Motor Tasarımına Etki Eden Faktörler Yeni bir motor geliştirmedeki oldukça yüksek maliyet dikkate alındığında, yapımcı dizayn ve imalatı gerçekleştirmeden önce aşağıdaki sorulara cevap aramalıdır: Neden yeni bir dizayn? Dizayn edilecek motorun kullanım alanı? Hangi yakıt kullanılacaktır? Motorun güç ve yakıt ekonomisi nedir?
Bu istekleri karşılayacak en uygun motor tipi: Dizel ya da Benzin? İki ya da dört zamanlı? Aşırı doldurmalı ya da doğal emişli? Silindir sayısı ve düzeni? Tahmini geliştirme maliyeti? Tahmini geliştirme zamanı? Tahmini yapım maliyeti? Motorun tam tasarlanan zamanda başarılı bir şekilde bitirildiği kabul edildiğinde, o anda diğer firmalarca tasarlanan benzeri ürünlerle rekabet edebilecek midir?
Motor Gücünün Saptanması Motor gücü kullanma alanına göre belirlenmelidir. Bunun için de dizayn edilecek olan motorun gücü tahrik edeceği makinanın gücünden belirli oranda daha fazla güce sahip olmalıdır. Bu güç fazlalığı, tahrik sistemindeki kayıplara göre belirlenir. Motor gücünün, ortalama indike basınç, silindir çapı ve strok ile tanımlanması Ortalama indike kasınç, [Pa], silindir çapı D [m] olmak üzere, pistona etkiyen indike kuvvet [N]; F i = π D 4 2 = p (1.1) mi
Piston bu kuvvetin etkisiyle strok boyunca H [m] yol alır. Böylece pistonun yapacağı iş [Nm], W i = p mi π D 4 2 H (1.2) olur. Buna çevrimin indike işi denir. Krank milinin dönüşüne karşılık çevrim sayısı ise saniyedeki çevrim sayısı n ç / 60 olur. Böylece saniyede yapılan iş, yani güç [W], P i = p mi π D 4 2 H n ç 60 (1.3) olarak bulunabilir. Motorun silindir sayısı ile çarpmak suretiyle motorun indike gücü. P i = p mi π D 4 2 n çz H 60 (1.4)
Motorun mekanik verime göre efektif gücü, P e = η m P i Ortalama efektif basınç ise, (1.5) p me = η m p mi (1.6) olur. Motorun efektif gücü, P e Burada; = p me π D 4 2 nçz H 60 (1.7) P e : Motorun efektif gücü [W], D : Silindir çapı [m], H : Strok [m], p me : Ortalama efektif basınç [Pa], n ç : Motorun krank milinin bir devir dönmesine karşı gelen iş sayısı, n x i İki zamanlı motorlarda i=1, Dört zamanlı motorlarda i=1/2 n : Motorun dakikadaki dönme sayısı [devir/dak], z : Silindir sayısı.
Buna göre iki zamanlı motorlar için efektif güç, P e2z = p me π D 4 2 H n z 60 (1.8) Dört zamanlı motorlar için efektif güç ise, P e4z = p me π D 4 2 H n z 120 (1.9) Motor gücünün, ortalama indike basınç ve strok hacmi ile tanımlanması Motor gücü toplam strok hacmi ile de tanımlanır. Burada strok hacmi motor büyüklüğünü ifade eder. z adet silindire ait bir motorun toplam strok hacmi [m 3 ], V H π D = 4 2 H z (1.10)
Efektif güç [kw], P e 4z = p me VH n 1200 (1.11) P e 2z = p me VH n 600 (1.12) Burada; P e : Motorun efektif gücü [kw], V H : Toplam strok hacmi [litre], p me : Ortalama efektif basınç [bar], n : Motorun dakikadaki d dönme sayısı [devir/dak] dır.
Devir Sayısının Saptanması Belirli bir strok hacminden yüksek güç elde edilebilmesi için, devir sayısının, dolayısıyla ortalama piston hızının (c m ) büyük seçilmesi gerekir. Ancak devir sayısının alt ve üst sınırı bir çok etkenle sınırlıdır. Ateşleme ve yanma : Dizel motorlarda, dönme sayısının alt sınırı olan rölanti dönme sayısını motorun sıcaklığı sınırlamaktadır. Yüksek dönme sayılı dizel motorlarda, silindir hacmi küçük ük dolayısıyla l silindir hacminin i silindir yüzeyine oranı küçük olduğundan dönme sayısı azaldıkça dışarı kaçan ısı ve gaz kayıpları artar ve dolayısıyla kendi kendine tutuşma olayı gerçekleşmez. Bu nedenle rölanti dönme sayısı yüksek seçilmelidir. Gemi ve santrallarda kullanılan büyük güçlü, düşük dönme sayılı motorlarda ise silindir hacmi büyük, dolayısıyla y hacmin silindir yüzeyine y oranı büyük olduğundan ısı kayıpları azalır. Bu nedenle rölanti dönme sayısı daha az olabilir. Dizel motorlarda çevre sıcaklığı 10-20 o C arası için en düşük dönme sayıları;
Ön yanma odalılarda: Kızdırma bujililerde Kızdırma bujisizlerde : 600 1000 devir/dak. : 1000 2000 devir/dak. Direkt püskürtmeli motorlarda: Kızdırma bujililerde : 600 1000 devir/dak. Kızdırma bujisizlerde : 1000 1150 devir/dak. Gemi ve santral motorlarında : 50 devir/dak. Civarındadır. Motorun tam güçte ve devamlı olarak çalıştığı maksimum dönme sayısı ise karışım teşkili, kendi kendine tutuşma ve yanma için gerekli zaman ile sınırlıdır. Bu değer de motor kataloglarında güce bağlı olarak belirtilen dönme sayısıdır. Dizel motorları için tam güç ve devamlı çalıştığı dönme sayısı 900 4500 devir/dak arasında değişir. ğ ş
Benzin motorlarında rölanti dönme sayısı motorun sıcaklığı ile sınırlanmaktadır. Sıcaklık azalınca motor soğuyacak, yakıt hava karışımındaki benzin yoğuşacak, dolayısıyla karışım fakirleşecek ve tutuşma gerçekleşmeyecektir. Çevre sıcaklığı 15-25 o C için minimum dönme sayıları: Karbüratörlü Benzin püskürtmeli : 600 1000 devir/dak. : 400 800 devir/dak. Benzin motorunda tam güçteki maksimum dönme sayısı s alevin yayılma a hızı, daha doğrusu süresi ile sınırlanmaktadır. Zira alevin yayılması için tanınan süre dönme sayısı arttıkça azalmakta ve tam yanma gerçekleşememektedir. kt Benzin motoru için i maksimum dönme sayısı 4000 7500 devir/dak arasında olup bu değer spor arabalar için daha da artabilmektedir.
Motorun ömrü : Motorun dönme sayısının, piston ve silindir yüzeylerinin kayma ve aşınma özelliklerine bağlı olarak sınırlandırılması gerekir. Motor dizaynında bütün parametreler sabit tutulup sadece dönme sayısı artırılırsa motorun ömrü azalır. Bunu önlemek için yüksek kaliteli malzeme kullanmak gerekir. Atalet kuvvetleri : İleri geri hareket eden kütlelerin atalet kuvvetleri motorun dönme sayısının karesi ile orantılı olarak artmaktadır. Ayrıca dönme sayısı arttıkça titreşimler de artmaktadır. Motor imalatında kullanılan malzeme ve kesitler bu etkilere dayanacak kalite ve kesitte olmalıdır. Bu nedenle atalet kuvvetleri dönme sayısının üst sınır değerini sınırlamaktadır. Düzgün çalışma : Motorun dönme sayısı arttıkça, motor daha düzgün çalışır. Hafif yapı ve maliyet : Motorun dönme sayısı arttıkça, aynı strok hacminden daha fazla güç elde edilir. Bu ise hafiflik ve ucuzluk sağlar.
Süpürme sistemi : İki zamanlı motorlarda gaz değişimi ile yanma olayının meydana gelebilmesi için yeterli zamana ihtiyaç vardır. Dönme sayısı arttıkça bunlar için ayrılan zaman azalmakta ve dolayısıyla gaz değişimi ve yanma tam olarak gerçekleşememektedir. Bu nedenle iki zamanlı motorlar yüksek dönme sayılı olamazlar. Son yıllardaki gelişmeler sonucu otomobillerde iki zamanlı benzin motorları 4500-5400 5400 devir/dak, taşıtlarda iki zamanlı dizel motorları ise 3000-3500 devir/dak ya kadar yapılabilmektedir. Motosikletlerde kullanılan motorların dönme sayıları ise 10000 devir/dak ya kadar yükselebilmektedir. Çalışma Şeklinin Saptanması Çalışma şekline göre motorlar iki ve dört zamanlı olmak üzere ikiye ayrılırlar. İki zamanlı motorlar : Küçük benzin motorları gaz motorları orta ve büyük İki zamanlı motorlar : Küçük benzin motorları, gaz motorları, orta ve büyük güçlü dizel motorlarıdır.
