motor tasarımına giriş

MOTOR
TASARIMINA
GİRİŞ
GĠRĠġ
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, somaki 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 geçerlidir.
Öyleyse, başarılı bir içten yanmalı motor tasarımı, sahip olduğu ve çoğu günümüzde de
tam olarak cevaplanmamış veya anlaşılmamış problemlerinin çözümüyle yakından
ilgilidir.
6.2 TEMEL KARARLAR VE ÖN ANALİZ
Bilindiği gibi tasarım, esas olarak, herhangi bir görevi yapabilmesi için,
parçaların boyut, biçim, malzeme kompozisyonu ve parça düzenlemelerini önerme
işlemidir. Şekil 6.1 'de, tipik bir tasarım akış diyagramı görülmektedir.
Bir ürünün fonksiyon ve kalitesi hakkındaki tüketici raporları, bir yeniden
tasarımı gerektirebilir. Şekil 6.1'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 6.1' deki diyagramdaki geri besleme devresi
ile açıklanmışta".
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.
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 6.1'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 6.1'deki
diyagramda, geribesleme 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
düzeltilemeyen olumsuzluklarda genellikle ön tasarım ve geliştirme veya değişiklik
için ayrıntılı tasarım aşamasına dönülür. Bu olasılık, Şekil 6.1'deki diyagramda, geri
besleme devresi ile belirtilmiştir.
6.3
PĠSTONLU ĠÇTEN YANMALI MOTORLARIN TASARIM
ESASLARI
Bu bölümde, geleneksel tipteki pistonlu içten yanmalı motorların tasarım
esasları tartışılacaktır. Motor tasarım ve geliştirme çalışmalarım maliyeti oldukça
yüksektir. Bu nedenle, yeni bir tasarım ve/veya geliştirme çalışmasının yapılıp
yapılmayacağına, aşağıda sıralanan sorular cevaplandırıldıktan sonra karar
verilmelidir.
1.
2.
3.
4.
5.
Yeni bir tasarım yapmanın gerekçeleri nelerdir?
Motor hangi alanda kullanılacaktır?
Hangi tür yakıt kullanılacaktır?
Güç ve yakıt ekonomisi ihtiyacı ne kadardır?
Bu ihtiyaçları en iyi karşılayan motor tipi hangisidir?
3
6.
7.
8.
9.
Geliştirme çalışmasının tahmini süresi ne kadardır?
Geliştirme çalışmasının tahmini maliyeti ne kadardır?
İmalatın tahmini maliyeti ne kadardır?
Geliştirme çalışmasının tahmin edilen sürede tamamlanacağı kabulü ile, bu süre
içerisinde, aynı alanda kullanımda olan motorlar da geliştirilmeye devam
edileceğinden, yeni tasarım, kullanımdaki rakipleriyle rekabet edecek durumda
olabilecek midir?
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. Bu durumda, 9. soru bir miktar
belirsizliği içermektedir.
Kullanım alanı
Motorun kullanılacağı farklı alanlar için gerekli olan motorların özellikleri de farklı
olacağından, tasarımda kullanım alanının göz önünde bulundurulması zorunludur. Belirli bir
hizmet alanına veya alanlar grubuna yönelik olmayan tasarımların başarılı olması mümkün
değildir.
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 Dİ 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.
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.
•ı
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.
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.
Yakıt ekonomisi, motorun kullanım faktörü yükseldikçe daha önemli hale
gelmektedir. Kullanım faktörü (fu);
(6.1)
eşitliğiyle belirlenebilir. Burada;
tır.
ÖRNEK PROBLEM 6.1
Anma gücü 100 kW olan motora sahip bir otomobil, günde iki saat ve ortalama
20 kW güçle kullanılıyorsa, bu otomobilin kullanım faktörü kaçtır? Aynı otomobilin,
günde dört saat ve ortalama 30 kW güçle kullanılması halinde kullanım faktörü ne
olur?
5
Aynı otomobilin, günde dört saat ve ortalama 30 kW güçle kullanılması halinde
kullanım faktörü;
0,0167 x 3 = 0,0501
yani ilk duruma göre üç katı kadar aitmiş olacaktır.
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.
Daha önce de belirtildiği gibi, düşük yakıt tüketimi ve düşük yakıt fiyatının
ekonomik değeri, büyük oranda kullanım faktörüne bağımlıdır. Bu nedenle, kullanım
faktörü düşük olan hizmetlerde eğilim daha çok benzin motoru, kullanım faktörü
yüksek olan hizmetlerde ise daha çok diesel motoru yönündedir. Bu yüzden, ticari
olmayan otomobiller, küçük deniz botları, çim biçme makinaları, vb. kişisel
hizmetlerde kullanılan araçlarda, buji ile ateşlemeli motorlar daha çok
kullanılmaktadır. Ancak, yüksek yakıt fiyatları nedeniyle, diesel motorlu otomobillerin
kullanım oranı da dikkate değer oranda altmıştır (1984 yılında Avrupa'da %17).
