MOTOR BLOĞU VE SİLİNDİR KAPAĞI TASARIMI. İsmail YILMAZ. Sedat ALTUNOK LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

Transkript

1 i MOTOR BLOĞU VE SİLİNDİR KAPAĞI TASARIMI İsmail YILMAZ Sedat ALTUNOK LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ OCAK 2015

2

3 i İsmail YILMAZ ve Sedat ALTUNOK tarafından hazırlanan MOTOR BLOĞU VE SİLİNDİR KAPAĞI TASARIMI adlı bu tezin Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yard. Doç. Dr. Melih OKUR Tez Danışmanı.. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Otomotiv Mühendisliği Bölümünde Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Kemal ERŞAN.. Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN.. Yard. Doç. Dr. Melih OKUR.. Bu tez, G.Ü. Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği nce onanmıştır. Prof. Dr. Can ÇINAR Otomotiv Mühendisliği Bölüm Başkanı....

4 ii ETİK BEYAN Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; Tez içinde sunduğum bilgi ve dokümanları akademik kurallar etik çerçevesinde elde ettiğimi, Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, Tez çalışmamda özgün verilerim dışında kalan ve tezde yararlanılan eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi, Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı, Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu ve başka bir yerde sunmadığımı Beyan ederim. İsmail YILMAZ Sedat ALTUNOK

5 iii MOTOR BLOĞU VE SİLİNDİR KAPAĞI TASARIMI (Lisans Tezi) İsmail YILMAZ Sedat ALTUNOK GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Ocak 2015 ÖZET Bir motorun, tasarımının başlangıcından satışa çıkarılmasına kadar geçen süre oldukça uzun bir süreçtir. Sürenin uzun olması, üretim maliyetini artırmaktadır. Tasarım-analiz süresinin kısaltılması için, mühendisler, bilgisayar destekli çizim ve bilgisayar destekli mühendislik programları kullanmaktadır. Bu çalışma da, hedeflenen güç değeri baz alınarak, tek silindirli, dört zamanlı, su soğutmalı, otto çevrimli bir motorun temel boyutları tasarlanmıştır. Tasarlanan bu motor, CATIA V5 programında modellenmiştir. Silindir kalınlığı ve silindir içi akış analizi, ANSYS 14.5 programı kullanılarak analiz edilmiştir. Sonuç olarak, motor tasarımında, prototip motor üretilmeden de yapısal analizler yapılabileceği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Motor bloğu, Silindir kapağı, Ansys Sayfa Adedi : 113 Tez Yöneticisi : Yard. Doç. Dr. Melih OKUR

6 iv DESIGN OF THE ENGINE BLOCK AND CYLINDER HEAD (Thesis) İsmail YILMAZ Sedat ALTUNOK GAZİ UNIVERSITY FACULTY OF TECHNOLOGY January 2015 ABSTRACT An engine s design from beginnig to be sold period is a quite long time. Longer period increases the product costs. Today, engineers are using computer aided drawing and computer aided engineering softwares for reducing the design process. In this study, basic dimensions of one cylinder, four stroke, water cooled an otto engine designed for target engine power value. This designed engine modeled in CATIA V5 software. Thickness of cylinder and cylinder flow analysis were performed in ANSYS 14.5 software. As a result, structural analysis for engine design can be performed without creating prototype. Key Words : Engine block, cylinder head, Ansys Page Number: 113 Advisor : Yard. Doç. Dr. Melih OKUR

7 v TEŞEKKÜR Çalışmalarımız boyunca yardım ve katkılarıyla bizi yönlendiren danışman hocamız Yard. Doç. Dr. Melih OKUR a ve kıymetli tecrübelerinden faydalandığımız Otomotiv Mühendisliği Bölümü ndeki tüm kıymetli hocalarımıza, manevi destekleriyle bizi hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli arkadaşlarımıza teşekkür ederiz.

8 vi İÇİNDEKİLER sayfa ÖZET...iv ABSTRACT.. v TEŞEKKÜR. vi İÇİNDEKİLER.. vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ.. ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ x RESİMLERİN LİSTESİ.. xi SİMGELER VE KISALTMALAR... xiv 1.GİRİŞ. 1 2.LİTERATÜR TARAMASI İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi Tasarım Tasarımda temel kararlar ve ön analiz İçten yanmalı motorların tasarım esasları İçten Yanmalı Motor Çeşitleri Strok sayısına göre sınıflandırma Karışım teşkiline göre smıflandırma Çalışma çevrimin karakterine göre sınıflandırma Kullanılan yakıta göre sınıflandırılma Dolguyu silindirlere doldurma şekline göre sınıflandırılma Silindirlerin yerleştirilme şekline göre sınıflandırılma Soğutma şekline göre sınıflandırma Kullanma maksatlarına göre motorların sınıflandırması İçten Yanmalı Motorların Temel Parçaları Motor bloğu Silindir kapağı Krank mili Biyel kolu Piston Kam mili

9 vii Supap Volan Motor Tasarımı ve Analizi Üzerine Yapılan Çalışmalar Motor Bloğu Malzemeleri Alüminyum alaşımları Dökme demir Magnezyom alaşımları Motor Bloğu İmalat Yöntemleri Kum döküm Basınçlı döküm Silindir Kapağı Malzemeleri ve İmalat Yöntemleri Bilgisayar Destekli Analiz 61 3.MATERYAL METOD Motor Bloğu Ve Silindir Kapağının Tasarım Hesaplamaları Motor Bloğunun Modellenmesi Silindir Kalınlığının Yapısal Analizi Silindire Alınan Havanın Akış Analizi. 86 SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKÇA ÖZGEÇMİŞ 94

10 viii ÇİZELGELERİN LİSTESİ sayfa Çizelge 2.1. Alüminyum ve dökme demirin yoğunluk ve ısı iletim katsayısı 52 Çizelge 3.1. Analizde kullanılan motorun temel özellikleri Çizelge 3.2. Analizde kullanılan karakteristik değerler. 80 Çizelge 3.3. Krank mili pozisyonları için analizde kullanılacak veriler 80 Çizelge 3.4. Gerilme değerleri 86

11 ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ sayfa Şekil 2.1. Geri besleme döngülü bir tasarım akış diyagramı 9 Şekil 2.2. Klasik bir motora ait emme ve egzoz supları açılma diyagramı 38 Şekil 2.3. Değişken supap mekanizması kam milinde supap zamanlaması...39 Şekil 2.4 Otomobillerdeki ağırlık artış grafiği 46 Şekil 2.5 Alüminyum şekillendirme yöntemleri. 48 Şekil 2.6 Otomotivde üretim tekniğine göre alüminyum 49 Şekil 2.7. Batı Avrupa da üretilen motor sayısı.. 51

12 x RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa Resim 2.1. Isaac de Rivaz ın motoru 2 Resim 2.2. Otto ve Langen in uçan pistonlu motoru 3 Resim 2.3. Brayton'un 1872 yapımı gaz motoru Resim 2.4. Otto'nun 1876 yapımı dört stroklu deney motoru.. 5 Resim 2.5. Silindirlerin yerleştirilme şekline göre motorların sınflandırılması. 18 Resim 2.6. Sıralı motorlar Resim 2.7. V tipi motorlar.. 20 Resim 2.8. Boksör tipi motorlar. 21 Resim 2.9. Yıldız tipi motorlar Resim 2.10.W tipi motorlar Resim H tipi motorlar 22 Resim Zıt pistonlu motorlar Resim Wankel motorlar. 24 Resim Quasiturbine motorlar. 24 Resim Motor bloğu 26 Resim Silindir kapağı 27 Resim Krank milinin kısımları Resim Krank milinin yağ kanalları Resim Biyel kolu 31 Resim Pistonun üstten ve yandan görünümü 32 Resim Çeşitli piston konstrüksiyonları.. 32 Resim Piston kısımları Resim Kam milleri. 34 Resim Kamın kısımları.. 35 Resim Değişken supap zamanlaması uygulanan bir motora ait kam milleri...36 Resim Çeşitli kam profilleri.. 37 Resim Kam mili profilinin önden görünümü 37 Resim Supaplar ve mekanizmaya ait diğer parçalar Resim Supap, supap yayı, supap kılavuzu, yay tablası ve tırnakları Resim Supabın montaj edilmiş hali.. 40

13 xi RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa Resim Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan supap kılavuzları 41 Resim Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan bagalar Resim Sodyum ile soğutulan bir supap.. 42 Resim İ-tipi hidrolik iticili her silindire iki emme ve iki egzoz supabı kullanılan bir supap sistemi. 43 Resim Üç supap düzenlemesi (iki emme supabı, bir egzoz supabı). 43 Resim Beş supaplı motor düzenlemesi.. 43 Resim Volan ve debriyaj baskı-balatası Resim alaşımından imal edilmiş 5. nesil Chevrolet Corvette LS1 motoru Resim Dökme demirin katı yağlama mekanizması Resim Kesilmiş halde Mg-Al kompozit motor bloğu Resim Kum döküm yöntemi.. 57 Resim Kokil döküm yöntemi 58 Resim Düşük basınçlı döküm yöntemi 58 Resim Yüksek basınçlı döküm.. 59 Resim Squeeze casting yöntemi 59 Resim 3.1. CATIA programında oluşturulan katı model Resim 3.2. Piston konumları (10 o, 30 o, 40 o, 45 o, 50 o, 60 o ) Resim 3.3. ANSYS programına hazır modelin import edilmesi 81 Resim 3.4. ANSYS programına aktarılan yarım motor bloğu...82 Resim 3.5. Eleman tipinin belirlenmesi 82 Resim 3.6. Malzeme özelliklerinin tanımlanması. 83 Resim 3.7. Bölünmüş silindir yüzey alanı.. 83 Resim 3.8. Mesh edilmiş katı model.. 84 Resim 3.9. Katı modelin displacement yüzeyi 84 Resim Gaz kuvvetleri Resim o KMA için analiz sonucu Resim Analizi yapılacak akış ortamı Resim Akış analizi için seçilen eleman tipi... 87

14 xii RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa Resim Mesh edilen akış ortamı.. 87 Resim Silindire alınan havanın giriş bölgesi Resim Akış çizgileri Resim Akış analizi için yenilenen yanma odası 89 Resim Yeni yanma odasının akış çizgileri. 90 Resim Emme zamanı akış çizgileri 90

15 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Simgeler Açıklamalar η p η v η m P i P p P e ε X H u c p c v H mix k η t P me V H V h D H C m P i P me P f P L η e b e t c σem İyilik derecesi Hacimsel verim Mekanik verim İndike güç Teorik makinann gücü Efektif güç Sıkıştırma oranı Strok çap oranı Alt ısıl değer Sabit basınçta özgül ısı Sabit hacimde özgül ısı Karışım ısıl değeri İzantropik üs Termik verim Ortalama efektif basınç Toplam strok hacmi Strok hacmi Silindir çapı Kurs boyu Piston hızı İndike ortalama basınç Ortalama efektif basınç Sürtünme gücü Litre gücü Efektif verim Özgül yakıt tüketimi Silindir kalınlığı Emniyet gerilmesi

16 xiv Simgeler Açıklamalar t ch nb rc L biyel Silindir kapağı kalınlığı Civata sayısı Krank mili yarıçapı Biyel uzunluğu

17 xv Kısaltmalar CNG LPG ÜÖN AÖN SAE KMA AFR Açıklamalar Sıkıştırılmış doğal gaz Sıvı petrol gazı Üst ölü nokta Alt ölü nokta Society of automotive engineers Krank mili açısı Hava yakıt oranı

18

19 1 1.GİRİŞ Günümüzde otomotiv sektöründe içten yanmalı motorlar, kullanımı açısından önemini korumaktadır. Yeniliklerle dolu otomotiv sektöründe her geçen zamanla gelişen motor teknolojileri özellikle yakıt sarfiyatını azaltmaya yöneliktir. Böylece müşterilerin beklentilerini karşılamayı ve Dünya da tükenme noktasına gelen petrol yakıtlarını idareli kullanmayı hedeflerler. Bunun yanı sıra daha hafif, daha dayanıklı ve daha iyi güç sağlayacak özellikte motorların tasarımları için bir uğraş verilmektedir. Bu şartlar göz önünde alınarak başta Avrupa da olmak üzere bir çok otomotiv fabrikaları, üretimlerini ve AR-GE çalışmalarını sürdürmektedirler. Bir otomobilin üretiminde en zor iş motorun üretilmesidir. Bu nedenle bazı önemli otomotiv şirketleri ürettikleri araçların motorlarını başka şirketlere yaptırmaktadırlar Bir motorun tasarımından üretilmesine kadar bir çok teorik bilgi kullanılarak defalarca deneyler ve hesaplamalar yapılır. Bunun sonucunda ortaya çıkan prototiplerde de sorunlar çıkabilir. Yeniden motor tasarımına geri dönmek zorunda kalınabilir. Motor tasarımı, üretilecek bir aracın özelliklerini ve müşteri beklentilerini belirlemek açısından çok önemlidir. Bu çalışmada, motor bloğu ve silindir kapağı tasarımı yapılmıştır. Bu motor tasarımı için genel kabuller ve amprik formüller ile termodinamik, malzeme bilgisi ve mukavemet konularında teorik bilgilerden yararlanılmıştır. Oluşturulan tasarım, bilgisayar destekli tasarım ve bilgisayar destekli analiz programları ile simüle edilip çalışma şartlarında analiz edilmiştir. Tasarlanan motor, günümüzdeki mevcut motorlardan daha iyi olmamasına rağmen geliştirilebilir bir tasarımdır. Bu projedeki düşünce doğrultusunda malzeme bilimi kullanılarak nanoteknoloji ve magnezyum alaşımları alanında yapılan atılımlarla çok iyi özelliklerde bir motor üretilebilir. Ancak bu daha iyi imkanlarla ve daha ciddi çalışmalarla sağlanabilir.

20 2 2.LİTERATÜR TARAMASI 2.1.İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi 1791 yılında John Barber ın gaz türbini patentini alması ile içten yanmalı motorların ilk somut adımları atılmıştır yılında Robert Street ismindeki bir araştırmacı ilk kez hava-gaz yakıt karışımlarını kullanan pistonlu içten yanmalı bir motorun patentini almıştır. Bu patentte yakıt olarak terebentin kullanılmıştır. Yakıtın motor dizaynında belirleyici olacağı bu patenten anlaşılmış ve değişik yakıtların kullanılabileceği farklı motor dizaynları ortaya çıkmaya balamıştır yılında Philippe LEBON kömürden elde edilen gaz yakıtla (şehir gazı) çalışan motorun patentini almıştır. İsveçli mühendis Isaac de Rivaz yılları arasında içten yanmalı motorla tahrik edilen bir vagon yapmaya çalışmıştır (Resim 2.1). Resim 2.1. Isaac de Rivaz ın motoru 1806 yılında Claude ve Joseph -Nicephore Niepce kardeşler yakıt olarak toz kömür kullanan motor yapmışlardır yılında William Cecil, yakıt olarak hidrojeni kullanacak bir motor gelitirmiş. Daha sonraki yıllarda Samuel Brown, Samuel Morey,Lemuel W. Wright, William Barnett, Stuart Perry, Alfred Drake gibi araştırmacılar değişik dizaynları ile içten yanmalı motorun gelişimine önemli katkılarda bulunmuşlardır. Fakat gerçek anlamda içten yanmalı pistonlu motorun doğuşu Eugenio Barsanti ve Felice Matteochi'nin 1854 yılında İtalya dan aldıkları pantent ile olmuştur. Bu patentten sonra Nicolaus August Otto ve Eugen Langen de benzer tip bir motor için 1866 yılında patent almışlardır. Bu patente göre imal edilen motor Resim 2.2'de verilmiştir. Bu motorlar herhangi bir krank-biyel

21 3 mekanizmasına bağlı olmadıkları için "uçan veya serbest pistonlu" motor adı verilmiştir. Otto ve Langen bu motorlardan yaklaşık 5000 adet üretmişler ve 10 sene piyasanın hakimi olmuşlardır. Resim 2.2. Otto ve Langen in uçan pistonlu motoru İtalya ve Almanya' da uçan pistonlu motorlar geliştirilip imal edilirken Paris te yaşayan Jean Joseph Etienne Lenoir 1860 yılında daha değişik bir prensibe göre çalışan motorun patentini almış ve bu motordan yaklaşık olarak 500 adet imal etmiş, İngiltere ve Fransa da bunları satmıştır. Fakat bu motor, veriminin düşük ve yakıt sarfiyatının yüksek olması nedeni ile fazla bir gelişme gösterememiştir. Bu motorda piston biyel yardımı ile krank mekanizmasına bağlı olup, pistonun ileri geri hareketleri dönme hareketine dönüştürülmekte olup günümüz motorlarına, çalışma prensibi bakımından en yakın motordur. Bu motorda daha önce Street in gelitirdiği piston, Lebon un gelitirdiği çift etki prensibi, Rivaz'ın kullandığı elektrikli ateşleme sistemi ve Samuel Brown motorunda olduğu gibi silindirler su ile soğutulmuştur. Sıkıştırma prosesinin olmaması nedeni ile bu motorlara atmosferik motorda denir. Bu dönemde sıkıştırma prosesinin önemi çok fazla bilinmemekle beraber, bu yönde bazı çalışmalar yapılmıştır. Örneğin 1838'de Barnett, karışımı bir pompa yardımı ile sıkıştırmayı düşünmütür. Gustav Schmidt, 1861 yılında Lenoir motorunda ateşlemeden önce sıkıtırma yapılmasını önermiştir. Ancak günümüz motorların temel çalışma prensiplerini veren Fransız Alphonse Beau de Rochas olmuştur. 16 Ocak 1862 yılında yayınlanmış olan "Demir yollarında ve havacılıkta ısının ana güç

