Dört zamanlı tek silindirli benzinli bir motor için çevrim atlatma mekanizmasının tasarlanması, imalatı ve motora adapte edilmesi
Design, manufacture and adaptation of cycle skipping mechanism for a four stroke single cylinder gasoline engine
Yazar: TANER YILDIRIM
Danışman: YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzinli motorlar = Gasoline engines ; Kısmi yük = Partial load ; Motorlar = Motors ; Periyot atlatma = Skipperiod ; Verimlilik = Productivity ; Yakıt tüketimi = Fuel consumption

Özet:
Yüz yılı aşkın bir süredir kullanımda olan benzinli motorlar günümüz karayolu taşıtlarında en çok kullanılan içten yanmalı motor tiplerinden biridir. Artan taşıt sayısına bağlı olarak artış gösteren küresel ısınma ve çevre kirliliği gibi problemlerin yanısıra dünya petrol rezervlerinin hızla tükenmesi, diğer motor tiplerinde olduğu gibi benzinli motorlarda da yakıt ekonomisinin önemini gündeme getirmektedir.Bugün gelinen noktada, benzinli motorlardan tam yükte %35 civarında efektif verim alınırken kısmi yük koşulunda verim büyük bir hızla %10-15 seviyelerine düşmektedir. Bu düşüşün en önemli sebebi, benzinli motorlarda yük kontrolü için kullanılan gaz kelebeğinin kısmi yük koşulunda emme havası giriş kesitini kapatması sonucu kısılma (pompalama) kayıplarının artmasıdır. Değişken supap zamanlaması, fakir karışımlı kademeli dolgulu motor, aşırı doldurma, değişken sıkıştırma oranı ve değişken strok hacmi gibi yöntemler, benzinli motorların kısmi yükteki verimini artırmaya yönelik en bilinen yöntemler olarak sıralanabilir. Bu yöntemlerden değişken strok hacmi yöntemi, her işletme koşulunda ihtiyaç duyulan güç en yüksek motor gücü olacak şekilde strok hacmini değişken kılma prensibi ile, bu çalışmaya konu olan çevrim atlatma yöntemine temel oluşturmuştur.İTÜ Makina Fakültesi, Otomotiv Ana Bilim Dalı bünyesinde yürütülen ?Çevrim Atlatmalı Motor? projesi kapsamında benzinli motorlar için alternatif bir yük kontrol sistemi geliştirilmiş ve patenti alınmıştır. Bu yöntemin amacı, motorun yükü azaldığında birbirini izleyen çevrimlerin bazılarına yakıt ve hava girişini durdurmak ve aynı gücü elde edebilmek için dolgu girişini (gaz kelebeği açıklığını) arttırarak toplam efektif verimi yükseltmektir. Anadolu Motor A.Ş. tarafından üretilen 3LD450 model tek silindirli bir motor üzerinde yapılan deneysel çalışmalarda, özellikle çok düşük yük ve hız koşullarında, çevrim atlatma yöntemi ile efektif verimde iyileşme sağlanmıştır. Ancak çevrim atlatma sırasında supapların kapalı tutulması yerine sadece emme kanalını bir kelebek sistemi ile kapatmanın yeterli olmadığı ve sistemin bu yönünün geliştirilmesi gerektiği gözlenmiştir. Ayrıca, yapılan teorik çalışmalarda bu yöntemin kısmi yükte yakıt tüketimini azaltmada önemli bir potansiyele sahip olduğu ispatlanmıştır.İTÜ bünyesinde, 2004 yılından günümüze kadar hazırlanan birçok bitirme tasarım projesinde ve yüksek lisans tezinde, 3LD450 model motor için, çevrim atlatma sırasında supaplara müdahale edebilmeyi mümkün kılabilecek yöntemler ve tasarımlar üzerinde durulmuştur. Bu tasarımlardan biri de 2004 yılında bir bitirme tasarım projesinde önerilen ve kam mili üzerindeki kam profillerini kam mili ekseni yönünde hareket ettirerek supaplara müdahale etmeyi amaçlayan profil kontrollü kam mili ve supap tahrik mekanizmasıdır. Söz konusu mekanizma sonraki yıllarda hazırlanan başka bitirme tasarım projelerinde geliştirilmiş, mukavemet ve boyutlandırma hesapları yapılmıştır. Mekanizmaya ait bazı parçalar 2006 ve 2007 yıllarında Anadolu Motor A.Ş. firmasında imal edilmiş ise de, gerek zaman yetersizliğinden, gerekse tasarımda eksik noktalar bulunmasından dolayı mekanizma tamamlanamamıştır.Bu tez kapsamında, daha önce imalatına başlanan ancak bahsedilen nedenlerden dolayı tamamlanamayan mekanizmanın imal edilmiş tüm parçaları tekrar ele alınarak üzerlerinde gerekli değişiklikler yapılmıştır. Ayrıca, mekanizma için yeni parçalar ve yeni sistemler tasarlanmış, bu sistemlerin var olan sistemlerle uyumlu biçimde çalışması sağlanmıştır. Eski parçalar üzerinde yapılan değişiklikler sırasında, önceki yıllarda yapılan mukavemet ve boyutlandırma hesaplarına bağlı kalınırken, yeni tasarlanan parçalar için gerekli durumlarda hesap yapılmıştır. Tasarlanan parçalar CATIA V5 programı ile 3 boyutlu olarak modellenmiş ve tamamına yakını Anadolu Motor A.Ş.'de imal edilmiştir.İmal edilen parçaların birbirine uyumunun denenmesi ve sente ayarının belirlenmesi için parçalar, 3LD450 model motor ile aynı geometrik özelliklere sahip 3LD510 model kesit motora monte edilmiştir. Montajın her bir aşamasında karşılaşılan problemlerin sebepleri araştırılmış ve makul çözümler üretilmiştir. Bu şekilde mekanizma deney motoru üzerinde çalışmaya hazır hale getirilmiştir.Deneyler sırasında ateşleme ve yakıt püskürtme işlemlerinin uygulanan çevrim atlatma stratejisine uygun şekilde gerçekleştirilebilmesi için motora bilgisayar üzerinden kumanda etmeye olanak sağlayan bir elektronik kontrol sistemi tasarlanmış ve imal edilmiştir. Bu sayede ateşleme avansı, püskürtme avansı ve püskürtme süresi gibi parametrelerin motorun çalışması sırasında değiştirilmesi mümkün kılınmıştır. Öte yandan, sisteme yüklenen yazılım ile daha sonraki çalışmalarda denenmesi söz konusu olan diğer çevrim atlatma stratejileri de tanımlanarak gelecek projelere zemin hazırlanmıştır.

