BÖLÜM 2: TEORİK MOTOR ÇEVRİMLERİ MOTORLU TAŞIT TEKNİĞİ BÖLÜM 2: TEORİK MOTOR ÇEVRİMLERİ

2.1 Termodinamik Özellikler Termodinamik ısı enerjisi ile iş arasındaki ilişkileri inceleyen bilim dalıdır. Basınç, hacim ve sıcaklık bir sistemin başlıca termodinamik özellikleri olup bu özelliklerden biri aşağıdaki gibi diğer ikisinin fonksiyonudur ve sistemin herhangi bir halinde bu özelliklerden ikisi bilindiğinde üçüncüsü hesaplanabilir. Motorlarda iş akışkanı olarak gazlar kullanılır ve ideal gazlarda aşağıdaki durum değişimleri söz konusudur. 1. Sabit hacimde (izohor) durum değişimi 2. Sabit basınçta (izobar) durum değişimi 3. Sabit sıcaklıkta (izoterm) durum değişimi 4. Adyabatik (izoentropik) durum değişimi 5. Politropik durum değişimi

2.2 İdeal Gazların Durum Değişimleri 1. Sabit hacimde (izohor) durum değişimi: Sistemin hacmi sabit tutularak gerçekleştirilen durum değişimidir. Bu durum değişimi sırasında iş üretimi olmaz. P-V ve T-S diyagramları

2.2 İdeal Gazların Durum Değişimleri 2. Sabit basınçta (izobar) durum değişimi: Sistemin basıncı sabit tutularak gerçekleştirilen durum değişimidir. Bu durum değişimi sırasında ısı ve iş alışverişi olur. P-V ve T-S diyagramları

2.2 İdeal Gazların Durum Değişimleri 3. Sabit sıcaklıkta (izoterm) durum değişimi: Sistemin sıcaklığı sabit tutularak gerçekleştirilen durum değişimidir. Bu durum değişimi sırasında iç enerji değişimi olmaz. P-V ve T-S diyagramları

2.2 İdeal Gazların Durum Değişimleri 4. Adyabatik (izoentropik) durum değişimi: Sistemle çevre arasında ısı alışverişinin olmadığı durum değişimidir. Bu durum değişimi sırasında entropi üretimi olmaz. P-V ve T-S diyagramları

2.2 İdeal Gazların Durum Değişimleri 5. Politropik durum değişimi: Sistemin basınç, hacim ve sıcaklığının sürekli değiştiği ve çevreyle ısı alışverişinin olduğu durum değişimidir. P-V ve T-S diyagramları

2.3 Motor Termodinamiğinin Temelleri Mühendislik termodinamiği deneylerden elde edilmiş verilere ve TD1K ve TD2K olarak bilinen ilkelere dayalıdır. TD1K matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilir. TD1K tek başına kullanıldığında termik makinelerdeki enerji dönüşümü hakkında yanıltıcı sonuçlar vermektedir. Bu nedenle TD1K’dan kaynaklanan eksiklikler TD2K ile giderilmektedir. TD2K hal değişimlerinin hangi yönde gerçekleşebileceğini belirler ve matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilir. TD2K göre yüksek sıcaklıklı ortamdan (kaynak) ısı alan ve bu ısının bir kısmını çalıştığı çevrimin yapısı gereği zorunlu olarak düşük sıcaklıklı ortama (kuyu) aktarıp geriye kalan bölümünü faydalı işe dönüştüren makinelere termik makine veya ısı makinesi denir. Yine TD2K göre ısı kendiliğinden düşük sıcaklıklı ortamdan yüksek sıcaklıklı ortama geçemez. Bunun için dışarıdan mekanik iş alınması gerekir. Bu ilkeye göre çalışan makinelere soğutma makinesi denir.

