İçten yanmalı motorlarda çevrim atlatma mekanizması ve tahrik sisteminin geliştirilmesi
To devolop skip cycle mechanism and drive system for a internal combustion engine
Yazar: FIRAT MEHMET GÜNKAN
Danışman: DOÇ. DR. CEMAL BAYKARA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzinli motorlar = Gasoline engines ; Buji ateşlemeli motorlar = Spark ignition engines ; Deney motoru = Research engine ; Kam mekanizmaları = Cam mechanisms ; Laboratuvar deneyleri = Laboratory experiments

Özet:
Günümüzde kullanılan içten yanmalı motorlar, emme ve egzoz supaplarının motorun krank miline bağlı bir kam ile tahrik edilerek çevrim zamanlarında açılıp kapanması prensibine göre çalışır. Farklı şekillerde kullanılsa da genel olarak kam supapların üzerinde konuşlandırıldığı gibi, itici kadeh tij ve külbütör gibi elemanlar içeren sistemler de kullanılabilmektedir. Geri dönüş hareketi ise supap yayları vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Normal bir içten yanmalı motorda 4 zaman krank milinin iki tur dönmesi ile tamamlanmaktadır.
Benzinli motorlardan tam yükte yaklaşık %35 efektif verim alınırken kısmi yük koşulunda %10-15 seviyelerinde olmaktadır.
Dört zamanlı içten yanmalı motorlarda yakıt tasarrufu sağlayacak birçok çalışmalar yapılmaktadır. aşırı doldurma, değişken sıkıştırma oranı, değişken supap zamanlaması, değişken strok hacmi ve fakir karışımlı kademeli dolgulu motor gibi yöntemler kullanılmaktadır. Bunlardan biri de Kutlar tarafından geliştirilen çevrim atlatma stratejisidir. Çevrim atlatma stratejisinde, güç üretilen dört periyod tamamlandıktan sonra takip eden çevrimde iş üretilmez. Bunu sağlamak için, iş üretilmeyen çevrimde yakıt ve ateşleme kesilir. Böylece krank milinin dört tur dönmesinde bir kez iş üretilmiş olur.
Önemli nokta, iş üretilmeyecek çevrimde sadece yakıt akışının kesilmesi pompalama kayıplarını azaltmayacaktır. Bu yüzden emme zamanında havanın silindir içine dolması engellenmez ise emilen havanın egzoz kanalından dışarı atılması sırasında negatif iş oluşur.
Daha önce çevrim atlatma mekanizması için farklı tasarımlar geliştirilmiştir. Bu çalışmada supapların kontrol edilmesi düşünülmüştür. Şu anda dünyada kullanılan ya da fikir aşamasında olan çok sayıda supap kontrolü ve silindir devre dışı bırakma mekanizması bulunmaktadır. Bunların avantajları olduğu gibi dezavantajları ve uygulama sorunları bulunmaktadır.
BMW Valvetronik mekanizmasında ikinci bir itici kam mili ile külbütörün ilerlemesinin değiştirilmesi prensibine göre çalışmaktadır. Fakat birbiri ile çalışacak parçaların çok hassas işlenmesi ve motorun sadece üstten kam milli konstrüksiyonlarda kullanılma kısıtlaması bulunmaktadır.
Toyota firmasının geliştirdiği VVTL-i ve VVT-i teknolojileri yeni külbütör eklemesi yapılarak gerçekleştirilmiştir. Kilitleme hidrolik kontrollü pim vasıtasıyla gerçekleşmektedir. Ancak, içten yanmalı motorların çalışma parametreleri düşünüldüğünde, akışkan kontrolünde zorluklar mevcuttur.
Diggs tarafından geliştirilen sistem yataklama açısından sorunludur.
Morita tarafından patenti alınan mekanizma montaj açısından sorunludur ve bazı parçaların hareketinde problemler mevcuttur.
Gerzeli tarafından tasarlanan çalışmanın dayandığı temel mekanizma, seri bağlı yayların yay katsayıları göz önüne alınarak hareket etmeyeceği öngörülmüştür ve yapılan tasarım bu fikre göre gerçekleştirilmiştir. Aynı şekilde kilitleme sistemi tek noktadan yapıldığından sistemin çalışma ömründe ve kararlılığında sıkıntıların çıkacağı öngörülmüştür.
Gerzeli'nin seri yay prensibi, bilgisayarda 3 boyutlu modellenerek Dinamik analiz yapıldığında, seri bağlı yayların yay katsayıları arasındaki fark ne kadar fazla olursa olsun, supapta mutlaka bir yer değiştirme olacağı ortaya çıkmıştır.
Tasarlanan çevrim atlatma mekanizmasında, prensip olarak supaplar çevrimin durumuna göre müdahale edilmesi söz konusudur bu yüzden mekanizma külbütör ve supaplar arasına yerleştirilmiştir. Mekanizma iki evrede çalışmaktadır. Supabın devrede olduğu durum (normal çevrim) ve supabın devre dışı olduğu durum (atlatılmış çevrim).
Bu projede kullanılması düşünülen deney motoru, Anadolu Motor firmasının imal ettiği tek silindirli diesel motor üzerinde yapılan değişikliklerle benzinli motora dönüştürülmüş versiyonudur. Deney motoru, basit yapısı ve yedek parçalarının kolay temin edilebilmesinden dolayı tercih edilmiştir.