22 4 kaynağı olarak uygulanması için yeni araştırmalar" adlı patentinde motorun temel çalışma prensiplerini vermiştir. Patentte herhangi bir çizim veya resim yoktur, fakat yazıda yeni motorda yanma öncesi yakıt-hava karışımının sıkıştırılacağı ve çalışma çevriminin aynı silindir içerisinde dört piston strokunda tamamlanacağı belirtilmiştir. Çevrimi oluturacak olan prosesler; 1. Emme gerçekleştirmeli (Birinci strok), 2. Dönüşte sıkıştırma (İkinci strok), 3. Ölü noktadan geçerken ateşleme ve bundan sonra genişleme (Üçüncü strok), 4. Yanmış gazların silindirlerden atılması (Dördüncü strok), olarak dört strok şeklinde tanımlanmıştır. Motordan daha yüksek performans elde etmek için ise; 1. Silindirin yüzey/hacim oranı mümkün olduğu kadar küçük olmalı, 2. Genişleme prosesi mümkün olduğu kadar şiddetli olmalı, 3. Mümkün olduğu kadar tam genişleme sağlanmalı, 4. Genileme öncesi mümkün olan en yüksek basınç sağlanmalı, Burada l. madde ısı kaybını azaltmayı, diğer maddeler ise gazın enerjisinden hangi koşullarda daha fazla yararlanılabileceğini açıklamaktadır. Bu makalesinden dolayı Alphonse Beau de Rochas 'in modern motorun mucidi olduğu düşünülebilir. Fakat Beau de Rochas sadece bir kağıt üzerinde motor önerisinde bulunmuştur. Bu prensipleri uygulamaya koyan ve ilk prototipinde gerçekletirdiği için motorun mucidi olarak Alman Nicolaus August Otto kabul edilir yılında Amerika da Geoge Bailey Brayton ilk kez ticari gaz motorunu dizayn etmiş ve motorun patentini hem Amerika dan hem de İngiltere den almıştır. Brayton un motoru ön sıkıştırmalı, sabit basınçta yanmalı ve tam genişlemeli bir motordur (Resim 2.3). Bu motorda kompresörün ve pistonlu motorun ortak çalışması söz konusudur. Bu motordan çok sayıda yapılmış fakat 1876 yılında Nicolaus August Otto'nun geliştirdiği motorla rekabet edemeyerek piyasadan kaybolmutur.

23 5 Resim 2.3. Brayton'un 1872 yapımı gaz motoru Otto, Wilhelm Maybach ile 1876'da ilk dört stroklu motoru yapmıştır (Resim 2.4). Resim 2.4. Otto'nun 1876 yapımı dört stroklu deney motoru Bu şekilde dört stroklu motor yaratılmış fakat dört stroklu motorun güç üretimi için tek çözüm olmadığını düşünenler,krank milinin her dönüşünde iş alınmasını sağlayacak olan iki stroklu motor üzerinde çalışmaya başlamışlardır yılları arasında James Robson, Dugald Clerk, Wilhelm Witting ve Wilhelm Hees bu konuda öncü çalışmalara başlamışlardır. Karl BENZ ilk iki stroklu motorunu 1879 'da yapmıştır. Wühelm von Oechelhauser ve Hugo Junkers 1890 yılında karşı pistonlu motoru yapmışlardır. Fakat bu motorlar sahip oldukları avantajlara rağmen 1900'lü yıllardan önce fazla geliştirilememiştir. Rudolf Christian Karl Diesel, sabit basınçta, sabit hacimde ve sabit sıcaklıkta yanma ile ilgili patentini 1892 yılında almıştır. Bu patente karşı, Maschinen Fabrik

24 6 Augsburg-Nürnberg A.G. yani kısaca MAN firmasının direktörü Heinrich BUZ'un büyük ilgi duyması ile Diesel bu firmada çalışmaya başlamış ve 1893 yılında ilk dizel motorun prototipi imal edilmiştir. Uzun süren denemelerden sonra bu motora ait patent 16 Temmuz 1895 de alınmış ve ilk ticari değeri olan motor 1897 yılında imal edilmiştir. Daha sonraki yıllarda motor üzerindeki çalışmalar daha da hızlanarak devam etmiş ve bu motorlar gittikçe daha mükemelleşerek günümüze kadar gelmiş ve hala en önemli güç üretim araçları olarak kullanılmaktadır [18]. 2.2.Tasarım Tasarım, Elizabeth Adams Hurwitz tarafından kısa ve öz olarak, gerekli olanın araştırılması şeklinde tanımlanmıştır. Genellikle uygulamalı sanatlar ve görsel sanatlar, mühendislik, mimari, peyzaj ve diğer yaratıcı işler çerçevesinde ele alınır. Tasarlamak, yeni bir obje veya ürün (makine, mobilya, endüstriyel ürün vb.), mekan ve alan (yapı, peyzaj) için bir plan yaratma ve geliştirme sürecine işaret eder. Tasarı ise hem son plan veya taslak (bir çizim, modelleme vb.); ya da bir plan veya taslağın sonucu (üretilen bir obje, ürün, mekan ve alan) için kullanılır [1]. İçten yanmalı motorlar, Otto nun 1876 ve Diesel in 1897 yılında yaptığı motorlardan bu yana, 100 yılı aşkın bir süredir geliştirilerek kullanılmaktadırlar. Bu süre içerisinde, söz konusu motorların ayrıntılarındaki geliştirmeler şaşırtıcı boyutlarda olduğu halde, temel yapılarında esaslı bir değişiklik olmamıştır. Günümüzün içten yanmalı motorları, ayrıntılar üzerindeki tasarım çalışmalarının komple tasarıma göre daha uygulanabilir kabul edildiği bir düzeydedir. Ancak bu, sonraki çalışmaların da mutlaka böyle olacağı anlamına gelmez. Aksine, çağdaş ve başarılı tasarım çalışmalarının sürdürülmekte olması, en iyi sonucun hâlâ elde edilemediğini göstermektedir. Yakıt ekonomisi, boyut, ağırlık ve fiyat gibi temel göstergelerin, çıkış gücü, güvenilirlik ve ömürle oranları yıldan yıla geliştirilmekledir. Çeşitli alanlarda kullanılacak motorların seçiminde, bu motorların, iki veya dört zamanlı, benzinli veya diesel, normal emişli veya süperşarjlı olmaları gibi önemli seçenekler, hâlâ

25 7 geçerlidir. Öyleyse, başarılı bir içten yanmalı motor tasarımı, sahip olduğu ve çoğu günümüzde de tam olarak cevaplanmamış veya anlaşılmamış problemlerinin çözümüyle yakından ilgilidir [2] Tasarımda temel kararlar ve ön analiz Tasarım, herhangi bir görevi yapabilmesi için, parçaların boyut, biçim, malzeme kompozisyonu ve parça düzenlemelerini önerme işlemidir. Şekil 2.1 'de, tipik bir tasarım akış diyagramı görülmektedir. Bir ürünün fonksiyon ve kalitesi hakkındaki tüketici raporları, bir yeniden tasarımı gerektirebilir. Şekil 2.1'deki diyagramda, ürünün piyasaya sunulması kutusundan çıkan geri besleme halkası bunu belirtmektedir. Ticaret ve endüstriyel rekabet de, yeniden tasarımı sürekli zorlamaktadır. Bir diğer faktör de, patent geliştirme çalışmalarıdır. İhtiyaç belirlendikten sonra, özellikleri dikkatle belirlenmelidir. Özellikler, müşterinin gerçekten ne istediğinin yeterince açık bir biçimde ifade edilmesidir. Diyagramdaki bu alan, bazı mühendislik organizasyonlarınca "Tasarım ve performans özellikleri" olarak da belirtilmektedir. Özellikler belirlendikten sonra yapılacak çalışma, fizibilite çalışmasıdır. Fizibilite çalışmasının amacı, önerinin muhtemel başarı veya başarısızlığının teknik ve ekonomik açıdan tespitidir. Fizibilite çalışması yapacak kimselerin, iyi tasarım geçmişine, mühendislik bilimleri, malzeme kullanımı, imalat yöntemleri ve satış bilgilerine sahip olmaları gerekmektedir. Projenin başarısı için çoğu kez özelliklerde değişiklik yapılmaktadır. Bu durum, Şekil 2.1' deki diyagramdaki geri besleme devresi ile açıklanmıştır. Yaratıcılık, yeni bir fikir veya kavramın üretilmesi için, değişik yeni ve/veya eski fikirlerin sentezi biçiminde tanımlanmaktadır. Mühendis bu aşamada mucit ve sanatçı olabilir. Burada tip sayı ve boyut sentezi ile, elde edilmesi amaçlanan makina, eleman ya da sistem, parçaların biçim ve sayıları ile boyutları, malzemeleri, ağırlıkları, dayanımları ve diğer özellikleri kararlaştırılır.

26 8 Ön tasarım ve geliştirme aşamasında, makina veya sistemin değişik parçaları arasındaki fonksiyonel ilişkileri ve tüm düzenlemeyi belirlemek için, makina veya sistemin ara bağlantılarını gösteren çizimler yapılır. Bu çizimlerde, amaçlanan tasarımı açıklamak üzere, önemli boyutlar ve notasyonların yer aldığı görünüşler çizilir, çevrim diyagramlarını içeren kinematik çalışmalar yapılır. Tüm istekler ve özellikler bu bölümde nadiren başarılabildiğinden, Şekil 2.1'deki diyagramda, özellikler kutusuna bir geri besleme devresi çizilmiştir. Ayrıntılı tasarım, imal edilecek veya satın alınacak tüm elemanların her birinin gerçek anlamda boyutlandırılmasını içerir. Burada, her bir eleman için gerekli görünüşleri, ölçülerini, toleransları, malzemelerini, ısıl işlemleri (varsa), montaj için gerekli elemanları ve montaj numaralarını gösteren yapım resimleri hazırlanır. Çizimlerde, imalata ilişkin bilgiler tam olarak verilmelidir. Alt montaj ve montaj çizimleri, malzeme ve parça listeleri gibi tüm ayrıntılar tamamlandıktan sonra, komple tasarım, imal edilmek üzere, prototip veya model atelyesine gönderilir. Burada, gerekli parçalar imal edildikten ve Standard parçalar da piyasadan satın alındıktan sonra, monte edilerek, değerlendirme ve denemeye hazır hale getirilir. Deney periyodundaki sonuçlar, ön tasarım ve ayrıntılı tasarım alanlarında değişiklik ve iyileştirmeleri öngören bilgiler verebilir. Bu olasılık, Şekil 2.1'deki diyagramda, geri besleme devresi ile belirtilmiştir. Sürekli revizyonlar, tasarım mühendisi performans özelliklerinin sağlandığına kanaat getirinceye kadar sürer. İmalat için tasarım aşamasında, imalat için en iyi (genellikle en ekonomik) imalat yöntemlerine uyacak tasarım değişiklikleri dikkate alınır. Örneğin, imalat mühendisi, bir parçanın kalıpta kesme, dökme veya çekme yöntemiyle imal edilmeye uygun olduğunu düşünebilir. Bu aşamada yapılması gereken bir başka çalışma da, bazı parçaların piyasadaki eşdeğerleriyle ve bazı malzemelerin de eşdeğerde tatmin edici ancak daha ucuz malzemelerle değiştirilebilme ihtimalinin araştırılmasıdır. İmalat için tasarım tamamlandığında, çizimler, ürünün piyasaya sunulmak üzere imali için imalat bölümüne gönderilir. İmalat sırasında karşılaşılan ve kolaylıkla

27 9 düzeltilemeyen olumsuzluklarda genellikle ön tasarım ve geliştirme veya değişiklik için ayrıntılı tasarım aşamasına dönülür. Bu olasılık, Şekil 2.1'deki diyagramda, geri besleme devresi ile belirtilmiştir [2]. Şekil 2.1. Geri besleme döngülü bir tasarım akış diyagramı İçten yanmalı motorların tasarım esasları Yeni bir tasarım yapmanın gerekçeleri Tasarım yapmanın gerekçesi halen piyasada bulunabilen motorların, motorun kullanılması öngörülen taşıt veya başka bir kullanım alanı için gerekli güç ihtiyacını karşılayamaması olabilir. Diğer taraftan, motor piyasada bulunsa bile, yeni tasarımın piyasada bulunabilenlerle rekabet edebileceği iddia edilebilir [2]. Kullanım alanı Motorun kullanılacağı farklı alanlar için gerekli olan motorların özellikleri de farklı olacağından, tasarımda kullanım alanının göz önünde bulundurulması zorunludur.

28 10 Belirli bir hizmet alanına veya alanlar grubuna yönelik olmayan tasarımların başarılı olması mümkün değildir [2]. Yakıt türü Çok özel amaçlar dışında, kullanılacak yakıt, halen piyasada yeterli miktarda ve makul bir fiyatla bulunabilen türde bir yakıt olmalıdır. Benzin seçildiğinde, normal, süper veya kurşunsuz, diesel yakıtı seçildiğinde D1 veya D2 tercihleri söz konusudur. Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), sıvı petrol gazları (LPG) ve alkol gibi yakıtlar da, kullanıldığı bölgede bulunabilen diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında, ucuz ve yeterli servis imkanlarına sahip iseler, tercih edilebilirler [2]. Güç ve yakıt ekonomisi ihtiyacı Başarılı bir şekilde tasarlanmış motorların, makul düzeylerde olmak üzere, güç ağırlıkları ve üretim maliyetleri düşük, bakım ihtiyacı az, yakıt ekonomileri ve güvenilirlikleri iyi, ömürleri uzun olmalıdır. Ancak, bu özelliklerden bazılarının iyileştirilmesi, diğerlerini olumsuz yönde etkilediğinden, kullanım amacına göre bu özelliklerden hangilerinin öncelikli olduğu belirlenmelidir. Günümüz otomobillerinin boyutları küçülmekte, aerodinamik dirençleri ve ağırlıkları azalmaktadır. Bu nedenle, eskiden kullanılmakta olan sekiz ve altı silindirli motorların yerini büyük oranda dört silindirli motorlar almıştır. Böyle olduğu halde bile, aynı birim taşıt ağırlığı için daha güçlü motor veya aynı güç için daha hafif motor üretme çabaları sürdürülmektedir. Motorun güç ağırlığını azaltmak amacıyla, dökme demir yerine alüminyum kullanımı, volumetrik verimi yükseltmek üzere supap ve port tasarımı, çok supaplı tasarımlar ve süperşarj gibi uygulamalar yapılmaktadır. Motor gücü belirlenirken aşağıdaki uyanların dikkate alınması yararlı görülmektedir: 1. Tasarlanan motor, özel bir neden yoksa, asla aynı amaçla kullanımda olan motorlardan daha az güç verecek biçimde tasarlanmamalıdır.

