
pompalar için ilk elektronik kumanda sistemleri piyasaya sürüldü. Akabinde
1989’da dizel motorlarda direk enjeksiyon için ilk eksenel piston pompası
kullanıldı. Bu yeni teknoloji, yakıtın yaklaşık 1000 bar civarı yüksek basınçta
doğrudan silindire püskürtülmesine, bu şekilde özellikle etkili bir yanma elde
edilmesine olanak tanıdı. Bu da düşük yakıt tüketimi ve emisyonlarla birlikte daha
iyi yüksek çıkışı ve daha iyi hızlanma anlamına geliyordu. 2003 yılında “piezo”
enjektörlere sahip Common Rail enjeksiyon sistemi piyasaya sürüldü. Önceki
modellerle kıyaslandığında, bu sistem, dizel motorun yakıt tüketimini ve egzoz
emisyonlarını düşürürken motor gürültüsünü de azalttı.
Ekonomik, çevre dostu dizel motorlar için daha iyi verim Azot Oksit (NOX)
emisyonlarının yarıdan fazla düşürülmesi gerektiği anlamına gelen Euro 5’ten Euro
6 emisyon standardına geçişle birlikte son yıllarda yakıt tüketimini düşürme
hedefleri de daha sıkı hale geldi. Dizel yakıt sistemleri üzerine çalışan mühendisler
halen, daha katı emisyon sınırlarını karşılamak ve yakıt tüketimiyle karbondioksit
(CO2) emisyonlarını daha da düşürmek amacıyla 2000 bar’dan daha fazla basınç
üretebilen enjeksiyon sistemleri üzerinde çalışmaktadırlar.
A.Demir, «Dizel motorların tarihi serüveni (2)...», otoguncel.com, 2012
Modern Requirements
1. Optimum performance
2. Good fuel economy
3. Low pollution
4. Minimum noise level
5. Easy cold starting
6. Economic servicing
7. Acceptable durability
8. Least weigh
9. Compact size
10. Economic manufacture
11. Aesthetic appearance
M.J. Nunney, “Light and Heavy Vehicle Technology”, Fourth edition, 2007
Kia, 2007
Genel Motor Gereksinimleri
Genel motor gereksinimleri
Çeşitli gereksinimler, motor tarafından karşılanmalıdır. Her performans karmaşık bir
şekilde birbirine bağlıdır ve motorun performansını etkileyebilir. Gereksinimler şunlardır:
Düşük emisyon: Verimli motor yanması, egzoz emisyonunun azaltılması için anahtar
noktadır. Bu da farklı yanma odası tasarımlarıyla sağlanabilir.
Kompakt ve hafif: Motor ağırlığının toplam araç ağırlığının yaklaşık %10-15'i
olduğunu göz önünde bulundurursak, daha iyi çıkış ve yakıt verimliliği elde etme
yöntemi motorun kompakt ve hafif olmasını sağlamaktır. Aynı çıkış ile daha hafif
motora sahip aracın gücü daha yüksek olacaktır ve yakıt tüketimi azaltılacaktır.
İyi tepki: Motorlar, sürüş güvenliği sağlandığı ölçüde sürücü komutlarına tepki
vermelidir.
Sessiz: Motor, yakıtın yanmasıyla tahrik kuvveti ürettiğinden, ses ve titreşim
önlenemez. Bu seslerin ve titreşimlerin yolcu bölmesine aktarılmasını önlemek
önemlidir.
Kullanışlılık: Motor, aracın mekanik bir parçası olduğundan, servis ile ilgili parçalara
erişim sağlamak önemlidir.
Kia, 2007
Motor Animasyonu
Perkins Dizel Motor
Engine Nomenclature
Top dead centre
Bottom dead centre
Piston stroke
Cylinder bore
Piston displacement
Engine capacity
Stroke/bore ratio
Engine power
Engine torque
M.J. Nunney, “Light and Heavy Vehicle Technology”, Fourth edition, 2007
Temel Kavramlar
Çevrim: Bir motorda iş elde etmek için tekrarlanmadan meydana gelen olayların toplamına bir
çevrim denir. Dört zamanlı motorlarda bir çevrimin tamamlanabilmesi için pistonun dört
hareketine gerek vardır. Dört zamanlı motorlarda bir çevrimin oluşması için, krank milinin 720o
dönmesi gerekir
Zaman veya Strok: Motorlarda, pistonun ÜÖN ile AÖN arasındaki hareketine “zaman” veya
“strok" adı verilmektedir. Bu hareket krank mili açısı cinsinden 180 0C’dir.