2.3 Motor Termodinamiğinin Temelleri

2.3 Motor Termodinamiğinin Temelleri Termik makineler makinenin türüne göre belirli bir termodinamik çevrime göre çalışır. Çevrim şekilde görüldüğü gibi makine içindeki gazların basıncının hacme göre değişimini gösterir ve çevrimin sınırladığı alan makineden elde edilen yararlı işe karşılık gelir ve çevrim işi (Wç) olarak adlandırılır. Termik makineler kaynaktan alınan ısının ne kadar fazla bölümünü yararlı işe dönüştürebilirse o kadar başarılıdır. Buna göre bir çevrim sonunda elde edilen işin bu işi elde etmek için harcanan ısıya oranına termik veya ısıl verim denir.

2.4 Teorik Motor Çevrimleri Motor tasarımının her aşamasında deneysel çalışma yapmak zaman ve ekonomi açısından mümkün değildir. Bu nedenle araştırmacılar daha önceki deneysel çalışmalardan elde edilen ampirik bağıntıları kullanarak teorik analizler yaparlar. Motorlar çalışırken emme ve egzoz kanallarında akış olayları, silindir içinde gaz hareketleri ve zincirleme kimyasal reaksiyonlar (yanma) ve silindir duvarlarıyla ısı alışverişi gibi oldukça karmaşık olaylar gerçekleşir. Bu olayların tümünü dikkate alan gerçek motor çevrimlerinin teorik hesabı zordur. Bu nedenle başlangıçta teorik motor çevrimlerinin incelenmesi gerekir. Gerçekte içten yanmalı motorlar teorik çevrimlere göre çalışmazlar. Ancak teorik çevrimler farklı motorların karşılaştırılmasını sağlayan çeşitli performans parametrelerinin tespitini kolaylaştırır. Bu nedenle teorik çevrimler incelenirken bazı kabul ve varsayımlar yapılır. Bu kabuller oldukça karmaşık olan gerçek çevrimlerin daha kolay anlaşılmasını ve gerçek çevrimlerin sonuçlarına paralel sonuçların ortaya çıkmasına yardımcı olur.

2.3 Teorik Motor Çevrimleri Teorik çevrimlerde yapılan kabuller aşağıdaki gibi sıralanabilir. 1. Teorik çevrimlerde iş akışkanının hava olduğu kabul edilir ve bu nedenle teorik çevrimlere hava standart çevrimleri de denir. Çevrim süresince silindir içinde sabit miktarda hava bulunduğu emme ve egzoz işlemleri dikkate alınmaksızın motorun kapalı çevrime göre çalıştığı varsayılır. Buna göre çevrim tamamlandığında iş akışkanı tekrar başlangıçtaki özelliklere sahip olur. Gerçekte ise motorun çalışabilmesi için taze dolgunun silindire emilmesi ve yanmış gazların atılması gerekir. 2. Teorik çevrimlerde iş akışkanı olarak kabul edilen havanın ideal gaz olduğu ve havanın 1atm ve 298K şartlardaki mol kütlesi ve özgül ısılarının değişmeden sabit kaldığı varsayılır. Gerçekte ise gazların özgül ısıları sıcaklıkla değişir. 3. Teorik çevrimde sıkıştırma ve genişleme süreçleri boyunca çevreyle ısı alışverişi olmadığı bu işlemlerin adyabatik olarak gerçekleştiği varsayılır. Gerçekte ise bu işlemler politropik karakterdedir.

2.3 Teorik Motor Çevrimleri 4. Teorik çevrimlerde sıkıştırma işlemi sonunda bir kaynaktan çevrime ısı girişi olduğu ve genişleme işlemi sonunda sabit hacimde çevrimden ısı çıkışı olduğu varsayılır. Gerçekte ise ısı girişi yanma işlemi ile olmakta ve yanma sırasında yakıt ile havanın oksijeni arasında zincirleme kimyasal reaksiyonlar gerçekleşmektedir. Isı çıkışı ise egzoz işlemi sırasında değişken hacimde gerçekleşir. 5. Teorik çevrimlerde ateşleme, püskürtme, sıkıştırma ve genişleme işlemlerinin tam ölü noktalarda başlayıp bittiği varsayılır. Bu nedenle teorik çevrimler köşeli yapıdadır. Gerçekte ateşleme ve püskürtme işlemleri avanslı olarak yapılır. Supaplar erken açılır ve gecikmeli olarak kapatılır. Bu nedenle gerçek çevrim yuvarlatılmış yapıdadır. 6. Teorik motor çevrimlerinde sürtünmeler ve mekanik kayıplar dikkate alınmaz. Gerçekte hareketli motor elemanları arasında sürtünmeler olur ve yağ ve su pompaları, soğutma fanı gibi yardımcı elemanlar motorun ürettiği gücün bir kısmını harcayarak mekanik kayıplar meydana getirir. 7. Teorik motor çevrimlerinde silindir içindeki gazların sızmadığı varsayılır. Gerçekte motorun yıpranma durumuna bağlı olarak segmanlardan ve supaplardan gaz kaçakları meydana gelir.

