Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Tasarımı

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 6, No: 2, 2009 (73-80) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 6, No: 2, 2009 (73-80) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Kısa Makale (Short Communication) Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Tasarımı Melih OKUR, Selim ÇETİNKAYA, Fatih ŞAHİN, Tolga TOPGÜL Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Otomotiv Anabilim Dalı Beşevler ANKARA Özet Her alanda olduğu gibi otomotiv sektöründe de sistemler ve elemanlar imal edilmeden önce bir çok tasarım aşamasından geçmektedir. Çeşitli yüklere maruz kalan parçalarda oluşan gerilmeler ve bu yüklerden kaynaklanan deformasyonlar parçaların çalışmasını etkilemektedir. Parçaların bu yükler altında güvenli olarak görev yapıp yapamayacağı, tasarımcıların cevap aradıkları sorular arasında yer almaktadır. Bu çalışmada tek silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir motorda, silindire gelen yükler sonlu elemanlar yöntemi ile ANSYS programı kullanılarak incelenmiştir. Analiz sonucunda silindirde oluşan gerilme dağılımlarının istenilen sınır değerleri içerisinde kalmasını sağlayacak boyutlar belirlenmiştir. Tasarımı yapılan silindir imal edilerek, prototip motorda kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler : Motor tasarımı, Silindir, Sonlu elemanlar yöntemi, Ansys Design of A Cylinder of A Spark Ignition Engine Using Finite Elements Method Abstract In the automotive area, as well as in other areas, systems and components has been analyzed and improved during design processes before production. Stresses and deformations on the parts, functions of the parts under loads, and acceptable deformation levels have to be determined by designers. In this study, cylinder loads were analyzed using the finite element method (FEM) with ANSYS software in a single cylinder, four stroke, spark ignition engine. It is provided that tension distribution in the cylinder was within the limits and the cylinder dimensions were concluded. By using these data, the cylinder was manufactured and used in the prototype engine. Key Words: Engine design, Cylinder, Finite element method, Ansys Bu makaleye atıf yapmak için Okur M., Çetinkaya S., Şahin F., Topgül T., Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Tasarımı Üzerine Bir Alan Araştırması Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2009, 6 (8) How to cite this article Okur M., Çetinkaya S., Şahin F., Topgül T., Desing Of A Cylinder Of A Spark Ignition Engine Using Finite Elements Method Electronic Journal of Machine Technologies, 2009, 6 (8) 73-80

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi 1. GİRİŞ Silindirler, pistona yataklık ederek, çevrim boyunca içerisinde emme, sıkıştırma, iş ve egzoz stroklarının gerçekleştiği motorun önemli parçalarından biridir. Pistonlu motorlarda güç silindirler içerisinde elde edildiği için silindir boyutları ve sayısı motor tasarımında önemli parametrelerdendir. Buji ile ateşlemeli motorların silindirlerinde oluşan sıcaklık 100 o C ile 2500 o C arasında, basınç ise 0,8 bar ile bar arasında değişmektedir. Silindirler, bu tür şartlara dayanabilmeleri için çelikten ve çoğunlukla gri dökme demirden (%14-15 Ni, %6-7 Cu, % 2-4 Cr) santrifüj dökümle imal edilmektedirler [1]. 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 [2]. Silindirlerin tasarımında yapılan diğer çalışmalarda ise silindir aşınmaları ve silindir yüzeylerinin incelenmesi üzerine birçok araştırma bulunmaktadır [3-6]. 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 [7]. 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 (Şekil 1). Şekil 1. Sprey kaplama malzemesi [8] 2. SİLİNDİR BOYUTLARININ BELİRLENMESİ Silindirlerin aşınmaya, yüksek basınca ve sıcaklığa dayanabilmesi, ayrıca silindir duvarından soğutma suyuna ısı akışının ideal olması için, silindir duvarı uygun malzemeden ve uygun kalınlıkta imal edilmelidir. Silindir malzemelerinin seçiminde, mekanik ve ısıl yüklenmelere dayanma özelliği ile ısı iletkenliği dikkate alınır. Silindir kalınlığı, bütün bu koşullar göz önünde bulundurularak hesap edilmektedir. Silindir duvar kalınlığının hesaplanması için, maksimum yanma sonu basıncının ve silindir malzemesinin emniyet gerilmesinin bilinmesi gerekmektedir. Tablo 1 de tasarımı ve imalatı yapılan motorun teknik özellikleri, Şekil 2 de ise motora ait silindirin boyutlandırılmasında kullanılan notasyon görülmektedir. 74

3 Okur, M., Çetinkaya, S., Şahin, F., Topgül T., Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Tablo1. Tasarlanan motorun teknik özellikleri Çalışma prensibi 4 Zamanlı, benzinli Silindir sayısı 1 Silindir çapı (mm) 72 Piston kursu (mm) 60 Devir sayısı (1/min) 4000 Motor gücü (kw) 6 Şekil 2. Silindir boyutlarının hesaplamalarında kullanılan notasyon [1] 2.1. Silindir Boyu ve Kalınlığının Belirlenmesi Silindir boyu ve kalınlığının belirlenmesinde; L s = H + L p (1) t c = t 1 + t 2 D Pmax t c = (2) 2 em eşitlikleri kullanılmış olup, Tablo 2 de prototip motorun Eşitlik 1 ve 2 yardımıyla hesaplanmış silindir ölçüleri görülmektedir. 75

