Benzinli Motorlar ve Dizel Motorlar

0
1777
benzinli motorlar ve dizel motorlar

Merhaba arkadaşlar bu yazımızda size benzinli motorlar ve dizel motorlar, benzinli ve dizel motorlar modelleri ve benzinli motorların çalışma prensipleri hakkında bilgi vereceğim. Bir benzinli motorda her bir çevrimde altı işlem meydana gelir; bunların beş tanesi Şekil 1’de gösterilmiştir. Bu tartışmamızda sistemimiz, pistonun üs­tünde kalan silindirin iç kısmıdır ve burada, motorun çalışması sırasında tek­rarlanan çevrim oluşur. Verilen bir çevrimde piston, iki kez yukarıya ve aşağı­ya hareket eder. Bu iki aşağı ve iki de yukarı vuruş içeren bir dört vuruşlu çev­rimi temsil eder. Çevrimdeki bu işlemler, PV diyagramı Şekil 2’de göste­rilen bir Otto çevrimine yaklaştırılabilir:

benzin motoru
Şekil 1 (a,b,c,d,e)

Şekil 1 Standart bir benzin motorunun dört zamanlı çevrimi, (a) Emme zamanında hava ve yakıt karıştırılır, (b) Emme vanası kapanır ve karışım pistonla sıkıştırılır, (c) Karışım bir buji ile ateşlenir ve daha yüksek sıcaklığa çıkar, (d) Güç verme zamanında gaz pistonu iterek genişler. (e) Son olarak artık gaz (egzoz gazı) dışarı atılır ve çevrim tekrarlanır.

otto çevrimi
Şekil 2

1.O→A emme zamanında (Şekil 1a), piston aşağı hareket eder ve hava ile yakıttan oluşan gaz karışımı atmosfer basıncında silindir içine çekilir, Bu iş­lemde hacim V2’den V1’e yükselir. Bu, yakıtta depolanan iç enerjinin siste­me (silindir içine) girmesi nedeni ile çevrimin enerji giriş kısmım oluştu­rur. Bu, enerjinin kütle transferi ile aktarımıdır, yani enerji bir maddede ta­şınmaktadır. Bu, tartıştığımız konveksiyona benzer.

  1. A→B sıkıştırma zamanında (Şekil 1b) piston yukarı hareket eder, hava yakıt karışımı V1, hacminden V2 hacmine adyabatik olarak sıkıştırılır ve sı­caklık TA’dan TB’ye yükselir. Gazın yaptığı iş negatiftir ve değeri Şekil 2’deki AB eğrisinin altındaki alana eşittir.
  2. A→B işleminde buji ateşleme yaptığında yanma oluşur (Şekil 1c). Bu, piston en yüksek konumda iken çok kısa bir sürede oluştuğundan, çevrimin bir parçası değildir. Yanma, yakıttaki kimyasal bağlarda depolanan iç ener­jinin sıcaklığa bağlı moleküler hareketin içe enerjisine hızlı bir dönüşümü temsil eder. Bu zaman süresince silindir içindeki basınç ve sıcaklık hızla ar­tar, sıcaklık TB ’den Tc ’ye yükselir. Fakat zaman aralığı kısa olduğundan hacim hemen hemen sabit kalır. Sonuç olarak gaz hemen hemen hiçbir iş yapmaz. Bu işlemi, Qh ısı enerjisinin sisteme girdiği bir PV diyagramı ile modelleyebiliriz (Şekil 2). Fakat, gerçekte bu işlem bir transferden çok, (O→A işlemi sebebiyle) silindirde bulunan enerjinin dönüşmesi işlemidir.

4.Güç verme zamanında (Şekil 1d) gaz adyabatik olarak V2’den V1’e genleşir. Bu genleşme, sıcakılğırı TC’den TD‘ye düşmesine sebep olur. Pistonu aşağı iterek iş yapar ve bu işin değeri CD eğrisi altında kalan alana eşittir.

5.(Şekil 1’de gösterilmeyen) D→A işleminde, bir çıkış (egzoz) vanası, piston, yolunun en alt kısmına ulaştığında açılır ve basınç bu kısa zaman aralığında aniden düşer. Bu zaman aralığında piston hemen hemen dur­gundur ve hacim yaklaşık olarak sabit bir değerdedir. Enerji silindirin için­den dışarıya atılır ve bir sonraki işlem sırasında atılmaya devam eder.

