Slayt 1 - yarbis - Yıldız Teknik Üniversitesi

Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
MOTOR KONSTRÜKSİYONU-6.HAFTA
Yrd.Doç.Dr. Alp Tekin ERGENÇ
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
ÇEVRE VE ARTIK GAZ PARAMETRELERİ .
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
Aşırı doldurma olmadığında normal atmosfer basınç ve
sıcaklığı çevre parametreleri olarak kabul edilirler:
po= 0,1 MPa; To = 293 K
Taze dolgu yoğunluğu
 o  po  10 /(287  To )
6
Artık gaz parametreleri (Pr, Tr) ya benzer-prototip motor bilgilerinden
kabul edilir, ya da aşağıdaki ampirik formulden hesaplanır:
p r  po (1  0,55  10
4
 n)
MPa
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
Tr  1302  403,5  0,037n  7,38 K
•Benzin ve dizel motorlarında artık gaz basıncı:
pr = (1,05÷1,25)po sınırlarında,
•Sıcaklıklar:
•Benzin motorlarında Tr = 900÷1100 K
•Diesel motorlarında Tr = 600÷900 K sınırları
arasında olmaktadır.
prN  1.18 * po
Ap  ( prN  po *1,035)10 /( n po )
8
2
N
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
8
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
pr  po (1.035  Ap *10 n )
2
GERÇEK ÇEVRİMLERİN TERMODİNAMİĞİ
Emme Prosesi
Emme süreci sonu iş gazı (yakıt-hava karışımı
veya hava) basıncı (pa, MPa) aşağıdaki formül ile
hesaplanır (ηv değeri belli ise):
pa  (To  T )(  1) pov  prTo  / To
1. denklem
MPa
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
ΔT taze dolgunun emme süresince motorun sıcak
ceperlerinden aldığı ek ısıdan kaynaklanan sıcaklık
artışıdır:
benzin motorlarında
•ΔT = 0÷20 K,
Diesel motorlarında aşırı doldurma :
•olmadığında ΔT = 10÷40 K,
• olduğunda ΔT = (-5)÷10 K
•sınırları arasında kabul edilir.
• ΔT değeri aşağıdaki ampirik formül ile de hesaplanabilir:
T  30  0,006  n
1. denklem
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
A f  TN /(110  0,0125nN )
TN  8  10 o C
T  A f .(110  0,0125n )
2. denklem
Emme Kayıpları
2+in : Emme manifoldu kayıp katsayısı ( 2.54.0) arası değer alır.
in: akış hızı 50130 m/s
(Yüksek devirde yüksek değer alır, düşük devirde
düşük değer alır- ortak değerde alınabilir.)
• An=in/nN
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
pa  (   in ). A .n .o .10 / 2
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
2
2
n
2
6
pa  po  pa
Art Gaz Katsayısı
(To  T )
 s pr
r 
.
Tr
(ch pa   s pr )
ch: Doldurma katsayısı- emme subabı
kapanma gecikmesinden etkilenir.
(devir sayısına bağlı Kolchin syf 88’de
grafiği var )
s : süpürme katsayısı, doğal
emişli motorlarda s =1
pa : basınç kaybı
(0.050.2)Po
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
•Emme sonu iş gazı sıcaklığı Ta:
Ta  (To  T   r Tr ) /(1   r )
•Volumetrik Verim:
To
1 1
V 
(ch . . pa   s . pr )
To  T   1 po
Benzin motorlarında pa = (0,80÷0,95)po,
Ta = 320÷370 K,
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
Sıkıştırma Prosesi
Sıkıştırma politrop üssü sabit
(n1 = const) kabul edilirse:
paVa n1  p xV x n1  pcVc n1
TaVa
n1 1
 T xV x
n1 1
 TcVc
n1 1
Bu
denklemlerden
yararlanılarak sıkıştırma sonu basınç
(pc) ve sıcaklık (Tc) aşağıdaki
formüllerden hesaplanır
pc  pa , Tc  Ta
n1
n1 1
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
• Sıkıştırma politrop üssü adyabat üssüne (k1) bağlı olarak
aşağıdaki sınırlar arasında değişir:
•
benzin motorlarında n1 = (k1-0,00)÷(k1-0,04)
•
dizel motorlarında n1 = (k1+0,02)÷(k1-0,02).
Adyabatik üs:
k1 
tc
mc p / mc v  1  8,315 /(mc v ) t
o
burada,
(mc v ) ttc
o
- YAKIT-HAVA
(TAZE DOLGU) KARIŞIMIN ORTALAMA MOL ÖZGÜL ISISIDIR:
(mc v ) tc  20,6  0,002638(Tc  273) kJ/kmol.deg
o
t
k1
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
ε :sıkıştırma oranı
• k1: sayfa 56 da şekil 3.4 den
okunacak.
• Sıkıştırma oranından yukarı bir dikme
çık, sıcaklık çizgisi ile çakıştır ve k1
eksenine birleştir, o nokta k1 değeri
•Art gaz:
''
tc
v t
o
(mc )
Kolchin syf 25 tablo 1.7 den enterpolasyon ile bulunur.
Örneğin; α=0,86 ( hava fazlalık katsayısı için ), tc =480 C
(mc''v )t400
o
 23,303
α=0,85 için; (mc''v )t400
o
'' 400
(mc''v )t400