Kardeş Çalışan Pistonlar: Silindirler içinde aynı yönde, aynı yükseklikte 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 emme ve egzoz supapları, egzoz zamanı sonunda
ve emme zamanı başlangıcında, piston ÜÖN’da bulunduğunda belli bir süre 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
püskürtmenin, benzin motorlarında buji kıvılcımının çakıp yanmanın başlatılmasına avans
denir.
Bazı Kavramlar
Hava Yakıt Oranı (A/F): Genellikle kütlesel olarak ifade edilir ve bir yanma işleminde hava
kütlesinin yakıt kütlesine oranı diye tanımlanır.
Stokiyometrik oran: (λ= 14,7/1)
Benzin motorlu otomobillerin optimum emisyon kontrolünün ve yakıt ekonomisinin hava/yakıt
oranının yaklaşık 14.7/1 olduğu zaman sağlanacağı bulunmuştur. Hava/yakıt karışımı
stokiyometrik değerlerin altında veya üzerinde olduğu zaman bu durum sensör tarafından
algılanarak geri beslenme sinyali üretilir.
Bazı Kavramlar
İndike (İç) güç: Motorun silindirleri içinden veya piston üzerinden alınan güce indike
güç denir. İndike gücün ölçülmesi için silindirlerdeki maksimum yanma sonu
basıncının basınç ölçerlerle ölçülmesi gerekir.
Efektif (Faydalı) güç: Motorun krank mili yada volanından ölçülen güce efektif güç
denir. Efektif gücün ölçülmesi için dinamometreler kullanılır.
Verim: Elde edilen sonuç ile bu sonucu elde etmek için harcanan çaba arasındaki
oranı ifade eder. Motorda alınan gücün verilen güce oranının yüzde olarak ifadesidir.
Daima yüzde yüzden azdır.
Mekanik verim: Motorun çıkışından alınan gücün piston üzerinden alınan güce
oranıdır. Mekanik verim, silindir içerisinde yanmadan dolayı oluşan gücün krank
milinden alınıncaya kadar ne kadar kayba uğradığını gösterir. Silindirde elde edilen
güç, krank milinden alınıncaya kadar, başta sürtünme ve atalet kayıpları olmak
üzere bir çok mekanik kayba uğrar.
Bazı Kavramlar
Termik verim: Motorun, yakıtın yanmasından oluşan enerjiyi faydalı bir işe
dönüştürebilme oranıdır. Yanma sonucunda oluşan ısı enerjisinin büyük 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 düşebilir.
Özgül yakıt sarfiyatı: Motorun 1kWh başına harcadığı yakıt miktarına denir.
Alt ısıl değer: Yanma tepkimelerinde bilinmesi gereken iki tanımlama alt ısıl değer ve
üst 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 üst ısıl değer, buharlaşma ısısı dahil olmak üzere açığa çıkan
toplam ısı enerjisidir.
Sıkıştırma Oranı
1.
2.
3.
4.
5.
Üst ölü nokta (ÜÖN)
Yanma odası hacmi (Vc)
Kurs (Strok) (s)
Piston kursu hacmi (Vh)
Alt ölü nokta (AÖN)
4 zamanlı dizel motorlar genel olarak 12 ile 26
arasında bir sıkıştırma oranına sahiptir.
Sıkıştırma oranı artarsa, motorun verimliliği ve
gücü de artar.
Sıkıştırma oranı belirli bir seviyeye kadar
arttırılabilir, çünkü güç daha fazla arttırılamaz.
Yoksa, sıkıştırma oranı belirli sınırları
aştığından motor zarar görebilir.
Compression ratio (usually abbreviated to CR)
where ε 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
Ateşleme Sırası
Motor silindirlerinin ateşlenme sırası veya silindirlerde güç zamanının meydana geliş sırasıdır.
Ateşleme sırası; 4 silindirli motorlarda genellikle 1-3-4-2 iken, 6 silindirli motorlarda ise 1-5-3-62-4’dür.
Automotive Handbook, 2002
Ateşleme Sırası
Genel Motor Sınıflandırması
İçten yanmalı motorlar çeşitli ölçülere göre farklı gruplara ayrılırlar:
Silindir düzenlemesine göre
Çalışma zamanına göre
Ateşleme türüne göre
Karışımın oluşumuna göre
Soğutma yöntemine göre
Temel hareketin elde ediliş şekline göre
Supap düzenine göre
Silindirin doldurulma yöntemine göre
Yakıt türüne göre
Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar
Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar
V tipi motor: Silindirleri V şeklinde, iki
eğik düzlem üzerinde bulunan motorlara
denir. V-8 motor, iki eğik düzlem üzerinde
silindirleri dörder dörder sıralanmış olan
motordur.