6.Son işlemdeki A→O egzoz zamanında (Şekil 1e) çıkış vanası açık kal­maya devam ederken piston yukarı doğru hareket eder. Kalan gazlar atmos­fer basıncında dışarı atılır ve hacim V1 ’den V2 ’ye düşer. Çevrim böylece tekrarlanır.

Hava-yakıt karışımı ideal gaz olarak kabul edilirse, Otto çevriminin verimi,

otto çevriminin verimi
22.5

olur. Burada γ yakıt-hava karışımı için molar ısı sığalarının Cp/Cv oranı ve Vl/V2 ise sıkışma oranıdır. Türettiğimiz eşitlik 22.5, verimin sı­kışma oranı arttıkça artacağını gösterir. Tipik sıkışma oranı 8 ve γ = 1,4 için, ideal bir Otto çevirimine göre çalışan bir makinanın beklenen teorik verimi %56 dır. Bu, gerçek motorlarda ulaşılan verimden (%15’den %20’ye) çok bü­yüktür. Bunun nedeni sürtünme, silindir duvarlarından ısı kaçakları ve tam yanmamış hava-yakıt karışımıdır.

Dizel motorlar Otto çevrimine benzer bir çevrimde çalışır, fakat ateşleyici buji kullanılmaz. Bir dizel motorunun sıkışma oranı benzinli motora göre oldukça yüksektir. Silindirdeki hava çok küçük bir hacme sıkıştırılır ve bunun sonucunda silindirir sıcaklığı oldukça yüksektir. Bu noktada yakıt silindire püskürtülür sıcaklık, yakıt-hava karışımını bujiye ihtiyaç duymadan ateşleyecek kadar yüksektir. Dizel motorları, benzinli motorlara göre yüksek sıkışma oranları ve bundan doğan yüksek sıkışma sıcaklıkları nedeni ile daha verimli­dir.

benzinli motorların çalışma prensipleri

Benzinli ve Dizel Motorlar Modelleri

Bu ve önceki bölümlerde tartışılan termodinamik ilkeleri­ni, benzinli ve dizel motorların performansını modellemede kullanabiliriz. Her iki motor cinsinde, gaz, ilk olarak motorun silindirinde sıkıştırılır, sonra yakıt-hava karışımı ateşlenir. Gaz üzerinde iş, sıkışma sırasında yapılır, fakat da­ha büyük bir iş, yanma sırasında silindir genleşeceğinden piston üzerinde yapılır. Motorun gücü pistondan krank miline bir kolla aktarılır.

Her iki motorun iki önemli niceliği, piston silindirin dibinden tepesine hareket ettikçe yer değiştirdiği hacim olan yer değiştirme hacmi ve silindirin maksimum ve mini­mum hacimlerinin oranı olan r sıkıştırma oranıdır. Bizim gösterimimizde r =VA/VB veya V1/V2 ’dir. Bir çok benzinli ve dizel motor, em­me ve atma (egzoz) zamanlarında yapılan net iş ihmal edi­lebilecek kadar küçük olduğundan bir dört-zamanlı işlem­le (emme, sıkıştırma, güç sağlama, atma) çalışırlar. Böylece güç, krank milinin iki devrinden sadece birinde üretilir.

dizel motoru
Şekil 3

Bir dizel motorunda, sıkıştırma başlangıcında silindir içinde (yakıt olmaksızın) sadece hava bulunur. Şekil 3’teki ideal dizel çevriminde, silindirdeki hava  A ’dan B ’ye bir adyabatik sıkışmaya uğrar. B noktasında yakıt silindir o şekilde püskürtülür ki, yakıt karışımı sabit basınçta bir ara VC(B→C) hacmine genleşir. Karışımın yüksek sıcaklığı yanmaya sebep olur ve güç zamanı VD = VA (C→D) ’ye doğ­ru bir adyabatik genleşme olur. Çıkış supabı açılır ve silin­dir boşaldıkça bir sabit hacimli enerji çıkışı (D→A)me­ydana gelir. Hesaplamalarımızı basitleştirmek için silindir içindeki karışımın hava dolu bir ideal gaz olduğunu varsa­yalım. C molar özgül ısısı yerine c özgül ısısını kullanacak ve bunun 300K ’de hava için sabit değerde olduğunu varsa­yacağız. Özgül ısı ve evrensel gaz sabitini mol yerine birim kütleler cinsinden ifade edeceğiz. Böylece, CV = 0,718kJ/kg.K, CP = l,005kJ/kg.K, γ=CP/CV=1,40 ve R= CP – CV = 0,287kJ/kg.K = 0,287kPa.m3/kg.K değerlerini elde ederiz.

