Rhombic hareket mekanizmalı buji ile ateşlemeli bir motorun tasarımı ve analizleri
Design and analysis of a spark ignition engine with rhombic drive mechanism
Yazar: EMRE YILMAZ
Danışman: PROF. DR. CAN ÇINAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, tek silindirli, dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir motor için krank-biyel mekanizmasının dezavantajlarını azaltabilecek alternatif bir hareket mekanizması olarak rhombic hareket mekanizmasının tasarımı, termodinamik ve dinamik analizleri yapılmıştır. Rhombic hareket ve krank-biyel mekanizması kullanılan motorların karşılaştırılmasında kurs boyu, kurs hacmi, silindir hacmi ve sıkıştırma oranı gibi motor parametreleri aynı alınmıştır. Termodinamik modellerde silindir duvarlarından soğutma suyuna konveksiyon yoluyla aktarılan ısı miktarları hesaplanırken Nusselt denkleminden yararlanılmıştır. Isı yayılımı işlemi gerçek çevrime yakın olması amacıyla Wiebe fonksiyonu ile tanımlanmıştır. Yakıt olarak izo-oktan (C8H18) kullanılmıştır. Termodinamik analizler esnasında her iki mekanizma için de hava fazlalık katsayısı (λ) değeri 1, sıkıştırma oranı 8,5 olarak alınmıştır. Hem rhombic hareket mekanizmalı hem de krank-biyel mekanizmalı motor için, krank mili açısına (0-720o) bağlı olarak basınç, hacim, sıcaklık, ısı transferi miktarı, açığa çıkan ısı, kümülatif açığa çıkan ısı, net iş, ısı taşınım katsayısı grafikleri çizilmiş ve açıklanmıştır. Rhombic mekanizmalı motor için dişli hız dalgalanmalarını içeren tek serbestlik dereceli dinamik bir model oluşturulmuştur. Termodinamik analiz sonuçlarına göre, krank-biyel mekanizmalı motorda maksimum silindir basıncı 63,1 bar iken, rhombic-hareket mekanizmalı motorda 64,5 bar olarak elde edilmiştir. Rhombic-hareket mekanizmalı motorda moment 22,26 Nm iken krank-biyel mekanizmalı motorda 23,46 Nm olarak hesaplanmıştır. 3000 rpm'de sürtünmelere harcanan momentin 3,05 Nm olduğu belirlenmiştir. Bu durumda sürtünme gücü 0,96 kW ve efektif güç 6,05 kW olarak hesaplanmıştır. Buradan sürtünme kaybı %15,9 olarak belirlenmiştir. Dayanım analizlerinde piston tepesine etki eden basınç emniyet katsayısı da dikkate alınarak 9 MPa olarak uygulanmıştır. En yüksek gerilmenin 310,41 MPa değeri ile rhombic kollarında meydana geldiği gözlemlenmiştir. Yapılan analizler sonucunda piston malzemesi olarak alüminyum alaşımı, biyel, bağlantı parçası, rhombic kolları, krank kolları ve dişliler için AISI 1040 çeliği ve burç yataklar içinde bronz malzemeler seçilmiştir.

Abstract:
In this study, design, thermodynamic and dynamic analysis of the rhombic drive mechanism which is an alternative drive mechanism capable to reduce disadvantages of crank mechanism, has been conducted for a single cylinder, four stroke, spark ignited engine. In the comparison process of the engines, parameters such as stroke length, stroke volume, cylinder volume and compression ratio have been taken equal for engines having rhombic drive and crank mechanism. In the thermodynamic models, the Nusselt equation was used to calculate the amount of heat transferred from the cylinder walls to the cooling water by convection. Heat release process was defined by the Wiebe function in order to be close to real cycle.  Isooctane (C8H18)  was used as fuel. Excess air ratio (λ) was 1 and compression ratio was 8,5 during thermodynamic analyses. Pressure, volume, temperature, amount of heat transfer, heat release, cumulative heat release, net work and heat transfer coefficient graphs versus to crank angle degree (0-720o) were presented for both rhombic and crank mechanism engine. A single degree of freedom dynamic model including gear speed fluctuations were modeled for rhombic mechanism engine. According to thermodynamic analysis results, maximum cylinder pressure of the crank mechanism engine was 63,1 bar while the maximum cylinder pressure of the rhombic drive mechanism engine was obtained as 64,5 bar. The moment of the rhombic drive engine was 22,26 Nm while it was calculated as 23,46 Nm for crank mechanism engine. It was determined that the frictional moment was 3,05 Nm at 3000 rpm. In this case the frictional power and effective power was calculated as 0,96 and 6,05 kW respectively. As a result frictional loss was determined as 15.9 %. By regarding safety factor, 9 Mpa The maximum pressure of 9 MPa, which was obtained from thermodynamic and dynamic analysis, applied to the piston top. By taking into account the safety coefficient, 9 MPa pressure was applied on the piston top in the strength analyzes. It was observed that the highest tension was found in rhombic arms as 310,41 MPa.As a result of the analyzes, aluminum alloy was selected as piston material, AISI 1040 steel was selected for connecting rod, linkage, rhombuses, crank and gears, and bronze material was selected for bushings.