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi Tablo 2. Prototip motorun silindir ölçüleri H(mm) 60 L p (mm) 69 L s (mm) 129 D(mm) 72 P max (kpa) 7119 em (N/mm 2 ) 32 t c (mm) 8 3. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE BOYUT ANALİZİ Sonlu elemanlar metodunda temel fikir, bir eleman içerisinde hesaplanması istenen büyüklüğün o elemanın nodlarındaki değerler kullanılarak, interpolasyonlar ile bulunmasıdır. Matematiksel olarak elde edilen eleman denklemleri, çoğunlukla matris formunda ifade edilebilen, doğrusal bir cebirsel denklem takımıdır. [k] {u} = {F} (3) Burada [k] eleman özellik veya katılık matrisi, {u} düğüm noktalarındaki bilinmeyenlerin sütun vektörü ve {F} de düğüm noktalarına uygulanmış olan dış etkenlerin etkisini gösteren bir sütun vektörüdür [9]. Sonlu elemanlar analizi için gerekli temel adımların oluşturulması için ön işlemci, çözüm ve son işlemci modüllerinin oluşturulması gerekmektedir [10]. Herhangi bir problemin Ansys analiz programında çözülebilmesi için; eleman tipinin belirlenmesi, malzemenin özelliklerinin tanımlanması, problem takımının modellenmesi, sonlu elemanlar modelinin oluşturulması (mesh edilmesi), sınır koşulların belirlenmesi ve yüklerin uygulanması, çözümün yapılması ve son olarak çözüm sonuçlarının değerlendirilmesi gibi safhaların eksiksiz olarak yerine getirilmesi gerekmektedir [11]. Yapılan analizlerde, Tablo 2 de hesaplanan değerlere göre silindir kalınlığı değiştirilmiş ve maksimum gaz basıncını taşıyabilecek ölçüler belirlenmiştir. Silindirin modellenmesi ile ilgili ön işlemler AutoCad programında yapılmış ve daha sonra Ansys 7.0 programında açılarak çözümler yapılmıştır. Şekil 3 de motora ait silindirin 3D modeli ve üstten görünüşü görülmektedir. Ayrıca Tablo 3 de analizlerde kullanılan değerler verilmiştir. Şekil 3. Silindirin katı modeli ve üstten görünüşü 76

5 Okur, M., Çetinkaya, S., Şahin, F., Topgül T., Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) SONUÇLAR VE ÖNERİLER Tablo 3. Analizlerde kullanılan değerler Eleman tipi Solid Tet 10 Node 92 Silindir malzemesi GG-44 Elastikiyet modülü[10] 67x10 3 (N/mm 2 ) Poisson oranı[10] 0.28 Çözümler iki aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada termodinamik hesaplamalar ile motorun basınç-hacim diyagramı çizilmiş olup, pistonun farklı krank mili açılarındaki (10 o, 30 o, 40 o, 45 o, 50 o ve 60 o ) hacimlere karşılık gelen basınçlar bulunmuştur. Bulunan basınçlar ile pistonun büyük yaslanma yüzeyi kuvvetleri hesaplanarak çözümler yapılmış ve maksimum gerilmeler tespit edilmiştir. Şekil 4 de pistonun farklı krank açılarındaki (10 o, 30 o, 40 o, 45 o, 50 o ve 60 o ) konumları, Tablo 4 de de birinci grup çözüm sonuçları görülmektedir. Şekil 4. Pistonun konumları (10 o, 30 o, 40 o, 45 o, 50 o ve 60 o ) Tablo 4. Birinci grup çözüm sonuçları Krank açıları ( o ) Gaz basınçları P GA (kpa) Büyük yaslanma yüzeyi kuvvetleri F 14 (N) (N) 988,4 2145, Piston-biyel açısı ( o ) 2,26 6,53 8,4 9,24 10, Pistonun ÜÖN. ya mesafesi (mm) 0,56 4,88 8,43 10,5 12,73 17,58 Gerilmeler ( ) (N/mm 2 ) 7,997 26,477 26,659 29,095 26,108 19,928 77

