İçten yanmalı dizel motor konsept tasarımında parametrik tasarım yönteminin kullanımı
Parametric design method in concept design of diesel internal combustion engines
Yazar: AHMET YAYLI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dizel motorlar = Diesel engines ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
İçten yanmalı motorlar ilk olarak 1807 yılında Fransa'da test edilmeye başlamıştır. Belçikalı mühendis Etiene Lenoir, Alman mühendis Nikolaus Otto ve Rudolf Diesel gibi bilim adamlarının yaklaşık 100 yıl boyunca ortaya koydukları buluşların bir araya gelmesiyle ve birçok patent ve fikirler sonucu gelişerek bugünkü halini almış bir üründür. İlk geliştirilmeye başlandığı tarihten günümüze kadar da insan hayatındaki yerini korumuş ve önemini arttırmıştır. Otomotiv, havacılık, denizcilik, demiryolları, tarım, inşaat, madencilik, enerji üretimi ve askeri alanlar gibi pek çok sektörde oldukça yaygın bir kullanıma sahiptir.
Gelişen teknolojiyle birlikte içten yanmalı motorların daha verimli ve daha çevreci hale getirilmesi için üretici firmalar çeşitli konularda araştırma ve geliştirme (ARGE) çalışmaları yapmışlardır. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve bilgisayar destekli analiz (CAE) programlarının AR&GE çalışmalarında kullanımının yaygınlaşması da bu süreçlerin doğru bir şekilde yürütülmesine katkı sağlamaktadır. 
Geçmişteki içten yanmalı motorlarla kıyaslandığında günümüz modern motorları boyutsal anlamda daha az yer kaplayan, daha hafif, yüksek güce sahip ve düşük yakıt tüketimi sunar hale gelmişlerdir. Tüm bunlar bilgisayar destekli tasarım programları sayesinde daha hızlı ve güvenilir bir şekilde yapılabilmektedir.
Artan rekabet ortamı, firmaları tek bir motor sistemi üzerinde minör değişikliklerle farklı sektörlerin ihtiyacına cevap verebilecek motor platformları geliştirmek zorunda bırakmaktadır. Bu amaca uygun tasarım yapmak ise ancak CAD programları ve parametrik tasarım metodu ile mümkün olmaktadır. Geleneksel yöntemlerle bu tarzda bir çalışma gerçekleştirmek çok zaman alacaktır ve aynı zamanda önüne geçilemeyecek tasarımsal hataların fark edilmesini de zorlaştıracaktır.
Bir motorun taslak halindeki çizimlerinden nihai versiyonunun tasarlanmasına kadar pek çok tasarım denemesi ve analiz çalışması yapılmaktadır. Bu çalışmalardan doğan geri beslemelerin tasarıma aktarılması ve yapılan değişikliklerden etkilenmesi muhtemel diğer parçaların da kendi tasarımını otomatik olarak güncellemesi ancak parametrik tasarım metoduna uygun tasarımlarla mümkündür.
Motor temel parçalarının ilk tasarımında ölçülerin belirlenmesi için literatürde tanımlanmış olan fonksiyonlar kullanılabilir veya daha önceden gerçekleştirilmiş olan motor geliştirme projelerinden edinilen bilgi birikimi doğrultusunda tercihler yapılabilir. Bu işlemler parametrik tasarım yöntemi sayesinde hızlıca tasarıma entegre edilir.
Konsept tasarım sonucunda ortaya çıkan tasarım verisi analiz çalışmalarında kullanılacak olan girdileri oluşturmaktadır. Tedarikçilerden ve analiz sonuçlarından gelen geri beslemeler ışığında konsept tasarım geliştirilir ve üretime hazır hale getirilir.
Bu çalışmada günümüz modern ihtiyaçlarının karşılanmasına yönelik özgün motor tasarımında CAD programlarının (CATIA V5) kullanımının sağladığı avantajlardan ve yenilikçi metotlardan bahsedilecektir. Çalışma kapsamında özgün motor geliştirme projesinin konsept aşamasında yapılan tasarımlar konu edilecektir. Motorun en kritik parçaları olan silindir bloku, silindir kafası krank mili, biyel kolu, piston ve dişli grubunun konsept tasarımında parametrik yöntemlerinin kullanımı anlatılacaktır. Diğer motor parçaları motor genel mimarisi için kritik öneme sahip olmadıkları için konsept fazına dahil edilmemiş olup detay tasarım fazında kalan parçaların tasarımı da gerçekleştirilecektir3

Abstract:
Internal combustion engines were first tested in France in 1807. Internal combustion engines have been come into life with the combination of studies that has been done by Belgian engineer Etiene Lenoir, German engineers Nikolaus Otto and Rudolf Diesel's for nearly 100 years and inspired by many patents, inventions and some ideas. 
