i

MOTOR BLOĞU VE SİLİNDİR KAPAĞI TASARIMI

İsmail YILMAZ

Sedat ALTUNOK

LİSANS TEZİ

OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

OCAK 2015

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

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

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

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

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.

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…………………………….……….…….……………2

2.1.İçten Yanmalı Motorların Tarihsel Gelişimi…………..….……………....………2

2.2.Tasarım………………………………………………...…………………………6

2.2.1.Tasarımda temel kararlar ve ön analiz……...…………………………..………7

2.2.2.İçten yanmalı motorların tasarım esasları…...…………………………….……9

2.3.İçten Yanmalı Motor Çeşitleri………………………………….…………….…17

2.3.1.Strok sayısına göre sınıflandırma………………………………..…………….17

2.3.2.Karışım teşkiline göre smıflandırma…………………………..…....…………17

2.3.3.Çalışma çevrimin karakterine göre sınıflandırma……………………..………18

2.3.4.Kullanılan yakıta göre sınıflandırılma……………..………………..…...……18

2.3.5.Dolguyu silindirlere doldurma şekline göre sınıflandırılma…………….….…18

2.3.6.Silindirlerin yerleştirilme şekline göre sınıflandırılma…………………..……18

2.3.7.Soğutma şekline göre sınıflandırma………………….…………………..……25

2.3.8.Kullanma maksatlarına göre motorların sınıflandırması……………….......…25

2.4.İçten Yanmalı Motorların Temel Parçaları…………………………….……..…25

2.4.1.Motor bloğu…………………………………………………………….……..25

2.4.2.Silindir kapağı…………………………………………………….…………...26

2.4.3.Krank mili………………………………….…………………...….....…….…27

2.4.4.Biyel kolu……………………………………………………………….….….30

2.4.5.Piston……………………………………………………………..….………..31

2.4.6.Kam mili………………………………………………………..……..………34

vii

2.4.7.Supap…………………………………………………………………………..39

2.4.8.Volan…………………………….…….……………...….……………………44

2.5.Motor Tasarımı ve Analizi Üzerine Yapılan Çalışmalar………………………..45

2.6.Motor Bloğu Malzemeleri…………………..……..……...………………...…...45

2.6.1.Alüminyum alaşımları………………………………………………...………45

2.6.2.Dökme demir………………………………...……………………….….……53

2.6.3.Magnezyom alaşımları……………………….…………………………..……55

2.7.Motor Bloğu İmalat Yöntemleri………………………………………..……….57

2.7.1.Kum döküm……………………………………...………………....…………57

2.7.2.Basınçlı döküm………………………………………………………………..57

2.8.Silindir Kapağı Malzemeleri ve İmalat Yöntemleri…..…………………………60

2.9.Bilgisayar Destekli Analiz………………………………………………………61

3.MATERYAL METOD……………………………………………………………63

3.1.Motor Bloğu Ve Silindir Kapağının Tasarım Hesaplamaları……….…….….…63

3.2.Motor Bloğunun Modellenmesi…………………………………………………79

3.3.Silindir Kalınlığının Yapısal Analizi……………………………………………79

3.4.Silindire Alınan Havanın Akış Analizi…………………….……………………86

SONUÇ VE ÖNERİLER………………………………….……....…….…….….…91

KAYNAKÇA………………………………………….…..………...………………92

ÖZGEÇMİŞ…………………………………………………………………………94

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……………….….….....80

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

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

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 ………………………….….……...5

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…………………………………………….…….….……19

Resim 2.7. V tipi motorlar…………………………………….…….………………20

Resim 2.8. Boksör tipi motorlar…………………………….………………………21

Resim 2.9. Yıldız tipi motorlar…………………….….…….………………………21

Resim 2.10.W tipi motorlar ……………….….…….………………………………22

Resim 2.11. H tipi motorlar…………………………………………………………22

Resim 2.12. Zıt pistonlu motorlar………….….….…………………………………23

Resim 2.13. Wankel motorlar…………………….…………………………………24

Resim 2.14. Quasiturbine motorlar………………….………………………………24

Resim 2.15. Motor bloğu……………………………………………………………26

Resim 2.16. Silindir kapağı…………………………………………………………27

Resim 2.17. Krank milinin kısımları…………………….….….……………………29

Resim 2.18. Krank milinin yağ kanalları……………………...……………………29

Resim 2.19. Biyel kolu………………………………………………………………31

Resim 2.20. Pistonun üstten ve yandan görünümü…………………………………32

Resim 2.21. Çeşitli piston konstrüksiyonları………………….….…………………32

Resim 2.22. Piston kısımları……………………………………….….….…………33

Resim 2.23. Kam milleri………………………………………………….…………34

Resim 2.24. Kamın kısımları……………………………………………….….……35

Resim 2.25. Değişken supap zamanlaması uygulanan bir motora ait kam milleri.....36

Resim 2.26. Çeşitli kam profilleri………………………………………………..…37

Resim 2.27. Kam mili profilinin önden görünümü…………………………………37

Resim 2.28. Supaplar ve mekanizmaya ait diğer parçalar………………..….……..39

Resim 2.29. Supap, supap yayı, supap kılavuzu, yay tablası ve tırnakları ….….…..40

Resim 2.30. Supabın montaj edilmiş hali…………………………………….….…40

xi

RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa

Resim 2.31. Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan supap kılavuzları…………41

Resim 2.32. Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan bagalar……….….….……41

