Politeknik Dergisi Cilt: 5
Sayı: 3 s. 233-236, 2002
BİR DİZEL MOTORUNDA EGZOZ GAZLARI, SOĞUTMA
SUYU VE SÜRTÜNMELER YOLUYLA KAYBEDİLEN ISI ENERJİSİNİN
BELİRLENMESİ
Sahir SALMAN - Gazi
Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Bölümü 06500 Beşevler,
ANKARA
Can ÇINAR - Gazi
Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Bölümü 06500 Beşevler,
ANKARA
Tolga TOPGÜL - Gazi
Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Bölümü 06500 Beşevler,
ANKARA
Can HAŞİMOĞLU - Selçuk
Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Bölümü 42031 Selçuklu,
KONYA
ÖZET
İçten yanmalı motorlarda, motora yakıt ile
verilen ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürürken, bir takım kayıplar
meydana gelmektedir. Bu kayıplar; egzoz, soğutma, sürtünme ve radyasyon yoluyla
olmaktadır. Bu çalışmada; tek silindirli direkt püskürtmeli bir dizel motorunda,
motor devrine bağlı olarak silindir içerisine sürülen toplam ısı enerjisinin,
efektif olarak alınan enerji ve kayıp enerjilere (egzoz, soğutma ve sürtünme)
dönüşen miktarları deneysel olarak incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Dizel motoru, ısı balansı, deneysel
analiz
THE DETERMINATION OF HEAT LOSSES FROM EXHAUST GASES, COOLING WATER AND FRICTION IN A DIESEL ENGINE
While converting the heat energy into the
mechanical energy, some losses take place in internal combustion engines. These
losses occur via exhaust, cooling, friction and radiation. In this study a
single cylinder direct injection diesel engine was used. Depending upon the
engine speed the ratio of total heat energy to effective energy and lost
energies (exhaust, cooling and friction) were investigated
experimentally.
Key Words: Diesel engine, heat balance, experimental
analysis.
1.GİRİŞ
İçten yanmalı motorlarda, motor milinden
alınan faydalı işin, motora yakıtla verilen enerjiye oranı, fren termik verimi
olarak tanımlanır. Motora verilen yakıtın sahip olduğu ısı enerjisini mekanik
enerjiye dönüştürürken, bir takım kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıplar;
egzoz, soğutma, sürtünme ve radyasyon gibi yollarla olmaktadır. Fren termik
veriminin arttırılabilmesi için, bu kayıpların azaltılması ve toplam kayıptaki
paylarının bilinmesi gereklidir. Kayıp enerjilerin ve efektif gücün belirlenerek
değerlendirilmesine ısı balansı denilmektedir. Isı balansı, bir motorun
ekonomikliğini belirlediği gibi çeşitli kayıplar hakkında da fikir vermektedir
(1-6).
İçten yanmalı motorlarda, maksimum çevrim
sıcaklığı motorun yapısal özellikleri nedeniyle sınırlandırılmıştır. Bu nedenle;
pistonlu içten yanmalı motorlarda, motor parçalarının sıcaklıklarının kontrol
edilebilmesi için soğutma sistemine ihtiyaç vardır. Şekil 1’de iki ve dört
zamanlı dizel motorlarında soğutma yoluyla oluşan ısı kayıplarının bir
karşılaştırılması yer almaktadır. Şekilden de görüldüğü gibi her iki motorda da
fren ortalama efektif basıncı artıkça ısı kaybı da azalmaktadır. Dört zamanlı
bir dizel motorunda soğutma yoluyla oluşan ısı kaybı % 20-28 arasında
değişmektedir. Bu ısı kaybı; soğutma suyuna ve yağlama yağına geçen ısıyı
kapsamaktadır. Yalnızca yağlama yağına ortalama % 8’lik bir kayıp söz konusudur
(2,7,8).
Şekil 1. Dizel
motorlarında soğutma ile kaybedilen ısı (7)
Pistonlu motorlarda, çevrimin devamlılığını sağlayabilmek ve egzoz zamanındaki pompalama kaybını azaltabilmek için egzoz supabının AÖN’den önce açılması gerekir. Böylece egzoz gazlarının taşıdıkları ısı dışarıya atılır. Egzoz gazları yoluyla yaklaşık olarak % 30’luk bir kayıp meydana gelmektedir. Silindir içerisine sürülen ısının bir kısmı da radyasyonla ısı transferi nedeniyle kaybedilmektedir. Radyasyonla ısı transferi, enfraruj ışınları ile gerçekleşmektedir. Bu ışınlar etki alanları içerisine giren cisimlerin moleküllerinin hareketlerini hızlandırarak, onların ısınmalarına neden olurlar. Sürtünme kayıpları ise; çalışan motor parçaları arasında oluşan sürtünmeler, emme ve egzoz kanallarındaki kayıplar ve su pompası, yağ pompası gibi yardımcı motor elemanlarından kaynaklanan sürtünmeler yoluyla oluşmakta ve % 10 civarındadır. Piston mekanizması (piston, segman, biyel ve kompresyon yükleri) toplam sürtünme kaybının % 50’sini oluşturmaktadır. Supap sisteminde % 25, krank mili yataklarında % 10 ve yardımcı motor parçalarında ise; % 15’lik bir sürtünme kaybı oluşmaktadır (2,9-14).