Küçük benzin motorları : Küçük iki zamanlı benzin motorları genellikle motosikletler, dıştan motorlu botlar ve çim biçme makinaları gibi uygulamalarda kullanılırlar. Bu uygulamalarda aşağıdaki ortak özelliklere sahiptirler; Düşük ilk maliyet Düşük kullanım faktörü Düşük ağırlık/güç oranı Bu tip motorlar ateşleme sistemine ilave olarak yalnızca üç hareketli elemana sahiptir (piston, krank mili ve biyel). Yakıt tüketimleri dört zamanlı aynı büyüklükteki bir motora kıyasla yaklaşık %25 daha fazladır. Bu sebeple, e, bu tip motorlar yakıt tekonomisinin o önemli olmadığı, adğ kullanım faktörünün düşük olduğu uygulamalarda kullanılırlar. Orta ve büyük ük güçlü dizel motorları : Bunlar santrallarda jeneratörlerin ve gemilerde pervanelerin tahrikinde kullanılırlar. Bu motorların genellikle ortalama efektif basınçları düşüktürş ve dönme sayısı çok fazla yükseltilememektedir.
Dört zamanlı motorlar : Dönme sayıları yüksek olan benzin ve dizel motorlarıdır. Daha çok kara taşıtlarında kullanılırlar. İki zamanlı motorlara göre daha karmaşık yapıdadırlar. Yakıtın Seçimi Yakıt sınırlamasının olmadığı ve silindir çapının yaklaşık 150 mm den az olduğu ğ durumda d dizel motorunun benzin motoruna tercih edilmesinin i i sebebi yakıt ekonomisi ve yakıt maliyetidir. Tabi emmeli bir dizel motoru, aynı güçteki bir benzin motoruna kıyasla daha büyük, daha ağır, ğ daha yüksek bakım maliyeti, daha pahalı ve daha gürültülüdür. Ancak, 150 mm silindir çapından daha büyük bir benzin motoru imal etmek, vuruntu ihtimali nedeniyle uygun değildir. Bu durumda dizel motoru gereklidir. Daha önce belirtildiği üzere, yakıt ekonomisi büyük ölçüde kullanım faktörüne bağlıdır. Bu sebeple kullanım faktörünün düşük olması durumunda benzin motoru kullanma eğilimi artmaktadır. Kullanım faktörünün çok düşük olduğu hallerde dizel motoru kullanarak elde edilecek yakıt ekonomisi, motorun ucuzluk farkının altında kalabilir. Tüm uçak motorları düşük ağırlık nedeniyle benzin motorlarıdır.
Kullanım Alanı Motorun kullanma alanı, hafifliği, özgül yakıt tüketiminin ve alış fiyatının düşüklüğü, güvenilirliği, ömrü, kolay ve ucuz bakımı gibi karakteristikler göz önüne alınarak belirlenir. Kullanma alanı ve karakteristiklerine göre motorların sınıflandırılması Tablo 1.1 de görülmektedir. Motorun tasarımı esnasında kullanma alanına göre önem sırası gözetilerek dikkate alınır. Motor yapımcısı bu etkenlerden birini göz önüne alarak tasarıma başlayabilir. Her şeyden önce genellikle maliyet daima dikkate alınmalıdır. Buna göre kullanma yerine göre önemli karakteristik özellikler Tablo 1.2 de verilmektedir.
Tablo 1.1 Pistonlu motorların kullanım alanlarına göre sınıflandırılması SINIFI KULLANIM GÜÇ ARALIĞI (BG) KARAYOLU TAŞITLARI KARAYOLU DIŞI AŞITLAR DEMİRYOLU TAŞITLARI Motosiklet, mobilet Hafif Yolcu Taşıtı Ağır Yolcu Taşıtı Hafif Ticari Taşıt Ağır Ticari Taşıt 1-50 20-100 100-500 50-200 150-500 EN ÇOK KULLANILAN MOTOR TİPİ DİZEL VEYA ÇEVRİM SOĞUTMA BENZİN BENZİN BENZİN BENZİN BENZİN,DİZEL DİZEL 2-4 4 4 4 4 Hava Hava-Su Hafif fifyük Taşıtlar 2-20 BENZİN 2-4 Hava-Su Tarım Makinaları 4-200 BENZİN-DİZEL 2-4 Hava-Su Yol Makinaları 50-1000 DİZEL 2-4 Su Askeri Taşıtlar 50-2500 DİZEL 2-4 Hava-Su Demiryolu Makinaları Lokomotifler 200-500 500-4000 DİZEL DİZEL 2-4 2-4 Su Su Su Su Su DENİZ TAŞITLARI Botlar 0.5-1000 BENZİN-DİZEL 2-4 Su Orta-boy gemiler 1000-4000 DİZEL 2-4 Su Gemiler (2000 tonun 4000-50000 DİZEL 2-4 Su üzeri) HAVA TAŞITLARI Uçaklar Helikopterler 65-3500 65-2000 BENZİN BENZİN 4 4 Hava Hava
SINIFI KULLANIM GÜÇ ARALIĞI (BG) EV BAHÇE MAKİNALARI EN ÇOK KULLANILAN MOTOR TİPİ DİZEL VEYA ÇEVRİM SOĞUTM BENZİN A Çim Makinaları 1-4 BENZİN 2-4 Hava Kar Makinaları 3-6 BENZİN 2-4 Hava Hafif Traktörler 3-10 BENZİN 4 Hava İnşaat Makinaları 10-1000 DİZEL STASYONER Elektrik Makinaları 20-30000 DİZEL 2-4 Su MAKİNALAR Gaz Boru Makinaları 1000-5000 BENZİN 2-4 Su YARIŞ Taşıt ve botlar 100-2000 BENZİN 4 Su 2-4 Su
Tablo 1.2 Motor karakteristiklerinin kullanım alanına göre önem sıralaması KULLANIM ALANI ÇOK ÖNEMLİ ORTA DERECEDE ÖNEMLİ KÜÇÜK EV MOTORLARI, BOT MOTORLARI YOLCU OTOMOBİL MOTORLARI AZ ÖNEMLİ Düşük ağırlık Düşük gürültü Yakıt ekonomisi Küçük hacim Güvenilirlik Uzun ömür Ucuzluk u Bakım kolaylığı oay ğ Titreşim teş Düşük gürültü ve titreşim Ucuzluk Güvenilirlik Esneklik* Bakım kolaylığı Yakıt ekonomisi Ağırlıkğ Hacim Uzun ömür TİCARİ TAŞIT Ş Güvenilirlik Ağırlıkğ MOTORLARI, KÜÇÜK Yakıt ekonomisi Hacim GEMİLER VE Bakım kolaylığı Düşük gürültü ve titreşim ENDÜSTRİYEL KULLANIM Ucuzluk LOKOMOTİF MOTORLARI Küçük hacim Yakıt ekonomisi Bakım kolaylığı ğ Güvenilirlik Uzun ömür Ucuzluk Ağırlık Gürültü Titreşim UÇAK MOTORLARI Düşük ağırlık Küçük hacim Yüksek kalkış gücü Yakıt ekonomisi Güvenilirlik Düşük titreşim Bakım kolaylığı Ucuzluk Uzun ömür Gürültü
KULLANIM ÇOK ÖNEMLİ ORTA DERECEDE AZ ÖNEMLİ ALANI ÖNEMLİ YARIŞ MOTORLARI Yüksek güç Güvenilirlik Diğerleri BÜYÜK MOTORLAR Yakıt ekonomisi (>300 mm silindir çaplı) Uzun ömür Güvenilirlik Bakım kolaylığı Düşük gürültü ve titreşim Hacim Ucuzluk Ağırlık (*) : Burada esneklik, geniş bir yük ve hız aralığında düzgün ve verimli çalışma manasına kullanılmıştır
Yakıt Ekonomisi Bir motorun yakıt ekonomisinin iyi olması her zaman arzulanan bir durum olmasına karşın, ş diğer ğ karakteristiklere göre önemi kullanım alanına göre farklılık gösterir. Yakıt ekonomisi motorun kullanım faktörünün artmasıyla çok daha fazla önem kazanır. Kullanım faktörü, kullanım zamanının ortalama güçle çarpımının motor gücüne bölünmesiyle hesaplanır. Örneğin, 200 BG lü günde ortalama 20 BG güçte iki saat çalışan bir otomobil için; Kullanım faktörü = (2/24)*(20/200)=0.00830 0083 olmaktadır. Bir çim biçme makinasının, özellikle kış mevsimi uzun süren bir ülkedeki kullanım faktörü sıfıra yakındır. Böyle bir durumda yakıt ekonomisi, düşük ağırlık, ucuzluk ve kolay çalıştırılabilme gibi faktörlere kıyasla çok daha az bir öneme sahiptir.