Resim 2.33. Sodyum ile soğutulan bir supap…………………………………..……42

Resim 2.34. İ-tipi hidrolik iticili her silindire iki emme ve iki egzoz supabı kullanılan

bir supap sistemi……………………………………………………………….……43

Resim 2.35. Üç supap düzenlemesi (iki emme supabı, bir egzoz supabı) ….………43

Resim 2.36. Beş supaplı motor düzenlemesi……………………………………..…43

Resim 2.37. Volan ve debriyaj baskı-balatası………………………………...……..44

Resim 2.38. 319 alaşımından imal edilmiş 5. nesil Chevrolet Corvette LS1

motoru………………………………………………………………………….…....53

Resim 2.39. Dökme demirin katı yağlama mekanizması………………………...…54

Resim 2.40. Kesilmiş halde Mg-Al kompozit motor bloğu………………..……..…56

Resim 2.41. Kum döküm yöntemi………………………………………………..…57

Resim 2.42. Kokil döküm yöntemi…………………………………………………58

Resim 2.43. Düşük basınçlı döküm yöntemi ………………………………………58

Resim 2.44. Yüksek basınçlı döküm……………………………………………..…59

Resim 2.45. Squeeze casting yöntemi………………………………………………59

Resim 3.1. CATIA programında oluşturulan katı model……………………...……79

Resim 3.2. Piston konumları (10o, 30

o, 40

o, 45

o, 50

o, 60

o) ………………..….….…81

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 3.10. Gaz kuvvetleri……………………………………………….....………85

Resim 3.11. 30o KMA için analiz sonucu……………………………………...……85

Resim 3.12. Analizi yapılacak akış ortamı……………………………….…....……86

Resim 3.13. Akış analizi için seçilen eleman tipi………………………...…………87

xii

RESİMLERİN LİSTESİ Sayfa

Resim 3.14. Mesh edilen akış ortamı……………………………………..…………87

Resim 3.15. Silindire alınan havanın giriş bölgesi…………………….....…………88

Resim 3.16. Akış çizgileri……………………………………………………...……89

Resim 3.17. Akış analizi için yenilenen yanma odası………………………………89

Resim 3.18. Yeni yanma odasının akış çizgileri……………………………….……90

Resim 3.19. Emme zamanı akış çizgileri……………………………………………90

xiii

SİMGELER VE KISALTMALAR

Simgeler Açıklamalar

ηp İyilik derecesi

ηv Hacimsel verim

ηm Mekanik verim

Pi İndike güç

Pp Teorik makinann gücü

Pe Efektif güç

𝜺 Sıkıştırma oranı

X Strok çap oranı

Hu Alt ısıl değer

cp Sabit basınçta özgül ısı

cv Sabit hacimde özgül ısı

Hmix Karışım ısıl değeri

k İzantropik üs

𝜼𝒕 Termik verim

Pme Ortalama efektif basınç

VH Toplam strok hacmi

Vh Strok hacmi

D Silindir çapı

H Kurs boyu

Cm Piston hızı

Pi İndike ortalama basınç

Pme Ortalama efektif basınç

Pf Sürtünme gücü

PL Litre gücü

𝛈𝐞 Efektif verim

𝐛𝐞 Özgül yakıt tüketimi

𝐭𝐜 Silindir kalınlığı

σem Emniyet gerilmesi

xiv

Simgeler Açıklamalar

𝐭𝐜𝐡 Silindir kapağı kalınlığı

nb Civata sayısı

rc Krank mili yarıçapı

Lbiyel Biyel uzunluğu

xv

Kısaltmalar Açıklamalar

CNG Sıkıştırılmış doğal gaz

LPG Sıvı petrol gazı

ÜÖN Üst ölü nokta

AÖN Alt ölü nokta

SAE Society of automotive engineers

KMA Krank mili açısı

AFR Hava yakıt oranı

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.

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. 1794 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. 1801 yılında

Philippe LEBON kömürden elde edilen gaz yakıtla (şehir gazı) çalışan motorun

patentini almıştır. İsveçli mühendis Isaac de Rivaz 1805-1813 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. 1820 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

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

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. 1872 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.

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. 1879-1881

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

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

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].

2.2.1.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.

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

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

2.2.2.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.

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.

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.

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.

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 80-

90°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.

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].

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.

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.

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;

2.3.1.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].

2.3.2.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].

18

2.3.3.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].

2.3.4.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].

2.3.5.Dolguyu silindirlere doldurma şekline göre sınıflandırılma

Doğal emişli motorlar

Aşırı doldurmalı motorlar [18].

2.3.6. Silindirlerin yerleştirilme şekline göre sınıflandırılma

Resim 2.5. Silindirlerin yerleştirilme şekline göre motorların sınflandırılması

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 600 veya 90

0 olabilir, dizel motorlarda

300 ila 120

0 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].

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].

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

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 (1877-

1956) 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 2.11. H tipi motorlar

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 2.12. 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 2-3-4 rotor da olabilir) ve eksantrik milidir ( eksantrik mili 4 zamanlı

motorlarda bulunan krank milinin işini yapmaktadır ) [19].

24

Resim 2.13. 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 2.14. Quasiturbine motorlar

25

2.3.7.Soğutma şekline göre sınıflandırma

Hava soğutmalı motorlar

Su soğutmalı motorlar [18].

2.3.8. 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

2.4.1.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.

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 2.15. Motor bloğu

2.4.2.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.

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 2.16. Silindir kapağı

2.4.3.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,

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

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 2.17. Krank milinin kısımları

Resim 2.18. Krank milinin yağ kanalları

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].

2.4.4.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.

31

Resim 2.19. 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/mm2 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].

2.4.5.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.

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 2.20. Pistonun üstten ve yandan görünümü

Resim 2.21. 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

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 2.22. 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 400-450 °C,

alüminyum alaşımlı pistonların çalışma sıcaklığı ise yaklaşık 200-250 °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

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].