3 L’lik Benzinli Motor

3 L’lik bir yer değiştirme hacmine sahip 4000 rpm (de­vir/dk) da çalışan ve r = 9,50 ’lik bir sıkıştırma oranına sa­hip 6 silindirli benzinli bir motorun ürettiği gücü hesapla­yalım. Hava-yakıt karışımı silindire atmosfer basıncında gi­rer ve ortamın sıcaklığı 27°C ’dir. Patlama (yanma) sırasın­da karışımın sıcaklığı 1350°C ’a ulaşmaktadır.

Önce her bir silindirin yaptığı işi hesaplayalım. Başlan­gıç basıncını PA = l00kPa ve sıcaklığı TA = 300K alarak baş­langıç hacmini ve hava-yakıt karışımının kütlesini hesapla­yabiliriz. İlk ve son hacimlerinin oranının sıkıştırma oranı olduğunu biliyoruz:

VA/VB = r = 9,50

Ayrıca, hacim farkının yer değiştirme hacmi olduğunu da biliyoruz. 3 L ’lik bir motor hacmi, altı silindirin hepsinin kullandığı hacimdir. O halde silindir için

motor hacmi

olur. Bu iki eşitliği birlikte çözerek ilk ve son hacimleri bu­luruz:

VA= 0,559 x 10-3 m3       VB = 0,588 x 10-4 m3

ideal gaz kanununu (mol yerine kütle cinsinden evrensel gaz sabitini kullandığınızdan Pv= mRT formunda) kulla­nırsak, hava-yakıt karışımının kütlesini bulabiliriz:

hava yakıt karışımı kütlesi

A→B işlemi  bir adyabatik sıkıştır­madır ve bu PVγ = sabit anlamına gelir; buradan

hava yakıt karışımı

bulunur. İdeal gaz kanunu kullanılırsa sıkıştırma sonunda sıcaklık,

ideal gaz kanunu

olur.

B→C işleminde yanma, kimyasal bağlardaki iç enerji­yi, sabit hacimde yani Vc = VB de moleküler hareketin iç enerjisine dönüştürür. Patlama, sıcaklığın Tc = 1350°C = 1623K ’e yükselmesine sebep olur. Bu değeri ve ideal gaz kanununu kullanarak Pc ’yi hesaplayabiliriz:

ideal gaz

C→D işlemi bir adyabatik genleşmedir; genleşme sonrası basınç,

adyabatik genleşme

olur. Yine ideal gaz kanununu kullanarak son sıcaklığı bu­labiliriz:

son sıcaklık

Şimdi, her bir çevrimin ilk ve son sıcaklıklarını biliyo­ruz. Artık, herbir silindir tarafından her iki çevrimde yapı­lan net iş ve net enerji transferini hesaplayabiliriz. Eşitlik 21.8’den

Qh = Qgiriş = mcv(TC – TB)

= (6,49 x 10-4kg) (0,718 kJ/kg.K) (1623K- 739K) = 0,412 kj

QC = Qçıkış = mcv(TD – TA)

= (6,49 x 10″4 kg) (0,718 kJ/kg.K) (660K – 300K) = 0,168 kj

Wnet= Qgiriş – Qçıkış = 0,244 kj

bulunur. Eşitlik den verim e= Wnet/Qgiriş = %59 olarak bulunur (Eşitlik 22.5 ’den verimi doğrudan sıkışma oranın­dan da hesaplayabilirdik).

Gücün, krank milinin iki dönüşümünde dağıtıldığını hatırlarsak, 4000dev/dak hızla çalışan altı silindirli moto­run net gücü

Pnet = 6(1/2dev) (4000 dev/dak) (1 dak/60s) (0,244 kj)

= 49 kW = 66 hp (B.G)

olur.