Silindir Sayısının ve Tertibinin Saptanması Benzin ve dizel motorlarında silindir sayısı, maksimum silindir hacmine bağlıdır. ğ Benzin motorlarında silindir çapı büyüdükçe çeper sıcaklığı artmakta ve bunun sonucu olarak da vuruntu olasılığı yükselmektedir. Vuruntulu yanma olayından sakınmak için büyük hacimli silindir yerine birkaç küçük hacimli silindir seçilir. Dizel motorlarında ise püskürtülen yakıtın kısa zamanda tutuşmasış için çeper sıcaklığı yüksek yani silindir çapı büyük olmalıdır. Fakat silindir hacminin çok büyük olması durumunda ise atalet kuvvetleri arttığından mümkün mertebe çok silindirli, motor yapılır. Silindir sayısı motor gücüne bağlı olarak Tablo 1.3 de verilmektedir.
Tablo 1.3 Motor gücüne bağlı olarak silindir sayıları Motor Gücü [kw] Silindir Sayısı 0-3 1 3-30 1-4 30-50 4-6 50-100 4-8 100-500 6-8 500-5000 6-16 5000 ve üzeri 12-24
Silindir tertibi motor seçiminde en önemli etkenlerden biri olup motorun ana şeklini belirlemektedir. Şekil 1.1 de çeşitli silindir tertipleri görülmektedir. Sıra motorlar en çok kullanılan silindir tertibidir. Bakımları kolay ve hafiftirler. 6 silindirli sıra motorlarda dengeleme ve titreşim kontrolü en iyi şekilde sağlanmaktadır. Bunun üzerinde ise bir çok sorunlar ortaya çıkmaktadır. Halen 8 12 silindirli sıra motorlar da yapılmaktadır. V tipi motorlar genellikle fazla güç istenen sekiz ve daha fazla güçlü motorlarda kullanılır. Bu tertiple iyi bir dengeleme sağlanır. Boxer ve sıra boxer motorlar genellikle hafif, uzunluğu kısa olan motosiklet, otomobil ve küçük uçak motorlarında kullanılırlar. Pistonları karşılıklı çalışan silindir tertibi iki zamanlı dizel motorları olan lokomotif motorları, büyük gemi motorları, stasyoner motorlar ile askeri araçların motorlarında kullanılır.
Şekil 1.1 Silindir tertip tarzına göre motor çeşitleri
Hava veya Su ile Soğutma Hava ile soğutma özellikle küçük silindir çaplı, bir ya da iki silindirli motorlar için elverişlidir. Silindir çapı 150 mm den büyük olan motorlar için hava ile soğutma yetersiz kalmaktadır. Böylece hava ile soğutma özellikle küçük taşınabilir stasyonel motorlar ve motosiklet t motorları için i uygundur. Hava soğutmanın cazip olduğu diğer bir yer de karşıt silindirli motorlardır. Uygulamada dört ve daha fazla silindirli otomobil ve endüstriyel motorların yalnızca çok az bir kısmı hava soğutmalıdır. Hava soğutmalı motorların en önemli avantajları; düşük maliyet, küçük hacim ve ağırlık ve düşük gürültü özelliklerine sahip olmasıdır. Sivil uçak motorları, bütün çalışma şartlarında d yüksek k hava hızına sahip olmaları l sebebiyle bi uygun bir seçim olarak ortaya çıkmaktadır
Aşırı Doldurma Benzin motorlarında aşırı doldurma : Uçak Motorları : Bu motorlarda yüksek bir kalkış gücü elde edebilmek ve uçuş yüksekliğinin artmasıyla hava yoğunluğunun azalmasından kaynaklanan güç düşmesini önlemek için aşırı doldurma gereklidir. Küçük uçak motorlarının tümü aşırı doldurmalıdır. l d Bu motorlarda aşırı doldurma ile ortaya çıkması olası olan vuruntu problemi yüksek oktan sayılı yakıt kullanmak suretiyle çözülmektedir. Otomobil Motorları : Aşırı doldurma bazı spor ve lüks otomobil motorlarına uygulanmaktadır. Yarış Motorları : Yarış otomobillerinde yüksek güç ihtiyacı aşırı doldurmayı zorunlu hale getirmektedir. Büyük Doğal Gaz Motorları : Bu motorlarda aşırı doldurma ile sağlanan ağırlık ve hacim küçülmesi önemlidir. Doğal gazın benzine kıyasla vuruntu eğiliminin düşük olması bu motorlarda aşırı doldurmayı cazip hale getirmektedir.
Dizel motorlarında aşırı doldurma : Dizel motorlarda aşırı doldurma için yanma açısından herhangi bir kısıtlama yoktur. Bu motorlarda aşırı doldurmanın yapılıp yapılmaması maliyet açısından değerlendirilebilir. Uygulamada aşırı doldurma, ilk yapım maliyetinin düşük olmasının istendiği küçük dizel motorların dışında bütün motorlara aşırı doldurma uygulama eğilimi i artmaktadır. Ağır yük taşıtları, otobüsler, lokomotifler ile orta ve büyük gemi motorlarının hemen hemen tümü aşırı doldurmalıdır. Aşırı doldurmayı sınırlayan limitler : Dizel motorlarda müsaade edilen aşırı doldurma miktarı güvenilirlik ve dayanıklılık yanında aşırı doldurma elemanlarının l maliyetine bağlıdır.
ε Motor Ana Boyutlarının Hesaplanması Motor dizaynında güç, dönme sayısı, silindir sayısı ve tertibi, iki ya da dört zamanlı oluşu gibi çeşitli etkenler göz önüne alınarak, motorun ana boyutları olan silindir çapı (D) ve strok (H) belirlenir. Tablo 1.4 de içten yanmalı motorların karakteristik kt tik değerleri ğ verilmektedir. D : Silindir çapı [m] H : Strok uzunluğu [m] H/D : Strok-çap oranı c m : Ortalama piston hızı [m/s] p me : Ortalama efektif basınç [Pa] n : Dönme sayısı [devir/dak] z : Silindir sayısı V h : Bir silindirin strok hacmi [m 3, litre] V H : Toplam strok hacmi [m 3, litre] : Sıkıştırma oranı Pe/V H : Strok hacminin litresi başına güç [kw/litre] A : Piston alanı [m 2 ]
Sıkıştırma sonu hacminin (ölü hacim) strok hacmine ve sıkıştırma oranına bağlı olarak değişimi Şekil 1.2 de görülmektedir. Buna göre strok hacmi biliniyorsa, i sıkıştırma oranına bağlı olarak ölü hacim bulunabilir. bili 1.12.112 1 Motor Karakteristikleri Strok çap oranı ζ = H D (1.13) Eğer güç denklemi, silindir çapı ve strok yerine, ortalama piston hızı ve strok oranı cinsinden yazılırsa, P e = 0.17284 p me 3 cmh 1 2 n 2 ζ (1.14) 14)
Şekil 1.2 Sıkıştırma hacminin (ölü hacim) strok hacmine bağlı olarak değişimi
Denklemden de görüleceği üzere, strok-çap oranı ne kadar küçükse motor gücü de o kadar büyük olmaktadır. Ancak strok-çap oranı, motorun yapısı ve çalışması ş ile sınırlıdır. Strok-çap oranı, motorun boyutlarını,,yani uzunluğunu, genişliğini ve yüksekliğini etkiler. Strok oranına göre silindir çapının değişimi, D 1 3 = V h ζ π 1 3 4 1 3 ( ) ( ) (1.15) 15) Strokun değişimi ise, olur. H 1 3 = V h ζ π 1 2 4 2 3 ( ) ( ) (1.16) Strok-çap oranı motorun ileri geri hareket eden kütlelerini etkiler. Bir silindirin ileri geri hareket eden kütleleri, m h = kv h ζ ( ) 1 (1.17)
olarak yazılabilir. Piston hızına, dolayısıyla dönme sayısına bağlı olarak ileri i geri hareket eden kütlelerin l oluşturduğu ğ kuvvetlerin maksimum değeri, F h = CV n ζ 4 3 2 1 3 h [N] (1.18) yazılabilir. Strok-çap oranı sıkıştırma oranını etkiler. Sıkıştırma oranı denkleminden faydalanılarak, strok-çap oranına bağlı olarak, 1 3 1 1 3 4 2 3 ε = 1 + b Vh ( ζ ) (1.19) 19) a π olarak oaa buu bulunur. u
Motorlarda genellikle kullanılan strok-çap oranı değerleri: Benzin motorlarında : ζ = 0.65 1.1 Dizel motorlarında (yüksek devirli) : ζ = 0.9 1.4 Dizel motorlarında (düşük devirli) : ζ = 1.4 2.0 arasındadır. Ot Ortalama Efektif ktifb Basınç (p me )[b [bar] Bir motorun gücü, ortalama efektif basınç, strok hacmi ve dönme sayısına bağlıdır. Belirli bir motorun strok hacmi sabit olduğundan motor gücü, dönme sayısı ve ortalama efektif basınca göre değişir.