2.4.6.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 2.23. 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

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 2.24. 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

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 2.25. 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.

37

Resim 2.26. 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 2.27. 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

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].

39

Şekil 2.3. Değişken supap mekanizması kam milinde supap zamanlaması

2.4.7.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 2.28. Supaplar ve mekanizmaya ait diğer parçalar

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 2.29. 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 2.30. Supabın montaj edilmiş hali

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 2.31. Alüminyum silidir kapaklarında kullanılan supap kılavuzları

Resim 2.32. 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

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 2.33. 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].

43

Resim 2.34. İ-tipi hidrolik iticili her silindire iki emme ve iki egzoz supabı kullanılan

bir supap sistemi

Resim 2.35. Üç supap düzenlemesi (iki emme supabı, bir egzoz supabı)

Resim 2.36. Beş supaplı motor düzenlemesi

44

2.4.8.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 2.37. Volan ve debriyaj baskı-balatası

45

2.5.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

2.6.1.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

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.

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].

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].

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.

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.

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. 1990’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.

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

%85-91.5 alüminyum,

%5.5-6.5 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.

53

Resim 2.38. 319 alaşımından imal edilmiş 5. nesil Chevrolet Corvette LS1 motoru

A356 alaşımı ağırlık olarak;

%91-93.3 alüminyum,

%6.5-7.5 silisyum,

%0.25-0.45 magnezyum,

%0.2 bakır(maksimum),

%0.2 titanyum,

%0.1 çinko ihtiva etmektedir.

A356 alaşımı, 319 alaşımına benzer mekanik özellikler göstermektedir [17].

2.6.2.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.

54

Resim 2.39. 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)

% 2.5 - 3.5 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.

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].

2.6.3.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

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 2.40. Kesilmiş halde Mg-Al kompozit motor bloğu

57

2.7.Motor Bloğu İmalat Yöntemleri

2.7.1.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 2.41. Kum döküm yöntemi

2.7.2.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 10-15 defa

kullanılabildiği için kokil kalıp adını alırlar. Küçük ölçekli seri imalatta tercih edilir

[17].

58

Resim 2.42. Kokil döküm yöntemi

Düşük basınçlı döküm

Düşük basınçlı döküm yöntemi nispeten düşük basınçlarda (alüminyum alaşımları

için 0.2-0.5 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 2.43. Düşük basınçlı döküm yöntemi

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 700-1000 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 2.44. 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 2.45. Squeeze casting yöntemi

60

2.8.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].

61

2.9.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

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].

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 10 kW @ 4000 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 (ηp), motorun indike gücünün (Pi), teorik (kusursuz)

makinanm gücüne (Pp) oranıdır. İyilik derecesinin yükselmesi, motorun mükemmele

yaklaşmasının bir göstergesidir. İyilik derecesi;

Otomotiv benzin motorlarında 0.4 – 0.7

Otomotiv diesel motorlarında 0.6 – 0.8 arasındadır [2].

Tasarımı yapılacak motorda iyilik derecesi 0.7 olarak seçilmiştir.

𝜂𝑃 = 0.7 (3.1)

Volümetrik verim

Volumetrik (hacimsel) verim (ηv), silindire alınan gerçek karışım kütlesinin, silindire

alınması gereken teorik karışım kütlesine oranıdır. Volumetrik verim;

Dört zamanlı motorlarda 0.7 – 0.9

İki zamanlı karterden süpürmeli motorlarda 0.5 – 0.7 arasındadır [2].

Tasarımı yapılacak motorda volümetrik verim 0.83 olarak seçilmiştir.

𝜂𝑉 = 0.83 (3.2)

64

Mekanik verim

Bir motorun mekanik verimi (ηm) motorun efektif gücünün(Pe) indike gücüne (Pi )

oranıdır. Motorların mekanik verimleri % 80 dolayındadır [2].

𝜂𝑀 = 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 0.6-1.1

Dört zamanlı kamyon diesel motorlarında 0.9 -1.2

Dört zamanlı orta hızlı diesel motorlarında 1.2 -1.4

İki zamanlı düşük hızlı diesel motorlarında 1.8-2.2 arasındadır [2].

Tasarımı yapılacak motorda Strok/çap oranı 1.1 olarak seçilmiştir.

𝑋 = 1.1 (3.5)

Diğer kabuller

𝐻𝑈 = 42000 𝑘𝑗/𝑘𝑔 (3.6)

𝐴𝐹𝑅 = 14.8/1 (3.7)

65

𝜌𝑜 = 1.293 𝑘𝑔/𝑚3 (3.8)

𝑇𝑜 = 273 𝐾 (3.9)

𝑇𝑎 = 293 𝐾 (3.10)

𝑃𝑜 = 1.015 𝑏𝑎𝑟 (3.11)

𝑃𝑎 = 0.98 𝑏𝑎𝑟 (3.12)

𝑐𝑃 = 1.005 𝑘𝑗/𝑘𝑔𝐾 (3.13)

𝑐𝑣 = 0.718 𝑘𝑗/𝑘𝑔𝐾 (3.14)

Silindir boyutlarının belirlenmesi

Karışımın Isıl Değeri

𝐻𝑚𝑖𝑥 =𝐻𝑈 × 𝜌𝑜

𝐴𝐹𝑅 (3.15)

𝐻𝑚𝑖𝑥 =42000 × 1.293

14.8 (3.16)

𝐻𝑚𝑖𝑥 = 3669.324𝑘𝑗

𝑚3 (3.17)

İzantropik üs

𝑘 =𝑐𝑝

𝑐𝑣 (3.18)

𝑘 =1.005

0.718 (3.19)

𝑘 = 1.4 (3.20)

Termik verim

𝜂𝑡 = 1 −1

𝜀𝑘−1 (3.21)