29 11 2. Motor, geliştirilebilir ve geliştirildiğinde daha fazla güç verebilir yapıda tasarlanmalıdır (örneğin, başlangıç tasarımında yeterli olan küçük çaplı supaplar, daha fazla güç ihtiyacı söz konusu olduğunda büyültülebilmelidir). 3. Motor gücü, tasarıma karar verildiği andaki değil, motorun imalata hazır duruma geldiği andaki güç ihtiyacı göz önünde bulundurularak tespit edilmelidir. Yakıt ekonomisi her zaman arzu edilen bir özellik olmasına rağmen, motorun kullanım alanına göre, etkileyeceği diğer özellikler bakımından da değerlendirme yapılmalıdır. Yakıt ekonomisi genellikle motorun özgül gücünü kötüleştirmektedir. Bu nedenle, verilen bir güç için en ekonomik (verimli) motor, daha büyük, daha ağır ve muhtemelen daha pahalı bir motor olacaktır [2]. En uygun motor tipi İhtiyaca en uygun motor tipinin hangisi olduğu sorusunun cevaplanması sayesinde, aslında birçok durumda kullanılan yakıt türü kararlaştırılır. Benzin motorları, güç ağırlıklarının ve maliyetlerinin düşük, ivme yeteneklerinin yüksek, bakımlarının kolay olmasının yanı sıra, daha sessiz, titreşimsiz, egzoz dumansız ve özellikle soğuk havalarda daha kolay çalışmaları, benzinin de daha az kötü kokulu olması gibi nedenlerle, otomobillerde ve 75 kw gücün altında güç gerektiren diğer alanlarda, çoğunlukla diesel motoruna tercih edilmektedirler. Büyük taşıtlar için gerekli olan gücü sağlamak üzere, daha büyük boyutlu motor tasarlamak gerekmektedir. Ancak, geniş silindir ölçüsünün detonasyona olan olumsuz etkisi nedeniyle, büyük silindir çaplı buji ile ateşlemeli motoru tasarlamak son derece güçtür. Bu nedenle, bazı doğal gaz yakıt kullananlar hariç, imal edilmiş ve silindir çapı 150 mm'den daha büyük olan buji ile ateşlemeli motor sayısı, yok denecek kadar azdır. Bu yüzden, büyük güçleri gerektiren alanlarda, diesel motoru alternatifsiz hale gelmektedir. Diesel motorunun buji ile ateşlemeli motor karşısındaki diğer önemli bir avantajı da yakıt ekonomisidir. Uygun süperşarj kullanımı ile, diesel motorunun boyut ve ağırlığı, benzinli motorla bir ölçüde rekabet edebilir düzeye gelmekte, ancak diğer olumsuzlukları devam etmektedir.

30 12 Motorun iki zamanlı veya dört zamanlı olması konusunda uygun bir tercih yapmadan önce, iki zamanlı motorların yaygın olarak kullanılmakta olduğu iki alana dikkat etmek yararlı olabilir. Bu alanlar, küçük buji ile ateşlemeli motorların genellikle kullanıldığı motosikletler, deniz botu motorları, hafif portatif motorları, çim biçme makinaları, ağaç testereleri, vb. ile ortadan büyük boylara kadar diesel ve gaz motorlarıdır. Küçük iki zamanlı buji ile ateşlemeli motorların tercih edilmesinde genellikle şu özellikler etkili olmaktadır: Düşük ilk maliyet, Düşük güç ağırlığı. Bu motorların hemen hemen tamamı karterden süpürmelidir ve bu özelliğiyle, halen imal edilmekte olan en basit motor tipidir. Özgül güçleri, aynı boyutlardaki dört zamanlı motorlardan genellikle daha yüksek olduğundan, verilen bir güç için fiyat ve ağırlıkları daha düşüktür. Buna karşın, süpürme sırasındaki karışım kaybına bağlı olarak, yakıt ekonomileri daha kötüdür. Bu nedenle, küçük iki zamanlı buji ile ateşlemeli motorlar daha çok, kullanım faktörünün düşük, yakıt ekonomisinin çok önemli olmadığı alanlarda tercih edilmektedirler. Bu motorların, kötü yakıt ekonomisine ek olarak diğer olumsuzlukları, rölanti ve hafif yüklerdeki düzensiz çalışmaları ile genellikle yağlama yağının yakıta karıştırılması nedeniyle fazla yağ tüketimleridir. İki zamanlı diesel uygulamasında karterden süpürme, diesel motorlarının çalıştığı yüksek hava/yakıt oranlarının, bu sistemde düşük ortalama efektif basınçlar vermesi sebebiyle, çok uygun bulunmamaktadır. Ayrıca, silindir sayısı arttıkça da yapısal olarak karterden süpürme daha etkisiz hale gelmektedir. Bu motorlara bir süpürme bloweri eklenmesi durumunda, dört zamanlı normal emişli motora oranla, karterden süpürmeli motorla sağlanan fiyat avantajının çoğu veya tamamı yok olmaktadır. Ancak, bu uygulama sayesinde motorun bir miktar yakıt ekonomisi kaybı ve hafif yük kaybı olmakla birlikte, aynı büyüklükteki dört zamanlı normal emişli motora oranla özgül güçleri daha yüksek olmaktadır. Yaklaşık 300 mm silindir çapına kadar hem iki, hem de dört zamanlı diesel motorları kullanılmakta iseler de, bu çaptan daha büyüklerde iki zamanlılar çoğunluktadır.

31 13 Bunun ana sebebi, yaklaşık aynı piston hızı ve güçteki eşit büyüklükteki silindirlerdeki basınçlar, iki zamanlı motorlarda dört zamanlı motorlara oranla daha düşüktür. Bu nedenle, motor elemanlarındaki maksimum gerilmeler de iki zamanlı motorlarda daha düşük olmaktadır. Silindirler büyüdükçe, ısıl gerilmelerin önlenmesi de giderek güçleştiğinden, silindir çapı arttıkça, müsaade edilen maksimum basınçlar azalmaktadır. İki zamanlı diesel motorlarının otomotiv alanında yaygın olmayışlarının muhtemel nedenleri şunlar olabilir: 1. Dört zamanlı motor tasarımının deneyim geçmişi daha fazladır. 2. Verimli süpürmeli iki zamanlı diesel motorlarının tasarımı, iyi hava kapasiteli dört zamanlı motor tasarımına oranla daha fazla çaba gerektirmektedir. 3. Karterden süpürmeli basit iki zamanlı diesel motorlarının dışında, iki zamanlı motorların tasarımı da en az dört zamanlı motor tasarımı kadar karmaşıktır. 4. İki. zamanlı diesel motorlarının yakıt ekonomileri çoğunlukla kapasiteli dört zamanlı rakiplerinden daha kötüdür [2]. Soğutma sistemi Hava ile soğutma sistemlerinde, havanın bilinen su ile soğutma sistemlerindeki suya oranla çok daha yüksek hızlarda (dört ile sekiz katı) ve düşük sıcaklıklarda (havanın sıcaklığı genellikle 40 C 'den az, halbuki soğutma suyunun sıcaklığı genellikle C dolayında) kullanılması, ayrıca silindirin dışındaki soğutma yüzeylerini artırmak üzere (10 ile 125 kat arasında) kanatçıklar eklenmesiyle, su ile soğutmanın doğal avantajı hemen hemen ortadan kalkmaktadır. Ancak, yine de, benzer koşullarda, hava ile soğutulan silindirlerin kritik bölgelerinin sıcaklıkları, su ile soğutulan silindirlerinkinden daha yüksek olmaktadır. Yukarıda bahsedilen nedenlerle, silindir çapı arttıkça, hava ile soğutma güçleşmektedir. Bu yüzden, silindir çapı 150 mm'nin üzerinde olan hava ile soğutulan motor hemen hemen yoktur. Hava ile soğutma, kanatçıklar için yeterli alan sağlayan karşıt silindirli (boksör tipi) motorlar ile, radyatör ve soğutma sistemi için uygun yerin bulunmadığı bir veya iki silindirli motorlar için kısmen cazip olabilir.

32 14 Çalışmaları sırasında yüksek hava hızlarının elde edilmesi nedeniyle, hava ile soğutma sistemlerinin doğal olarak en uygun olduğu motorlar, küçük uçak motorlarıdır. Ayrıca, küçük portatif ve sabit motorlar ile motosiklet motorları için uygun olduğu söylenebilir [2]. Aşırı doldurma (süperşarj) Buji ile ateşlemeli motorlarda aşırı doldurma, özgül gücün yüksek olması istenen uçak motorları, lüks ve spor otomobiller, yarış otomobilleri ve büyük doğal gaz motorları gibi özel alanlarda uygulanmaktadır. Diesel motorlarında aşırı doldurma ise, diesel motorunun doğal uygunluğu ve verim ve güç artışı sağlaması nedeniyle, düşük maliyetin küçük boyut ve düşük ağırlıktan daha önemli görüldüğü bazı kullanım alanları dışında, giderek artan bir uygulamadır. Günümüzde, otomobiller, kamyonlar, otobüsler, lokomotifler, orta ve büyük boy deniz taşıtları için üretilen diesel motorlarının hemen hemen tamamı aşırı doldurmalıdır [2]. Silindir sayısı ve boyutları Silindir sayısı ve boyutlarının belirlenmesi, her şeyden önce istenen çıkış gücüne bağlıdır. Örneğin 2-3 kw'ın altındaki motorların hemen hemen tamamı, ilk maliyetlerinin düşük olması ve 50 mm 'nin altındaki silindirlerin imalatındaki güçlükler nedeniyle, tek silindirlidir. Anma gücü arttıkça, küçük silindirlerin boyut, ağırlık ve geliştirilmiş motor balansı ile ilgili avantajları nedeniyle, motorun silindir sayısının artırılması gereğini işaret etmektedir. Silindir sayısı artırıldıkça, benzer tasarımlar olması ve devir kısıtlaması olmaması koşuluyla, motorun boyutları küçülmekte ve ağırlığı azalmaktadır. Özetle, silindir sayısı ve boyutlarının seçiminin, düşük güç ağırlığı, yüksek litre gücü, makul titreşim düzeyi, imalat ve bakım fiyatı, ömür beklentisi ve motorun genel biçimi arasındaki uzlaşmaya bağlı olduğu söylenebilir [2].

33 15 Silindir düzenlemesi Silindir düzenlemesi seçimindeki en önemli faktör, elde edilen motorun biçiminin, kullanılacağı yere uygunluğu ile buradaki bakım ve onarımlarının kolay yapılabilmesidir. Örneğin, silindirleri krank milinin altında olan motorlar, deniz ve otomobiller için hiç uygun değilken, ters V ve radyal motorlar, uçaklar için uygun olabilmektedir. Altı silindire kadar olan sıra tipi motorlar, basitlikleri ve bakım kolaylıkları nedeniyle tercih edilmektedirler. Altı silindirli sıra tipi motorlar, özellikle balans ve titreşim bakımından tercih edilmektedirler. Altı silindirden fazla sıra tipi motorlarda, uzunluklarının diğer boyutlarına oranla fazla uzaması ve krank millerinin burulma titreşimlerinin artması gibi problemler ortaya çıkmaktadır. Bu olumsuzluklara rağmen, özellikle büyük gemiler, tekneye uygunluğu nedeniyle, 12 silindire kadar sıra tipi motorlar imal edilmektedir. Sekiz silindirli V tipi motorların balansı çok iyidir, titreşim problemi yoktur ve tasarımı da dengi motorlara kıyasla basittir. Özellikle, strok/çap oranı 1,0 den düşük olanlarda, otomobilin motor kompartımanına uymada hiç bir sorun çıkarmamaktadır. V-8 motorlar, motorun genel biçimindeki derli topluluk, düşük güç ağırlığı ve imalat fiyatı arasındaki iyi uyum nedeniyle, yüksek güçlü otomobillerde ve diğer bir çok alanda tercih edilmektedir. İki, dört ve altı silindirli V tipi motorların balans problemleri bulunmaktadır. Bunlar daha çok, biçimsel olarak uygun görüldükleri, motosiklet ve küçük otomobillerde kullanılmaktadırlar. Boksör tipi (veya karşıt silindirli) motorlar, 180 açısıyla V tipi motorların özel bir durumu olarak değerlendirilebilirler. Ancak, V tipi motorlarda her krankla iki silindir çalışırken, bu motorlarda genellikle her silindir için bir krank gerekmektedir. Bağımsız kranklar, silindirler arasında yeterli mesafe bırakılmasına imkan verdiğinden, bu motorlar hava soğutmalı motorlar için uygundurlar. Genellikle güç ağırlığının düşük, uzunluğun kısa olmasının önemli olduğu alanlarda kullanılırlar. Otobüs ve kamyonlarda, döşeme altı yerleştirmeye de uygundurlar. Otomotiv alanında çoğunlukla iki, dört ve altı silindirli boksör tipi motorlar kullanılmaktadır.

34 16 Radyal motorlar, biçimlerinin hava soğutmaya uygunlukları, krank millerinin ve karterlerinin küçük olmasına bağlı olarak, güç ağırlıkları en düşük olan motor olmaları nedeniyle, çoğunlukla uçaklarda kullanılmaktadırlar [2]. Geliştirme çalışmasının tahmini süresi İmal edilmekte olan motorlara benzer bir motorun geliştirme süresi, harcanacak çabanın yoğunluğuna, görev alacak personel sayısına ve deneyimine, alman malî desteğe, bu çalışmaya ayrılacak ekipmanlara ve geliştirilecek olan motorun yeni ve denenmemiş özelliklerinin düzeyine bağımlı olarak iki ilâ beş yıl arasında, hatta daha fazla olabilmektedir [2]. Geliştirme çalışmasının tahmini maliyeti Tasarımın "başarılı" veya "başarısız" olarak değerlendirilmesindeki en önemli faktör fiyattır (istisnalar olabilir, ancak böyle durumlarda bile fiyat tamamen göz ardı edilemez). Maliyet tahmini, zaman, malzeme, personel ve geliştirme çalışmasına ayrılacak ekipmanlara bağımlıdır. Motorun imal edilmekte olan motorlara benzerliği ve organizasyon deneyimi arttıkça, tahminin doğruluk payı da artmaktadır. Bu konuda deneyimi olmayan organizasyonların, genellikle düşük tahmin yaptıkları ifade edilmektedir [2]. İmalat maliyeti Geliştirilen motorun kağıt üzerinde fonksiyonel olması, tüm tasarım çalışmasının sadece bir bölümüdür. Tasarımcının çalışmaları, ancak imal edilebilir olduğu zaman anlam kazanmaktadır. İmalatın buradaki anlamı, parçaların, rekabet edebilir bir maliyetle imal ve montajıdır. İmalat maliyetinin tahmini,- sadece tasarım ayrıntılarına değil, aynı zamanda imalatın hızı ve metoduna da bağlıdır. Bu nedenle tasarımcının, imalat yöntem ve makinalarını da iyi tanıyor olması şarttır..ancak böyle bir tasarımcı uygun tasarım yapabilir, malzeme seçebilir, toleransları belirtebilir, montaj işlemlerini vb. dikkate alabilir. Montaj çizimleri yapıldıktan sonra, deneyimli imalatçılar imalat maliyetini oldukça doğru olarak tahmin edebilmektedirler.

35 17 Rekabet değerlendirmesi açısından, "Satın alabiliyorsanız imal etmeyiniz" sözünün geçerlilik payı oldukça yüksektir. Bu nedenle, yeni bir tasarım çalışmasına başlamadan önce, halen imal edilmekte olan ucuz motorlar, çok ciddi olarak dikkate alınmalı, tasarıma karar verildiğinde ise, piyasadan temin edilebilecek Standard motor parçalarının yeniden tasarlanması ve imalinden kaçınılmalıdır [2]. 2.3.İçten Yanmalı Motor Çeşitleri İçten yanmalı pistonlu motorlar çeşitli faktörler göz önüne alınarak sınıflandırılırlar; Strok sayısına göre sınıflandırma Dört stroklu motorlar Bu tip motorlarda bir iş çevrimi, dört piston strokunda tamamlanır ve bu esnada krank mili iki dönüş yapar. İki stroklu motorlar Bu tip motorlarda bir iş çevrimi, iki piston strokunda tamamlanır ve bu esnada krank mili bir dönüş yapar. İlk motor geliştirilme çalışmaları yapılırken bazı mucitler üç ve altı stroklu çevrimleri denemişlerdir [18] Karışım teşkiline göre smıflandırma Karbüratörlü motorlar Bu motorlarda, karbüratör yardımı ile hava-yakıt karıımı silindirin dışında oluturulur. Bu gruba örnek olarak iki ve dört stroklu otto motorları verilebilir Yakıt püskürtmeli motor Bu motorlarda emilmekte olan havanın veya silindir içersine emilmiş olan havanın içersine yakıt püskürterek hava-yakıt karışımı oluşturulur. Dizel ve püskürtmeli otto motorları bu gruba dahildir [18].