Ortalama efektif basınç, dönme sayısına, yüke ve yapım etkenlerine göre değişir. Bu yapım etkenleri silindirin doldurulması ve boşalması için akış kesitleri, yakıt ve hava besleme sistemleri ile yanma odası biçimidir. Ortalama efektif basınç silindirlere emilen yakıt-hava karışımına, artık gazlara, çevrim boyunca değişen gaz basıncı ve mekanik kayıplara bağlı olarak değişmektedir. Kısmi yüklerde kayıplar arttığından ortalama efektif basınç hızla azalır. Bu durumda aynı zamanda özgül yakıt tüketimi de artar. Yüksek dönme sayılarında karışım ve yanma iyi olmadığından ortalama efektif basınç daima küçük olur. Motor çeşitlerine göre halen kullanılmakta olan motorlarda ortalama efektif basınç değerleri: Benzin motorlarında : 0.6 06 1.0 MPa Dizel motorlarında (yüksek devirli) : 0.4 0.7 MPa Dizel motorlarında (düşük devirli) : 0.6 0.9 MPa arasındadır. Aşırı doldurmalı motorlarda bu değerler yaklaşık 2.0 MPa a kadar yükselmektedir
Ortalama Piston Hızı (c m ) [m/s] Strokun herhangi bir noktası için piston hızı, Hn l c = sin α ± λ sin 2 α [m/s] (1.20) 19100 2 yazılır. Burada; H : Strok (mm) r : Krank mili yarıçapı (r=h/2) (mm) l : Biyel kolu uzunluğu ğ (mm) λ : Krank mili yarıçapının biyel koluna oranı (λ = r/l ) + : ÜÖN dan AÖN ya yönü gösterir - : AÖN dan ÜÖN ya yönü gösterir α : Krank mili açısı (derece) Ortalama piston hızı, motor stroku H (m) ve dönme sayısı (devir/dak) na bağlı olarak, c m = Hn 30 [m/s] (1.21)
Ortalama piston hızının artmasıyla motor ömrü ve volumetrik verim azalır, sürtünme kayıpları sebebiyle ısı yükü artar. Halen kullanılmakta olan motorlarda ortalama piston hızları; Benzin motorlarında : c m = 9 16 m/s Dizel motorlarında (yüksek devirli) : c m = 8 13 m/s Dizel motorlarında (düşük devirli) : c m = 6 9 m/s değerleri arasındadır. Strok Hacminin Litresi Başına Güç (P e / V H ) [kw/l ] Motorlu taşıt t tekniğinde hesaplamalar genellikle litre başına güç esasına göre yapılır. Dört zamanlı motor için, ortalama efektif basınç [MPa] alınırsa litre başına güç [kw/l], P e4z pmen V H = 120 (1.21)
İki zamanlı motor için ise, P = V H e2z pmen 60 (1.22) olur. Bu ifadeler ortalama piston hızına göre düzenlenirse; P V e 4 z H = p me c 4H m (1.23) İki zamanlı motor için i ise, P V e 2 z H = p me c 2H m (1.24) olur. Strok hacminin litresi başına güç değerleri Tablo 1.4 de verilmiştir. Bu değerler genellikle;
Benzin motorlarında (otomobillerde) : 25 42 [kw/l] Benzin motorlarında (diğer ğ yüksek güçlülerde) : 35 70 [kw/l] Dizel motorlarında (yüksek devirli) : 8 15 [kw/l] Dizel motorlarında (düşük devirli) : 4 12 [kw/l] arasındadır. Güç Başına Kütle [g/kw] Bu değer ğ motor net kütlesinin güce oranıdır. Motorlarda güç başına ş kütle önemli bir özelliktir. Taşıt motorlarında bunun önemi daha fazladır. Motorun ağırlığını tanımlayan bir parametredir. Motorun ağırlığı maliyeti etkiler. Bu nedenle motorun hafif olması istenir. Güç başına kütle değerleri Tablo 1.4 de verilmiştir. Bu değerler genellikle; Benzin motorlarında (Küçük tip) : 4000 6000 [g/kw] (Otomobil) : 2000 3500 [g/kw] (Hafif) : 1000 1500 [g/kw] Dizel motorlarında : 7000 20000 [g/kw] arasındadır.
Piston Yüzeyi Başına Güç [kw/cm2] Dört zamanlı motor için, P = za p c 40 e4z m me (1.25) İki zamanlı motor için ise, P p c 20 e2z m me za = (1.26) dir. Taşıt motorlarında bu değerler 0.15 0.35 [kw/cm2] arasındadır. Silindir Sayısı (z) Motorun silindir sayısı güce ve diğer karakteristiklere göre saptanır. Buna göre silindir sayısı, z = 2 2 Pe n ζ 3 235000 pme cm (1.27)
Uygun silindir sayısı, yapılan kabuller yukarıdaki formülde yerine konularak tespit edilir. Ancak dizel motorlarında silindir ve strok hacimleri benzin motorlarına göre çok büyük olabilir. Bu sebeple daha önce belirtilen etkenler de dikkate alınarak en uygun silindir sayısı seçilir. Motor Ana Boyutlarının Hesabı Motorun ana boyutları olan silindir çapı (D) ve strok (H), motor karakteristikleri saptandıktan sonra iki yöntemle hesaplanır. a Yapımı düşünülen motorun, Güç : P e [kw] Motor devri : n [devir/dak] Silindir sayısı : z [adet] değerleri biliniyorsa, bu değerlerden hareketle motorun ana boyutları olan silindir çapı, strok seçilerek hesaplanır. Bunun için üç yöntem kullanılır.
1) Yapımı düşünülen motorun P e, n, z değerleri bilindiğine göre motorun amacına uygun olarak: Ortalama efektif basıncı : p me [Pa] Strok-çap oranı : ζ = H D nin alt ve üst sınırları seçilerek motor ana boyutları hesaplanır. Buna göre p me ve ζ değerleri belirli aralıklara bölünür. Seçilen değerler aşağıdaki güç formüllerinde yerine konarak; D4 = 53. 473 z P e ( ζ n p z) me [m] (1.28) D2 z = 42. 443 P e ( ζ n p z) me [m] (1.29) formüllerinden silindir çapı değerleri, strok-çap oranı formülünden de strok hesaplanarak Tablo 1.5 de yerine yazılır. Bulunan silindir çapı ve strok değerlerinin uygunluk derecesini anlamak için ortalama piston hızı ve strok başına güç ile kontrolü yapılmalıdır.
α) Ortalama piston hızına göre kontrol : Bulunan her bir strok değerine göre ortalama piston hızı hesaplanarak Bulunan değerler Tablo 1.5 de yerine yazılır. Motorun amacına uygun olan ortalama piston hızları bu değerlerle karşılaştırılarak uymayanlara ait silindir çapı ve strok değerleri ğ atılır. β) Strok hacmi başına güç ( P e / V H ) kontrolü : Ortalama piston hızına göre yapılan kontrol sonucu geri kalan (D) ve (H) değerleriğ için litre strok hacmi başına ş güç değerleri ğ hesaplanarak Tablo 1.5 de yerine yazılır. Burada yine yukarıda olduğu gibi motorun amacına uygun olmayan değerler atılır. Bu kontroller sonucu geriye kalan (D) ve (H) değerlerinden biri amaca uygun olan motorun özellikleri göz önüne alınarak seçilir. Seçilen silindir çapı standart silindir çaplarından birine uygun boyutta olmalıdır. Bu değerlere göre güç yeniden hesaplanır. Eğer verilen güç bulunan değere çok yakınsa bu değer kabul edilir. Aksi halde farklı bir (D) ve (H) seçilerek aynı işlem tekrarlanır.