66

𝜂𝑡 = 1 −1

91.4−1 (3.22)

𝜂𝑡 = 0.5848 (3.23)

Ortalama efektif basınç

𝑃𝑚𝑒 = 𝜂𝑡 × 𝜂𝑚 × 𝜂𝑝 × 𝜂𝑣 × 𝐻𝑚𝑖𝑥 ×𝜌𝑜

𝜌𝑎 (3.24)

𝑃𝑚𝑒 = 0.5848 × 0.8 × 0.7 × 0.83 × 3669.324 ×273 × 0.98

293 × 1.015 (3.25)

𝑃𝑚𝑒 = 897.252 𝑘𝑃𝑎 (3.26)

Toplam strok hacmi

𝑉𝐻 =𝑃𝑒 × 60

𝑃𝑚𝑒 × 𝑓 × 𝑛 (3.27)

𝑉𝐻 =10 × 60

897.252 × 0.5 × 4000 (3.28)

𝑉𝐻 = 0.334354 × 10−3 𝑚3 (3.29)

Strok hacmi

𝑉𝐻 = 𝑉ℎ × 𝑧

𝑉𝐻 = 𝑉ℎ = 334.354 𝑐𝑚3 (3.30)

𝑉ℎ =𝜋 × 𝐷2

4× 𝐻 (3.31)

𝐷 = √4 × 𝑉ℎ

𝑋 × 𝜋

3

(3.32)

67

𝐷 = √4 × 334.354

1.1 × 𝜋

3

(3.33)

𝐷 = 7.2874 𝑐𝑚 (3.34)

𝐻 = 8.0162 𝑐𝑚 (3.35)

Piston hızı kontrolü

𝐶𝑚 =𝐻 × 𝑛

30 (3.36)

𝐶𝑚 =0.0080162 × 4000

30 (3.37)

𝐶𝑚 = 10.667 𝑚/𝑠 (3.38)

Uygundur(benzin motorları için referans aralığı 10-17 m/s’dir).

D = 73 mm H = 80 mm olarak belirlenmiştir.

Vℎ = 334.83 cm3 X = 1.0959 olarak düzenlenmiştir.

İndike güç;

𝜂𝑚 =𝑃𝑒

𝑃𝑖 (3.39)

𝑃𝑖 =10

0.8 (3.40)

𝑃𝑖 = 12.5 𝑘𝑊 (3.41)

İndike ortalama basınç;

𝑃𝑖 =𝑃𝑚𝑖 × 𝑉𝐻 × 𝑛 × 𝑓

60 (3.42)

68

𝑃𝑚𝑖 =12.5 × 60

334.83 × 10−6 × 4000 × 0.5 (3.43)

𝑃𝑚𝑖 = 1199.97 𝑘𝑃𝑎 (3.44)

Ortalama efektif basınç;

𝑃𝑒 =𝑃𝑚𝑒 × 𝑉𝐻 × 𝑛 × 𝑓

60 (3.45)

𝑃𝑚𝑒 =10 × 60

334.83 × 10−6 × 4000 × 0.5 (3.46)

𝑃𝑚𝑒 = 895.98 𝑘𝑃𝑎 (3.47)

Sürtünme gücü;

𝑃𝑓 = 𝑃𝑖 − 𝑃𝑒 (3.48)

𝑃𝑓 = 12.5 − 10 (3.49)

𝑃𝑓 = 2.5 𝑘𝑊 (3.50)

Litre gücü;

𝑃𝐿 =𝑃𝑒

𝑉𝐻 (3.51)

𝑃𝐿 =10

0.33483 (3.52)

𝑃𝐿 = 29.866 𝑘𝑊/𝐿 (3.53)

İyilik derecesi;

𝜂𝑝 =𝑃𝑖

𝑃𝑝 (3.54)

𝑃𝑝 =12.5

0.7 (3.55)

69

𝑃𝐿 = 29.866 𝑘𝑊 (3.56)

Efektif verim;

𝜂𝑒 = 𝜂𝑡 × 𝜂𝑝 × 𝜂𝑚 (3.57)

𝜂𝑒 = 0.5848 × 0.7 × 0.8 (3.58)

𝜂𝑒 = 0.3275 (3.59)

Özgül yakıt tüketimi;

𝜂𝑒 =3600

𝑏𝑒 × 𝐻𝑈 (3.60)

𝑏𝑒 =3600

0.3275 × 42000 (3.61)

𝑏𝑒 = 0.262 𝑘𝑔/𝑘𝑊ℎ (2.62)

Termodinamik hesaplamalar

𝜀 =𝑉ℎ + 𝑉𝑐

𝑉𝑐 (3.63)

9 =0.33483 + 𝑉𝑐

𝑉𝑐 (3.64)

𝑉𝑐 = 0.04185 𝐿 (3.65)

𝑉1 = 𝑉ℎ + 𝑉𝑐 (3.66)

𝑉1 = 0.33483 + 0.04185 (3.67)

𝑉1 = 0.37668 𝐿 (3.68)

𝜀 =𝑉1

𝑉2 (3.69)

70

9 =0.37668

𝑉2 (3.70)

𝑉2 = 0.04185 𝐿 (3.71)

𝑃2 = 𝑃1 × 𝜀𝑘 (3.72)

𝑃2 = 0.98 × 91.4 (3.73)

𝑃2 = 21.24 𝑏𝑎𝑟 (3.74)

𝑇2 = 𝑇1 × 𝜀𝑘−1 (3.75)

𝑇2 = 293 × 90.4 (3.76)

𝑃2 = 705.61 𝐾 (3.77)

𝑃1 × 𝑉1 = 𝑚 × 𝑅 × 𝑇1 (3.78)