36 Çalışma çevrimin karakterine göre sınıflandırma Yanmanın sabit hacimde gerçekletiği motorlar (Otto çevrimli) Yanmanın sabit basınçta gerçekletiği motorlar (Diesel çevrimli) Yanmanın kısmen sabit hacimde, kısmen sabit basınçta gerçekleştiği motorlar (Seilinger çevrimli) [18] Kullanılan yakıta göre sınıflandırılma Sıvı yakıtlı motorlar (Benzin, motorin, kerosen, alkol ve bitkisel yağlar kullanan motorlar) Gaz yakıtlı motorlar (Doğal gaz ve LPG kullanan motorlar) Katı yakıtlı motorlar (Toz kömür kullanan motorlar) [18] Dolguyu silindirlere doldurma şekline göre sınıflandırılma Doğal emişli motorlar Aşırı doldurmalı motorlar [18] Silindirlerin yerleştirilme şekline göre sınıflandırılma Resim 2.5. Silindirlerin yerleştirilme şekline göre motorların sınflandırılması

37 19 Sıralı motorlar Sıralı tip motor, silindirlerin krank mili üzerinde bir çizgi üzerinde sıralandığı motor tipidir. Günümüzde otomobillerde kullanılan en yaygın modeldir. Silindirlerin yan yana dizilmesinden dolayı bu adı almıştır. Dizel veya benzinli olabilirler. İki, üç, dört, beş ve altı silindirli olarak yapılabilirler. Altı silindirden sonrasında motor boyu uzadığından motor dengesi bozulacağı için tercih edilmemektedir. Bazı sıralı tip motorlar eğik olarak yapılmaktadır. Bunun sebebi araçtaki motor bölmesini küçültmek içindir. Örneğin1967 model Plymouth'ların 6 silindirli motorları bu şekildedir. Yatay vaziyette yapılan sıralı tip motorlar da vardır[19]. Resim 2.6. Sıralı motorlar V Tipi motorlar V tipi motor, silindirlerin krank şaftı üzerinde "V" şeklinde iki sıra halinde dizildiği motor tipi. Sıralı tip motorlara göre daha yüksek bir güç/hacim oranına sahip olan bu tip motorlar nispeten yüksek performans gereken uygulamalarda kullanılırlar. Silindirler arasındaki açı benzinli motorlarda 60 0 veya 90 0 olabilir, dizel motorlarda 30 0 ila arasında değişebilir. Daha çok güç istenen ve fazla yer kaplamaması gereken yerlerde tercih edildiğinden V6, V8 ve V12 en çok kullanılan tiplerdir. Daha az miktarda krank mili ana yatağına sahip olduğundan motordaki sürtünme kayıpları daha azdır[19].

38 20 Resim 2.7. V tipi motorlar Boksör tipi motorlar Boksör motor (boxer) ya da diğer adıyla düz motor pistonları yere paralel olan bir içten yanmalı motordur. Boksör motorda silindirler tek bir krank milinin her iki tarafına 2 sıra halinde yerleştirilmiş ve böylece tüm pistonların hareketinin tek bir düzlemde olması sağlanmıştır. Yatay olarak pistonları karşılıklı olan bu içten yanmalı motorun patent hakkı 1896 yılında Karl Benz tarafından alınmıştır. Boksör motorların pistonları yatay ve karşılıklı dizilmiştir ve krank milleri ortada ve ortaktır. Ancak çoğu zaman bu motorları başka bir motor tipi olan ve yine pistonları karşılıklı ama bu sefer zıt dizili olan Zıt pistonlu motorlar ile karıştırırlar. Oysa bu iki motor tipinin en bariz farkı boksör motorda ortak ve ortada olan krank milinin diğer tipte ayrı (çoğunlukla) ve dışta olmasıdır. Alfa Romeo, Porsche, Subaru ve Volkswagen gibi markaların bir dönem kullanmış oldukları ve hala da Porsche ve Subaru'da kullanmaya devam ettiği bu motor tipi, dar alanda minimum dirençle maksimum güç alınması için kısa piston kolu kullanımına izin verir. Fakat yüksek yakıt tüketimi sebebi ile günümüzde pek tercih edilmemektedir. Son dönemde Subaru dizel boxer motor geliştirmeyi başarmış ve ilk olarak Legacy modelinde kullanmıştır[19].

39 21 Resim 2.8. Boksör tipi motorlar Yıldız tipi motorlar Yıldız tipi motor,(radyal motor) silindirleri bir daire merkezine karşı sıralanmış motorlara denir. Bu motor türünde tüm piston kolları tek biyel muylusuna (resimde piston kollarının bağlı olduğu ortadaki döner kısım) bağlı olarak çalışırlar. Yıldız tip motorlarda ateşleme aralığının düzgün olabilmesi için; 4 zamanlıları tek sayıda, 2 zamanlıları çift sayıda silindirli olarak yapılır. Bu tertip şeklinde beygir gücü başına düşen motor ağırlığı 2 kg civarındadır. Bu nedenle uçaklarda ve bazı deniz taşıtlarında rahatlıkla kullanılır[19]. Resim 2.9. Yıldız tipi motorlar

40 22 W tipi motorlar W tipi motor, birleştirilmiş iki adet V-tipi motordan oluşur. Bu birleştirme seri bağlantı şeklinde gerçekleştirilir. İlk W tipi motor İtalyan Alessandro Anzani ( ) tarafından 1906 yılında motosiklete uygulanan W3 motorudur. 25 Temmuz 1909 yılında ise Louis Blériottarafından uçaklarda kullanılmıştır. Bugatti Veyron ve Volkswagen W12 otomobillerinde bu motordan kullanılmıştır[19]. Resim 2.10.W tipi motolar H tipi motorlar H tipi motor, silindirlerin birbirine göre konumları H şeklinde olan motordur. V açısı 180 derece olan iki V motorun kranklarının birer dişli ile ortak kullanıldığı düşünülürse H tipi motor ortaya çıkar. Silindir blokları aynı kartere bağlıdır. 2 krank mili ve bir iş alma mili mevcuttur. Böylece iki ayrı motorun gücü bir blokta toplanmış olur. Ancak bu gibi motorlarda hareketli parça ne kadar çok olursa aşınma, ısınma, mekanik ses, sık arıza vs. olacağından pek fazla rağbet görmezler[19]. Resim H tipi motorlar

41 23 Zıt pistonlu motorlar Bir zıt pistonlu motor, silindirleri çift taraflıdır ve her tarafta bir piston bulunur ancak silindirlerin kafaları yoktur. Çoğu zaman her silindir sırasının ayrı ve bağımsız krank mili varken Doxfordship motorları ve Commer OP kamyon motorları gibi bazı modeller tek mille çalışırlar. Bu tip motorları pistonları yine karşılıklı yerleştirilmiş olan Boksör motorlarla karşılaştırılmaması gerekir ki bu iki tip tamamen farklı iki motor tipidir[19]. Resim Zıt pistonlu motorlar Wankel motorlar Wankel motoru veya döner pistonlu motor. Bu motorlarda diğer içten yanmalı motorlardan farklı olarak, kenarları yayvanlaştırılmış üçgen şeklinde döner pistonlar kullanılır. Güç iletiminin doğrudan piston üzerine bağlı mil yardımı ile gerçekleştirilmesi sayesinde yapıları diğer motorlara göre daha az karmaşıktır. Wankel motorunun normal bir motordan çok daha basit bir yapısı vardır. Oval bir gövde içerisinde merkezden kaçık olarak dönen bir rotor(döner piston) (tasarıma göre rotor da olabilir) ve eksantrik milidir ( eksantrik mili 4 zamanlı motorlarda bulunan krank milinin işini yapmaktadır ) [19].

42 24 Resim Wankel motorlar Quasıturbine motorlar Quasiturbine motor, Wankel motorun geliştirilmişidir. Aynı tek yönlü hareket mantığı kullanılmış fakat rotary motorlardan daha iyi sıkıştırma sağlamaktadır ve farklı yakıt türleriyle çalışabilmektedir[19]. Resim Quasiturbine motorlar

43 Soğutma şekline göre sınıflandırma Hava soğutmalı motorlar Su soğutmalı motorlar [18] Kullanma maksatlarına göre motorların sınıflandırması Stasyoner motorlar Gemi motorları Lokomotif motorları Taşıt motorları Traktör motorları Uçak motorları [18]. 2.4.İçten Yanmalı Motorların Temel Parçaları Motor bloğu Motor bloğu motorun bütün parçalarını üzerinde taşıyan ana gövdedir. Motor bloğu alt kısmından krank miline yataklık etmektedir. Ana yatakların bulunduğu bölgelerde ana yatak yuvaları etrafına kaburgalar yerleştirilerek yatak yuvalarına sağlamlık verirler. Krank mili darbeleri ve titreşimleri bu şekilde karşılanmış olur. Motor bloğunun alt tarafı karter ile kapatılmaktadır. Üst tarafında ise silindir kapağı bulunmaktadır. Ayrıca alternatör, marş motoru ve ateşleme sistemi gibi ilave ünitelerin taşıyıcısıdır. Su ile soğutmalı motorlarda motor bloğunun çeşitli kısımlarından soğutma suyu dolaşarak ısınan kısımlarının soğuması sağlanmaktadır. Bu amaçla blok içerisinde bulunan silindirlerin etrafında su ceketleri bulunmaktadır. Su ile soğutulan motorlarda suyun donmasına durumunda motor bloğunun patlamasını önlemek amacıyla emniyet tapaları bulunmaktadır. Bu tapalar pres edilmiş saçtan yapılır ve blok üzerinde uygun yerlere yerleştirilirler. Belirli aralıklarla bu tapaların sökülüp temizlenmesi gerekir. Çünkü kireçlenme ve paslanma etkisi ile tapalar yerinde sıkışabilir, bu durumda donma esnasında tapalar yerinden çıkamaz ve motor bloğunun patlamasına sebep olabilir.

44 26 Yine bazı motor bloklarında kam mili motor bloğu içerisine yataklanmaktadır. Son zamanlarda özellikle küçük hacimli motorlarda bu uygulamadan vazgeçilmiş, bunun yerine kam milleri silindir kapağının üzerine yerleştirilmektedir. Motor bloğu üzerinde yağlama yağının geçişini sağlayacak kanallar da bulunmaktadır. Blok üzerinde bir ana yağ kanalı ve bu kanaldan beslenen diğer kanallar bulunmaktadır. Ana yağ kanalı blokta her iki uçtan özel tapalarla kapatılmıştır [7]. Resim Motor bloğu Silindir kapağı Silindir kapakları motor bloğunun üst tarafını kapatarak piston ile birlikte yanma odasını oluşturmaktadır. Üzerinde bulundurduğu yardımcı kısımlarla birlikte karmaşık bir yapısı vardır. İ tipi motorlarda emme ve egzoz supapları silindir kapağında bulunmaktadır. Ayrıca üzerinde emme ve egzoz kanalları bulunmaktadır. Emme ve egzoz kanallarının silindir kapağı dışındaki uzantısı ise emme ve egzoz manifoldlarıdır. Genellikle dizel motorlarında enjektörler, benzin motorlarında ise bujiler ve enjektörler silindir kapağına yerleştirilmektedir. Kam milini silindir kapağı üzerine yerleştirilmesi de günümüzde yaygın bir uygulamadır. Silindir kapağının üzeri ise külbitör kapağı ile kapatılmaktadır.

45 27 Silindir kapakları piston ile birlikte yanma odasını oluşturduğundan yüksek ısı tesirine maruz kalmaktadır. Malzemesinde herhangi bir şekil değişikliği (deformasyon) meydana gelmesini önlemek amacıyla soğutulması gerekmektedir. Hava soğutmalı motorlarda silindir kapaklarını soğutmak amacıyla kapak yüzeyine etkin bir soğutma sağlayacak biçimde kanatçıklar yerleştirilir. Sıvı ile soğutulan motorlarda silindir kapağı içerisinden soğutma suyu geçirilerek motorun soğutulması sağlanır [7]. Resim Silindir kapağı Krank mili Krank mili motorun ana milidir. Piston, pim ve biyel vasıtasıyla krank miline bağlanır. İş zamanında yanmış gazların basıncı ile piston ÜÖN dan AÖN ya doğru itildiğinde yapmış olduğu doğrusal hareket krank milini dönmeye zorlar ve pistonun silindir içerisinde yapmış olduğu doğrusal hareket krank milinde dairesel harekete dönüştürülür. Böylece pistonların doğrusal hareketi, biyel yardımıyla dairesel harekete çevrilir. Bu dönüş hareketi kavrama ve diğer aktarma organları vasıtasıyla aracın tekerleklerine iletilir. Krank mili ana muyluları ile motor bloğuna bağlanır. Kol muylularına ise biyel bağlanır. Krank mili güç aktarma tarafına volan dişlisi, karşı tarafta ise mil ucunda dişli yada kam mili hareketi için dişli kayış çarkı,

46 28 distribütör ve yağ pompası hareketi için helisel dişli vantilatör - su pompası hareketi ve diğer yan ünitelerin hareketi için kayış kasnağı yer alır. Krank mili etki eden kuvvetleri sarsıntısız üzerine alması, statik ve dinamik dengede olması gerekir. Dönüş sarsıntılarını krank miline takılan damperler vasıtası ile yumuşatmak mümkündür. Özellikle fazla silindirli motorlarda her biyel muylusunun iki tarafına ana yatak konularak karşı kuvvetler dengeye getirilir. Bu tür krank millerinin maliyeti yüksek olur fakat sarsıntıyı azaltır ve yatak ömürlerini uzatır. Maliyet artışını önlemek amacıyla fazla silindirli motorlarda yatak sayısı asgari tutulmaya çalışılır. Krank milinde bulunan ana muylu sayısı motorun konstrüksiyonu, çalışma şartları, taşıdığı yük ve krank mili malzemesi gibi faktörlere göre değişiklik gösterebilir. Küçük ve dört silindirli motorların krank milleri genellikle üç veya beş ana muyluya sahiptirler. Nadir olarak iki veya dört yataklı olarak ta imal edilebilirler. Biyellerle aktarılan kuvvet fazla olduğundan yataklar arasındaki mesafeyi azaltmak suretiyle bükülme miktarı azaltılır. Aynı motorun krank mili beş yatakla da yataklandırılabilir. Bu tip motorlar daha sessiz ve titreşimsiz çalışırlar. Altı ve sekiz silindirli motorlarda genellikle dört ana muylu ile yataklandırılmışlardır. Beş ve yedi yataklı yapılan krank milleri daha iyi çalışırlar. Sekiz silindirli V tipi motorları üç yatakla çalıştırmak mümkündür, fakat dört yataklı olanlara da rastlamak mümkündür. Krank miline gelen atalet kuvvetlerinin yok edilmesi gerekir. Oluşan statik ve dinamik kuvvetlerinin azaltılarak motorun yüksek devirlerinde gürültüsüz çalışmasını sağlaması gerekir. Yüksek devirlerde doğan merkez kaç kuvvetleri karşı ağırlıklar yerleştirmek suretiyle dengeye getirilir. Bu ağırlıklar biyel muylusunun karşısına gelecek şekilde konulurlar. Krank milleri genelde tek parça halinde dökülerek veya dövülerek, çelik alaşımından yapılır. Darbelere karşı dayanımını arttırmak ve muyluların aşınmalarını azaltmak için, sertleştirme işlemine tabi tutulurlar. Bir krank milinde, yapım şekline göre birden çok krank kolu (dirsek) bulunur. Biyeller bu iki krank kolu arsındaki biyel

47 29 muylularına bağlanırlar. Krank milinin her iki ucunda ana yatak muyluları bulunmakla beraber, silindir sayısı ve motor tipine göre, biyel muyluları arsında da bir veya daha fazla ana yatak muylusu olabilir. Ana yatak muylularının bir tanesinin her iki kenarında, krank mili eksensel gezintisini sınırlayan, temiz işlenmiş tutucu yatak (kılavuz yatak) dayanma yüzeyleri vardır (Resim 2.17). Krank milinin yapımında en çok düşünülmesi gereken problemler krank milinin durma (statik) ve dönme (dinamik) dengesiyle burulma titreşimleridir. Şekilde de görüldüğü üzere, krank milindeki biyel muyluları krank mili ana ekseninden kaçık yapılmaktadır. Bu durum krank milinin dengesini bozmaktadır. Bu haliyle dönen bir krank milinde, biyel muylularının tam karşısına biyel muylu ağırlıklarını dengeleyen eşit karşı ağırlıklar konulmayacak olursa, krank milinde çok tehlikeli titreşimler görülür. Bu karşı ağırlıklar krank milini kolayca dengeye getirir (Resim 2.17). Krank millerinde, ana yataklara gelen yağların, biyel yataklarına akabilmesi için çapraz şekilde delinerek elde edilen yağ kanalları vardır (Resim 2.18). Resim Krank milinin kısımları Resim Krank milinin yağ kanalları

48 30 Krank mili ana yatak muyluları, biyel muylularında her biyel için ayrı ayrı delinmiş olan yağ kanalları ile birleşecek şekilde delinmiştir. Bazı krank millerinde biyel muylularının ağırlıklarını azaltmak ve birikinti tutma haznesi olarak kullanılmak üzere, biyel muylularına daha büyük delikler açılmıştır. Bu birikinti haznelerinin ağzına kaçırmaz tapalar yerleştirilmiştir. İmalat esnasına krank millerinin muylu köşeleri yuvarlak yapılır. Krank milleri taşlanacağı zaman bu yuvarlak köşelerin bozulmamasına dikkat etmek gerekir. Çünkü bu yuvarlak dolgulu köşeler muyluların kenarlarındaki dayanımı arttırarak, zorlanma sonucu bu kısımlarda çatlaklık meydana gelmesini önlerler [7] Biyel kolu Biyel kolları pistonu, piston pimi aracılığı ile krank mili kol muylusuna bağlar. Biyel kolları: Piston kuvvetini krank miline aktarır. Krank milinde bir döndürme momenti oluşturur. Pistonun doğrusal hareketini krank milinde dairesel harekete dönüştürür. Biyel kolunu oluşturan kısımlar; Biyel başı: Biyelin baş kısmında piston pimi yataklanır. Biyel ayağı ve biyel yatak kepi: Biyel ayağı ve biyel yatak kepi biyel yatağını oluşturur. Biyel kepi uzama (gergi) cıvataları ile bağlanır. Bu cıvatalar biyel kepini merkezler. Biyel kolu yüksek oranda ve sürekli değişen zorlamalar altında çalışır. Biyel kolu, biyel başındaki pistonun doğrusal hareketini biyel ayağına krank mili dairesel hareketi olarak iletir.