Tablo 1.5 Ana boyut hesabı için pme / ζ ye göre H, D, c m değerleri tablosu p me / ζ ζ 1 ζ 2 ζ 3 ζ 4 ζ 5 P me1 D 11 D 12 D 13 D 14 H 11 H 12 H 13 H 14 H c m11 c m12 c m13 c m14 P me2 H 21 D 21 c m21 P me3 H 31 D 31 c m31 H 41 P me4 D 41 c m41 H 51 P me5 D 51 c m51 H 15 D 15 c m15
2) Yapımı düşünülen motorun P e, n, z değerleri bilindiğine göre motorun amacına uygun olarak: Hn Ortalama piston hızı : c m = [m/s] 30 Strok-çap oranı : ζ = nın alt ve üst sınırları seçilerek belirli aralıklara bölünür. Bu değerler; H D H = 30 c n m [1.30] D = H ζ (1.31) denklemleri ile çeşitli değerler için ana boyut olan silindir çapı ve strok hesaplanır ve Tablo 1.6 da yerine yazılır. Hesaplanan bu değerlerin kontrolü;
α) Bulunan (D) ve (H) değerlerine göre kontrol: Pe p [Pa] (Dört zamanlı motorlar için) me = 120. 000 V n H Pe pme = 60. 000 V n H [Pa] (İki zamanlı motorlar için) denklemlerinden ortalama efektif basınç değerleri bulunur ve Tablo 1.6 da yerine yazılır. Burada motorun amacına uygun olmayan (D) ve (H) değerleri atılır. β) Uygun olan (D) ve (H) değerlerine göre kontrol: P P lt = V e H [kw/lt] denkleminden d litre strok hacmi başına güç bulunur ve Tablo 1.6 da yerine yazılır. Amacına uygun olmayan (D) ve (H) değerleri atılır. Bu kontroller sonucu geri kalan (D) ve (H) değerlerinden ğ birisi, amaca uygun motorun özellikleri göz önüne alınarak silindir çapı (D) ve strok (H) olarak kabul edilir.
Tablo 1.6 Ana boyut hesabı için c m / ζ ye göre H, D, p me değerleri tablosu c m / ζ ζ 1 ζ 2 ζ 3 ζ 4 ζ 5 c m1 D 11 D 12 D 13 D 14 H 11 H 12 H 13 H 14 H p me11 p me12 p me13 p me14 c m2 H 21 D 21 p me21 c m3 H 31 D 31 p me31 H 41 c m4 D 41 p me41 H 51 c m5 D 51 p me51 H 15 D 15 p me15
3) Yapımı düşünülen motorun P e, n, z değerleri bilindiğine göre motorun amacına uygun olarak: Pe Litre strok hacmi başına güç : P [kw/lt] lt = V H Strok-çap oranı : ζ = H D nın alt ve üst sınırları seçilir. Bunlara göre uygun görülen P lt değerleri alınarak hesaplar yapılır. Önce güç formülünden ortalama efektif basınç; P pme = 120. 000 V H e n [Pa] (Dört zamanlı motorlar için) Pe pme = 60. 000 V n [Pa] (İki zamanlı motorlar için) i H denklemlerinden hesaplanır. Bu değerlere ğ göre güç formülünden silindir çapı (D) hesaplanır. Strok ise;
H = ζ D denkleminden bulunur ve, c m = H n 30 denklemi ile kontrol edilir. Uygun olan (D) ve (H) değerleri ğ seçilir. Bu kontroller sonucu bulunan silindir çapı ve strok değerlerinin halen kullanılmakta olan piston çaplarına uygun olmasına dikkat edilmelidir. b Yapımı düşünülen motorun, Toplam strok hacmi : V H [m 3 ] Motor devri : n [devir/dakika] Silindir sayısı : z [adet] değerleri biliniyorsa, bu değerlerden hareketle motorun ana boyutları olan silindir çapı ve strok, karakteristikler seçilerek hesaplanır. Bazı motorlar toplam strok hacmi ile tanımlanır. Bunun için üç yöntem kullanılır.
1) Yapımı düşünülen motorun V H, n, z değerleri bilindiğine göre motorun amacına uygun olarak: Ortalama efektif basınç : p me [Pa] Strok-çap oranı : ζ nin alt ve üst sınırları seçilerek ana boyutlar hesaplanır. Bunun için p me ve ζ değerleri belirli aralıklara bölünür. Buna göre; 2 π D V H H = H z 4 ve ζ = D denklemlerinden yararlanarak; D = 3 4V H z π ζ denkleminden silindir çapı bulunur. Ayrıca Şekil 1.3 den strok hacmi ve silindir çapı bilindiği taktirde strok bulunabilir. Bundan sonra ortalama piston hızı kontrolü yapılır.
Şekil 1.3 Piston çapı ve stroka bağlı olarak strok hacminin değişimi
Bunun için; c m = m H n 30 denkleminden faydalanılır. Daha sonra; P e 4z = p me VH n 120000 [kw] P e 2z = pme V H n 60000 [kw] denklemlerinden motorun gücü hesaplanır ve, P P lt = V e H [kw/m 3 ] denklemiyle l kontrolü yapılır. Kabul edilen silindir çapı ve strok değerineğ göre motor gücü tekrar kontrol edilir.
2) Yapımı düşünülen motorun V H, n, z değerleri bilindiğine göre motorun amacına uygun olarak: H n Ortalama piston hızı : c m = [m/s] 30 Strok-çap oranı : ζ = H D seçilir. Bu yöntemde c m değeri belirli aralıklara bölünerek her bir değer için, 30 cm H = n bulunur. Buradan, V H π = 4 D 2 H z denkleminden silindir çapı bulunur. Motorun ana boyutları belli olduğuna göre, strok-çap oranı kontrol edilir. Bunun için;
ζ = H D denkleminden faydalanılır. α) Ortalama efektif basınç seçilerek motorun gücü hesaplanır. β) Buna göre litre strok hacmi başına güç, P e P lt = V formülünden kontrol edilir. H 3) Yapımı düşünülen motorun V H, n, z değerleri bilindiğine göre motorun amacına uygun olarak: Pe Litre strok hacmi başına güç : P lt = [kw/lt] V H Strok-çap oranı : ζ = H D nin alt ve üst sınırları seçilir. En uygun olan değerler alınır. Böylece,
P = e P lt V H denkleminden güç bulunur. Buna uygun olan ortalama efektif basınç, P e pme = 120000 V H denklemi kullanılarak l k bulunur. Gerek güç formülünden gerekse strok hacmi formülünden silindir çapı ve strok bulunur. Bu değerlere göre ortalama piston hızı hesaplanır. Bu yöntemlerde daha çok motor karakteristiklerinden uygun değer alınarak işlem yapılır. Sonuç uygun olursa işlem tekrarlanmaz. Aksi taktirde verilen karakteristik değer değiştirilerek aynı işlem tekrarlanır. Motorların ana boyut hesabında kullanma yeri ve karakteristiklerikt tikl i önemli olduğundan Tablo 1.1 ve Tablo 1.2 deki genel eğilimler dikkate alınmalıdır.
MOTOR PARÇALARININ DİZAYNI Piston, içten yanmalı motorlarda güç ileten elemandır. Pistonun fonksiyonları aşağıdaki şekilde sıralanabilir. a) Yanma gazlarının genişlemesi i esnasında gaz basıncından aldığı ğ kuvvetin etkisi ile öteleme hareketi yapar. Bu esnada meydana gelen kuvveti perno vasıtasıyla biyele, oradan da krank miline iletir ve onun dönmesini sağlar. b) Yanma gazları tarafından yüzeyine y iletilen ısı enerjisinin büyük bir kısmını segmanlar yoluyla silindir çeperlerine, oradan da soğutucu akışkana iletir. c) Pistonun üst yüzeyi, yanma odası yüzeylerinin bir kısmını oluşturur. Aynı zamanda, üzerinde bulunan kompresyon segmanlarıyla sıkıştırmanın oluşmasını ve gazların kaçmamasını, yağ segmanlarıyla da silindir yüzeyinin yağlanmasını ve yağın sıyrılmasını sağlar.