0.98 × 0.37668 × 10−3 = 𝑚 × 287 × 293 (3.79)

𝑚 = 0.439 𝑘𝑔 (3.80)

𝑃𝑚𝑒 =𝑊𝑛𝑒𝑡

𝑉𝐻 (3.81)

897.252 =𝑊𝑛𝑒𝑡

0.33483 × 10−3 (3.82)

𝑊𝑛𝑒𝑡 = 0.3 𝑘𝑗 (3.83)

𝑄𝑖𝑛 =𝑊𝑛𝑒𝑡

𝜂𝑡 (3.84)

𝑄𝑖𝑛 =0.3

0.5848 (3.85)

𝑄𝑖𝑛 = 0.5137 𝑘𝑗 (3.86)

71

𝑄𝑖𝑛 = 𝑚 × 𝐶𝑣 × (𝑇3 − 𝑇2) (3.87)

0.5137 = 0.439 × 10−3 × 0.718 × (𝑇3 − 705.61) (3.88)

𝑇3 = 2335.36 𝐾 (3.89)

𝑃3 = 𝑃2 ×𝑇3

𝑇2 (3.90)

𝑃3 = 21.24 ×2335.36

705.61 (3.91)

𝑃3 = 70.3 𝑏𝑎𝑟 (3.92)

𝑇4 =𝑇3

𝜀𝑘−1 (3.93)

𝑇4 =2335.36

90.4 (3.93)

𝑇4 = 969.74 𝐾 (3.94)

𝑃4 =𝑃3

𝜀𝑘 (3.95)

𝑃4 =70.3

91.4 (3.96)

𝑃4 = 3.24 𝑏𝑎𝑟 (3.97)

𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑚 × 𝐶𝑣 × (𝑇4 − 𝑇1) (3.98)

𝑄𝑜𝑢𝑡 = 0.439 × 10−3 × 0.718 × (969.74 − 293) (3.100)

𝑄𝑜𝑢𝑡 = 0.213 𝑘𝑗 (3.101)

𝜂𝑡 = 1 −𝑄𝑜𝑢𝑡

𝑄𝑖𝑛 (3.102)

72

𝜂𝑡 = 1 −0.213

0.5137 (3.103)

𝜂𝑡 = 0.5853 (3.104)

0.5853 ≅ 0.5848 uygundur.

𝑃𝑚𝑒 =𝑊𝑛𝑒𝑡

𝑉𝐻 (3.105)

𝑃𝑚𝑒 =0.3

0.33483 × 10−3 (3.106)

𝑃𝑚𝑒 = 895.98 𝑘𝑃𝑎 (3.107)

895.98 ≅ 897.252 uygundur.

Gerekli motor parçalarının boyutlarının belirlenmesi

Silindir kalınlığı;

𝑡𝑐 =𝐷 × 𝑃𝑚𝑎𝑥

2 × 𝜎𝑒𝑚 (3.108)

𝑡𝑐 =73 × 7.03

2 × 30 (3.109)

𝑡𝑐 = 8.55 𝑚𝑚 (3.110)

Silindir kalınlığı 9 mm olarak belirlendi.

σem:dökme demir malzeme için emniyet gerilmesi (30...60 N/mm2) 30 N/mm2

seçildi.

Silindir kapağı kalınlığı;

𝑡𝑐ℎ = 0.09 × 𝐷 (3.111)

𝑡𝑐ℎ = 0.09 × 73 (3.112)

73

𝑡𝑐ℎ = 6.57 𝑚𝑚 (3.113)

Silindir kapağı kalınlığı 7 mm olarak belirlendi.

𝑡𝑐ℎ = 0.434 × 𝐷 × √𝑃𝑚𝑎𝑥

𝜎𝑏 (3.114)

𝑡𝑐ℎ = 0.434 × 73 × √7.03

𝜎𝑏 (3.115)

𝜎𝑏

= 144 𝑁/𝑚𝑚2 (3.116)

Silindir kapak civataları;

Çelik malzeme için σab=120 N/mm2

Civata sayısı nb=4

𝐹𝑏 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 ×𝜋 × 𝐷2

4 × 𝑛𝑏 (3.117)

𝐹𝑏 = 7.03 ×𝜋 × 732

4 × 4 (3.118)

𝐹𝑏 = 7355.8 𝑁 (3.119)

𝑑𝑏 = 1.2 × √4 × 𝐹𝑏

𝜋 × 𝜎𝑎𝑏 (3.120)

𝑑𝑏 = 1.2 × √4 × 7355.8

𝜋 × 120 (3.121)

𝑑𝑏 = 10.6𝑚𝑚 (3.122)

74

Silindir kapak civataları M12 olarak belirlendi.

Krank mili yarıçapı;

Krank mili yarıçapı strok boyunun yarısı kadardır.

𝑟𝑐 =𝐻

2 (3.123)

𝑟𝑐 =80

2 (3.124)

𝑟𝑐 = 40 𝑚𝑚 (3.125)

Biyel uzunluğu;

Krank yarıçapının biyel uzunluğuna oranı 1/3.4 tür [2].

𝑟𝑐

𝐿𝑏𝑖𝑦𝑒𝑙= 𝜆 (3.126)

𝐿𝑏𝑖𝑦𝑒𝑙 = 40 × 3.4 (3.127)

𝐿𝑏𝑖𝑦𝑒𝑙 = 136 𝑚𝑚 (3.128)

Piston kompresyon yüksekliği;

𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑒𝑡𝑒𝑘= 𝐷 − 2 × 0.025 (3.129)

𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑒𝑡𝑒𝑘= 73 − 2 × 0.025 (3.130)

𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑒𝑡𝑒𝑘= 72.95 𝑚𝑚 (3.131)

𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑏𝑎ş= 𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑒𝑡𝑒𝑘

− 0.1 (3.132)

𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑏𝑎ş= 72.95 − 0.1 (3.133)

𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑏𝑎ş= 72.85 𝑚𝑚 (3.134)

75

𝐿𝑐 = 𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑏𝑎ş× 0.6 (3.135)

𝐿𝑐 = 72.85 × 0.6 (3.136)

𝐿𝑐 = 43.71 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 oC de 200

N/mm2dir [9].