49 31 Resim Biyel kolu Biyel (piston) kolları genellikle çelik alaşımlarından, iş zamanında oluşan itme kuvvetini eğilip burulmadan taşıyabilecek, çalışma koşullarına uyum sağlayabilecek kadar kuvvetli bir yapıda ve aynı zamanda yataklar üzerine binen merkezkaç ve atalet kuvvetlerinin gereğinden fazla olmaması için mümkün olduğu kadar hafif olacak şekilde presle dövülerek yapılırlar. Biyellerin yapımında yaygın olarak Siemens-Martin çelikleri kullanılmaktadır. Bazen, orta değerde karbon yüzdeli alaşım çeliklerinden de yararlanılır. Bu çeliklere ısıl işlem uygulanarak yüzeyleri sertleştirilir. Böylece malzeme yorulmasının en aza indirilmesi amaçlanır. Yapımların da hangi tür çelik kullanılırsa kullanılsın, biyeller dövme işlemi uygulanarak imal edilirler. Otomobil motorlarında kullanılan biyeller için yarım sert karbonlu çelikler kullanmak uygundur. Yarım sert çeliklerde kopma gerilmesi σk =600 N/mm 2 alınabilir. SAE 1040, SAE 2340 ve krom nikelli olarak ta SAE 3140 çelikler biyel malzemesi olarak kullanılabilmektedirler. Dayanımı artırmak amacıyla biyel kolları I ya da H profilinde yapılabilmektedir [7] Piston Pistonlar silindir kapağı ile birlikte yanma odasını oluştururlar. Piston pimi ile biyel koluna bağlıdır. Zamanların oluşmasını diğer yardımcı elemanlar ile birlikte sağlarlar. Yanma esnasında oluşan basınç kuvveti piston tarafından biyel koluna ve oradan da krank miline iletilir. Silindir içerisinde AÖN ve ÜÖN arasında doğrusal hareket yaparak çalışırlar. Piston üzerinde sıkıştırma ve genişleme esnasında oluşabilecek gaz kaçaklarını önlemek amacıyla kompresyon segmanları bulunur.

50 32 Segmanlar piston üst eteğinin üst kısmına uygun aralıklarla yerleştirilirler. Genellikle bir piston üzerinde iki yada üç kompresyon segmanı bulunur. Kompresyon segmanının alt kısmında ise yağ segmanı için bir kanal açılmıştır. Bu kanal uygun delik yada kısa kanallarla pistonun iç kısmına açılır. Yağ segmanının silindir yüzeyinden sıyırdığı yağın bir kısmı pistonun iç kısmına geçer. Böylece hem pistonun yağlanması hem de kısmen soğutulması sağlanır. Resim 2.20 de benzin motorlarında kullanılan bir piston görülmektedir. Resim Pistonun üstten ve yandan görünümü Resim Çeşitli piston konstrüksiyonları Pistonlar motorun özelliklerine göre farklı şekiller almaktadırlar. Resim 2.21 de farklı amaçlar için piston konstrüksiyonunda yapılan değişikliklerden bazıları görülmektedir. Resim 2.21-a da görüldüğü gibi iki zamanlı motorlarda silindir içerisinde hava yakıt karışımını yönlendirmek amacıyla piston tepesinde bir kubbe bulunmaktadır ve bu kubbe akışkanın doğruca egzoz portuna gitmesini önler, aynı zamanda yanmış gazların dışarıya atılmasını sağlar. Silindir kapağı düz olan

51 33 motorlarda yanma odası piston tepesinde oluşturulan çukurdan meydana gelir, bu tip uygulamaya hem benzin hem de dizel motorlarında rastlanmaktadır (Resim 2.21-b). Yanma odası silindir kapağında oluşturulan motorlarda piston tepesi genellikle düz yapılır. Yüksek sıkıştırma oranlı motorların bazılarında supapların açılırken piston tepesine çarpmasını önlemek amacıyla piston tepesinde supap çukurları oluşturulmaktadır (Resim 2.21-c). Piston kısımlarının adlandırılması ve ölçüleri Resim 2.22 de görülmektedir. Pistonların tasarımında bu ölçülere ait çeşitli kaynaklarda ampirik ifadeler yer almaktadır. Tasarımda bu ampirik ifadeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Resim Piston kısımları Pistonlar önceleri dökme demirden yapılmıştır. Dökme demir pistonların ısı iletimi iyi değildir.dökme demir grafit içerdiğinden aşınma direnci yüksektir, basınca karşı daha dayanıklıdır. (Dökme demir pistonların çalışma sıcaklığı C, alüminyum alaşımlı pistonların çalışma sıcaklığı ise yaklaşık C civarındadır). Dökme demir pistonların en önemli dezavantajı ise ağırlığıdır. AÖN ve ÜÖN arasında hareket ederken çok büyük atalet kuvvetleri oluştururlar. Günümüzde pistonlar çoğunlukla alüminyum alaşımından yapılırlar. Alüminyum alaşımı

52 34 pistonlarını ısı iletimleri iyi olduğundan soğutulması kolaydır. Hafif oldukları için meydana getirmiş oldukları atalet kuvvetleri daha azdır. İki zamanlı motorlarda piston tepesine özel bir biçim vermek suretiyle (deflektör) silindir içerisine alınan taze benzin hava karışımını yukarıya doğru yönlendirerek egzoz kanalından dışarıya çıkması engellenmeye çalışılmaktadır. Çünkü emme ve egzoz kanalları belirli bir süre beraber açık kalmaktadır. Bu uygulama ile aynı zamanda yanmış gazların egzoz portuna yönlenmesi de sağlanmaktadır [7] Kam mili Kam milleri içten yanmalı motorlarda supapların açılıp kapanmasını sağlayan millerdir. Silindirik döner mil üzerindeki kam ismi verilen çıkıntılar, çeşitli mekanizmalar ile birlikte yada doğrudan supap saplarına basarak supapların açılmasını sağlarlar. Kam milleri dişli, zincir yada dişli kayış (triger kayışı) yardımıyla krank milinden hareket alırlar. Krank milinin iki devrine karşılık kam milleri bir devir dönerler. Resim 2.23 de klasik motorlara ait çeşitli kam milleri görülmektedir. Resim Kam milleri Kam milleri de krank milleri gibi döküm yada dövme malzemeden yapılırlar. Kam çıkıntıları özel sertleştirme işlemi ile sertleştirilirler. Kam yüzeyleri kam taşlama tezgahlarında taşlanarak hassas kam yüzeyi elde edilir. Resim 2.24 de bir kam kısımlarının isimleri görülmektedir. Kamın üzerinde bulunduğu silindirik mil bölümü temel dairesi olarak adlandırılmaktadır. Temel

53 35 dairesi ile kam çıkıntısının birleşme yerine temas rampası denir. Kam çıkıntısının uç kısmı burun, sağ ve sol tarafındaki düzlemler de dönüş yönüne göre açılma veya kapanma rampası olarak adlandırılmaktadır. Temel dairesi ile kam burnu arasındaki mesafe kam yüksekliği olarak tanımlanmaktadır. Supabın açılma yüksekliği kam yüksekliğine bağlıdır. Temel dairesinin kam bulunmayan kısmına ise ökçe denmektedir. Resim Kamın kısımları Kam mili üzerinde her silindire ait bir emme birde egzoz supabını açan kam çıkıntıları vardır. Günümüzde motor performansını geliştirmek amacıyla bir silindirdeki supap sayısı artırılarak silindire alınan dolgu miktarını artırmak motor üreticilerinin başlıca hedeflerindendir. Bu, belirli bir hacimdeki motordan daha yüksek güç ve moment elde etme anlamına gelmektedir. Bu amaçla bazı silindirlerde bir egzoz kamına karşılık çift emme kamı bulunmaktadır. Bazılarında ise bir silindire ait iki egzoz ve iki de emme kamı bulunmaktadır. Klasik ateşleme sistemi kullanılan motorlarda yaygın bir uygulama olarak distribütör kam milinden hareket almaktadır. Bu amaçla kam milinin üzerine bir dişli yerleştirilmektedir. Bu dişli aynı zamanda yağ pompasına da hareket vermektedir. Yine çoğu motorda kam mili üzerinde bir diğer kam da yakıt otomatiğini hareket ettirmek amacı ile kullanılmaktadır. Son yıllarda motor momentini artırmak ve motor devri ile motor momenti değişimini belirli sınırlar içerisinde tutabilmek amacıyla değişken supap zamanlaması (Variable Valve Timing, VVT) uygulamaları yaygın olarak benzin motorlarında

54 36 kullanılmaktadır. Değişken supap zamanlaması uygulanan bir motora ait kam mili Resim 2.25 de görülmektedir. Şekilde görülen kam milinde bir silindirdeki emme kamlarını açmak için iki farklı kam uygulanmaktadır. Burada düşük ve orta devirler için kenarlardaki çıkıntısı daha az olan kamlar, yüksek devirler için ortadaki çıkıntısı daha büyük olan kam kullanılmaktadır. Beş supaplı motorların emme kamları üzerinde de bir silindire ait üç emme kamı çıkıntısı bulunmaktadır. Resim Değişken supap zamanlaması uygulanan bir motora ait kam milleri Supabın açık kalma süresi, açılma başlangıcı ve kapanma noktası kam profilinin şekline bağlıdır. Resim 2.26 da farklı profillere sahip iki kam görülmektedir. Resim 2.26-a daki kam profili supabın daha hızlı açılmasını sağlamakta kamın uç kısmının genişliğinden dolayı daha uzun süre açık kalmakta ve daha hızlı kapanmasını sağlamaktadır. Bu profil silindir içerisine giren gaz miktarının artırılması ve silindirdeki gazların kolayca dışarı atılması için daha uygundur. Resim 2.26-b deki kamın açısı daha küçük olduğundan hareket ettirdiği supap daha kısa süre açık kalacaktır. Supabın kalkma yüksekliği ise temel dairesinin çapı ve kam profilinin yüksekliğine bağlıdır.

55 37 Resim Çeşitli kam profilleri Resim 2.27 de bir kam milinin önden kesiti görülmektedir. İki kam arasında kalan açı üst ölü nokta tarafında alt ölü nokta tarafına nazaran daha küçüktür. Kam milini karşımıza aldığımızda dönüş yönünde döndürerek kamları tespit etmek mümkündür. Kam mili dönüş yönünde döndürüldüğünde bir kam üste geldikten hemen sonra diğeri geliyorsa önce gelen kam egzoz kamı, arkasından gelen kam da emme kamıdır. Eğer bir kam üste geldikten sonra aradan zaman geçtikten sonra diğeri üste geliyorsa önce üste gelen kam emme kamı, arkasından gelen kamda emme kamıdır. Çünkü emme işleminden sonra sıkıştırma ve iş zamanında her iki supap ta kapalıdır. Bu da emme kamından sonra bir süre geçmesi anlamına gelmektedir. Resim Kam mili profilinin önden görünümü Şekil 2.2 de klasik bir motora ait supap açılma diyagramı görülmektedir. Diyagramda bir motor çevrimi oluşumu süresince (720 KMA) emme ve egzoz

56 38 kamlarının supapları açma süreçleri ve supap bindirme periyodu görülmektedir. Supapların açık kalma süresi kam mili üzerinde emme ve egzoz kamlarının profiline bağlıdır. ÜÖN civarında egzoz supabı kapanırken emme supabı açılmaya başlamakta ve her iki supap bir süre beraberce açık kalmaktadır. Supap bindirme periyodu her motorda farklı olmaktadır. Şekil 2.2. Klasik bir motora ait emme ve egzoz supları açılma diyagramı Değişken supap zamanlaması kullanan motorların kam milleri supabın kalkma yüksekliğini değiştirdikleri gibi supabın açılma başlangıcını avansa veya rotora (normal konumundan önceye ve sonraya) da almaktadır. Bu mekanizmalar motorun moment değişimini azaltarak moment devir aralığını uzatmakta yani motor belirli bir devir aralığında yaklaşık olarak hep sabit moment üretmekte ve bu şekilde motordan daha yüksek performans elde edilmektedir. Şekil 2.3 de değişken supap mekanizması bulunan bir motora ait kam diyagramı görülmektedir [7].

57 39 Şekil 2.3. Değişken supap mekanizması kam milinde supap zamanlaması Supap Supaplara hareket krank mili, kam mili ve külbitör mekanizması vasıtasıyla aktarılır. Motor tasarımına göre supaplara hareket aktarımında farklılıklar bulunabilir. Mesela üsten kamlı motorlarda supaplar doğrudan kam çıkıntısı ile temas halinde olabileceği gibi supaplara hareket külbitör mekanizması aracılığıyla da olabilir. Resim 2.28 de V-6 motora ait dört adet üstten kamı bulunan ve her silindirde iki emme ve iki egzoz supabı kullanılan bir mekanizma görülmektedir. Bu motorda toplam 24 supap bulunmaktadır. Resim Supaplar ve mekanizmaya ait diğer parçalar

58 40 Supap, supap tablası ve supap sapından oluşur. Supap sapının kısmında, supap tablasını tutan supap tırnaklarının oturduğu yuva vardır. Supap yay tablası, supap yayının kapatma kuvvetini supap tırnakları aracılığıyla supaba iletir. Resim 2.29 da supap, supap yayı, supap kılavuzu, tabla ve tırnaklar ayrı ayrı görülmektedir. Resim 2.30 da montaj edilmiş bir supabın şematik resmi görülmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli hususlardan biri supap keçesi ile yay tablası arasındaki mesafenin supap açılma yüksekliğinden büyük olmasıdır. Aksi durumda supap açılırken yay tablası supap keçesine çarpar. Resim Supap, supap yayı, supap kılavuzu, yay tablası ve tırnakları Supap yayının görevi supabın hızlı ve basınçlı bir şekilde kapanmasını sağlamaktır. Supap dış yayının kırıldıktan sonra silindir içine düşmesini engellemek yada erken ortaya çıkan supap titreşimini önlemek için genellikle iki supap yayı kullanılır. Supap kılavuzu, supaba yataklık yapar ve ısıyı silindir kapağına iletirler. Gri döküm silindir kapaklarında supaplar direk olarak silindir kapağındaki yuvalarına otururlar. Resim Supabın montaj edilmiş hali

59 41 Alüminyum alaşımından üretilmiş silindir kapaklarında özel demir dökümden veya bakır-kalay (Cu-Sn) alaşımından, yapılmış değiştirilebilir bir supap kılavuzu silindir kapağına preslenir. Resim 2.31 de muhtelif supap kılavuzları görülmektedir. Supap mili sızdırmazlıkları (conta) yüksek oranda yağ kaybını önler. Gri dökümlerde supap yuvası direkt olarak işlenir. Hafif metal silindir kapaklarında supap yuvalarını oluşturan bagalar özel döküm demirden veya Cr-Mn çelikten yapılarak yuvaya preslenir veya sıkıştırılırlar. Resim 2.32 de alüminyum silindir kapaklarında kullanılan farklı bagalar görülmektedir. Resim Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan supap kılavuzları Resim Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan bagalar Supapların soğutulması Supaplar yanma esnasında çok yüksek sıcaklıklara maruz kalmaktadır. Supaplar oturma yüzeyleri ve supap saplarından ısılarını vererek soğumaktadırlar. Supaplar

60 42 oturma yüzeyinden periyodik açılma-kapanma süreci nedeniyle yeterli düzeyde soğuyamazlar. Emme supabı silindire karışım girişi esnasında da giren soğuk dolgu tarafından soğutulmaktadır. Egzoz supapları çıkan karışımın yüksek sıcaklıkta olması nedeniyle çok daha yüksek sıcaklıkta çalışır ve soğutulması daha zordur. Özellikle ağır hizmet tipi araçlarda egzoz supapları özel olarak soğutulmaktadır. Bu tip supapların içi boşaltılır. İçerisine kristalize sodyum doldurulur. Kristalize sodyum 98 C de erir. Böylece çalışma sıcaklığında sodyum sıvı halde bulunur. Çalışma esnasında sıvı sodyum sıcak bölgelere savrulur. Sıvı sodyum supap sapı içerisinde hareket ederken sıcak bölgeden ısıyı alır ve supap sapından supap kılavuzu yardımıyla silindir kapağına ve oradan soğutma suyuna verir. Resim 2.33 de sodyum ile soğutulan bir supap görülmektedir. Bu uygulamada boşluk hacminin yaklaşık olarak %60 kadarı sodyum ile doldurulur. Resim Sodyum ile soğutulan bir supap Supap Yerleşim Düzeni Günümüzde benzin ve dizel motorlarının tamamında i-tipi supap düzenlemesi kullanılmaktadır. Bu düzenlemede hem emme hem de egzoz supapları silindir kapağındadır. Günümüzde bir silindire ait iki emme ve iki egzoz supabı kullanımı çok yaygındır. Bazı motorlarda bir silindire ait iki emme bir egzoz supabı, bazılarında ise üç emme, iki egzoz supabı düzenlemeleri mevcuttur. Bu motorlarda emme supapları için ayrı, emme supapları için ayrı bir kam mili kullanılmaktadır. Resim 34 de i-tipi, hidrolik supap iticisi kullanılan bir motor görülmektedir. Resim 2.35 de üç, Resim 2.36 de ise beş supaplı sistem görülmektedir [7].