Abstract:
Gasoline (spark ignition) engines, which are in use over a hundred years, are one of the internal combustion engine types commonly used in road vehicles. Depletion of world oil reserves beside global warming and pollution which increase due to the increase in the number of vehicles, revives the importance of fuel economy at gasoline engines, as such in other types of engines.Today, the maximum effective efficiency of a gasoline engine is approximately about 35%, however, in part load operations, the effective efficiency decreases to roughly 10-15% rapidly. The most important reason of this decrease is the increase of pumping losses due to closed position of throttle valve, which is used to control engine load in spark ignition engines. Variable valve timing, stratified charge lean burn engine, supercharging, variable compression ratio and variable displacement are most common methods to increase the efficiency of gasoline engines at partial load. The variable displacement method forms the base of cycle-skipping method, which is the subject of this study, with the principle of changing displacement as providing the required power is the maximum engine power at every operating condition.A new load control method for gasoline engines called `Skip-Cycle Engine? has been developed and patented in I.T.U. Mechanical Engineering Faculty, Automotive Division laboratory. The aim of this method is to cut off the fuel and stop the gas exchange in some of the consecutive four-stroke cycles. In order to maintain the same power, the charge (throttle opening) must be increased which means higher efficiency of the engine when the load is reduced. In experimental studies made on 3LD450 model single-cylinder engine of Anadolu Motor A.Ş., especially at very low load and speed conditions, improvement in the effective efficiency was observed when skip cycle method was used. But it was also observed that, skipping cycles by just cuttung off the intake port by a throttle valve despite closing intake and exhaust valves was not enough to obtain very good results, so improvement of the system is needed. On the other hand, by theoretical studies made, it was proved that this method has got considerable potential to improve fuel economy at part load conditions.Since 2004, in many dissertations and post graduate thesis prepared within the scope of I.T.U., many methods and designs are emphasised enabling interference to valves of 3LD450 model engine during cycle skipping. One of these designs is cam controlled camshaft and valve actuation mechanism, which is offered in a dissertation in 2004, aiming to interfere valves by moving cams in the direction of camshaft axis. The mechanism is then improved and, strength and sizing calculations have been done in other dissertations in the following years. Although some parts of the mechanism are manufactured by Anadolu Motor A.Ş. in 2006 and 2007, it couldn?t be completed due to the lack of time and missing points in design.In this study, all of the manufactured parts of incomplete mechanism are handled and modified. Besides, new parts and new system are designed, new systems are accorded with existing systems. During modification, the previous strength and sizing calculations are abided, extra calculations are done for new parts when necessary. New constructed parts are modeled in 3D by means of CATIA V5, almost all are manufactured by Anadolu Motor A.Ş.Manufactured parts are assembled to a cross section of 3LD510 model engine, which has same geometry with 3LD450, in order to test the accordance between parts and adjust timing. Problems, faced during the steps of assembly are researched and feasible solutions are created. By this way, the mechanism has been prepared to operate on research engine.An electronic control system is also designed and manufactured which enables to command the engine over computer for the purpose of performing ignition and fuel injection in accordance with cycle skipping strategy during experiments. By this way it is also made possible to change parameters like ignition advance, injection advance and injection timing during operation. On the other hand, by defining other cycle skipping strategies in the software, which are subject to following studies, a base is formed for next projects.