V tipi ile sıra tipi motor tasarımının
kıyaslanması: V tipi motorlarda, silindir
blokları aynı silindir sayılı sıra tipi
motorlara göre çok daha kısa, hafif,
sarsıntı ve titreşimlere daha çok
dayanıklıdır. V tipi motorlarda krank ve
kam mili daha küçük olacağından
motorun dengelenmesi daha kolay
olacaktır.
Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar
Boksör tipi motorlar (orijinal İngilizcesiyle boxer engine ya da horizontally
opposed engine); silindirleri karşılıklı yatay bir düzlem üzerinde ve aralarında 180
derecelik açı ile birleşmiş motorlardır. Bu motorların parça sayıları diğer motorlara
göre daha azdır. Yanal ağırlık dengesini maksimumda sağlayan boksör motorlarda,
karşılıklı pistonlar eşzamanlı olarak üst ölü noktaya eriştiğinden dolayı dengelenmesi
problemini oluşturmamaktadır.
Alfa Romeo, Porsche ve Subaru gibi markalar belli modellerinde bu motoru tercih
etmektedir. Dar alanda minimum dirençle maksimum güç alınmasını teminen kısa
piston kolu kullanımına imkan verir. Fakat yüksek yakıt tüketimi sebebi ile
günümüzde pek tercih edilmemektedir.
Boksör motorların en belirgin avantajları, yatay silindir yerleşimi ve kompakt yapıları
sayesinde dar motor haznesi olan araçlara kolaylıkla uygulanabilmesi ve genel olarak
da hacmine göre yüksek torklu motor olmasıdır. Motorun şekli, otomobilin ağırlık
merkezini aşağı çektiğinden dolayı aracın yol tutuş kararlılığını da artırır.
V tipi motorla karşılaştırıldığında boksör tipi motorlar, dizayndan kaynaklanan iyi
bir denge sağlar. Böylece pistonun momentumu, karşı taraftaki piston hareketi ile
dengelenir. Bu motorlar daha düzgün ve titreşimsiz çalışır ve dengeleme mili
gerektirmezler. Ancak V tipi ve sıra tip motorlarla kıyaslandığında biraz daha
gürültülüdürler. V tipi motordan daha büyük bir burulma titreşimi üretir ve böylece
daha büyük volan gerektirir.
Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar
VR Motorlar
Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar
W Tipi motorlar
Silindir Düzenlemesine Göre Motorlar
W Tipi motorlar
Genel Motor Sınıflandırması
Çalışma zamanlarına göre motor sınıflandırılması
• 2 zamanlı motor
• 4 zamanlı motor
Çalışma çevriminin karakterine göre
• Yanmanın sabit hacimde olduğu (Otto)
• Yanmanın sabit basınçta olduğu (Diesel)
• Yanmanın kısmen sabit hacim kısmen de sabit basınçta olduğu (Seilinger)
Ateşleme türüne göre
• Kıvılcımla/Bujiyle ateşlemeli benzinli motor
• Sıkıştırma ile ateşlemeli motor
Karışımın oluşumuna göre
•
•
Hava yakıt karışımının silindir dışında oluşturulması
Hava yakıt karışımının silindir içinde oluşturulması
Soğutma yöntemine göre
• Su soğutmalı
• Hava soğutmalı
•
•
•
•
•
•
•
Kullanılan yakıta göre
Sıvı yakıtlı (Benzin, Motorin, Kerozen, Alkol, Bitkisel Ya )
Gaz yakıtlı (Do al Gaz - CNG, LPG)
Kullanım amaçlarına göre
Stasyoner
Gemi
Lokomotif
Ta ıt
Uçak
Genel Motor Sınıflandırması
Supap düzenine göre
• L, I, F, T
Havanın silindirlere doldurulma
şekline göre
• Doğal emişli motorlar
• Aşırı doldurmalı motorlar
Yakıt türüne göre
• Benzinli motorlar
• Dizel motorlar
• Çok yakıtlı motorlar
• Doğalgazlı motorlar
• Hidrojen yakıtlı
vs.