Emme supabı

Emme supabı tablası çapı:

𝑑𝑖𝑛 = 𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛 × 0.44 (3.138)

𝑑𝑖𝑛 = 73 × 0.45 (3.139)

𝑑𝑖𝑛 = 32.85 𝑚𝑚 (3.140)

Emme supap sapı çapı:

𝑑𝑠𝑡𝑖𝑛= 𝑑𝑖𝑛 × 0.2 (3.141)

𝑑𝑠𝑡𝑖𝑛= 32.85 × 0.2 (3.142)

𝑑𝑠𝑡𝑖𝑛= 6.57 𝑚𝑚 (3.143)

Supap çapı port tablası oranı 1.15:1

76

Emme supabı port çapı:

𝑑𝑖 = 𝑑𝑖𝑛 ×1

1.15 (3.144)

𝑑𝑖 = 32.85 ×1

1.15 (3.145)

𝑑𝑖 = 28.57 𝑚𝑚 (3.146)

Supap kalkma yüksekliği:

ℎ𝑚𝑎𝑥𝑖=

𝑑𝑖

4 (3.147)

ℎ𝑚𝑎𝑥𝑖=

28.57

4 (3.148)

ℎ𝑚𝑎𝑥𝑖= 7.14 𝑚𝑚 (3.149)

Ortalama piston hızı:

𝐶𝑚 = 10.667 𝑚/𝑠 (3.150)

Ortalama gaz hızı:

𝑐𝑔𝑖𝑚= 𝑐𝑚 ×

𝐷2

4 × 𝑑𝑖 × ℎ𝑚𝑎𝑥𝑖× 𝑐𝑜𝑠45

(3.151)

𝑐𝑔𝑖𝑚= 𝑐𝑚 ×

(73 × 10−3)2

4 × (28.57 × 10−3) × (7.14 × 10−3) × 𝑐𝑜𝑠45 (3.152)

𝑐𝑔𝑖𝑚= 98.522 𝑚/𝑠 (3.153)

Supap açılma alanı:

𝐴𝑣𝑖= 𝜋 × 𝑑𝑖 × ℎ𝑚𝑎𝑥𝑖

× 𝑐𝑜𝑠45 (3.154)

𝐴𝑣𝑖= 𝜋 × 28.57 × 7.14 × 𝑐𝑜𝑠45 (3.155)

77

𝐴𝑣𝑖= 453 𝑚𝑚2 (3.156)

Egzoz supabı

Egzoz supabı tablası çapı:

𝑑𝑒𝑥 = 𝐷𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛 × 0.35 (3.157)

𝑑𝑒𝑥 = 73 × 0.35 (3.158)

𝑑𝑒𝑥 = 25.55 𝑚𝑚 (3.159)

Egzoz supap sapı çapı:

𝑑𝑠𝑡𝑒𝑥= 𝑑𝑒𝑥 × 0.2 (3.160)

𝑑𝑠𝑡𝑒𝑥= 25.55 × 0.2 (3.161)

𝑑𝑠𝑡𝑒𝑥= 5.11 𝑚𝑚 (3.162)

Supap çapı port tablası oranı 1.15:1

Emme supabı port çapı:

𝑑𝑒 = 𝑑𝑒𝑥 ×1

1.15 (3.163)

𝑑𝑒 = 25.55 ×1

1.15 (3.164)

𝑑𝑒 = 22.22 𝑚𝑚 (3.165)

Supap kalkma yüksekliği:

ℎ𝑚𝑎𝑥𝑒=

𝑑𝑒

4 (3.166)

ℎ𝑚𝑎𝑥𝑒=

22.22

4 (3.167)

78

ℎ𝑚𝑎𝑥𝑒= 5.55 𝑚𝑚 (3.168)

Ortalama piston hızı:

𝐶𝑚 = 10.667 𝑚/𝑠 (3.169)

Ortalama gaz hızı:

𝑐𝑔𝑒𝑥= 𝑐𝑚 ×

𝐷2

4 × 𝑑𝑒 × ℎ𝑚𝑎𝑥𝑒× 𝑐𝑜𝑠45

(3.170)

𝑐𝑔𝑒𝑚= 10.667 ×

(73 × 10−3)2

4 × (22.22 × 10−3) × (5.55 × 10−3) × 𝑐𝑜𝑠45 (3.171)

𝑐𝑔𝑒𝑥= 162.97 𝑚/𝑠 (3.172)

Supap açılma alanı:

𝐴𝑣𝑒= 𝜋 × 𝑑𝑒 × ℎ𝑚𝑎𝑥𝑒

× 𝑐𝑜𝑠45 (3.173)

𝐴𝑣𝑒= 𝜋 × 22.22 × 5.55 × 𝑐𝑜𝑠45 (3.174)

𝐴𝑣𝑒= 274 𝑚𝑚2 (3.175)

79

3.2.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/mm2) aşması

durumunda silindir kalınlığının artırılması gerekmektedir.