0
,
90

(
mc
 23,405
v )t
o
o
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
''
400
v t
o
(mc )
 23,303  (23,450  23,303)0,01 / 0,05
   0,86  (mc )
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
''
''
500
v t
o
(mc )
400
v t
o
   0,85  (mc )
''
500
v t
o
 23,332
 23,707
'' 500
(mc''v )500



0
,
90

(
mc

23
,
867
v )t
to
o
(mc''v )500
to  23,707  (23,867  23,707)0,01 / 0,05
   0,86  (mc )
''
500
v t
o
 23,739
kJ/kmol.deg
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
•İş gazı:
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi

1
(mc ) 
(mcv ) ttco   r (mc'' v ) ttco
1  r
'
tc
v t
o

Benzin motorlarında
pc  1,0  2,5MPa,Tc  600  850 K
Doğal emişli dizellerde
pc  3,5  5,5MPa,Tc  700  900 K
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
•Yanma Prosesi:
• Yanma sürecinin termodinamik
hesabı motor tipi ve yakıt-hava
karışım oluşturma yöntemine
bağlı olarak farklı şekilde
yapılır.
• Ancak bütün hesaplamalar
termodinamiğin birinci kanunu
dq  du  pdv
ve ideal gaz denklemine
( pdv  RdT )bağlı olarak
yapılmaktadır.
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
 o  M 2 / M1
yakıt-hava karışımın kimyasal moleküler değişim
katsayısı
  ( o   r ) /(1   r )
H u  119950(1   ) Lo
kmolhava/kg yakıt
α: hava fazlalık katsayısı, ΔHu: eksik yanmadan kaynaklı ısı kaybı
λ
İş Gazının Yanma Sonucu Açığa Çıkan Isı
Q  H wm
( H u  H u )

M 1 (1   r )
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
Yanma Ürünleri Ortalama Molar Özgül Isısı
(mc ) 
''
tz
v t
o
1
M2
 M co2 (mc'' vCO2 )ttoz  M CO (mc'' vCO )ttoz  


tz
tz
''
''
 M H 2 (mc vH2 )to  M H 2O (mc vH2O )to 


tz
tz
''
''
 M O2 (mc vO2 )to  M N 2 (mc vN2 )to 
KOLCHİN syf 23’teki ortalama molar ısı tablosu
GAZ Ortalama molar ısı kapasitesi kJ/(kmol deg)
0-1500 oC
1501-2800 oC
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Hava
mcv=20.600+0.002638t mcv=22.387+0.001449t
O2
mcv=20.930+0.004641t mcv=23.723+0.001550t
-0.00000084t2
mcv=20.398+0.002500t mcv=21.951+0.001457t
N2
H2
CO
mcv=20.684+0.000206t mcv=19.678+0.001758t
+0.000000588t2
mcv=20.597+0.002670t mcv=22.490+0.001430t
CO2
mcv=27.941+0.019t0.000005487t2
mcv=39.123+0.003349t
H2O
mcv=24.953+0.005359t mcv=26.670+0.004438t
ξz = Q/(Hu - ΔHu) yanma süresince ısı iletimi, disosyasyon ve soğuk
silindir cidarları yakınında alev cephesinin sönmesinden dolayı ısı
kayıplarını hesaba katan ısı kullanım katsayısıdır. statistik bilgilere
göre benzin motorlarında
KOLCHİN syf 88’teki resim 4.1
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
 z  0,80  0,95
sınırları arasında değişmektedir.
Görünür Yanma Sonundaki Sıcaklık
 z .H w.m  (mc )  Tc   (mc )  Tz
'
tc
v t
o
At z  Bt z  C  0
2
''
tz
v t
o
tz
tz
=t2z
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Tz  t z  273
 B  B  4 AC
tz 
2A
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
2
K.
Teorik Yanma Basıncı
p zV z M 2  M r Tz