Piston, diğer motor parçalarına göre en fazla mekanik ve ısıl zorlanmalara maruz kalan elemandır. Pistona etki eden zorlamalar gaz basıncı, kütlelerin ivme kuvvetleri ve ısıl kuvvetlerdir. Yanma gazları pistona, silindir ekseni yönünde etki ederler. Kütlelerin ivme kuvvetleri de gaz kuvvetleri gibi pistona eksenel yönde etkirler. Biyel kolu, silindir ekseni ile bir açı meydana getirdiğinde ise eksenel kuvvetlerin yanı sıra, silindir eksenine dik radyal kuvvetler oluşur. Bu radyal kuvvetler, pistonun silindir içinde sağa sola doğru yanal hareketini meydana getirir. Bu yanal hareketler yüksek devir sayılarında istenmeyen gürültülerin meydana gelmesine, piston ve silindirlerin sürtünme yüzeylerinin aşınmasına ve silindirlerin yüzeylerinin e bozulmasına a neden olurlar. Yüksek sıcaklıklı yanma gazları, pistonun yapısı nedeniyle eşit olmayan sıcaklık k dağılımı ğ oluşturur. Dolayısıyla l ısıl l gerilmeler l ve değişken uzamalar meydana gelir. Bu sebeple, pistonla silindir arasındaki boşluk bu durum dikkate alınarak belirlenir. Bu boşlukş piston kafasında daha fazla, etekte ise daha az olarak bırakılır.
Pistonun Boyutlandırılması Pistonun boyutlandırılmasında, gerek mekanik ve gerekse ısıl zorlanmaları dikkate alacak basit bir hesap şekli mevcut değildir. Bu nedenle, pistonun boyutlandırılması önce istatistiki değerlere göre yapılır. Sonra, pistonun boyutları, mekanik ve ısıl zorlanmalara göre kontrol edilir. Daha sonra piston çalışma şartlarının oldukça üstünde bulunan basınç ve sıcaklık deneylerine tabi tutulur. Pistonu boyutlandırabilmek için, pistonun uzunluğu, piston yüzeyinin şekli ve et kalınlığı, piston pernosunun yeri, piston eteği, en üst segmanın yeri, kompresyon ve yağ segmanlarının sayısı ve boyutları, piston ağırlığı gibi değerler ğ istatistiki ti tiki olarak tespit edilir. Ayrıca, pistonun boyutlandırılmasında malzemenin hafifliği, sağlamlığı ve ucuzluğu göz önüne alınmalıdır. Piston için gerekli boyutlar Şekil 2.1 de ve gerekli istatistiki değerler de Tablo 2.1 de verilmektedir.
Şekil 2.1 Pistonun boyutlandırılması l
Tablo 2.1 Pistona ait istatistiki boyut değerleri
Piston Çapının Hesaplanması Piston üst kısmındaki çap, D p, üst = [ + α gömlek ( Tgömlek 15) ] α ( T 15) D 1 x 1 + piston piston, üst İfadesi ile hesaplanabilir. Burada D : Silindir çapı (mm) α gömlek : Silindir gölek malzemesinin ısıl genleşme katsayısı α piston : Piston malzemesinin ısıl genleşme katsayısı T gömlek : Silindir gömleğinin sıcaklığı ( o C) T piston,üst : Piston üst yüzeyinin sıcaklığı ğ ( o C) x : Piston ile gömlek arasındaki açıklık (mm) Piston etek kısmındaki ki çap, D[ 1 + α gömlek ( Tgömlek 15) ] D p, alt = 1 + α ( T 15) İfadesi ile hesaplanabilir. Burada T piston,alt : Piston etek sıcaklığı ( o C) piston piston, etek x
Piston Uzunluğu (L) Pistonun boyutlandırılmasında ilk seçilecek değer piston uzunluğudur. Piston uzunluğunun seçiminde, motorun yapısı, tipi, kullanma amacı ve ömrü dikkate alınmalıdır. Piston uzunluğu artarsa, yağın yanma odasına kadar olan yolu uzar ve daha az yağ yanma odasına gelebilir. Bu nedenle yağ tüketimi azalır. Pistonun radyal yük taşıyıcı etek yüzeyine etkiyen basınç, p = n Fn L D s p (2.1) ifadesinden bulunur. Burada F n kuvveti, F n = ( 0.1 0.2).( Fmax + Fi ) (2.2) olarak alınabilir. Formülde F max maksimum gaz kuvveti, F i ise atalet kuvvetidir. Yağ filmini yırtacak basınç p n = 100 MPa alınabilir. Buna göre, Fn pn = 100MPa L D s p (2.3)
Buradan da piston etek uzunluğu L s, L n Fn D p 100 (2.4) Piston uzunluğuna ait istatistiki değerler Tablo 2.1 de verilmiştir. Şekil 2.2.a ve b de ise, benzin ve dizel motorlarının piston uzunluğunun silindir çapına göre değişimi i i görülmektedir. öül Piston Yüzünün Şekli ve Et Kalınlığı a) Piston yüzünün şekli Piston yüzünün ü ü şekli,, benzin ve dizel motorlarının yanma a odası şekline, e, bujinin veya enjektörün yerine ve sıkıştırma oranına bağlıdır.
A) Benzin Motorlarında Kullanılan Piston Yüzeyi Şekilleri 1) Düz Form Bu tip pistonlara taşıt motorlarında ve küçük motorlarda rastlanmaktadır. Yüksek sıkıştırma oranı istendiğinde piston yüzeyi bombeli olarak imal edilir. Bu tip yüzeyler düzlemsel yüzeye göre daha iyi bir mukavemet sağlamaktadır. 2) Yarı Küresel Form Bu tip pistonlara daha çok yüksek güçlü motorlarda rastlanmaktadır. Sıkıştırma oranları daha yüksektir. Sıcaklık dağılımları daha iyidir. Ayrıca supapların yerleştirilmesi de daha kolaydır. 3) Çatı Formu Bu tip piston yüzeyi genellikle yüksek sıkıştırma oranı gerektiren iki ve Bu tip piston yüzeyi, genellikle yüksek sıkıştırma oranı gerektiren iki ve dört zamanlı motorlarda kullanılırlar.
B) Dizel Motorlarında Kullanılan l Piston Yüzeyi Şekilleri i 1) Hafif Oyuklu Piston Motora emilen taze havanın yakıt demeti ile karışımını iyileştirmek amacı ile piston yüzeyi biraz derinleştirilmiştir. 2) Küresel Oyuklu Piston Bu tip yüzeye sahip pistonlarda, pistonun üst kısmına küresel bir oyuk açılmakta ve yakıt buraya püskürtülmektedir.
3) Çift Oyuklu Piston Karışımın bir önceki piston yüzeyine göre daha iyi olması ve motor gücünün artması için piston yüzü çift oyuklu yapılmıştır. Bu piston tipleri, direkt püskürtmeli motorlarda kullanılmaktadır. Ön yanma odalı dizel motorlarda ise piston yüzeyi genellikle düzdür. Şekil 2.3 Dizel motorlarında kullanılan piston yüzeyi şekilleri
b) Piston Yüzü Et Kalınlığı Piston yüzü, ısıl ve mekanik zorlanmaların etkisi altındadır. Et kalınlığı buna göre belirlenmelidir. Benzin motorlarında yanma gazlarının basıncı dizel motorlara göre daha düşük olduğundan, piston yüzü et kalınlığı daha azdır. Dizel motorlarda ise piston yüzeyinin oyuklu oluşu nedeniyle yüzeyin y sıcaklık dağılımığ farklı olur. Bu nedenle pistonun fazla ısınan kısımları, ısının iletilmesi için büyük kesitli olmalıdır. Piston yüzü et kalınlığının istatistiki değerlere göre boyutlandırılması Bu değerler Tablo 2.1 den alınabilir. Piston yüzü et kalınlığı dört zamanlı motorlarda: Benzin motorlarında : h=(0.07 0.08)D p Dizel motorlarında : h=(0.13 0.14)D p arasında değişir. Piston yüzünün et kalınlığı alüminyum alaşımlı silindir çapının yüzdesi olarak;
Döküm Benzin motorlarında : h=% 7 8 D p Pres h=% 5 7 D p Dizel motorlarında : h=% 15 18 D p h=% 12 15 D p arasındadır. Piston yüzü et kalınlığının mekanik zorlanmalara göre kontrolü α) Piston yüzü et kalınlığının hesabı her taraftan gerilmiş bir plaka gibi düşünülerek yapılır (Şekil 2.4). Buna göre plağın hacimsel elemanında gerek radyal yönde (σ r ) ve gerekse teğetsel yönde (σ t ) gerilmeleri oluşur. Levhanın ortasında bu gerilmeler birbirine eşittir. Buna göre; σ = olur. Buradan; 0.4875 p max r h 2 2 (2.5) h = r 0.5 p σ p max (2.6)
olur. Burada; h : Piston yüzü ü et kalınlığı l ğ [mm] r p max σ σ : Piston tablası yarıçapı [mm] : Piston yüzeyine etki eden maksimum basınç [MPa] : Alüminyum alaşımlarda 200 300 MPa : Döküm için 20 MPa alınabilir. Burada σ gerilme değeri seçilirken emniyet faktörü olarak 2-3 katı alınır. Şekil 2.4 Piston yüzünün gerilme durumu
β) Piston yüzü et kalınlığının hesabı yaklaşık olarak aşağıdaki formülle de belirlenebilir. 2 σ = D1 pmax b 2 4h (2.7) h = D 2 1 p σ max b (2.8) Burada; h : Piston yüzü et kalınlığı [mm] D 1 : Pistonun iç çapı [mm] p max : Piston yüzeyine etki eden maksimum basınç [MPa] σ b : Gerilme e mukavemeti et (53 70 MPa) dır. σ b c) Perno Mesafesi Piston üst yüzeyi ile pistonun kayma yüzeyinin ağırlık merkezi arasındaki uzaklıkta perno bulunur. Bu uzaklığa ğ aynı zamanda sıkıştırma ş yüksekliği ğ veya piston başı da denir. Bu mesafe tespit edilirken segman sayısı, perno çapı gibi hususlar dikkate alınır.