Araçlarda Kullanılan Yakıtlar
Benzin
Dizel
Esnek yakıt
Doğalgaz
LPG
Hidrojen
E-yakıt/Elektrik
Comparison between diesel engines and
gasoline engines
Understanding the fundamental characteristics of diesel engines is very important for
engine system design and powertrain technology assessment. Compared to gasoline
engines, diesel engines have the following advantages:
Low fuel consumption and low CO2 emissions. The high compression ratio used
in diesel engines generally results in high thermodynamic cycle efficiency
although mechanical friction may increase with peak cylinder pressure. Diesel
engines usually use unthrottled operation so that the pumping loss can be lower.
High power. Diesel combustion does not have the severe limitation of autoignition as seen in gasoline engines so that diesel engines can use a large cylinder
diameter and tolerate a high level of turbocharging in order to produce high
power.
High torque at low speeds and better drivability. Diesel combustion can
tolerate a high level of turbocharging so that they can burn more fuel to match the
available charge air to produce higher torque than gasoline engines.
Low carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) due to the high air–fuel
ratio employed in diesel combustion.
Qianfan Xin, Diesel engine system design, Woodhead Publishing Limited, 2011
Comparison between diesel engines and gasoline engines
However, there are several design challenges for diesel engines compared with their
gasoline counterparts as follows:
Higher engine-out particulate matter (PM) and smoke due to the combustion with
heterogeneous mixtures in the engine cylinder.
Lower air utilization due to the heterogeneous combustion.
More difficult control in tailpipe outlet NOx. The three-way catalyst used for NOx
control on gasoline engines cannot be used in diesel engines because diesel engines are
operated with lean air–fuel ratio. Diesel engine emissions control is detailed in
Majewski and Khair, 2006)
Lower exhaust temperature caused by lean burn combustion. This can make diesel
particulate filter (DPF) regeneration difficult.
Higher noise from fuel injection, combustion, and mechanical impact.
Heavier engine weight: Diesel engines need to use heavy structure to endure the high
peak cylinder pressure produced by high compression ratio.
Higher cost, primarily due to the sophisticated and expensive fuel injection equipment
and the diesel particulate filter used in diesel engines.
Lower engine rated speed, due to the limitation of slow combustion speed in the
heterogeneous combustion in diesel engines. Instead of having rated speed at 6000–
7000 rpm like in gasoline engines, the rated speed of automotive diesel engines is
usually limited to 2000–4000 rpm.
Lower power density (i.e., lower specific power per volume of engine displacement),
which is due to the limitation of rated speed and hence rated power.
More difficult in cold start.
Qianfan Xin, Diesel engine system design, Woodhead Publishing Limited, 2011
Araçtaki Yerleşim Düzeni
1. Transverse front-engine with front-wheel-drive
2. Transverse front-engine with all-wheel-drive
3. Longitudinal front-engine with front-wheel-drive
4. Longitudinal front-engine with rear-wheel-drive
5. Longitudinal front-engine with all-wheel-drive
6. Transverse rear-engine with rear-wheel-drive
7. Longitudinal rear-engine with rear-wheel-drive
8. Longitudinal rear-engine with all-wheel-drive
9. Longitudinal mid-engine with rear-wheel-drive
Bernd Heißing | Metin Ersoy (Eds.); Chassis Handbook - Fundamentals, Driving Dynamics,
Components, Mechatronics, Perspectives With 970 figures and 75 tables; 1st Edition 2011
Araçtaki Yerleşim Düzeni
Araçtaki Yerleşim Düzeni
Some typical vehicle/powertrain configurations.
Edited by David A. Crolla, Automotive Engineering Powertrain, Chassis System and Vehicle Body; Butterworth-Heinemann, 2009
Araçtaki Yerleşim Düzeni
Comparison of the different
powertrain layouts and their
worldwide market shares
(2005 data)
Three main powertrain configurations and their corresponding typical suspension configurations make
up 98% of all vehicles sold today: transverse mounted front engine with front-wheel-drive (75% of all
vehicles worldwide), longitudinally-mounted front engine with rear-wheel-drive (16%), and allwheeldrive (7%). All other configurations combined make up less than 2% of all vehicles sold
Bernd Heißing | Metin Ersoy (Eds.); Chassis Handbook - Fundamentals, Driving Dynamics,
Components, Mechatronics, Perspectives With 970 figures and 75 tables; 1st Edition 2011
MOTORUN PARÇALARI
Motorun Parçaları
Sistemler:
• Emme Sistemi
• Egzoz Sistemi
• Yağlama Sistemi
• Yakıt Sistemi
• Soğutma Sistemi
• Marş Sistemi
• Şarj Sistemi
• Turboşarj
gibi yardımcı sistemler
Krank Biyel Mekanizması
ÜÖN
A’
Sx
L
R
H
A’
A’’
Sx
: Biyel boyu
: Krank yarıçapı
: Strok
: Krank açısı
( °)
: Biyel açısı
( °)
: Krankın açısal hızı
: Üst ölü nokta
: Alt ölü nokta
: Piston yolu
H
A
AÖN
A’’
L+R
L
(rad/s)
B
C
R
O
Biyel boyu
: Biyel büyük ba ı merkezi ile biyel küçük ba ı merkezi arasındaki mesafe.