61 43 Resim İ-tipi hidrolik iticili her silindire iki emme ve iki egzoz supabı kullanılan bir supap sistemi Resim Üç supap düzenlemesi (iki emme supabı, bir egzoz supabı) Resim Beş supaplı motor düzenlemesi

62 Volan Krank milinin arka ucundaki flanşa cıvatalarla bağlanan metal bir tekerdir. Motor silindir sayısına göre volanın büyüklüğü değişir. Volan ataletinden dolayı ani devir değişikliklerine engel olarak düzgün bir güç akışı sağlar. Atalet, kütlenin devrini ve hareketinin yönünü değiştirmek isteyen kuvvetlere karşı koyan direnç olarak ifade edilmektedir. Volansız bir motorda düzgün güç akışı sağlamak mümkün değildir. Silidir sayısı arttıkça oluşan iş bindirme süresi de arttığından, silindir sayısı fazla olan motorlarda daha küçük volana ihtiyaç duyulur. Krank miline geçen güç arttıkça krank mili devri artar, geçen güç azaldıkça krank mili devri azalır. Volan krank mili devri artma eğilimi gösterdiğinde bir kısım enerjiyi üzerinde depo eder ve motor devri düşme eğilimi gösterdiğinde depoladığı enerjiyi krank miline vererek düzgün ve dengeli dönmesini sağlar. Volan genellikle dökme demirden yapılır. Motorun ilk harekete geçişini sağlamak amacıyla volanın üzerine uygun bir çember dişli preslenerek yada vida ile takılır, marş esnasında marş motorundan alınan hareket ile volan döndürülerek motorun ilk harekete geçmesi sağlanır. Volanın dışa bakan yüzeyi düzgün bir şekilde tornalanarak debriyaj balatasının temas yüzeylerinden birinin oluşması sağlanır. Volan yüzeyine bağlanan kavrama tertibatı baskı yüzeyi ile volan arasına sıkışan debriyaj balatası motorun hareketinin aktarma organlarına iletilmesini sağlar. Resim 2.37 de volan ve kavrama mekanizması elemanları görülmektedir [7]. Resim Volan ve debriyaj baskı-balatası

63 Motor Tasarımı ve Analizi Üzerine Yapılan Çalışmalar Günümüzde motor silindirlerinin tasarımları ve malzemeleri ile ilgili birçok çalışma yapılmaktadır. Günay ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada, dört zamanlı direkt enjeksiyonlu bir dizel motorunun silindirinin tasarımında sonlu elemanlar metodunu kullanan bir yazılım ile kompozit malzeme kullanılarak, maksimum gerilme ve sıcaklık dağılımları incelenmiştir [10]. Silindirlerin tasarımında yapılan diğer çalışmalarda ise silindir aşınmaları ve silindir yüzeylerinin incelenmesi üzerine birçok araştırmalar bulunmaktadır [11-14]. Xie ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada ise silindir ve silindir kapağı üç ayrı bölümde incelenerek sonlu elemanlar modeli yapılmıştır. Supap kılavuzlarında ve bagalarda güçlendirilmiş malzemeler kullanılarak daha iyi sonuçlar elde edilmiştir [15]. Uozato ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada, bir dizel motorunun silindir bloğunun imalatında dökme demir yerine alüminyum kullanılmıştır. Alüminyum malzemenin hafifliği ve korozyon direncinin iyiliği yanında aşınma direnci kötüdür. Motor silindirinin aşınma direncini iyileştirmek için yeni geliştirilmiş bir alaşım (Fe C Si Mo B), silindir yüzeyine kaplanmıştır [16]. 2.6.Motor Bloğu Malzemeleri Alüminyum alaşımları Otomobillerde hafif metal kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte alüminyum da Otomotiv endüstrisine girmiştir. Bu gelişmeye paralel olarak günümüzde ortalama bir arabada çok çeşitli alüminyum parçalar kullanılır hale gelmiştir. Örneğin döküm yöntemiyle alüminyumdan imal edilmiş silindir kafaları, dişli kutusu gövdeleri, jantlar; ekstrüzyon yöntemiyle alüminyumdan imal edilmiş radyatörler, koltuk kızakları, darbe çubukları vb. Alüminyumdan imal edilmiş parçalar, aracın toplam ağırlığının yaklaşık %6 sini teşkil eder hale gelmiştir. Günümüzde artan küresel rekabet ve çevre duyarlılığı otomobil üreticilerini yeni arayışlara itmiştir. Üretimde verimliliği korurken işletme maliyetlerini düşürmeye çalışan bir üretim anlayışı ile çevreyi daha az kirleten, malzeme geri dönüşümünün

64 46 çok daha kolay olduğu, emniyet ve konforu bir arada bulunduran arabalar üretilmeye başlanmıştır. Bu yaklaşım temel alındığında; Otomobillerin ağırlığı, üzerinde durulması gereken önemli bir konudur. Arabadan azaltılan her 100 kg lık ağırlık yakıt tüketiminde 0,6 litre / 100 km yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Dolayısıyla çıkan egzoz gazinin ve maliyet kalemlerinin daha aşağıya çekilmesi sağlanmaktadır. Bu durum, araba kullanıcılarını doğrudan etkileyen önemli bir bulgudur. Zira kullandıkları arabanın yakıtı için ayırdıkları bütçeden tasarruf sağlamaktadırlar[20]. Gelişen teknoloji, tasarım ve artan ihtiyaçlara paralel olarak konfor ve güvenliği öne çıkaran yeni sistemler otomobillere eklenmiş böylece otomobillerin ağırlığında zamanla bir artış olmuştur. Aşağıda yıllar itibariyle çeşitli modellerdeki otomobillerin ağırlıklarındaki artış grafik olarak verilmiştir[21]. Şekil 2.4 Otomobillerde ki ağırlık artış grafiği Yukarıdaki grafikten, artan otomobil ağırlığına bağlı olarak otomobil üretiminde hafif malzeme kullanmanın gerekliliği anlaşılmaktadır. Dolayısıyla alüminyumun önemi bir kez daha ön plana çıkmaktadır.

65 47 Alüminyum un 2,7 g/cm3 lük yoğunluğu ile performans ve emniyetten ödün vermeden 300 kg a kadar ağırlık tasarrufu sağlayan malzemedir. Bazı parçalar için alüminyum, ayni kalınlıktaki çeliğin yerini alabilmektedir. Böylece % 65 lik bir ağırlık tasarrufu dahi sağlanabilmektedir. Ancak çeliğin yerini alan çoğu alüminyum parçada kalınlık arttırılmak suretiyle çelikle ayni mukavemet sağlanabilmektedir. Yapısal uygulamalarda en çok karşılaşılan oran 1,5 tur. Örneğin 0,8 mm kalınlığındaki çelik parça yerine 1,2 mm kalınlığında alüminyum kullanılabilmektedir. Bu durumda ağırlık tasarrufu %50 olmaktadır[21] Alüminyum hafif olmasının yani sıra ayni zamanda mukavemeti yüksek bir malzemedir. Bu sebeple uçak, hızlı tren, kamyon gibi ulaşım araçlarında da sıklıkla kullanılmaktadır. Otomobillerde emniyet; yapının sertliği ve çarpışma anında kinetik enerjiyi absorbe etme kapasitesi ile ölçülebilmektedir. Yapının sertliği (rijitligi) kullanılan malzemeye bağlı olmakla birlikte hangi malzemelerin tasarımda nasıl monte edildiğine de bağlıdır. Örneğin otomobil gövdesi ile ilgili parçalarda 0,8 mm kalınlığındaki çelik sac parçanın yerine 1,2 mm kalınlığında alüminyum sac parçalar kullanılabilir. Tasarımla ilgili olarak ise uygun yerlerde ekstrüzyon yöntemi ile üretilmiş alüminyum parçalar kullanılarak montaj işlemlerinden kaçınmak ve yapıyı daha güçlü hale getirmek mümkündür. Böylece hem %50 daha hafif hem de sertliği (rijitligi) artmış bir yapı sağlamak mümkün olabilmektedir[20]. Taşıt araçlarında kullanılan bazı alüminyum parçalar ve bunların şekillendirme yöntemleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir[22].

66 48 Şekil 2.5 Alüminyum şekillendirme yöntemleri Otomotiv endüstrisinde döküm alüminyum parçaların tercih edilmesinin en önemli sebepleri su şekilde sıralanabilir: 1. Hafif olması, 2. Isı iletkenliğinin yüksek oluşu, 3. Korozyon dayanımının yüksek oluşu, 4. Estetik ve güzel görüntü sağlaması, 5. Elektrik iletkenliğinin iyi olması[22].

67 49 Şekil 2.6 Otomotivde üretim tekniğine göre alüminyum Dökümle yoluyla alüminyum parçaların üretim yöntemleri incelendiğinde başlıca su döküm yöntemleri karsımıza çıkmaktadır: Basınçlı döküm yöntemi Bu yöntemle çok ince kesitlerde alüminyum parçaların dökümü yapılabilmektedir. Vites kutusu, silindir gömleği ve manifold gibi motor parçaları basınçlı döküm yöntemiyle üretilmektedir. Düşük basınçlı döküm yöntemi Sıvı metal kendi ağırlığıyla kalıp boşluğunu doldururken sıvı metale yaklaşık 0,5 barlık bir basınç uygulanarak yapılan üretim yöntemidir. Silisyum alaşımlı silindir baslıkları, motor blokları bu yöntemle üretilebilmektedir. Kum döküm yöntemi Büyük ve karmaşık motor parçaların üretiminde alüminyum kuma döküm yöntemi kullanılmaktadır. Ancak yüzey kalitesi açısından yüzey işlem maliyeti daha yüksektir.

68 50 Cosworth döküm yöntemi Koruyucu gaz atmosferi altında yapılan alüminyum döküm üretim tekniğidir. Askeri ve hava taşıtları için bu yöntemden de yararlanılmaktadır. HVS yöntemi Hava taşıtlarının motor bloklarının dökümü için geliştirilmiş bir yöntemdir. Metal Kalıba Gravite döküm yöntemi Kokil döküm yöntemi otomobil uygulamalarında önemli bir yer kazanmıştır. Büyük alüminyum parçaların dökümü bu yöntemle basariyle gerçekleştirilebilmektedir. Otomobillerde pistonlar, kompresörler, vites kutusu, manifoldlar, silindir baslıkları gibi parçalar bu yöntemle üretilebilmektedir. Karşı Basınçlı döküm yöntemi Gazin karsı basıncından yararlanarak gerçekleştirilen döküm yöntemidir. Otomobil jantlarının üretiminde bu yöntemden yararlanılmaktadır. Düşey Sürekli döküm yöntemi Kalın alüminyum çubukların üretiminde yararlanılmaktadır. Sürekli döküm yöntemiyle üretilmiş çubuklardan uçak ve otomobil pistonları imal edilebilmektedir. Hassas döküm yöntemi Hassas ölçülerin gerekli olduğu belirli parçalar için uygulanan döküm yöntemidir. Örneğin dizel otomobillerdeki kullanılan girdap odası hassas döküm yöntemiyle üretilmektedir. Dolu kalıp döküm yöntemi Daha düşük tesis masrafları nedeniyle tercih edilebilen bir yöntemdir. Bu yöntemle silindir baslıkları, emme manifoldu gibi parçalar üretilebilmektedir.

69 51 Sıvı presleme yöntemi Liflerle güçlendirilmiş alüminyum parçaların üretiminde kullanılmaktadır. Yanmalı motorlarda pistonların yanma odaları bu yöntemle üretilebilmektedir. Thixhoforming Diğer yöntemlerle üretilemeyen yüksek mukavemetli, aşınmaya dayanımlı, ince kesitli ve kompakt parçaların üretiminde thixhoforming yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntemle frenler, direksiyon kolu ve vitesler üretilebilmektedir[22]. Alüminyum blok kullanımı 1970 lerde başlamıştır ların ortalarına kadar dizel motorlarda kullanımı çok sınırlıdır. Dizel motorların artması ve daha hafif otomobillerin önem kazanması sebebiyle 2005 yılında alüminyum blok kullanımı %50 lere ulaşmıştır. Şekil 2.7. Batı Avrupa da üretilen motor sayısı Alüminyum alaşım malzemeden üretilen motor bloğunun ısı iletkenliği (150 W/mK), dökme demirden üretilen motor bloğuna (50 W/mK) göre daha yüksektir. Bu sayede alüminyum alaşım motor bloğu daha kolay soğutulabilmektedir.

70 52 Alüminyum alaşımlarından imal edilen silindir blokları, dökme demir bloklar kadar sağlam yapılabildiği gibi, dökme demire göre yaklaşık 1/3 oranında daha hafif olurlar. Bu sayede birim güç başına düşen motor ağırlığı azaltılarak motorun kütlesel çıkış gücü artırılmış olur. Çizelge 2.1. Alüminyum ve dökme demirin yoğunluk ve ısı iletim katsayısı Alüminyum tek başına motorda kullanım için yeterli özelliklere sahip değildir. Alüminyumun motorda kullanılmaya elverişli hale getirilebilmesi için; basınca, sıcaklığa, korozyona ve titreşimlere karşı dayanıklılığını arttırmak gerekir. Bu nedenle içerisine; nikel, magnezyum, bakır, dökme demir ve silisyum katılır. Alüminyum alaşımı silindir bloklarında genellikle 319 ve A356 alaşımları kullanılmaktadır. 319 alaşımında, ağırlık olarak % alüminyum, % silisyum, %3-4 bakır, %0.35 nikel (maksimum), %0.25 titanyum, %0.5 manganez, %0.1 magnezyum ve %1 çinko bulunmaktadır. 319 alaşımı; kolay dökülebilirlik, yüksek korozyon dayanımı ve yüksek ısı iletimine sahiptir.

71 53 Resim alaşımından imal edilmiş 5. nesil Chevrolet Corvette LS1 motoru A356 alaşımı ağırlık olarak; % alüminyum, % silisyum, % magnezyum, %0.2 bakır(maksimum), %0.2 titanyum, %0.1 çinko ihtiva etmektedir. A356 alaşımı, 319 alaşımına benzer mekanik özellikler göstermektedir [17] Dökme demir Düşük maliyet ve kolay şekillendirilebilirlik sebebiyle içten yanmalı motorlarda dökme demir bloklar yaygın olarak kullanılagelmiştir. Dökme demirin içerisinde bulunan grafit malzemeye katı yağlayıcılık özelliği kazandırır. Grafit, hidrodinamik yağlama olmadan da sürtünme kuvvetlerini azaltır ve yağlayıcılık özelliği sağlar. Resim 2.39 da görüldüğü gibi, yağlayıcılık özelliği grafitin kristalik yapısından kaynaklanır.