Silindir kalınlığı (tc), 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

10o 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 10o, 30

o, 40

o,45

o ve

60o’deki pozisyonları için analiz yapılmıştır. 30

o için yapılan analiz aşamaları

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

Çizelge 3.2. Analizde kullanılan karakteristik değerler

Eleman Tipi Solid 10 Node 187

Silindir malzemesi GG-44

Elastiklik modülü 200000 N/mm2

Poisson oranı 0.3

Çizelge 3.3. Krank mili pozisyonları için analizde kullanılacak veriler

Krank açısı ϴ(o) 10 30 40 45 50 60

Gaz Basıncı (kPa) 7030 3769 2624 2206 1869 1381

Piston-Biyel açısı β (o) 2,93 8,46 10,9 12 13,02 14,76

Pistonun ÜÖN’ya mesafesi

(mm) 0,79 6,84 11,81 14,69 17,79 24,49

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

Pmax (kPa) 7030

σem (N/mm2) 32

tc (mm) 9

81

Resim 3.2. Piston konumları (10o, 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

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 200000

N/mm2, poisson oranı 0,3 olarak belirlenmiştir.

Resim 3.5. Eleman tipinin belirlenmesi

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

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 (30o KMA için 3,769 N/mm

2) piston ile ÜÖN arasındaki silindir

yüzeyine yüklenmiştir.

85

Resim 3.10. Gaz kuvvetleri

Analiz işlemi sonucunda elde edilen gerilme değerleri Resim 3.11’de gösterilmiştir.

Resim 3.11. 30o KMA için analiz sonucu

86

Diğer KMA’ları için elde edilen sonuçlar Çizelge 3.4’de yer almalktadır.

Çizelge 3.4. Gerilme değerleri

Krank açısı ϴ(o) 10 30 40 45 50 60

Gerilme σ (N/mm2) 10,669 22,173 20,953 18,687 18,378 17,009

3.4.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 3.12. Analizi yapılacak akış ortamı

Akış analizi 2 boyutta incelendiği için, eleman tipi olarak 2D FLOTRAN 141

seçilmiştir.

87

Resim 3.13. Akış analizi için seçilen eleman tipi

Sonlu elemanlar metodu ile yapılan analiz için akış bölgesi mesh yöntemiyle

parçalara ayrılır.

Resim 3.14. Mesh edilen akış ortamı

88

Emme supabı, 45o’lik açıyla konumlandırıldığı için, silindire alınan havanın X ve Y

bileşinlerindeki hızı aynı ve 69,67 m/s’dir (Eş. 3.153). Emme ve egzoz portlarının

haricindeki tüm yüzeyler sınır bölgesi olduğu için, bu çizgilerde akış hızı 0 m/s’dir.

Akışkan olarak hava seçilmiştir

Resim 3.15. 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.

89

Resim 3.16. Akış çizgileri

Resim 3.17. Akış analizi için yenilenen yanma odası

90

Yenilenen analiz modeline, aynı hız değerleri girilerek tekrar analiz yapılmıştır.

Analiz sonucunda, istenilen silindir içi akış ortamına ulaşılmıştır.

Resim 3.18. Yeni yanma odasının akış çizgileri

Emme supabının açık egzoz supabının kapalı olduğu durumda (emme zamanı)

yapılan analiz Şekil 3.19’da gösterilmiştir.

Resim 3.19. Emme zamanı akış çizgileri

91

SONUÇ VE ÖNERİLER

Silindir kalınlığının yapısal analizi

Analiz sonuçları incelendiğinde, silindirde oluşan gerilmelerin ÜÖN’yı 30o geçtikten

sonraki durumunda maksimum değere ulaştığı görülmektedir. Ancak silindir içi

maksimum gaz basıncı, ÜÖN’yı 10o geçtikten sonraki durumunda oluşmaktadır. Bu

duruma, gaz kuvvetlerinin etki ettiği silindir yüzey alanı büyüklüğünün, gerilme

miktarını doğrudan etkilemesi sebep olmaktadır. Piston AÖN’ya inerken silindir

hacmi genişleyip gaz basıncı azalırken, gaz kuvvetlerinin etki yüzeyi artmaktadır.

Analizin amacı, tasarlanan silindir kalınlığının, yanma sonucu oluşan maksimum

gerilmelere karşı yeterli olması durumunu incelemektir. Çeşitli KMA’larında yapılan

analizlere göre silindir malzemesinin emniyet gerilme değerinin (30 N/mm2),

silindirde oluşan maksimum gerilme değerinden (22,173 N/mm2) daha fazla olduğu

tespit edilmiştir. Bu sebeple, belirlenen silindir kalınlığının, motorun çalışma

şartlarına uygun olduğu gözlemlenmiştir. Silindirde oluşan gerilmelerin, silindir

malzemesinin emniyet gerilmesinin üzerinde olması durumunda, silindir oluşan

gerilmelere dayanamayıp deforme olacağı için silindir kalınlığı artırılmalıdır.

Silindire alınan havanın akış analizi

Yapılan analizde, farklı yanma odası tasarımlarının, silindir içerisinde oluşan

türbülansa etkisi gösterilmiştir. Homojen hava-yakıt karışımı için olması gereken

akış ortamının, piston yüzeyine form kazandırılarak elde edilmesi mümkündür.

92

KAYNAKÇA

1. Becer, E., “İletişim ve Grafik Tasarım”, (6. Basım). Dost Kitabevi Yayınları

Ankara, (2008).

2. Çetinkaya, S., “Motor Tasarımına Giriş”, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim

Fakültesi , Ankara, 57-61, (1998).

3. Altan, M., “Kaynak Distorsiyonları ve Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Analizi”,

Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,

(2002).

4. Tolun, F.G., “Tarım römorklarının Arka Dingiline Etkiyen Yüklerin ANSYS

ile İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tez Semineri, Balıkesir Üniversitesi ,

(2006).