Krank yarıçapı : Krank mili ekseni ile biyel muylusu ekseni arsındaki mesafe.
Alt ölü nokta : Perno ekseninin krank mili eksenine en yakın oldu u konum.
Üst ölü nokta : Perno ekseninin krank mili eksenine en uzak oldu u konum.
Strok
: Alt ölü nokta ile üst ölü nokta arasındaki mesafe.
Piston yolu
: Perno eksenin üst ölü noktaya olan uzaklı ı.
Krank açısı
: Krank kolu ekseninin silindir ekseni ile yaptı ı açı.
Biyel açısı
: Biyel ekseninin silindir ekseni ile yaptı ı açı.
Krankın açısal hızı : Krankın kendi ekseni etrafında dönü hızı.
Dizel Motor
Bu motorlarda, silindire alınan
hava, piston tarafından 12/1 ila
26/1 oranında sıkıştırılarak sıcaklık
ve basıncı arttırılır. Sıcaklık ve
basıncı artan hava içerisine dizel
yakıtı püskürtülerek, yakıtın kendi
kendine tutuşup yanması sağlanır.
Havanın silindire alınıp egzozun
dışarı atılması, dört zamanlı benzin
motorunda hava-yakıt karışımının
silindire alınıp egzozun dışarı
atılması
gibidir.
Hava-yakıt
karışımının kalitesi değiştirilerek
hızlandırılan veya yüklenen dizel
motorları, benzin motorlarına göre
daha yüksek bir verime sahiptirler.
Dizel Motor
Diesel engine classification
Qianfan Xin, Diesel engine system design,
Woodhead Publishing Limited, 2011
Dizel Motor - Çevrim
ekil - Toyota
Idealized Diesel Cycle
Dizel Motor Çevrimi –Teorik Çevrim
Sıkıştırma (a-b)
• Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü
noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve
egzoz valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava
sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar.
Sabit Basınçta Yanma (b-c)
• Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada ısınmış hava
üzerine enjektörden yakıt püskürtülerek yanma
başlar.
Genleşme (c-d)
• Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar.
Bu durum d noktasına kadar böyle devam eder.
Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden
silindirdeki basınç da düşmeye başlar.
Egzoz (d-e)
• Sistem d noktasına (AÖN) geldiğinde egzoz valfi
açılır. Silindir egzoz sistemi ile dışarıya
açıldığından silindirdeki basınç atmosferik
basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu
safhada gösterilmiştir. Gerçekte, dışarıya ısının
atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur
(grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak
ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya
pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde
incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi
açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir.
Dizel Motor Çevrimi
Emme zamanı: Piston
ÜÖN’dan AÖN’ya hareket
eder pistonun ani yer
değiştirmesi ile silindir
içinde emiş oluşur. Emme
supabının açık
oluşu
nedeniyle dış ortamdaki
basınçlı
hava
içeri
hareketlenip
basıncı
eşitlemeye
çalışırken
silindirin de hava ile
doldurulması sağlanır.
ekil - Toyota
Dizel Motor Çevrimi
Sıkıştırma zamanı:
Piston
AÖN’dan ÜÖN’ya hareket ederken
açık olan emme supabı da kapanır,
bu durumda her iki supap da
kapalıdır. İçeriye alınmış olan hava
bu zamanda sıkıştırılır. Piston
ÜÖN’ya gelmeden önce yakıt
püskürtülür,
sıkıştırma
sonu
sıcaklığının etkisiyle yakıt ÜÖN’dan
hemen önce kendiliğinden tutuşur.
Sente nedir?
ekil - Toyota
Dizel Motor Çevrimi
ekil - Toyota
Dizel Motor Çevrimi
Güç/İş/Genişleme
zamanı: Her iki supapta
kapalıdır.