Şekil 2. Motor devrine bağlı
olarak sürtünme ortalama efektif basıncının değişimi (13)
Bu çalışmada içten yanmalı motorlarda ısı
kayıplarına neden olan bu etkenlerden egzoz gazları, soğutma suyu ve sürtünme
yoluyla kaybedilen ısı enerjisi motor devrine bağlı olarak
incelenmiştir.
2. TEORİK ANALİZ
Egzoz gazlarının içerdiği ısı enerjisi üç
bölümde ifade edilebilir. Bunlar;
1)
Egzoz manifoldu
ile egzoz kalorimetresi arasında kaybolan ısı enerjisi,
2)
Egzoz
kalorimetresinden çekilen ısı enerjisi,
3)
Egzoz
kalorimetresini terk eden gazların artık ısı enerjisi, olarak ifade edilebilir
(15).
Buna göre egzoz gazlarının taşıdığı toplam
ısı enerjisi;
eşitliği ile ifade edilebilir. Bu eşitlikte
gerekli sadeleştirmeler yapılırsa;
eşitliği elde edilir. Egzoz
kalorimetresindeki ısı balansı;
eşitliği ifade edilir. Bu
eşitlikten,
elde edilebilir. 4 no’lu eşitlik, 2 no’lu
eşitlikte yerine yazılırsa;
eşitliği ile egzoz gazlarına geçen ısı
enerjisi miktarı hesaplanabilir.
Soğutma suyuna geçen ısı
enerjisi;
eşitliği ile
hesaplanabilir.
3. MATERYAL METOT
Deneylerde kullanılan direkt püskürtmeli
dizel motorunun teknik özellikleri Çizelge 1’de yer almaktadır. Deneylerde, Mc
Clure firması tarafından üretilen Hydra marka elektrikli bir dinamometre
kullanılmıştır. Deneyler tam yükte 1500 1/min ile 4500 1/min motor devri
aralığında gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3.
Egzoz kalorimetresi (15)
Egzoz gazına geçen ısı kaybını ölçebilmek
amacıyla Cussons firması tarafından üretilen ve Şekil 3’te yer alan egzoz
kalorimetresi kullanılmıştır. Bu kalorimetre susturucular ile egzoz manifoldu
arasına bağlanmıştır. Üzerinde bulunan bir akışmetre ile kalorimetreden geçen
suyun debisini 80-980 L/h aralığında, 20 L/h hassasiyetinde ölçülebilmektedir.
Sıcaklıklar 12 kanallı Elimko 6000 marka termokupllu cihaz ile 1 °C
hassasiyetinde ölçülmüştür.
Soğutma suyuna geçen ısının tespiti için
motora giren ve çıkan soğutma suyu sıcaklıkları ile suyun debisinin bilinmesi
gerekmektedir. Dinamometrenin kontrol panelindeki dijital gösterge yardımıyla
suyun giriş ve çıkış sıcaklıkları 0,1 °C hassasiyetinde ölçülebilmektedir.
Soğutma suyu debisinin tespiti için basınç
farkını ölçen akışmetre kullanılmıştır. Sürtünme yoluyla meydana gelen kayıpları
belirlemek için başlangıçta motor, çalışma sıcaklığına
kadar ısıtılmış ve durdurularak elektrikli
dinamometre tarafından döndürülmüştür. Motor devrine bağlı olarak sürtünme
momenti ölçülmüştür. Hesaplanan ısı yüzdeleri silindir içerisine sürülen toplam
ısı enerjisine oranlanarak elde edilmiştir. Sonuçlar grafik halinde
sunulmuştur.
4. DENEY SONUÇLARININ
DEĞERLENDİRİLMESİ
Şekil 4’te motor devrine bağlı olarak motor
gücü ve motor momentinin değişimi görülmektedir. Deneyin gerçekleştirildiği
motor, maksimum momenti 2400 1/min motor devrinde
22,9 Nm olarak vermiştir. Motorun maksimum
gücü ise, 4500 1/min motor devrinde 8,25 kW olarak
gerçekleşmiştir.
Şekil 5’te motor devrine bağlı olarak fren
özgül yakıt tüketimi ve termik verim değişimi verilmiştir. Fren özgül yakıt
tüketimi 2400 1/min motor devrinde 354,2 g/kWh ile minimum değerini almıştır. Bu
motor devrinin üzerinde ve altında, fren termik verimdeki azalmaya bağlı olarak
özgül yakıt tüketimi artmaktadır. Motor devrine bağlı olarak, 1500 1/min motor
devrinden itibaren devir arttıkça fren termik verimin 2400 1/min motor devrine
kadar iyileştiği ve bu devirden sonra verimde bir azalma olduğu
görülmektedir.