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi Tablo 4. incelendiğinde maksimum gerilmelerin pistonun 45 o krank açısında meydana geldiği görülmektedir. Maksimum gaz basıncı 10 o krank açısında oluştuğu halde, bu açıda basıncın silindir cidarlarına etki ettiği yükseklik 0,56 mm dir. Piston AÖN. ya ilerledikçe basınç azalırken, basıncın etki ettiği yüzey artmaktadır. Basınç-yüzey ilişkisi düşünüldüğünde maksimum gerilmelerin 45 o krank açısında 29,095 N/mm 2 olarak oluştuğu görülmektedir. İkinci grup çözümlerde ise birinci grup çözümlerdeki 45 o krank açısındaki sınır şartları sabit tutulup, silindir kalınlığı (t c ) değiştirilerek, müsaade edilen gerilmeleri taşıyacak en uygun ölçüler belirlenmiştir. Şekil 5 de t c = 8 mm için gerilme dağılımları, Tablo 5 de de değişik silindir kalınlıkları için yapılan analiz sonuçları görülmektedir. Şekil 5. t c = 8 mm için gerilme dağılımı Tablo 5. Değişik silindir kalınlıkları ile yapılan analiz sonuçları Silindir kalınlığı t c (mm) 7 7,5 8 8,5 Gerilmeler em (N/mm 2 ) 32,787 31,262 29,095 28,65 Silindir gömleklerinde müsaade edilen emniyet gerilmelerinin ( em ); Çelik malzeme için: N/mm 2, Dökme demir malzeme için: N/mm 2 dir. Tablo 5 değerleri incelendiğinde, dökme demir için verilen 30 N/mm 2 emniyet gerilmesinin ( em ), t c = 8 mm için sınır değerleri içerisinde kaldığı görülmektedir. Bu sonuçlar Bölüm 2.1 de teorik hesaplanan değerler ile benzerlik göstermektedir. İmalat işlemleri sırasında silindirin soğutma suyu kanalları açılırken silindir kalınlığının bu değerin altına düşmemesine dikkat edilmiştir. Prototip motorun silindiri, gri dökme demirden teorik hesaplamalara ve analiz sonuçlarına uygun olarak imal edilmiş olup, su soğutma kanalları Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi 78

7 Okur, M., Çetinkaya, S., Şahin, F., Topgül T., Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Bölümü CNC laboratuarında açılmıştır. Soğutma kanallarının açılması esnasında döküm malzemelerin sorunlarından olan kılcal kanallar bulunduğu tespit edilmiş, bu kanallar empregnasyon (mikro-gözenek içeren parçaların özel bir reçine ile vakum altında doldurulması ve pişirilmesi) yöntemiyle kapatılarak olası sızdırma sorunu giderilmiştir. Bu işlem alüminyum, pirinç, bronz veya dökme demirden mamul ya da yarı-mamul parçalara uygulanabilmektedir [12]. Yapılan hesaplamalar ve analizler sonucunda belirlenen ölçülerle imal edilen silindir, prototip motora monte edilerek motor çalıştırılmıştır. 5. SEMBOLLER L s Toplam silindir boyu, mm H Kurs, mm L p Piston boyu, mm t c Silindir kalınlığı, (t c = t 1 + t 2 ) mm t 1 Silindir gömleği kalınlığı, mm t 2 Bloktaki silindir kalınlığı, mm D Silindir çapı, mm P max Maksimum yanma basıncı, N/mm 2 em Emniyet gerilmesi, N/mm 2 6. KAYNAKLAR 1. Çetinkaya, S., 1998, Motor Tasarımına Giriş, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara, Günay E., Karel A., 2000, Composite Design of the Diesel Engine Cylinder with Fnite Element Analysis, Computers and Structures, Cilt 75, Decenciere E., Jeulin D., 2001, Morphological Decomposition of the Surface Topography of an Internal Combustion Engine Cylinder to Characterize Wear, Wear, Cilt 249, Jensen M. F., Bøttiger J., Reitz H. H.,. Benzon M. E., 2002, Simulation of Wear Characteristics of Engine Cylinders, Wear, Cilt 253, Windecker R., 2000, High resolution optical sensor for the inspection of engine cylinder walls, International Journal for Light and Electron Optics, 112: Kinoshita M., Saito A., Mogi K., Nakata K., 2000, Study on Ion Current and Pressure Behavior with Knocking in Engine Cylinder, JSAE Review, Cilt 21, Xie, J.Q., Agapiou, J.S., Stephenson, D.A., Hilber, P., 2003, Machining quality analysis of an engine cylinder head using finite element methods, Journal of Manufacturing Processes, vol. 5, no 2, Uozato, S., Nakata, K., Ushio, M., 2005, Evaluation of ferrous powder thermal spray coatings on diesel engine cylinder bores, Surface & Coatings Technology, 200 (7): Chapra, S.C., Canale, R.P., 2003, Yazılım ve programlama uygulamalarıyla mühendisler için sayısal yöntemler, Çeviri editörleri Heperkan, H., Kesgin, U., Literatür Yayıncılık, İstanbul,

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2009 (6) Buji İle Ateşlemeli Bir Motorun Silindirinin Sonlu Elemanlar Yöntemi 10. Moaveni, S., 1999, Finite element analysis theory and application with ANSYS, Prentice Hall Inc., USA, 6, , 453, Ansys Release 8.1. Documentation Preview, 2004, Chapter 2. elements SAS IP. Inc., USA, Copyright 12. Apeks Makine San. 2003, Empregnasyon işlem kataloğu, Apeks Makine İnş. San. İç ve Dış Tic. Ltd. Şti., Ostim Ankara,