2.3 Teorik Motor Çevrimleri Teorik çevrimlerde birçok basitleştirme ve kabuller yapılmakla birlikte içten yanmalı motorların çalışmasının en basit modelini oluşturur ve aşağıdaki gibi sıralanırlar. 1. Otto çevrimi: Sabit hacimde ısı girişli çevrim olup buji ateşlemeli motorlarının çalışmasını temsil eder. 2. Dizel çevrimi: Sabit basınçta ısı girişli çevrim olup yavaş hızlı dizel motorlarının çalışmasını temsil eder. 3. Karma çevrim: Sabit hacim ve sabit basınçta ısı girişli çevrim olup orta ve yüksek hızlı dizel motorlarının çalışmasını temsil eder. Teorik çevrimlerin temel parametreleri ise aşağıdaki gibidir.

2.3.1 Sabit Hacim (Otto) Çevrimi Çevrime ısı girişi ve çıkışı sabit hacimde gerçekleşir. Buji ateşlemeli motorların çalışmasının en basit modelini oluşturur. P-V ve T-S grafikleri şekillerde verilmiş olan çevrimin analizi aşağıdaki gibi yapılır.

2.3.1 Sabit Basınç (Dizel) Çevrimi Çevrime ısı girişi sabit basınçta ısı çıkışı ise sabit hacimde gerçekleşir. Yavaş hızlı dizel motorların çalışmasının en basit modelini oluşturur. P-V ve T-S grafikleri şekillerde verilmiş olan çevrimin analizi aşağıdaki gibi yapılır.

2.3.1 Sabit Hacim ve Sabit Basınç (Karma) Çevrimi Çevrime ısı girişi sabit hacimde ve sabit basınçta ısı çıkışı ise sabit hacimde gerçekleşir. Orta ve yüksek hızlı dizel motorların çalışmasının en basit modelini oluşturur. P-V ve T-S grafikleri şekillerde verilen çevrimin analizi aşağıdaki gibi yapılır.

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi Karma çevrimi Otto ve Dizel çevrimlerini kapsadığından teorik çevrimlerin analizi Karma çevrim üzerinden yapılacaktır.

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi Termik verim çevrimden elde edilen net işin çevrime sokulan ısıya oranı olup aşağıdaki gibi belirlenir.

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi Şekillerde Otto çevrimi için ısıl verimin sıkıştırma oranı değişimi verilmiştir.

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi Şekillerde Dizel çevrimi için ısıl verimin hacim artış oranı ile değişimleri verilmiştir.

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi Teorik Ortalama Basınç: Motor çalışırken silindir içindeki gazların basıncı sürekli olarak değişir. Motor hesaplarını daha pratik yapabilmek, farklı motorları karşılaştırabilmek ve motorlarla ilgili ampirik bağıntıları elde edebilmek için bu değişken basınçlar yerine ortalama basınç değerleri kullanılır. Motorlarda teorik ortalama basınç, ortalama indike basınç ve ortalama efektif basınç kavramları kullanılır. Teorik ortalama basınç pistona sadece genişleme süresince etki ettiği varsayılan ve teorik çevrim işine eşit işi veren basınç olup pm ile gösterilir ve aşağıdaki gibi belirlenir.

2.4 Teorik Motor Çevrimlerinin Analizi

2.5 İki Zamanlı Teorik Motor Çevrimleri Şekilde iki zamanlı benzin ve dizel motorlarının teorik çevrimleri verilmiş olup teorik hesapları dört zamanlı motorlardaki gibidir.