Internal combustion engines have maintained their place in human life and increased their importance from the first development till today. Internal combustion engines are the dominant prime movers in our society and they are most commonly preffered for mobile propulsion in automobiles, equipment, and other portable machinery. 
In mobile scenarios internal combustion is advantageous, since it can provide high power to weight ratios together with excellent fuel energy-density. These engines have appeared in almost all automobiles, motorcycles, boats, and in a wide variety of aircraft and locomotives, where very high power is required, such as jet aircraft, helicopters, and large ships, they appear mostly in the form of turbines. They are also used for electric generators and by industry.
It can be said that internal combustion engines will maintain their place in human life for a while considering the their better energy intensities and decreasing emission emission levels with developing after-treatment technology.
In order to make the internal combustion engines more efficient and more environmental friendly with the developing technologies, the manufacturing companies has been carried out some research and development (R & D) studies on various subjects of the design of internal combustion engines. The widespread use of computer-aided design (CAD) and computer-aided analysis (CAE) programs in R& D studies also contributes to the proper execution of these development processes. 
Compared to the internal combustion engines of the past, today's modern engines have become more compact in size, more lighter in weight, more powerful and offer low fuel consumption. All of these can be done more quickly and reliably thanks to computer-aided design programs such as CATIA V5.
It is important to consider that when it comes to engine designing and assembly is not an effortless task. There are multiple variables that the engineer has to consider, they resort to high-end software, commonly known as CATIA V5. However, it is imperative to comprehend that hopping straight on the platform of CATIA V5, it will be a strenuous exercise for engineers to figure out the new and advanced terminologies in this particular software. 
Since the CATIA V5 software's robustness fortifies the engineer in designing, simulating and analyzing the engine and assembly of various components, hence it rationalizes the plausibility of the software. It is a robust 3D software, capable of designing some of the large-scale products, such as commercial airplanes, cruise-line ships and a variety of automobiles with diversified designs and modifications.
CATIA V5 software offers the designer to build up a parametric design which is a process based on algorithmic thinking that enables the expression of parameters and rules that, together, define, encode and clarify the relationship between design intent and design response. With the help of parametric design, the designer gains full control on complex geometries such as large engines which consist of thousands of parts.
There are many design trials and analysis studies from draft drawings of an engine to designing the final version. The feedbacks arising from these studies can be transferred to the design and other parts that are likely to be affected by the changes can also automatically update their own design only with designs that are in accordance with the parametric design methodology.
In this study, we will focus on the advantages and innovative methods of using CAD programs in unique engine design to meet today's modern expectations.
The increasing competition environment in the designing of a better internal combustion engines, forces all internal engine companies to develop engine platforms that can meet the needs of different sectors with minor changes on a single engine system. 
Design for the purpose of a competitive internal combustion engine is only possible with CAD programs and parametric design methodologies that CAD softwares offer. Conducting this kind of work with traditional methods will take a lot of time and will also make it difficult to recognize design errors that cannot be avoided eaisly with modern design tools.
 In the field of internal combustion engine design, all the studies are planned according to the engine design processes which are accepted and applied by the well known engineering firms accepted in all around the world. These studies are also mentioned in the literature. 
At the very beginning of the studies, customer expectations were determined. After determining the requirements of the customer such as fuel consumption target, maximum power output, torque required and the package size, the engine specifications such as engine displacement, number of cylinders, Bore/Stroke ratio, compression ratio, bore, stroke, fuel injection system, air charging system and the engine electronic control systems were determined by considering the legal requirements of the target market.
When transferring literature information and the know-how which designer has into the designing processes in internal combustion engine build up, faster and safer designs emerge with the use of parametric design methodology. With the design revealed in the concept stage, the basic dimensioning of the internal combustion engine components will be realized.  
In the concept design phase, design rules for the internal combustion engine critical components and formulas from the literature were combined for the initial design layouts for the critical components.  Only crankshaft, connecting rod, cylinder block, cylinder head, piston and gear-train components were designed with the parametric design method in the concept phase due to their importance on the overal engine design. Most of the remaining parts will be designed with the traditional design methods because of they are not affecting the overal engine design. Some of the components will be customer off the self parts and will not designed by designers, only packaging work will be performed. 
After the concept phase completed, detailed design phase will start with the help of CAE analysis results and the supplier suggestions. The works done in the further phases will not included in this thesis.