5. ANSYS Tutorials.

6. Eren, İ., Ders Notları, (2006).

7. Yücesu, H.S., Ders Notları.

8. Malkaz, F., “İki Zamanlı Wankel Tipi Döner Pistonlu Motorun Analizi”,

İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,

105s., (2011).

9. Öz, İ.H., Borat, O., Sürmen A., “İçten Yanmalı Motorlar”, (2003).

10. Günay, E., Karel, A., “Composite Design of the Diesel Engine Cylinder with

Fnite Element Analysis”, Computers and Structures, Cilt 75, 117-134, (2000).

11. Decenciere, E., Jeulin, D., “Morphological Decomposition of the Surface

Topography of an Internal Combustion Engine Cylinder to Characterize

Wear”, Wear, Cilt 249, 482–488, (2001).

12. Jensen, M. F., Bøttiger, J., Reit, H. H.,. Benzon, M. E., “Simulation of Wear

Characteristics of Engine Cylinders”, Wear, Cilt 253, 1044–1056, (2002).

13. Windecker, R., “High resolution optical sensor for the inspection of engine

cylinder walls”, International Journal for Light and Electron Optics, 112:

407-412, (2000).

14. Kinoshita, M., Saito, A., Mogi, K., Nakata, K., “Study on Ion Current and

Pressure Behavior with Knocking in Engine Cylinder”, JSAE Review, Cilt

21, 483-488, (2000).

93

15. Xie, J.Q., Agapiou, J.S., Stephenson, D.A., Hilber, P., “Machining quality

analysis of an engine cylinder head using finite element methods”, Journal of

Manufacturing Processes, vol. 5, no 2, 170-184, (2003).

16. Uozato, S., Nakata, K., Ushio, M., “Evaluation of ferrous powder thermal

spray coatings on diesel engine cylinder bores”, Surface & Coatings

Technology, 200 (7): 2580-2586, (2005).

17. Çınar, C., Ders Notları.

18. Deniz, O., “İçten Yanmalı Motorlar”, İstanbul, (2008).

19. Yardım, M., “Motor Teknolojisi”, Nobel, (2008).

20. European Aluminium Association, “Aluminium in the Automtive Industry”

21. FKA, Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen, “Lightweight

Potential of an Aluminium Intensive Vehicle”, (2004).

22. Kazdal Zeytin, H., TÜBITAK-MAM, OSD, “Alüminyum Alaşımları

Otomotiv Endüstrisinde Uygulamaları ve Geleceği”, (2000).

94

ÖZGEÇMİŞ

İsmail YILMAZ

Adres: Sütlüce mahallesi Camili sokak Anatolia apart no:11/26 Tepebaşı, Eskişehir

Tel: (0 554) 963 52 30

E-mail: yilmaz203@hotmail.com

Eğitim Bilgileri

1998-2006 Konya Seydişehir Alüminyum İ.Ö.O.

2006-2010 Konya Karatay S.D.M.P. Anadolu Lisesi

2010- Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği

İş Deneyimleri

Ford Otomotiv Sanayi A.Ş. İnönü Fabrikası - İşyeri Eğitimi (80 iş günü)

Ford Otomotiv Sanayi A.Ş. İnönü Fabrikası - Stajyer (12 iş günü)

Erkunt Traktör Sanayii A.Ş. - Stajyer (25 iş günü)

Güneş Motor Supapları A.Ş. - Stajyer (20 iş günü)

Alfa Krank Makina Döküm Sanayi ve Ticaret LTD ŞTİ - Stajyer (15 iş günü)

Bilgisayar Becerileri

PTC ProEngineer Wildfire (Modeling, Assemblies, Motion Study)

Siemens UniGraphics NX (Modeling, Assemblies)

Dassault Systemes SolidWorks (Modeling, Surface Modeling, Assemblies,

Motion Study, Simulation, Drawing)

AutoDesk AutoCad (Modeling, Drawing)

ANSYS (Modeling, Simulation)

ANSYS Workbench (Modeling, Simulation)

CNC Software MasterCam (Modeling, Manufacturing)

Dassault Systemes SolidCam (Manufacturing)

Mathworks MATLAB & Simulink

Microsoft Developer Studio Fortran

95

Sedat ALTUNOK

Adres: Sütlüce mahallesi Camili sokak Anatolia apart no:11/26 Tepebaşı, Eskişehir

Tel: (0 506) 437 61 53

E-mail: s.altunok25@hotmail.com

Eğitim Bilgileri

1998-2006 Şenkaya Akşar İ.Ö.O.

2006-2010 Artvin Anadolu Öğretmen Lisesi

2010- Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği

İş Deneyimleri

HİSARLAR - İşyeri Eğitimi (80 iş günü)

TSE (Türk Standardları Enstitüsü) - Stajyer (20 iş günü)

ERKUNT TRAKTÖR SANAYİ A.Ş. - Stajyer (25 iş günü)

HEMA ENDÜSTRİ A.Ş.- Stajyer (15 iş günü)

KARTAŞ OTOMOTİV- Stajyer (12 iş günü)

Bilgisayar Becerileri

PTC ProEngineer Wildfire (Modeling, Assemblies, Motion Study)

Catia V5 (Modeling, Assemblies)

Siemens UniGraphics NX (Modeling, Assemblies)

Dassault Systemes SolidWorks (Modeling, Surface Modeling, Assemblies,

Motion Study, Simulation, Drawing)

AutoDesk AutoCad (Modeling, Drawing)

ANSYS (Modeling, Simulation)

ANSYS Workbench (Modeling, Simulation)

CNC Software MasterCam (Modeling, Manufacturing)

Dassault Systemes SolidCam (Manufacturing)

Mathworks MATLAB & Simulink

Microsoft Developer Studio Fortran