Pernonun yeri iyi seçilmemişse ÜÖN da piston devrilme yapabilir ve böylece yağ tüketimi artar, gürültülü bir çalışma olur. Şekil 2.5 de piston çapına bağlı olarak sıkıştırma yüksekliğinin kliği i değişimi i i görülmektedir. öül
d) Perno Yuvaları Arasındaki Mesafesi Perno yuvaları arasındaki mesafe Tablo 2.1 ve Şekil 2.6 da verilmektedir.
d) Piston Eteği Pistonun yağ ğ segmanı ile pistonun alt ucu arasındaki kısma, piston eteğiğ denir. Piston eteğinin görevleri; Pistonun silindir içinde merkezlenmesini ve hareketini, Biyel kolunun normal(yan) kuvvetlerinin taşınmasını, Piston ile silindir arasındaki yağlamanın ayarlanmasını, Silindir çeperlerine ve yağa ısı geçişini sağlamaktır. Piston eteğinin boyutları Tablo 2.1 de ve Şekil 2.7 de istatistiki değerlere göre verilmektedir. e) Segman Yuvalarının Yeri ve Sayısı Birinci Segman Yuvasının Yeri : Birinci segman yuvasından piston üst yüzeyi y kenarına kadar olan bölgeye ateş bölgesi, bu bölgedeki segmana da ateş segmanı denir. Bu yuvanın yeri çok önemlidir. Bu segman yuvası, piston ÜÖN da iken, silindirin su ile soğutulan kısımda olmalıdır. Buna özellikle gömlekli silindirlerde dikkat edilmelidir. Ayrıca bu segman, yanma gazlarının direkt etkisinden korunmak için, piston yüzeyinden belli bir uzaklıkta olmalıdır. Bu bölgede
sıcaklıkların düşürülmesi için, birinci segman yuvasının piston yüzeyine olan mesafesi artırılır, piston boşluğu mümkün mertebe küçük tutularak gazların aşağı ğ geçişi i azaltılır l ve piston tablasından pernoya ısı geçişini i i artırıcı yönde tedbir alınır.
Segman yuvaları arasındaki mesafe: Genel olarak birinci ve ikinci segman yuvası arasındaki uzaklık (S 2 2), diğerğ aralığa göre daha fazla alınır. Bu mesafe; Benzin motorlarında S 2 = 005D 0.05 Dizel motorlarında S 2 = 0.065 D Segman sayısı : Segman sayısı benzin ve dizel motorlarında farklıdır. k kompresyon, y yağ segmanlarını göstermek üzere segman sayıları; Benzin motorlarında; Dizel motorlarında; D<85 mm için 2k + 1y D>85 mm için 3k + 1y D<130 mm için 3k + 1y D>130 mm için 4k + 2y D>175 mm için 5k + 2y
f) Pistonun Kütlesi Pistonun imalatı için tahmini kütlesinin önceden bilinmesi istenir. Pistonun kütlesi m(g) olarak: Benzin motorlarında m = 0.8 D3 10-3 Dizel motorlarında ise; D < 150 mm ise m = 1.1 D3 10-3 D > 150 mm ise m = 1.5 D3 10-3 denklemlerinde hesaplanır. Bu değerler bize yaklaşık k piston kütlesini verir.
g) Pistonun Sıcaklığı İş zamanında piston başı tarafından alınan ısının büyük bir kısmı segmanlar ve piston kenarlarından silindir çeperlerine, oradan da soğutucu akışkana aktarılır. Piston üzerinden soğutucu akışkana atılan bu ısının yaklaşık olarak %50-80 i segmanlar vasıtasıyla gerçekleşir. Pistonun yapısına bağlı ğ olarak sıcaklık 200-400 o C değerlerine ğ ulaşabilir. ş Pistonda oluşan ısıl gerilmeler, pistonun iç kısımlarında oluşan mekanik gerilmelerle birlikte etki ederler. Pistonda oluşan sıcaklık dağılımı; piston malzemesine ve pistonun yapısına bağlı olarak değişmektedir. Alüminyum alaşımlı pistonlarda ısı iletiminin iyi olması nedeniyle sıcaklık dağılımı daha üniformdur. Tablo Ek-1 de ise benzin ve dizel motor pistonlarının farklı bölgelerindeki Tablo Ek-1 de ise benzin ve dizel motor pistonlarının farklı bölgelerindeki sıcaklık aralık değerleri görülmektedir.
Tablo Ek-1 Pistonlardaki genel sıcaklık dağılımları ( o C)
Pistonlarda yüksek sıcaklıklar genellikle piston üst yüzeyinin ortasında görülmektedir. En yüksek sıcaklık ise pistonun egzoz supabına en yakın olan kısımlarında görülür. Piston eteğinde ise sıcaklıklar en düşük seviyelerdedir. Benzin motorlarında 230 o C lık sıcaklık değeri kritik olarak nitelendirilir ve 250 o C de ise piston uzun süre çalıştırılmamalıdır. Dizel motorlarında ise piston sıcaklıkları 360 o Cyiaşmamalıdır aşmamalıdır. Piston sıcaklığına etki eden faktörler 1-Soğutma şekli: Su soğutmalı motorlarda su sıcaklığındaki 10 o C lık bir değişim birinci segman oyuğundaki sıcaklıkta 8-10 o C lik bir sıcaklık değişimine neden olur. Soğutucu ğ akışkana k %50 oranında donmaya karşı koruyucu madde eklenmesi durumunda, 1.Segman oyuğunda sıcaklık 5-10 o C azalmaktadır. Şayet y piston soğutulmuyorsa, ğ yağ ğ sıcaklığındaki ğ 10 o C lik bir artış, 1.Segman oyuğunun sıcaklığını 1-3 o C artırmaktadır. Pistonun soğutulması halinde ise sıcaklıklar 30-60 o C civarında azalmaktadır.
2-Motor yükü: Piston sıcaklığığ ortalama efektif basınçla doğru ğ orantılı olarak değişmektedir. Ortalama efektif basınçta meydana gelen 0.1 MPa lık bir değişim pistonda 11-14 o C lik bir sıcaklık değişimine neden olmaktadır. 3-Ateşleme veya püskürtme başlangıcı: Ateşleme veya püskürtme başlangıcı optimum avans değerinden ne kadar önce olursa sıcaklık o ölçüde artar. Ateşleme başlangıcının optimum avans değerinden 1 o KMA artırılması sonucunda 1.Segman oyuğunda 1-2 o C lık bir sıcaklık artışı ortaya çıkar. 3- Devir sayısı: Ortalama efektif basıncın aynı kalması şartıyla motorun devir sayısının artması ile piston sıcaklıkları da artar. Buna göre 100 dev/dak lık bir devir artışı piston sıcaklığında 3-6 o C lık bir artış meydana getirir. 4-Sıkıştırma oranı: Sıkıştırma oranının artması piston sıcaklığını artırır. Sıkıştırma oranındaki bir birimlik artış piston sıcaklığını 4-12 o C yükseltir.