Yanma
sonucunda basınç hızla
yükselir.
Bu
basınçta
pistonu ÜÖN’dan AÖN’ya
doğru iter. Yanma işlemi
belirli bir süre alacağı için
yakıt püskürtmesi ÜÖN’dan
önce başlayıp ÜÖN’dan kısa
bir süre sonra bitirilir.
ekil - Toyota
Dizel Motor Çevrimi
Egzoz zamanı: Egzoz
supabı AÖN’nın öncesinde
açılır. Geriye kalan yanma
basıncı egzoz gazlarının bir
kısmını egzoz supabına
sürükler ve piston AÖN’dan
ÜÖN’ya çıkarken piston
egzoz gazlarını açık olan
supaptan atarak silindiri
yanmış gazlardan temizler.
Böylece çalışma çevrimi
tamamlanmış olur.
ekil - Toyota
Dizel Motor – Gerçek Çevrimi
Dizel Çevrimi Termodinamiği
Lç = Q1 − Q2
ηt =
Lç
Q1
=
Q1 − Q2
Q
= 1− 2
Q1
Q1
Q1 = m.c p .(T3 − T2 )
Q2 = m.cv .(T4 − T1 )
P3V3 mRT3
V3. T3
=
→ P3 = P2 →
= = ε g : ön.geni .oranı
P2V2 mRT2
V2 . T2
P T
P4V4 mRT4
T
T
=
→ V4 = V1 → 4. = 4 = 4 = 4 .ε k −1
T2
P1V1 mRT1
P1. T1
T2
ε k −1
k
k
P4
V3
P4V4
P3V3
=
→ V4 = V1 → P3 = P2 → =
k
k
P1
V2
P2V2
P1V1
k
= εg
k
Dizel Çevrimi Termodinamiği
Dizel Çevrimi Termodinamiği
P4
T4 k −1
k
= ε g = .ε
P1
T2
m.cv .(T4 − T1 )
ηt = 1 −
m.c p .(T3 − T2 )
k
T4 ε g
= k −1
T2 ε
cv 1
=
cp k
T4 T1
T T
− )
( 4 − 1)
1
1 T2 T2
T2 T2
ηt = 1 − .
= 1− .
T
k T ( 3 − 1)
k ( T3 − 1)
2
T2
T2
T2 (
εgk
1
k
( k −1 − k −1 )
(
ε
1 ε
1
g − 1)
ε
= 1 − . k −1
ηt = 1 − .
(ε g − 1)
k
k ε .(ε g − 1)
Dizel Çevrimi – Ortalama İndike Basınç
Lç = Q1 − Q2
Q1 = m.cv .(T3 − T2 )
Lç = ηt .m.c p .T2
T3
−1
T2
ηt =
cp
cv
Lç
Q1
=k
; Lç = ηt .Q1
c p = k .cv
T 2 = T 1 .ε
c p − c v = R → c v .k − c v = R → c v =
Lç = ηt .m.
Pmi =
k −1
R
k −1
T
k .R
k .R
k
.T2 3 − 1 = ηt .m.
.T1.ε k −1 (ε g − 1) = ηt .
.P1.V1.ε k −1 (ε g − 1)
k −1
T2
k −1
k −1
Lç
VH
ηt .
=
k
.ε k −1.P1.V1 (ε g − 1)
k P1.ε k
k −1
= ηt .
.
.(ε g − 1)
ε −1
k − 1 (ε − 1)
V1.
ε
Karma Çevrim (Seilinger)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
OKUMA PARÇASI:
Sıkıştırma (1-2)
Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu
sırada emme ve egzoz valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve
basıncı grafikte görüldüğü gibi artar.
Sabit Hacimde Yanma (2-3)
Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada silindire enjektör tarafından yakıt
püskürtülmeye başlar. Sıkışarak ısınmış havayla karşılaşan yakıt yanmaya
başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar. Sisteme
ısı girişinin olduğu ilk safha bu safhadır.
Sabit Basınçta Yanma (3-4)
Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar fakat yanma devam
ettiğinden basınç düşmez. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder.
Böylece bu safhada da sisteme ısı girişi devam etmiş olur.
Genleşme (4-5)
Artık silindire yakıt püskürtülmemektedir ve yanma durmuştur. Piston aşağı
doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar.
Egzoz (5-6)
Sistem 5 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz
sisitemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer.
Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. Gerçekte, dışarıya ısının
atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle
gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya
pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz
valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir.
Karma Çevrim
(Seilinger)
Supap Diyagramı
Supap Diyagramı
Caddy 2004
Dizel Motorlardaki Güç Akışı
Kontak
Mars Motoru
Zamanların
olu ması
Enjektör
Krank Mili
Piston/Biyel/Krank
Biyel
Volan
Piston
Kavrama/Vites K./ aft
Diferansiyel/Tekerlek
Kam mili
Supap iticisi/
tici Çubu u
Külbütor parma ı
Supaplar
(emme, egzoz)
Enjeksiyon
sistemi
Motor Karakteristikleri
Benzin motorlarında gaz kelebeğinin,
dizel
motorlarında
kramayerinin
motor
yağ
konumunun;
ve
soğutucu
pompa
ayrıca
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
Bir dizel motorun performans eğrileri
Motor Karakteristikleri
Kia, 2007
Motor Karakteristikleri
Silindir Hacmi
Swept Volume/cylinder:
Vs=
π
4
2
B
d × s = Ap × s
Inlet
Port
s x Ap
Vs = swept volume
dB = bore diameter
s = stroke
Note: In valve design the Volume which flows into the
cylinder must equal the volume which flows through the
inlet port. The velocity past the valve must then be
considerably greater than the velocity in the cylinder.
Professor Richard Hathaway, Internal Combustion Engine Induction Tuning, ME 468 Engine Design
s
Motorlarda Performans – Toplam Silindir Hacmi
Motor Karakteristikleri – Strok/Çap Oranı
Kısa strok: Kısa strok, yüksek güçlü ve yüksek yüklü motorlar için kullanılır. Strok/çap oranı 1'den
daha azdır; bu da strokun çaptan daha küçük olduğu anlamına gelir.
Uzun strok: Uzun strok, yüksek bir motor torku elde etmek için kullanılır. Strok/çap oranı 1'den daha
yüksektir; bu da strokun çaptan daha büyük olduğu anlamına gelir.
Kare strok: Strok/çap 1'dir; bu da strokun çapa eşit olduğu anlamına gelir.
Strok-çap oranı, motorun boyutlarını
(yani
uzunluğunu,
genişliğini
ve
yüksekliğini etkiler.
Strok-çap oranı, sıkıştırma oranını
etkiler.
Strok-çap oranı, sıkıştırma hacminin
yüzey alanı Ac’nin sıkıştırma hacmine
oranını da etkiler. Bu oran ısının
soğutma ortamına geçişini tanımlar.
Bunun için Ac/Vc’nin mümkün mertebe
küçük olması istenir.
Strok-çap oranı, krank mili titreşimlerini
etkiler. Aynı strok hacminde strok-çap
oranı ne kadar küçük ise, krank mili
titreşimi o kadar büyük olur.
Motor Karakteristikleri – Güç ve Tork
W'yi (Watt) temsil eden SI birim sisteminde 1 PS yaklaşık 735.4 W'tır. Bu nedenle, 100 PS = 73.5
kW veya 100 kW = 136 PS'dir.
Beygir gücü (HP) Bir beygirin 75 kg yükü 1 s’de 1 m öteleyebilmesi için harcadığı güçtür.
PS
(Pferdestärke) metrik güçtür.
Kia, 2007
Motor Karakteristikleri
– Güç ve Tork
4 çeşit beygir gücü (hp, horse power) tanımı vardır.
Bunlar; uluslararası, metrik, su ve elektriktir.
Bunların arasında çok küçük farklar vardır.