72 54 Resim Dökme demirin katı yağlama mekanizması Dökme demir bloklar genellikle yekpare olarak dökülürler. Kum döküm yöntemiyle imal edilirler. Nadiren basınçlı döküm yöntemi de kullanılır [17]. Serbest Grafitli Dökme Demir Bu dökme demirin içerisinde %3 oranında serbest grafit halinde karbon bulunur. Bu serbest grafit, dökme demire hafif bir kayganlık verir. Bu tip dökme demir esmer dökme demir olarak da adlandırılır. Dökme demir alaşımına aşınmaya karşı yeterli direnci kazandırmak, sertliğini ve diğer bazı mekanik ve termal özelliklerini iyileştirmek için az miktarda; nikel, krom,magnezyum gibi katık maddeler katılır. Esmer dökme demir, silindir bloğu malzemesi olarak; ucuz, kolay işlenebilir, silindirde meydana gelen yüksek ısı ve basınca dayanıklı bir malzemedir [17]. Gri dökme demir (GGG25) % C ihtiva eden bir demir karbon alaşımıdır. Yüksek karbon miktarı yavaş soğuma esnasında temel dokunun içinde grafit yaprakçıkları şeklinde ayrışır. Silindir bloğu malzemesi olarak kullanılır. Gri dökme demirin özellikleri şunlardır: İyi dökülebilirlik: 1250 C gibi düşük bir ergime sıcaklığına sahiptir, sıvı halde iken çok akıcıdır ve ince formları da tamamen doldurur.

73 55 Talaşlı üretime uygundur: Grafit yaprakçıkları talaşlı imalat esnasında talaşları kırarlar. Bu sebepten dolayı üzerinden talaş kaldırarak işlemeye uygundurlar. Aşınma dayanımı: Gri dökme demire aşınma dayanımını arttırmak için az miktarda nikel veya krom ilave edilir. Titreşimleri sönümleme: Grafit yaprakçıkları özellikleri itibariyle titreşimlerin ilerlemelerini engelleyecek esnek yapıya sahiptirler. Korozyon dayanımı: Gri dökümün, dışında sert bir döküm tabakası vardır. Dış kabuk yüksek derecede Si içerdiğinden korozyona dayanıklıdır. Yüksek katılık: Yüksek miktarda C içermesi nedeniyle gri döküm uzamaz ve formunu muhafaza eder [17] Magnezyum alaşımları İçten yanmalı motor bloklarında alüminyum, yüksek sıcaklıklara dayanımı ve yüksek mekanik gerilmeleri karşılayabilmesi nedeniyle yaklaşık 50 yıldır kendine yer bulmaktadır. Günümüzde ise dökme demirin yerini almaya başlamıştır. Ancak, alüminyum motor bloğu dökme demirden yapılana göre % 66 hafifken, magnezyum blok ise % 75 daha hafiftir. Magnezyum daha hafif olmasının yanında yüksek şok ve çökme dayanımı vardır. Ayrıca alüminyuma göre ses ve titreşimi daha iyi sönümler. Araçların en ağır parçası motorları ve motorun da ağırlıkça % 20-25'i motor bloğu olduğundan, buradaki çalışma koşullarında fonksiyonelliğini koruyabilecek bir malzeme geliştirmek yıllardan beri otomotiv üreticilerinin değişmeyen hayali olmuştur. Bu sayede yakıt tüketimi ve egzoz emisyonunda azalmaya gidilebilir. Magnezyum ve magnezyum alasımlarının avantajları aşağıdaki gibidir: Bütün metalik yapı elemanları içerisinde en düşük yoğunluğa sahip olanıdır (1738 kg/m3). Yüksek özgül mukavemet Dökülebilirligi iyi olup, yüksek basınçlı kalıp dökümlerine uygundur Yüksek hızlarda tornalanabilir ve frezelenebilirlik Kontrollü atmosfer şartlarında iyi kaynak edilebilirlik

74 56 Yüksek saflıkta magnezyum kullanıldığında daha yüksek korozyon direnci Kolay bulunabilirlik Güncel örneklere bakıldığında, Volkswagen'in yüksek mekanik ve termal özellikleri olan AMC-SC1 alaşımını Lupo' nun motor bloğunda kullandığı görülmekte olup 3 silindire sahip bu dizel motor bloğu 14 kg ağırlığındadır ve alüminyum versiyonundan % 25 hafiftir. Audi' nin V8 Quattro modelinde de, motor bloğunda kullanılan magnezyum sayesinde araç diğer 8 silindirli benzerlerine göre 5 kg hafiflemiştir. 5 Mart 2005' de piyasaya çıkan 6. nesil BMW 6 serisinde de daha hafif altı silindirli magnezyum alüminyum kompozit motor blok kullanılmıştır. Serinin zirvesindeki model olan BMW 6.30i' de yer alan sıralı altı silindirli motor, önceki modeline göre 27 bg (20 kw) gibi önemli bir artışla 258 bg'lik (190 kw) bir motor gücü sunmaktadır. Bu özellikler; yeni 3 litrelik 161 kg ağırlığındaki bu motoru, segmentindeki en güçlü ve en hafif altı silindirli motor haline getirmiştir. Minimum ağırlığı hedefleyen BMW, ilk defa yüksek kapasiteli seri üretimler için bu özel motorda, alüminyuma göre ağırlığı %30 daha az olan magnezyum kullanmıştır. Magnezyum özellikle karterde, krank mili yatağında ve silindir kapağında kullanılırken, iç kısımda alüminyum kullanılmıştır. BMW 6 serisinde alüminyum magnezyum alaşımından yapılan AJ62 alaşımı kullanılan motor ;dökülebilirlik, sürtünme direnci ve korozyon direnci özelliklerine sahiptir [17]. Resim Kesilmiş halde Mg-Al kompozit motor bloğu

75 Motor Bloğu İmalat Yöntemleri Kum Döküm Kum döküm yöntemi; tek kullanımlık kum kalıplar içerisine yapılan döküm yöntemidir. Kum kalıpların modelleri, metal, ahşap veya plastikten yapılabilir. Döküm işlemi yerçekimi veya düşük basınç altında gerçekleştirilir. Genellikle prototip imalatında ve küçük çaplı üretimde tercih edilir. En karmaşık parçalar bile bu yöntemle imal edilebilir [17].. Resim Kum döküm yöntemi Basınçlı Döküm Kokil döküm İçerisinde birden çok döküm yapılabilen kalıplara kokil kalıp adı verilir. Ergitilmiş alaşımın atmosferik basınçta kendi ağırlığıyla kalıp içerisine dökülmesidir.kalıp malzemesi olarak genellikle özel kalite dökme demir veya çelik kullanılır. Kil ve seramik gibi yüksek sıcaklıklara dayanıklı kalıplar da az bir onarımla defa kullanılabildiği için kokil kalıp adını alırlar. Küçük ölçekli seri imalatta tercih edilir [17].

76 58 Resim Kokil döküm yöntemi Düşük basınçlı döküm Düşük basınçlı döküm yöntemi nispeten düşük basınçlarda (alüminyum alaşımları için bar) yapılır. Burada basınç sadece sıvı haldeki metali üstte bulunan kalıp içerisine iletecek kadardır. Düşük basınçlı döküm yönteminin avantajları; Maça kumu kullanılabilmesi sebebiyle, closeddeck bloklar yapısal olarak daha rijid bir şekilde dökülebilir. Kalıbın düşük türbülanslı dolması ve kontrollü soğuma ile döküm hataları ve malzeme içerisindeki gözenekler minimuma inmektedir [17]. Resim Düşük basınçlı döküm yöntemi

77 59 Yüksek basınçlı döküm Bu döküm yönteminde ergitilmiş olan alaşım genellikle sıcak iş çeliğinden yapılmış olan kalıp içerisine yüksek basınç ve yüksek hızlı olarak doldurulur. Kalıbın dolmasının sonuna doğru basınç bar a kadar çıkabilmektedir. Yüksek hassasiyette ve toleransta döküm imkanı sağlar. Ancak bu yöntemde kalıp içerisinde kum model koyma olanağı yoktur. Yüksek basınçtan dolayı parçalanmaktadır. Yüksek basınçlı döküm yöntemi open-deck bloklarda yaygın olarak kullanılmaktadır [17]. Resim Yüksek basınçlı döküm Squeeze Casting Basınçlı döküm yönteminden daha uzun zaman almaktadır. Döküm işlemi dikey olarak uygulanır. Bu yöntemde basınç kalıbın dolmasının sonuna doğru uygulanır [17]. Resim Squeeze casting yöntemi

78 Silindir Kapağı Malzemeleri ve İmalat Yöntemleri Emme-egzoz portları, su kanalları ve yanma odalarının bulunduğu karmaşık yapıdaki silindir kapağı, ancak döküm yöntemiyle imal edilebilmektedir. Çok güç koşullarda çalışan bu parçaların basınç ve sıcaklık değişimlerine dayanması için içerisine bazı katık maddeler de katılır. Silindir kapaklarının üretiminde aynen bloklarda kullanıldığı gibi uzun yıllar serbest grafitli dökme demir ve yaprak grafitli dökme demir kullanılmıştır. Teknolojinin gelişmesi ile silindir kapaklarında da dökme demir yerine bloklarda olduğu gibi alüminyum alaşımlarının kullanımı önem kazanmıştır. Avrupa da yaklaşık 20 yıldır dökme demir blokların yerine alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Otomobil motorlarında silindir kapakları iki temel sebeple alüminyum alaşımlarından üretilir. Ağırlığın azaltılması ve iyi bir soğutma özelliği sağlamak. Dökme demirin özellikleri dikkate alınarak alüminyum alaşımı malzemeden yapılan bir silindir kapağının da; iyi dökülebilir, yüksek sıcaklığa dayanıklı, iyi ısı iletme ve otomobilin ağırlığını düşük tutmak için hafiflik gibi özelliklere sahip olması istenir. Günümüzde silindir kapakları genellikle AISi12CuNiMg olarak isimlendirilen malzemeden imal edilmektedir. Bu alaşımın döküm ve talaşlı işlenebilme özellikleri iyidir. Silindir kapakları kokil döküm veya düşük basınçlı döküm yöntemiyle imal edilirler. Cu ve Ni'in alaşıma ilavesi ile malzemenin yüksek sıcaklığa dayanımı artırılmaktadır. Silisyum ilavesi ısıl genleşmeyi düşürmektedir. Cu ve Mg ile alaşım sertleştirilebilme özelliği kazanmaktadır. Ayrıca, silindir kapaklarında AlSi7Mg ve AlSi9Mg alaşımlarına % 0.5 ve %1 Cu ilave edilerek geliştirilip, sonunda iki yeni tip olan AlSi10MgCu ve AlSi9Cu3 ortaya çıkmıştır. Bakır içeren her iki alaşım, diğer geleneksel alaşımlarla karşılaştırıldığında belirgin olarak yüksek çekme dayanımı göstermektedir. Çok önemli fiziksel özellikler olan genleşme katsayısı ve ısı iletkenliği, geleneksel alaşımlara kıyasla bakır ilavesinde hiç etkilenmemektedir [17].

79 Bilgisayar Destekli Analiz Mühendislerin karşılaştıkları karmaşık ve zor fiziksel problemlerin çözümünde kullandıkları yöntemler, genel olarak ikiye ayrılırlar; Analitik çözüm yöntemleri Sayısal çözüm yöntemleri Mühendislikte karşılaşılan birçok problemi, analitik yöntemler ile çözmek mümkün değildir. Analitik çözümler, sadece basitleştirilmiş bazı özel haller için elde edilebilir. Geometrisi, malzeme özellikleri ve sınır şartları karmaşık problemleri yaklaşık olarak çözebilmek amacıyla, kabul edilen sonuçlar veren sayısal yöntemler kullanılmalıdır [6]. Motorların imal edilmeden önce modellenmesi ve üzerine etki eden yüklerin etkilerinin incelenmesi çok önemlidir. Oluşturulan tasarım, imal edilecek olan motor parçasının modeli olacaktır. ANSYS programı bu tasarımı bilgisayar ortamında oluşturup, üzerine etkiyen yüklerin analizinin yapılmasına ve animasyonla bu kuvvetlerin model üzerindeki sonuçlarının görüntülenmesine olanak sağlar. Bu yöntemin güzelliği; modeli daha imal etmeden, bilgisayar ortamında her türlü hesap ve analizin model üzerinde uygulanmasına olanak vermesidir. Elbette ki oluşturulan son modelin imal edilip, sonra da kendine etki eden yükler altında gerekli deneylere tabii tutulması ile tasarım aşaması tamamlanacaktır. Modelin mukavemet hesapları yapılırken, şayet analitik çözüm yöntemlerini kullanırsak; bir takım idealleştirmeler ve kabuller yapmak zorundadır. Bunun sebebi yüksek dereceden hiperstatik sistemlerin elle çözümünün mümkün olamamasıdır. Bu kabuller ve idealleştirmeler, sonuçları gerçek davranıştan uzaklaştırmaktadır. Ayrıca modele etki eden yükün bir kısmı model üzerinde gerinim etkisi oluşturacaktır. Yükün geri kalan kısmı ise modelde gerilme etkisi oluşturacaktır. Sonlu elemanlar yöntemi ile; modeldeki bu iki etkinin hesaplanması büyük ölçüde kolaylaşmaktadır. Ancak Sonlu Elemanlar Yöntemi ile çözüm yapalırken oluşturulan matrislerin boyutlarının büyüklüğü nedeniyle, hesaplarımızı sonlu elemanlar yöntemine dayalı bir bilgisayar programı kullanılmasını gerektirir. Bu nedenlerden dolayı; ANSYS

80 62 Programı kullanılmıştır. Ayrıca da herhangi bir kabul veya idealleştirme yapılmayacağından, sonuçların gerçeğe son derece yakın olmasını sağlayacaktır [4]. Bilgisayarların gelişmesiyle ön plana çıkan ve diğer sayısal yöntemlerden avantajlı yanları olan sonlu elemanlar yönteminde karmaşık bir yapıya sahip, malzeme ve geometrik özellikleri farklı olan konsturüksiyonlar; çok kolaylıkla analiz edilebilirler. Köşeler, delikler vb. gibi bölgeler, sonlu elemanlar analizinde zorluk göstermez. Sonlu elemanlar yöntemine dayalı bir paket programı olan ANSYS programıyla analiz edilen parçalardan elde edilen değerlerin yapısal açıdan optimum değerlere sahip olup olmadığı tespit edilir. Bilgisayar destekli tasarım ve analiz programları kullanarak; kısa sürede hassas, esnek ve karmaşık tasarımların yapılabildiği görülmüştür [5]. Sonlu elemanlar yönteminin pek çok avantajı vardır. Bunların en belli başlılarını şöyle sıralandırabiliriz. Bitişik elemandaki malzeme özellikleri aynı olmayabilir. Bu özellik birkaç malzemenin birlertirildiği cisimlerde uygulanabilmesine imkan vermektedir. Düzgün olmayan sınırlara sahip şekiller, eğri kenarlı elemanlar kullanılarak analiz edilebilir. Eleman boyutları, analizci tarafından değiştirilebilir. Böylece önemli değişiklikler beklenen bölgelerde daha küçük elemanlar kullanılarak, hassas işlemler yapılabilirken, aynı parçanın diğer bölgeleri büyük elemanlara bölünerek işlem hızı arttırılabilir. Süreksiz yüzey yüklemeleri gibi sınır durumları, yöntem için zorluk oluşturmaz. Karışık sınır durumları kolaylıkla ele alınabilir. Sonlu Elemanlar Yönteminin en büyük dezavantajı; bilgisayara ve bilgisayar programlarına olan ihtiyacıdır. Çünkü çok küçük problemler için bile sayısal bir çok hesaplama gerekir. ANSYS programı; NASTRAN, IDEAS, ADAMS, LUCAS, FLOTRAN vs. gibi sonlu elemanlar yöntemine dayalı pek çok bilgisayar programından biridir [3].