Şekil 6’da motor devrine bağlı olarak
sürtünme, egzoz ve soğutma suyuna geçen ısının değişimi görülmektedir. Maksimum
moment devri olan 2400 1/min motor devrinde, egzoz ve soğutma suyu yoluyla
meydana gelen ısı kayıpları incelendiğinde; bu kayıpların diğer motor
devirlerine göre daha az olduğu görülmektedir. Kayıpların azaldığı bu motor
devrinde diğer motor devirlerine göre fren termik veriminin daha yüksek olduğu
ve fren özgül yakıt sarfiyatı azaldığı anlaşılmaktadır. Sürtünme kayıpları da
motor devrine bağlı olarak artmaktadır.
Şekil 4. Motor devrine bağlı
olarak motor gücü ve momentinin değişimi
Şekil 5.
Motor devrine bağlı olarak fren özgül yakıt tüketimi ve fren termik verimin
değişimi
Şekil 6.
Motor devrine bağlı olarak sürtünme, egzoz ve soğutma suyuna geçen ısının
değişimi
5. SONUÇLAR VE
TARTIŞMA
Silindir içerisine sürülen ısının motor
devrine göre değişimi incelendiğinde, maksimum moment devrinde efektif güce
dönüşen ısı enerjisi oranının en yüksek değerini aldığı ve bu devirde egzoz gazı
ile soğutma suyu yoluyla kaybedilen ısı enerjisinin azaldığı görülmüştür.
Maksimum moment devrinden itibaren motor devri arttırıldığında veya
azaltıldığında efektif güce dönüşen ısı enerjisinin azaldığı ve egzoz ile
soğutma suyu yoluyla meydana gelen ısı kayıplarının arttığı belirlenmiştir.
SEMBOLLER
: Egzoz gazlarının özgül ısısı
(kJ/kgK)
: Suyun özgül ısısı
(kJ/kgK)
: Kalorimetreden geçen egzoz
gazlarının debisi (kg/s)
: Egzoz gazlarının taşıdığı toplam ısı
(kW)
: Motor soğutma suyuna geçen
ısı (kW)
: Ortam sıcaklığı
(K)
: Egzoz manifoldundaki egzoz
gazının sıcaklığı (K)
: Soğutma suyu çıkış sıcaklığı
(K)
: Egzoz çıkış sıcaklığı
(K)
: Motor soğutma suyu giriş sıcaklığı
(K)
: Motor soğutma suyu çıkış sıcaklığı
(K)
: Soğutma suyu giriş sıcaklığı
(K)
: Soğutma suyu çıkış sıcaklığı
(K)
KAYNAKLAR
1. Borat, O., Balcı, M. ve Sürmen, A., İçten
Yanmalı Motorlar, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları, Cilt 1,
1995.
2. Çetinkaya, S., İçten Yanmalı Motorlar
Laboratuarı Ders Notları.
3. Newton, K., Steeds, W. and Garrett, T. K.,
The Motor Vehicle, Butterworth Heinemann Press, England,
1997.
4. Zammit, S. J., Motor Vehicle Enginering
Science for Technicans, Longman Scientific & Technical,
1987.
5. Beck, N. J., Uyehara, O. A., Emiritus, P.
And Johnson, W. P., “Effects of Fuel Injection on Diesel Combustion”, SAE Paper,
No: 880299, 1988.
6. Yalçıntepe, M. R., Dizel Motorları
Teknolojisi, 1977.
7. Taylor, C. F., The Internal Combustion
Engine In Theory and Practise, The MIT Press,
Volume I, 1986.
8. Yoshimoto, Y., Tsukahara, M. and Kuramoto,
T., “Improvement of BSFC by Reducing
Diesel Engine Cooling Losses with Emulsified
Fuel”, SAE Paper, No: 962022, 1996.
9. Ball, W. F., Jackson, N. S., Pilley, A. D.
And Porter, B. C., “The Friction of a 1.6 Liter Automotive Engine-Gasoline and
Diesel”, SAE Paper, No: 860418, 1986.
10. Heywood, J. B., Internal Combustion
Engine Fundementals, Mc Graw-Hill Book Company, 1988.
11. Brown, W. L., “The Caterpillar IMEP Meter
and Engine Friction”, SAE Paper, No: 730150, 1973.
12. Wakuri, Y., Soejima, M., Ejima, Y.,
Hamatake, T. and Kitahara, T., “Studies on Friction Characteristics of
Reciprocating Engines”, SAE Paper, No: 952471, 1995.
13. Pulkrabek, W. W., Engineering
Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Prentice Hall Inc. New Jersey,
1997.
14. Hararl, R. and Sher, E., 1997,
Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Prentice Hall Inc.
15. G. Cussons Ltd., Cussons Exhaust Gas
Calorimeters Instruction Manuel, 1998.
 |
 |