2L’lik Dizel Motoru

2,00L yerdeğiştirme hacmi olan ve 3000dev/dk ’da çalışan bir dört silindirli dizel motorun ürettiği gücü hesaplayalım. Sıkıştırma oranı r  = VA/VB = 22 ve Şekil 22.13 ’teki B→C sabit-hacimli işlem sırasında hacim değişimi oram olan kes­me oranı rc= VC/VB = 2 ’dır. Hava her silindire atmosfer ba­sıncı ve 27°C ’lik ortam sıcaklığında sıkıştırma çevriminin başında girmektedir.

Dizel motoru modelimiz, benzinli motorunkine ben­zer; şu farkla: dizelde yakıt B noktasında püskürtülür ve A→B sıkıştırma çevriminin sonunda sıcaklık, tutuşma dere­cesine ulaştığında karışım kendi kendine ateşlenir. Burada enerji girişinin B→C sabit-basınç işleminde oluştuğunu ve genleşme işleminin C ’den D ’ye ısı yoluyla başka bir enerji transferi olmaksızın devam ettiğini varsayıyoruz.

İlk hacmi VA = (2 x 10-3m3)/4 = 0,500 x 10-3m3 olan her bir silindirin yaptığı işi hesaplayalım. Sıkıştırma oram oldukça yüksek olduğundan, maksimum silindir hacmi yak­laşık yer değiştirme hacmi kadar olsun. İlk basınç Pv = 1000 kPa ve ilk sıcaklık TA = 300 K olursa, ideal gaz kanununu kullanarak silindirdeki havanın kütlesini hesaplayabiliriz:

havanın kütlesi

A→B işlemi bir adyabatik sıkıştırmadır, böylece PVγ = sa­bittir. Buradan,

PBVBγ = PAVAγ

PB = PA (VA/VB)γ = (100kPa) (22)1,10 =7,57×10 3 kPa

olur. İdeal gaz kanununu kullanarak sıkıştırmadan sonra havanın sıcaklığını

havanın sıcaklığı

olarak buluruz.

B→C işlemi bir sabit basınçlı genleşmedir; o halde Pc = PB olur. 2 ’lik kesme oranından, hacmin bu işlemde iki katma çıktığını biliriz. İdeal gaz kanununa göre bir izobarik işlemdeki hacmin iki katma çıkması, sıcaklığın da iki ka­tma çıkması anlamına gelir. Dolayısı ile

TC=2TB= 2,06 x 103K

olur. C→D işlemi bir adyabatik genleşmedir. Buna göre

elde edilir. İdeal gaz kanunundan D ’deki sıcaklığı bulabi­liriz:

sıcaklık bulma

Şimdi herbir işlemin ilk ve son sıcaklıklarım bildiğimizden her iki çevrimde herbir silindir tarafından yapılan net işi ve ısı yolu ile yapılan net enerji transferini hesaplayabiliriz.

Qh = Qgiriş = mcp(TC – TB) = 0,601 kj

QC = Qçıkış = mcv(TD – TA) = 0,205 kj

Wnet= Qgiriş – Qçıkış = 0,396 kj

Verim e= Wnet/Qgiriş = %66 ’dır.

3000dev/dk ’da çalışan dört silindirli bir motorun net gücü,

Pnet = 4(1/2dev) (3000 dev/dak) (1 dak/60s) (0,396 kj)

= 39,6 kW = 53 (B.G) hp

dir. Tabii ki modern motor tasarımları, idealleştirilmiş çev­rimleri kullanan bizim termodinamik uygulamanın ötesin­dedir.

Benzinli motorlar ve dizel motorlar ile ilgili yararlı bir video.

Paylaşır mısınız?
Önceki İçerikSes ve Ses Dalgaları Nelerdir
Sonraki İçerikivme nedir
Oğuzhan Mallı
Merhaba Ben Oğuzhan Mallı Mühendis Beyinler sitesinin editörüyüm, Bir süre Karadeniz Teknik Üniversitesinde Elektrik ve Elektronik mühendisliği okuduktan sonra, yurtdışında eğitimime devam etmekteyim. Advanced seviyesinde İngilizce ve Rusça bilmekteyim. Yazılarımda yaptıklarımla, düşüncelerimle ilgili pek çok şey bulabilirsiniz. Yorumlarınız, düşünce ve tavsiyeleriniz benim için çok önemli. Yalnızca “Merhaba, buralardaydım.” demek için dahi olsa vakit ayırıp bıraktığınız her bir yorum için çok teşekkür ederim. Bütün yorumlara cevap vermeye çalışıyorum.

Düşünceleriniz Nedir?