5-Yanma olayı: Vuruntulu yanma, erken veya geç yanma gibi istenmeyen yanma olayları piston sıcaklığını artırır. 6-Pistonun yapısı ve şekli: Pistonun şekli pistonun ısıyı almasında ve iletmesinde oldukça etkilidir. Isı silindire uygun kesitlerle iletiliyorsa piston sıcaklığı azalır. 7-Segmanın dönmesi: Segmanlar motorun çalışması esnasında segman oyuğu içinde sabit olmayıp piston çevresi boyunca dönme hareketi yaparlar. Bu hareket motorun dönme sayısına ve yüke bağlıdır. Segmanların bu çevresel hareketi sonucu piston sıcaklıklarında 5-20 o C g ç p lık azalmalar meydana gelmektedir.
h) Pistonun soğutulması Piston sıcaklığının belirli değerleri aşmaması için, özellikle yüksek güçlü dizel motorlarının pistonlarının soğutulması gerekir. Pistonun soğutulması gereken en önemli bölgeleri: -Üst kısmının ortası - Segman yuvalarının ortası - Perno yataklarının üst kısmıdır. Pistonun soğutulmasına ğ gerek olup olmadığının ğ saptanması için çoğunlukla pistonların alanlarına isabet eden güce (kw/cm 2 ) bakılır. Buna göre; Kısmi yükte fazla çalışan motorların soğutmasız alüminyum pistonlarında 0.08 0.22 kw/cm 2 Yüksek yükte fazla çalışan motorların soğutmasız alüminyum pistonlarında 0.10 0.40 kw/cm 2 Aşırı yükte fazla çalışan motorların üst kısmı çelik, altı alüminyum olan pistonlarında 0.30 0.60 kw/cm 2
arasında bulunur. Ağır vasıtalarda piston alan güçleri 030 0.30 kw/cm 2 den yüksek k olduğunda, ğ d orta büyüklükteki gemi dizellerinde 0.15 kw/cm 2 den yüksek olduğunda pistonun soğutulması gerekir. Pistonun soğutulması önceleri su kullanılırken, daha sonra suyun yağlama sistemine sızma tehlikesi nedeniyle yağ ile soğutmaya geçilmiştir. Pistonun soğutulması, boşluklu pistonlarda soğutma yağının meme aracılığıyla püskürtülmesi yöntemiyle yapılabilir. Diğer bir yöntem de soğutma yağının krank mili, biyel ve perno üzerinden gönderilmesidir. Bu yöntem silindir çapı 350 mm ye kadar olan motorların pistonlarında kullanılabilir. Daha büyük çaplı gemi dizellerinde ise pistonlar su ile soğutulur.
2.2 Piston Malzemelerinin Özellikleri ve İmal Yöntemleri Piston malzemelerinin sahip olması istenen özellikler; Düşük ağırlık, Yüksek k mukavemet, Düşük ısıl genleşme katsayısı, Yüksek ısı iletim katsayısı, İyi kayma özelliği, Yüksek aşınma direnci, Düşük ş maliyet. Bütün yukarıdaki özelliklere aynı anda sahip bir malzemeyi bulmak zordur. Teknik özellikler ile malzemenin fiyatını birbiri ile bağdaştırarak optimum seçim gerçekleştirilir. Bu da yapımcıyı, mevcut malzemelerden yeterli güvenliği veren malzemeyi seçme yoluna götürmektedir. Piston malzemesi olarak önceleri dökme demir kullanılmaktaydı. Daha sonraları magnezyum alaşımları kullanılmaya başlanmış, ancak magnezyum oldukça hafif olmasına karşın aşınma mukavemetinin düşük olması nedeniyle yerini alüminyumama bırakmıştır. r Günümüzde en yaygın olarak kullanılan piston malzemesi Al - Si alaşımlarıdır.
Pistonların imalatı iki ana yöntemle gerçekleştirilir; Normal döküm Pres döküm Döküm yöntemiyle şekillendirilen pistonlar daha sonra takım tezgahlarında işlenerek istenen boyutlara getirilirler.
2.3. Segmanlar Segmanın görevi, piston ve silindirle birlikte yanma odasındaki gazların kartere, karterdeki yağın da yanma odasına sızmasını önlemek, silindir çeperlerinin yağlanmasını sağlamak ve piston ısısını silindir çeperlerine iletmektir. Sızdırmazlığın sağlanması, segmanın silindir çeperlerine radyal teması ve segman yuvasına oturan yüzeyinin yuvasına dayanması şeklinde olur. Radyal temas, iş zamanında segmanın arkasındaki yanma gaz basıncı ve segmanın esneme özelliğiğ ile olur. Bunun dışındaki ş zamanlarda segmanın kendi teğetsel sürtünmesi ile sağlanır. Segman yuvasındaki basınç segmanı radyal yönde silindire doğru bastırır ve sürtünme işi artar. Radyal basınç 50 250 kpa dır. Bu basınç, yüksek dönme sayılı motorlarda büyük düşük dönme sayılı motorlarda ise küçüktür. Deneysel çalışma sonuçlarına göre, sürtünme işinin %60 ı 1.segmanda, %30 u 2.segmanda, %10 u u ise 3.segmanda oluşmaktadır. Buna göre mekanik kayıpların %50-60 ı segmanlarda meydana gelmekte ve motorun dönme sayısı arttıkça bu oran da artmaktadır. Bu kayıp miktarının azalması için segmanların nsayılarının n ve kalınlıklarının klar n nazalmasıalmas gerekir.
Segmanlar ayrıca pistondaki ısının %50-60 ını silindir çeperlerine iletir. Bu daha çok ilk 2 segman vasıtasıyla gerçekleşir. Üçüncü segman ısı iletim yönünden etkili değildir. 2.3.1 Segman Tipleri Segmanlar kompresyon ve yağ segmanları olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Ayrıca büyük silindir çaplı motorlarda kayıcı segmanlar da kullanılmaktadır. a) Kompresyon Segmanları : Yanma odasındaki gazların kartere sızmasını önlerler. Sızdırmazlık en fazla 1.segman tarafından sağlanır. Dikdörtgen kesitli segmanlar: Bu tip segmanlar dolu kesitli olup, alışma zamanları uzundur. Ayrıca yağ sarfiyatları da fazladır. Ancak, bu tip segmanlar en yaygın olarak kullanılan segmanlardır.
Trapez (konik) kesitli segmanlar: Bu tip segmanlar dolu kesitli olup, sarma olasılığı daha azdır. Koniklik derecesi 5 10 o civarındadır. Radyal hareket esnasında segman yuvalarında bulunan karbonu sıyırarak dışarı atarlar. Oyuklu segmanlar: Bunların çalışma yüzeylerine 0.6 0.7 mm eninde silindirik oyuklar açılır (1 ile 3 adet). Buraya reçine esaslı bağlayıcı ile grafit ve demir karışımı doldurulur. l Son zamanlarda bütün yüzey molibdenle l kaplanmakta kt veya genişliği 1 3.6 mm lik oyuklar açılmaktadır. Bu suretle silindir ile segman aşınması azaltılmış olmaktadır. Kazıyıcı çıkıntılı veya kademeli segmanlar: Bu tip segmanlarda kademeler yapılarak radyal basınç arttırılır. Kompresyon ve yağ kontrol görevi görürler. Ayrıca sürtünme ve aşınmayı azaltmak için özellikle birinci segmana özel malzemeden yapılmış çemberler geçirilir.
b) Yağ Segmanları : Yağ segmanları silindir yüzeyindeki yağı sıyırarak yanma odasına geçmesini önler. Kompresyon semanının altında ve piston eteğinde bulunur. Yağ, segmanlarının içinde veya hemen altında yağ kanalları veya delikler aracılığıyla piston içine, oradan da kartere akar. Yağ segmanları ile %100 lük bir verimle sızdırmazlık sağlamak mümkün değildir. Çok az da olsa bir miktar yağ yanma odasına geçer ve yanar. Bu miktar benzin motorlarında 0.7 0.14 g/kwh, kamyon ve otobüslerde 1 7 g/kwh arasında olmalıdır. Yağ segmanları da şekilleri bakımından çok çeşitlilik gösterirler. Oyuklu u segmanlar: a Bu tip yağ segmanları daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Oyuklar normal ve geniş olarak iki şekilde açılır. Segmanda açılan (0.3 0.45)b genişliğindeki bu oyuklar yağın segmanın arkasına, buradan da pistonun iç kısmına girmesini sağlar. ğ Ayrıca sıyırıcı oyuklu segmanlar da vardır.