1hp (international/uluslararası)
: 745,699872 W
1hp (electrical/elektrik)
: 746 W
1hp (water/su)
: 746,043 W
1hp (metric/metrik)
: 735,4988 W
Motor Karakteristikleri – Güç ve Tork
Okuma Parçası: Temel motor performansı, motor gücü ve torku gibi iki ana faktör ile
temsil edilir. Genellikle, motor performansının en önemli bileşeni beygir gücü (hp) de
denilen çıkıştır (güçtür). Beygir gücü, belirli bir sürede 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 güçtür. Beygir gücü (HP) için daha sıkça kullanılan bir kısaltma Almanca
"Pferdestärke" kelimesinden türeyen PS'dir. Motor gücü günümüzde kW cinsinden
belirtilir. W'yi (Watt) temsil eden SI birim sisteminde 1 PS yaklaşık 735.4 W'tır. Bu
nedenle, 100 PS = 73.5 kW veya 100 kW = 136 PS'dir. Teknik özelliklerde bazen
kW/devir biriminden önce (Net) veya (Brüt) gibi ek kelimeler görebilirsiniz. Brüt
değer, motor araçtan sökülmüş olduğu zamanki saf motor gücüdür ve Net değer, motor
araca takılı olduğu zamanki motor gücüdür. Benzinli motorda, Net değer Brüt değerden
%15 daha azdır. Bu, şanzımandan, lastiklerden, vb gelen sürtünme kayıplarından
kaynaklanır. Eğer belirtilmediyse, daha büyük olan değer Brüt değerdir. Motor gücü, bir
zaman işlevidir. Motor gücü, dev/dak ile orantılı olarak artacaktır, çünkü dev/dak
yükseldikçe zaman başına düşen iş miktarı artırılır. Ancak, belirli bir değerin üzerinde
dönemeyen dinamik parçalar nedeniyle, dev/dak ve güç çıkışında sınırlamalar vardır.
Bu nedenle maksimum güç çıkışı dev/dak ile gösterilir, örneğin 6000 dev/dak'ta 100
kW gibi.
Kia, 2007
Tork (Moment), motorun döndürme 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 yükseldikçe belli bir devire kadar
artar ve bu devirden sonra, motor devri arttırılmaya
devam edilirse tork azalmaya başlar. Bunun nedeni,
hacimsel verimin azalmasıdır. Yani yüksek devirlerde
motorun nefes alma kabiliyeti düşer.
Motor torku ile tekerlek torku arasındaki fark; dönüştürme oranlarından kaynaklanmaktadır.
Araçlarda motorun bir tekerleğe ilettiği tork, lastikle zemin arasındaki sürtünme kuvvetiyle, tekerlek
yarıçapının çarpımına eşittir. Dolayısıyla, bu tork ne kadar büyük olursa; araç o kadar hızlı
ivmelenebilir ve seri manevralar yapabilir. Tabii; lastiğin zeminle arasında oluşturabileceği azami
sürtünme kuvvetinin aşılmaması, yani patinaja yol açılmaması kaydıyla.
Ortalama Efektif Basınç: Motorun gerçek çevrimdekine eşdeğer bir Pe gücü vermesi için bir strok
boyunca pistona etkimesi gereken sabit basınçtır.
Önemli notlar:
1. Motor gücü, ortalama efektif basınç ve motor devrine bağlı olarak değişir.
2. Ortalama efektif basınç, efektif güç için krankın sürekli çevrilmesini sağlayan ve motor torku ile
doğru orantılı olan bir büyüklüktür.
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.
Brake mean effective
pressure vs. sfc at constant
engine speed
Automotive Science and Mathematics,
Allan Bonnick, 2008
Okuma Parçası: Dizel motorların bugünü ve geleceği…
Günümüzde ve gelecekte dizel motorlarda hacim küçültme performans arttırma
stratejisine yönelik olarak; yakıt enjeksiyon sistemleri, yanma prosesi, motor
soğutma etkinliğinin arttırılması, egzoz ısı ve emisyon yönetimi, dolgu yönetimi
ve toleransların azaltılması gibi konular üzerine yoğun olarak çalışmalar
yürütülmektedir. Özellikle yakıt enjeksiyon alanında; piezo-injector kullanımı
(piezo-injectors), bir çevrimde birden çok enjeksiyon, homojen dolgulu sıkıştırma
ile ateşleme (homogeneous charge compression ignition-HCCI) kontrolü gibi
konular üzerinde çabalar harcanırken; paralelinde yanma prosesine yönelik
olarak ta, sıkıştırma oranının azaltılması ve kısmen homojen yanma öne çıkan
konulardır [Alexander Freitag, “The Past – Present – Future of Clean Diesel”, Bosch, 07.12.2011].
Common rail teknolojindeki iyileştirmelerle bugün 2000 barlık püskürtme
basınçlarına çıkılabilmektedir. Gelecekte enjeksiyon basıncındaki artış devam
edecektir [Alexander Freitag, The Past – Present – Future of Clean Diesel, Bosch, 07/08/2011]. 2015’li yıllarda
selenoid vafli common rail sistemlerdeki püskürtme basıncı 2200 bar, piezo-valfli
common rail sistemlerdeki püskürtme basıncı ise 2400 bar olacağı
öngörülmektedir [Alexander Freitag, The Past – Present – Future of Clean Diesel, Bosch, 18/05/2009].