81 63 3.MATERYAL METOD 3.1.Motor Bloğu Ve Silindir Kapağının Tasarım Hesaplamaları Tasarlanacak motorun; benzinli, dört zamanlı, su soğutmalı ve tek silindirli olması seçilmiştir. Motor tasarımına, alınacak motor gücü orjininden başlanmıştır. Tasarımı yapılacak motor için rpm gücü seçilmiştir. Tasarımda izlenen yol, bu motor gücü için ihtiyaç duyulan motor hacmine ulaşarak silindir çapını belirlemek ve diğer temel boyutları silindir çapına endeksli olarak hesaplamaktır. Tasarımın belirli aşamalarında (piston hızı, litre gücü vb.) hesaplanan değerlerin referans değerler arasında olup olmadığı kontrol edilerek gerekli revizyonlar yapılmıştır [2]. Kabuller İyilik derecesi Bir motorun iyilik derecesi (η p ), motorun indike gücünün (P i ), teorik (kusursuz) makinanm gücüne (P p ) oranıdır. İyilik derecesinin yükselmesi, motorun mükemmele yaklaşmasının bir göstergesidir. İyilik derecesi; Otomotiv benzin motorlarında Otomotiv diesel motorlarında arasındadır [2]. Tasarımı yapılacak motorda iyilik derecesi 0.7 olarak seçilmiştir. η P = 0.7 (3.1) Volümetrik verim Volumetrik (hacimsel) verim (η v ), silindire alınan gerçek karışım kütlesinin, silindire alınması gereken teorik karışım kütlesine oranıdır. Volumetrik verim; Dört zamanlı motorlarda İki zamanlı karterden süpürmeli motorlarda arasındadır [2]. Tasarımı yapılacak motorda volümetrik verim 0.83 olarak seçilmiştir. η V = 0.83 (3.2)

82 64 Mekanik verim Bir motorun mekanik verimi (η m ) motorun efektif gücünün(p e ) indike gücüne (P i ) oranıdır. Motorların mekanik verimleri % 80 dolayındadır [2]. η M = 0.8 (3.3) Sıkıştırma oranı Sıkıştırma oranı; silindir hacminin, yanma odası hacmine oranıdır. Sıkıştırma oranları; diesel motorlarında 16/1-24/1 benzin motorlarında 7/1-10/1 arasındadır [2]. Tasarımı yapılacak sıkıştırma oranı 9 olarak seçilmiştir. ε = 9 (3.4) Strok/çap oranı Motor boyutlarına en çok etki eden faktör, piston strokunun (kursunun) silindir çapma oranıdır. Bu oranın seçim isabeti, amaçlanan hizmete uygun motor boyutlarının elde edilmesinde son derece önemlidir. Strok/çap oranı (X); Dört zamanlı benzin motorlarında Dört zamanlı kamyon diesel motorlarında Dört zamanlı orta hızlı diesel motorlarında İki zamanlı düşük hızlı diesel motorlarında arasındadır [2]. Tasarımı yapılacak motorda Strok/çap oranı 1.1 olarak seçilmiştir. X = 1.1 (3.5) Diğer kabuller H U = kj/kg (3.6) AFR = 14.8/1 (3.7)

83 65 ρ o = kg/m 3 (3.8) T o = 273 K (3.9) T a = 293 K (3.10) P o = bar (3.11) P a = 0.98 bar (3.12) c P = kj/kgk (3.13) c v = kj/kgk (3.14) Silindir boyutlarının belirlenmesi Karışımın Isıl Değeri H mix = H U ρ o AFR H mix = (3.15) (3.16) H mix = kj m 3 (3.17) İzantropik üs k = c p c v (3.18) k = (3.19) k = 1.4 (3.20) Termik verim η t = 1 1 (3.21) εk 1

84 66 η t = 1 1 (3.22) η t = (3.23) Ortalama efektif basınç P me = η t η m η p η v H mix ρ o ρ a (3.24) P me = (3.25) P me = kpa (3.26) Toplam strok hacmi V H = P e 60 P me f n (3.27) V H = (3.28) V H = m 3 (3.29) Strok hacmi V H = V h z V H = V h = cm 3 (3.30) π D2 V h = H (3.31) 4 3 D = 4 V h X π (3.32)

85 67 3 D = π (3.33) D = cm (3.34) H = cm (3.35) Piston hızı kontrolü C m = C m = H n (3.36) (3.37) C m = m/s (3.38) Uygundur(benzin motorları için referans aralığı m/s dir). D = 73 mm H = 80 mm olarak belirlenmiştir. V h = cm 3 X = olarak düzenlenmiştir. İndike güç; η m = P e P i (3.39) P i = (3.40) P i = 12.5 kw (3.41) İndike ortalama basınç; P i = P mi V H n f 60 (3.42)

86 68 P mi = (3.43) P mi = kpa (3.44) Ortalama efektif basınç; P e = P me V H n f 60 P me = (3.45) (3.46) P me = kpa (3.47) Sürtünme gücü; P f = P i P e (3.48) P f = (3.49) P f = 2.5 kw (3.50) Litre gücü; P L = P e V H (3.51) P L = (3.52) P L = kw/l (3.53) İyilik derecesi; η p = P i P p (3.54) P p = (3.55)

87 69 P L = kw (3.56) Efektif verim; η e = η t η p η m (3.57) η e = (3.58) η e = (3.59) Özgül yakıt tüketimi; η e = 3600 b e H U (3.60) b e = (3.61) b e = kg/kwh (2.62) Termodinamik hesaplamalar ε = V h + V c V c (3.63) 9 = V c V c (3.64) V c = L (3.65) V 1 = V h + V c (3.66) V 1 = (3.67) V 1 = L (3.68) ε = V 1 V 2 (3.69)

88 70 9 = V 2 (3.70) V 2 = L (3.71) P 2 = P 1 ε k (3.72) P 2 = (3.73) P 2 = bar (3.74) T 2 = T 1 ε k 1 (3.75) T 2 = (3.76) P 2 = K (3.77) P 1 V 1 = m R T 1 (3.78) = m (3.79) m = kg (3.80) P me = W net V H (3.81) = W net (3.82) W net = 0.3 kj (3.83) Q in = W net η t (3.84) Q in = (3.85) Q in = kj (3.86)

89 71 Q in = m C v (T 3 T 2 ) (3.87) = (T ) (3.88) T 3 = K (3.89) P 3 = P 2 T 3 T 2 (3.90) P 3 = (3.91) P 3 = 70.3 bar (3.92) T 4 = T 3 (3.93) εk 1 T 4 = (3.93) T 4 = K (3.94) P 4 = P 3 (3.95) εk P 4 = 70.3 (3.96) 91.4 P 4 = 3.24 bar (3.97) Q out = m C v (T 4 T 1 ) (3.98) Q out = ( ) (3.100) Q out = kj (3.101) η t = 1 Q out Q in (3.102)

90 72 η t = (3.103) η t = (3.104) uygundur. P me = W net V H (3.105) P me = 0.3 (3.106) P me = kpa (3.107) uygundur. Gerekli motor parçalarının boyutlarının belirlenmesi Silindir kalınlığı; t c = D P max 2 σ em (3.108) t c = (3.109) t c = 8.55 mm (3.110) Silindir kalınlığı 9 mm olarak belirlendi. σem:dökme demir malzeme için emniyet gerilmesi ( N/mm 2 ) 30 N/mm 2 seçildi. Silindir kapağı kalınlığı; t ch = 0.09 D (3.111) t ch = (3.112)

91 73 t ch = 6.57 mm (3.113) Silindir kapağı kalınlığı 7 mm olarak belirlendi. t ch = D P max σ b (3.114) t ch = σ b (3.115) σ b = 144 N/mm 2 (3.116) Silindir kapak civataları; Çelik malzeme için σab=120 N/mm 2 Civata sayısı nb=4 F b = P max π D2 4 n b (3.117) F b = 7.03 π (3.118) F b = N (3.119) d b = F b π σ ab (3.120) d b = π 120 (3.121) d b = 10.6mm (3.122)

92 74 Silindir kapak civataları M12 olarak belirlendi. Krank mili yarıçapı; Krank mili yarıçapı strok boyunun yarısı kadardır. r c = H 2 (3.123) r c = 80 2 (3.124) r c = 40 mm (3.125) Biyel uzunluğu; Krank yarıçapının biyel uzunluğuna oranı 1/3.4 tür [2]. r c L biyel = λ (3.126) L biyel = (3.127) L biyel = 136 mm (3.128) Piston kompresyon yüksekliği; D pistonetek = D (3.129) D pistonetek = (3.130) D pistonetek = mm (3.131) D pistonbaş = D pistonetek 0.1 (3.132) D pistonbaş = (3.133) D pistonbaş = mm (3.134)

93 75 L c = D pistonbaş 0.6 (3.135) L c = (3.136) L c = mm (3.137) Supapların boyutlarının belirlenmesi Emme supabı; krom nikelli alaşım çeliğinden dövülerek imal edilecektir. Egzoz supabı ısıya dayanımını artırmak için krom-nikelli wolframlı özel çelik alaşımdan dövülerek imal edilecektir ve ısı iletimini arttırmak için supap sapının içine 2/3 oranında metalik sodyum konulacaktır. Supap yuvaları (baga) stelite çelikten imal edilecektir. Kullanılacak çeliğin kopma gerilmesi yaklaşık olarak 800 o C de 200 N/mm 2 dir [9]. Emme supabı Emme supabı tablası çapı: d in = D piston 0.44 (3.138) d in = (3.139) d in = mm (3.140) Emme supap sapı çapı: d stin = d in 0.2 (3.141) d stin = (3.142) d stin = 6.57 mm (3.143) Supap çapı port tablası oranı 1.15:1

94 76 Emme supabı port çapı: d i = d in d i = (3.144) (3.145) d i = mm (3.146) Supap kalkma yüksekliği: h maxi = d i 4 h maxi = (3.147) (3.148) h maxi = 7.14 mm (3.149) Ortalama piston hızı: C m = m/s (3.150) Ortalama gaz hızı: c gim = c m c gim = c m D 2 4 d i h maxi cos45 ( ) 2 4 ( ) ( ) cos45 (3.151) (3.152) c gim = m/s (3.153) Supap açılma alanı: A vi = π d i h maxi cos45 (3.154) A vi = π cos45 (3.155)

95 77 A vi = 453 mm 2 (3.156) Egzoz supabı Egzoz supabı tablası çapı: d ex = D piston 0.35 (3.157) d ex = (3.158) d ex = mm (3.159) Egzoz supap sapı çapı: d stex = d ex 0.2 (3.160) d stex = (3.161) d stex = 5.11 mm (3.162) Supap çapı port tablası oranı 1.15:1 Emme supabı port çapı: d e = d ex d e = (3.163) (3.164) d e = mm (3.165) Supap kalkma yüksekliği: h maxe = d e 4 h maxe = (3.166) (3.167)

96 78 h maxe = 5.55 mm (3.168) Ortalama piston hızı: C m = m/s (3.169) Ortalama gaz hızı: c gex = c m c gem = D 2 4 d e h maxe cos45 ( ) 2 4 ( ) ( ) cos45 (3.170) (3.171) c gex = m/s (3.172) Supap açılma alanı: A ve = π d e h maxe cos45 (3.173) A ve = π cos45 (3.174) A ve = 274 mm 2 (3.175)

97 Motor Bloğunun Modellenmesi Motor bloğu, temel boyutların tasarım hesaplamalarının sonuçlarına göre CATIA V5 programında katı model olarak modellenmiştir. Resim 3.1. CATIA programında oluşturulan katı model 3.3.Silindir Kalınlığının Yapısal Analizi Silindir kalınlığının analizi, yanma sonu gaz basıncının etkisiyle silindir duvarlarında oluşan gerilmelerin etkisini belirlemektir. Oluşan gerilmenin, silindir malzemesinin müsaade edilen emniyet gerilmesini (dökme demir malzeme için 30 N/mm 2 ) aşması durumunda silindir kalınlığının artırılması gerekmektedir. Silindir kalınlığı (t c ), yapılan tasarım hesaplamaları işlemleri sonucunda 9 mm olarak belirlenmiştir. Bu analizde krank milinin farklı konumlardaki durumu için yapısal analiz yapılmıştır. Silindir içi basıncın en yüksek olduğu durum, krank mili açısının 10 o olduğu pozisyondur. Ancak bu pozisyonda, gaz kuvvetlerinin etki yüzeyi alanı çok azdır. Piston AÖN ya ilerledikçe, etki yüzeyi artmasına rağmen genişleme ve termal kayıplara bağlı olarak gaz kuvvetleri azalacaktır. Maksimum gerilme değerini belirlemek için, krank milinin 10 o, 30 o, 40 o,45 o ve 60 o deki pozisyonları için analiz yapılmıştır. 30 o için yapılan analiz aşamaları

98 80 aşağıda anlatılmıştır. Diğer pozisyonlar için yapılan analiz sonuçları doğrudan tabloya aktarılmıştır. Analizde kullanılan motorun temel özellikleri Çizelge 3.1 de, karakteristik değerler Çizelge 3.2 de gösterilmiştir. Analizin yapılacağı açılardaki pistonun ÜÖN dan uzaklığı Resim 3.2 de, diğer veriler Çizelge 3.3 de gösterilmiştir. Çizelge 3.1. Analizde kullanılan motorun temel özellikleri Çalışma prensibi Otto Zaman 4 Silindir sayısı 1 Motor gücü (kw) 10 Devir sayısı (rpm) 4000 Kurs boyu (mm) 80 Krank milinin ÜÖN ya mesafesi (mm) 186 Silindir çapı (mm) 73 P max (kpa) 7030 σ em (N/mm 2 ) 32 t c (mm) 9 Çizelge 3.2. Analizde kullanılan karakteristik değerler Eleman Tipi Solid 10 Node 187 Silindir malzemesi GG-44 Elastiklik modülü N/mm 2 Poisson oranı 0.3 Çizelge 3.3. Krank mili pozisyonları için analizde kullanılacak veriler Krank açısı ϴ( o ) Gaz Basıncı (kpa) Piston-Biyel açısı β ( o ) 2,93 8,46 10, ,02 14,76 Pistonun ÜÖN ya mesafesi (mm) 0,79 6,84 11,81 14,69 17,79 24,49

99 81 Resim 3.2. Piston konumları (10 o, 30 0, 40 o, 45 o, 50 o, 60 o ) Yapısal analiz için ANSYS 14.5 programı seçilmiştir. CATIA da oluşturulan katı model, ANSYS e import edilmiştir. Resim 3.3. ANSYS programına hazır modelin import edilmesi

100 82 Analizde motor bloğunun simetri ekseninden kesit alınmış hali kullanılmıştır. Resim 3.4. ANSYS programına aktarılan yarım motor bloğu Motor bloğunun eleman tipi, programın kütüphanesinden Solid 10 Node 187 olarak seçilmiştir. Seçilen eleman tipine ve analize uygun olan elastikiyet modülü N/mm 2, poisson oranı 0,3 olarak belirlenmiştir. Resim 3.5. Eleman tipinin belirlenmesi

101 83 Resim 3.6. Malzeme özelliklerinin tanımlanması Gaz kuvvetlerinin takbik edileceği silindir yüzeyi alanı, ÜÖN dan 6,84 mm uzaklıkta çizilen çizgi ile bölünmüştür. Resim 3.7. Bölünmüş silindir yüzey alanı

102 84 Kati model, sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilebilmesi için mesh yöntemi ile düğüm noktalarına ayrılmıştır. Resim 3.8. Mesh edilmiş katı model Katı modelin kesit yüzeyi, kuvvet yükleme yapılabilmesi için, sabitleme yüzeyi olarak seçilmiştir (Resim 3.9). Resim 3.9. Katı modelin displacement yüzeyi Gaz kuvvetleri (30 o KMA için 3,769 N/mm 2 ) piston ile ÜÖN arasındaki silindir yüzeyine yüklenmiştir.

103 85 Resim Gaz kuvvetleri Analiz işlemi sonucunda elde edilen gerilme değerleri Resim 3.11 de gösterilmiştir. Resim o KMA için analiz sonucu

104 86 Diğer KMA ları için elde edilen sonuçlar Çizelge 3.4 de yer almalktadır. Çizelge 3.4. Gerilme değerleri Krank açısı ϴ( o ) Gerilme σ (N/mm 2 ) 10,669 22,173 20,953 18,687 18,378 17, Silindire Alınan Havanın Akış Analizi Silindire alınan havanın akış analizinde, tasarım hesaplamalarını yapmış olduğumuz 4 zamanlı benzinli içten yanmalı motorun yanma odasındaki akışın analizi ANSYS adlı analiz programında yapılmıştır. Yapılan analizde emme ve egzoz supaplarının açıklıkları ve yanma odasının şeklinin akış üzerindeki etkisi incelenmiştir. Analizi yapılacak motorun yanma odası, supapları (açık pozisyonda) ve bujisi ANSYS programında çizilir. Resim Analizi yapılacak akış ortamı Akış analizi 2 boyutta incelendiği için, eleman tipi olarak 2D FLOTRAN 141 seçilmiştir.

105 87 Resim Akış analizi için seçilen eleman tipi Sonlu elemanlar metodu ile yapılan analiz için akış bölgesi mesh yöntemiyle parçalara ayrılır. Resim Mesh edilen akış ortamı

106 88 Emme supabı, 45 o lik açıyla konumlandırıldığı için, silindire alınan havanın X ve Y bileşinlerindeki hızı aynı ve 69,67 m/s dir (Eş ). Emme ve egzoz portlarının haricindeki tüm yüzeyler sınır bölgesi olduğu için, bu çizgilerde akış hızı 0 m/s dir. Akışkan olarak hava seçilmiştir Resim Silindire alınan havanın giriş bölgesi Analiz tamamlandığında Şekil 3.16 da görüldüğü üzere, silindir içerisinde oluşan türbülansın yetersiz olduğu belirlenmiştir. Bu seviyedeki akışın, hava ve yakıtı homojen olarak karıştırması ve yanma hızını olumlu etkilemesi beklenemez. Bu sebeple, piston tepesi revize edilerek yanma odası yeniden tasarlanmıştır.

107 89 Resim Akış çizgileri Resim Akış analizi için yenilenen yanma odası