2.6 Teorik Motor Çevrimlerinin Karşılaştırılması ÖDEV

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Örnek 1: Hava standart sabit hacim (Otto) çevrimine göre çalışan bir motorun sıkıştırma oranı 8,8 olup sıkıştırma başlangıcındaki sıcaklık 20°C ve basınç 1 bardır. Sisteme 1 kg hava başına 1600kJ ısı verildiğine göre: a) Çevrimin p-v ve T-s diyagramlarını çiziniz. b) Çevrimin her bir noktasında basınç (p), özgül hacim (v) ve sıcaklık (T) değerlerini hesaplayıp tablo şeklinde düzenleyiniz. c) Çevrimin net işini, teorik ortalama basıncını ve termik verimini hesaplayınız. Sabit değerler aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 1: a) Çevrim Otto çevrimi olduğundan p-v ve T-s diyagramları aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 1: b) Çevrim her bir noktasında p, v ve T değerleri aşağıdaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 1: c) Çevrimin net işi, teorik ortalama basıncı ve termik verimi yandaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Örnek 2: Hava standart sabit basınç (Dizel) çevrimine göre çalışan bir motorun sıkıştırma oranı 16 olup sıkıştırma başlangıcındaki sıcaklık 290K ve basınç 98 kpa’dır. Çevrimin max. sıcaklığı 1650K olduğuna göre: a) Çevrimin p-v ve T-s diyagramlarını çiziniz. b) Çevrimin her bir noktasında basınç (p), özgül hacim (v) ve sıcaklık (T) değerlerini hesaplayıp tablo şeklinde düzenleyiniz. c) Çevrimin sıkıştırma, genişleme ve net işini hesaplayınız. d) Çevrimin teorik ortalama basıncını ve termik verimini hesaplayınız. Sabit değerler aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 2: a) Çevrim Dizel çevrimi olduğundan p-v ve T-s diyagramları aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 2: b) Çevrim her bir noktasında p, v ve T değerleri aşağıdaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 2: c) Çevrimin sıkıştırma, genişleme ve net işi yandaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 2: d) Çevrimin teorik ortalama basıncı ve termik verimi aşağıdaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Örnek 3: Hava standart Karma çevrimine göre çalışan bir motorda izantropik sıkıştırma sonunda özgül hacim 0,0068 m3/kg ve çevrimin max. sıcaklığı 1650K’dir. Sıkıştırma başlangıcındaki sıcaklık 290K ve basınç 100 kpa olup sabit hacimde çevrime verilen ısı 250kj/kg olduğuna göre: a) Çevrimin p-v ve T-s diyagramlarını çiziniz. b) Çevrimin her bir noktasında basınç (p), özgül hacim (v) ve sıcaklık (T) değerlerini hesaplayıp tablo şeklinde düzenleyiniz. c) Çevrimin net işini, teorik ortalama basıncını ve termik verimini hesaplayınız. Sabit değerler aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 3: a) Çevrim Karma çevrimi olduğundan p-v ve T-s diyagramları aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 3: b) Çevrim her bir noktasında p, v ve T değerleri aşağıdaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 3: c) Çevrimin net işi, teorik ortalama basıncı ve termik verimi aşağıdaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Örnek 4: Sıkıştırma oranı 8 olan bir benzin motorunda hava giriş sıcaklığı 20°C ve atmosfer basıncı 100kpa’dır. Yakıt hava oranı Y/H=0,06 ve kullanılan beniznin alt ısıl değeri Hu=44300kJ/kg olduğuna göre: a) Uygun teorik çevrimi seçip P-V diyagramını çiziniz. b) Sıkıştırma ve yanma sonu basınç ve sıcaklıklarını hesaplayınız. Sabit değerler aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 4: a) Benzin motoru olduğundan Otto çevrimine göre çalışır. Otto çevriminin p-V aşağıdaki gibidir.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler Çözüm 4: b) Çevrim sıkıştırma ve yanma sonu basınç ve sıcaklıkları aşağıdaki gibi hesaplanır.

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler

2.8 Teorik Motor Çevrimleri Çalışma Soruları

2.7 Teorik Motor Çevrimleri Örnek Çözümler