pcVc M 1  M r Tc
Tz  2400  2900
p z  4,0  7,5
p z  pc    Tz Tc
K
MPa
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
    pZ pC
Basınç artış oranı
Pza = 0.85 Pz
•
Kayıp katsayısı
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Genişleme politropik üssü sabit kabul edilerek:
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
GENİŞLEME SÜRECİ
paVa n2  p xV x n2  pcVc n2
TaVa
n2 1
 TxV x
n2 1
 TcVc
n2 1
n2 'nin değeri k2
adyabatik üssüne göre
aşağıdaki şekilde kabul edilir:
n2: genişleme politropik üssü,
n2 = 1.23 1.30
k 2  1  8,315 mcV ttb
o
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
•
Sıkıştırma oranından yukarı
bir dikme çık, sıcaklık
çizgisine doğru dik çiz,
sıcaklık eğrisi boyunca ilerle
α ile çakıştır ve k2 eksenine
birleştir, o nokta k2 değeri
α
k2
ε :sıkıştırma oranı
 VZ
pb  p Z 
 Vb
Tb  TZ



n2
 pZ
1

n2 1
1
 n2
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
EGZOZ SÜRECİ
• Hesapların başlangıcında ilk
önce Tr ampirik olarak tayin
edilir, hesap sonunda ise:
Tr'  Tb
Tr'
3
pb pr
pb ve Tb parametrelerine
bağlı bulunur ve tayin edilen
Tr değeri ile karşılaştırılır.
  100 Tr'  Tr  Tr
%5’ten fazla ise Tr 'nin yerine
Tr' değeri koyulur ve hesaplar yeniden yapılır, %5’in altına
düşene kadar bu işlem tekrar edilir.
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
İNDİKE PARAMETRELERİ
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
•Motorun indike parametreleri: ortalama indike basıncı pi, indike
gücü Ni, indike verimi i ve indike özgül yakıt tüketimi gi.
Benzin motorlarında ortalama indike basıncın teorik değeri;
pi ' 
pC   
1 
1 
1  MPa
1


1




n2 1 
n1 1 
  1  n2  1    n1  1   
b.oranı
Emme ve egzoz süresince pompalama
kayıplarının ortalama basıncı:
pi  pr  pa
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Gerçek çevrimin ortalama endike basıncı:
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
pi  pi  pi
MPa
burada,  - teorik çevrimin r, c, z, ve b geçiş
noktalarında yuvarlatarak gerçek çevrime
yaklaştırmak için kullanılan yuvarlatma
katsayısıdır.
Benzin motorlarında
  0.94  0.97
Dizel motorlarında
  0.92  0.95
piVh n.z
Ni 
a
İndike verim:
pi  o
i 
H u  oV
Vh 
D 2
4
S
İndike özgül yakıt tüketimi:
3600
bi 
H ui
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
EFEKTİF PARAMETRELER
Motorun efektif parametreleri: ortalama efektif
basınç pe, efektif güç Ne, döndürme momenti
Me, mekanik verim m, efektif verim e ve efektif
özgül yakıt tüketimidir ge.
pe  pi  pm
pm  pm 'pi
MPa
mekanik (sürtünme ve yardımcı mekanizmalara
giden) ve pompalama kayıpları içeren ortalama
mekanik basınçtır.
İlk tasarım hesaplarında pm , motor silindir sayısı, S/D (strok/çap) oranı ve
bağlı olarak ampirik ifadelerden hesaplanır.
ortalama piston hızına w p
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
pm  0.034  0.0113w p
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
Örneğin benzin motoru i,z  6 ve S/D ≤ 1 için pm:
Örneğin benzin motoru i,z  6 ve S/D >1 için pm:
pm  0.049  0.00152 w p
w p = 814 m/s sınırlar arasında olup prototip motora göre seçilir.
Efektif güç:
Döndürme momenti:
peVh z.n
Ne 
kW
60a
30  103 N e
Ne
Me 

 9554,14

n
n
Nm
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Mekanik verim:
m  pe pi  1  pm pi
e  m  i
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
Efektif verim:
Efektif özgül yakıt tüketimi:
be 
3600
H ue
.103,
g/kWsaat
Saatteki yakıt tüketimi:
G y  N e  be  103 kg/saat
Ne ve e büyüklükleri çevrimin parametrelerine bağlı olarak aşağıdaki formüllerle de
hesaplanabilir:
Ne 
Vh .z.n H u

 ovi m 10 3
60a  o
e 
pe

 o
 ov H u
 103
, kW
İçten Yanmalı Motor Tasarımı
Makina Müh. Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi
MOTORUN ESAS BOYUTLARI
Motorun Esas Boyutları: silindir çapı D ve piston
stroku S.
Bu boytlar iki farklı şekilde hesaplanır:
1- Piston hızının ,w  nS m/s seçilmiş olan
p
30
değerinden yararlanarak:
piston stroku
S
30w p
n
 103
mm
silindir çapı
D  10
3
4Vh
 S
mm
60.a  N e
Vh 
pe .z.n
2- prototip motordan k = S/D = 0.851.10 oranını
seçerek:
silindir çapı
D  102  3
strok
S  kD
4Vh
 k
mm
mm