Çevrim atlatma Mekanizmasında kullanılan kontrol pimlerinin kilit ve serbest konumlarını, krank miline bağlı dişli kayış sistemi ile (1/4 oranında) hareket eden kontrol kamları ile yapılmaktadır. Böylece kullanılan dişli kayış mekanizması hareketin senkron şekilde ilerlemesini sağlar.
Deney motorunun krank milinin doğrultusu ile kontrol pimlerinin doğrultusu farklı olduğundan hareket konik dişliler yardımı ile 90° çevrilerek istenilen doğrultu sağlanır
Kontrol kamlarının profilleri tayin edilirken ilk olarak istenen yer değiştirme, hız ve ivme karakteristiklerini sağlayabilmesi açısından polinom eğrileri tercih edilmiştir. Polinom eğrilerinin mertebesi seçilirken, imal edilebilirlik ve hareket hassasiyeti bakımından uygun, aynı zamanda sikloid eğrilere de yakın olan 3-4-5 polinomu uygun görülmüştür.
Tasarlanan parçalar ve mekanizma montajı Autodesk Inventor kullanılarak 3 boyutlu olarak modellenmiş ve analizleri ANSYS programında ve analitik olarak yapılmıştır. Ayrıca bütün parçaların imalatı tamamlanmış ve mekanizma testleri gerçekleştirilmiştir.
Tasarlanan mekanizma, farklı çevrim atlatma stratejilerine de uygun olduğu için (SN, SSN vb) her strateji için deney yapılarak, stratejinin verimi belirlenebilecektir.
Aynı zamanda hem mekanik hemde elektronik kontrol mekanizmasının denenmesi, alternatif kontrol yaklaşımları hakkında uygun çözümler sunacaktır.

Abstract:
Today's internal combustion engines are working on a principle, which the poppet valves are opened and closed by the camshaft, connected to the engine crankshaft. In the base model, the camshaft is located on poppet valves directly also pushrod, tappet and rocker arm can be used to deliver the motion. Poppet valve return motion as for is actualized by poppet valve springs. In a conventional engine, two rounds of the crankshaft are corrosponded to a cycle.
The maximum effective efficiency of a gasoline engine is approximately about 35%, at the same time in part load operations, the effective effiency is about 10-15%.
Many researches aim fuel economy in four stroke internal combustion engines. Supercharging, variable compression ratio, variable valve timing, variable displacement and stratified charge lean are most common methods use to increase the efficiency at partial load. One of them the skip cycle strategy developed by Kutlar. In the skip cycle method; after the cycle, which includes power production, any work transfer cannot be obtained in the sequential cycle. To carry out this by pass, injection and ignition are cut off in the skipped cycle. By this way, work transfer can be achieved with four crankshaft rotations.
To carry out this by pass,injection and ignition are cut off in the skipped cycle. By this way, work transfer can be achieved with four crankshaft rotations. Only fuel cut off is not sufficient to decrease the pumping losses. The air flow into cylinder at intake process should be prevented additionally.
Previously different designs have been developed for skip cycle mechanism. This study is based on the mechanical control of the valves. In the world, there are numerous mechanisms, which are currently used or on designing phase but all of them have disadvantages and functional problems.
The principle is changing the motion of rocker arm by a second pusher camshaft in BMW Valvetronic mechanism. But, there are some limitations for able to use only in overhead camshaft constructions and the components working together should be turned very sensitively.
VVTL-i and VVT-i technologies, developed by Toyota Company, have been achieved by adding a new rocker arm. Locking process is practiced with a hydraulic control pin. However control of fluid system has problems when considering of working principle of internal combustion engines.
The study of Diggs doesn't work due to the bearing problems.
The patented mechanism of Morita isn't presentable for assembling and motion of some components are troubled.
Gerzeli has recently designed a new mechanism. It was assumed to not move the serial connected springs according to the spring constants of them. The mechanism was locked up by using only one point. So, various matters have been predicted about operating life and stability. The dynamic analysis of serial spring principle, modelled by three dimensional, reveals that poppet valves obviously make a displacement despite of the difference of spring constants
In skip cycle mechanism, the poppet valves are disabled and enabled according to the cycle mode, for this reason the skip cycle mechanism is located between the rocker arm and the valves. The mechanism operates in two different modes: enabled mode of poppet valve (normal cycle mode) and disabled mode of poppet valve (skip cycle mode).
The original test engine used in this study is a single cylinder diesel engine of Anadolu Motor Company. The modified engine is a gasoline engine. The chosing reasons of this engine are being a simple model and ready to supply spare parts.
The control camshaft is actuated by a gear – belt system, connected to the engine crankshaft at the ratio of 1/2. Thus, the gear – belt mechanism carries out the synchronization of the motion. Since the direction of crankshaftand control pins are different, the motion direction is changed as 90° by the bevel gears.
To detect the profile of control camshaft, the polynomial curves were preferred to obtain the displacement, velocity and acceleration characteristics. While selecting the degree of polynomial, 3-4-5 polynomial was used due to the convenience of manufacturability and motion sensitivity also being close to cycloid curves.
Designed parts and assembly of mechanism are modeled in 3D by means of Autodesk Inventor software and has been made analysis of Finite Element Method using ANSYS analysis software also using analytical method. Finally, all parts has been manufactured by different process so all tests has been prepared and performed.
For the future work, engine tests of each stragety (NS and NSS) will be carried out to define the efficiency of that mechanism with an adaptable electronic control unit.