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:
6
1. Düşük ilk maliyet,
2. Düşük kullanım faktörü,
3. 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 en az % 25 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. 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.
7
Soğutma sistemi
Motor silindirlerinin soğutulması, önemli ölçüde kondüksiyonla olmak üzere,
konveksiyon ve kısmen de radyasyonla olmaktadır. Benzer geometrideki sistemlerde,
yüzey ile ısı taşıyıcı akışkan arasındaki ısı transferi, yaklaşık olarak;
(6.2)
c ve L 'nin verilen değerlerinde, ısı transfer katsayısı;
s
ye bağımlı olarak değişmektedir. Bu ifadede yer alan büyüklüklerin, hava ve su ile
ilgili değerleri yerlerine yazıldığında, suyun soğutucu olarak avantajının, havaya oranla
yaklaşık 175 kat olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır.
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) finlerin 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, finler 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. 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.
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.
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,
9
ömür beklentisi ve motorun genel biçimi arasındaki uzlaşmaya bağlı olduğu
söylenebilir.
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, β = 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.
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.
Geliştirme çalışmasının tahmini süresi
İmal edilmekte olan motorlara benzer bir motorun geliştirme süresi, harcanacak
çabanın yoğunluğuna, görev alacak personel in 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.
10
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.
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.
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.
Yeni tasarımın, kullanımdaki rakipleriyle rekabet durumu
Yeni bir tasarım çalışmasını sürdürme konusunda son karan vermeden önce,
tasarlanan motorun belirlenen kalitesi ile imal edilmekte olan rakiplerinin elde edilen
kalitesini karşılaştırmak amacıyla, Şekil 6.2 'dekine benzer eğriler hazırlanmalıdır. Bu
tür grafikler, yakıt ekonomisi, güç ağırlığı, litre gücü, kullanım ömrü, birim güç
maliyeti, gibi kalite ölçümleri için de uyarlanabilir.
6.4 SĠLĠNDĠR SAYISININ, BOYUTLARIN VE
DÜZENĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Bu aşamada tasarımcının, tasarımı yapılacak motor hakkında aşağıdaki bilgilere
sahip okluğu varsayılmaktadır:
11
1. Hizmet tipi,
2. Yakıt tipi,
3. Anma gücü,
3.
4.
5.
6.
7.
Anma çevre koşulları,
Buji ile veya sıkıştırma ile ateşlemeli olduğu,
Normal emişli veya süperşarjlı olduğu,
Devir sınırı,
Aynı alandaki rakiplerine oranla vurgulanacak özel yetenekleri.
Strok Hacmi, Toplam Strok Hacmi
Strok hacmi (Vh,), üst ve alt ölü noktalar arasında kalan silindir hacmidir ve
(6.5)
eşitliğiyle hesaplanabilir.
Bir motorun toplam strok hacmi (VH) ise, strok hacminin silindir sayısıyla
çarpımına eşittir:
(6.6)
Yanma Odasının Hacmi
12
Yanma odasının hacmi (Vc), piston üst ölü noktada iken, pistonun önünde kalan
silindir hacmidir.
Silindir Hacmi, Toplam Silindir Hacmi
Silindir hacmi (Vt), piston alt ölü noktada iken, pistonun önünde kalan silindir
hacmidir.
•
Vt = Vh+Vc
(6.7)
Toplam silindir hacmi
hacimlerinin toplamıdır.
(VT) ise,
bütün
silindirlerin
silindir
(6.8)
Sıkıştırma oranı
Sıkıştırma oranı (s), silindir hacminin, yanma odası hacmine oranıdır.
(6.9)
Sıkıştırma oranları, diesel motorlarında 16/1 - 24/1, benzin motorlarında 7/1 - 10/1
arasındadır.
•
Strok/çap oranı
Motor boyutlarına en çok etki eden faktör, piston strokunun (kursunun) silindir
çapma oranıdır ve kısaca strok/çap oranı olarak ifade edilmektedir.
(6.10)
Burada;
X : strok/çap oranı, H:
piston stroku, D:
silindir çapı,
dır. Bu oranın seçim isabeti, amaçlanan hizmete uygun motor boyutlarının elde
edilmesinde son derece önemlidir. Strok/çap oranı (X);
Dört zamanlı benzin motorlarında
Dört zamanlı kamyon diesel motorlarında
Dört zamanlı orta hızlı diesel motorlarında
İki zamanlı düşük hızlı diesel motorlarında
0,6-1,1
0,9 -1,2
1,2 -1,4
1,8-2,2
13
arasındadır. Hız azaldıkça ve iki zamanlı motorlarda büyük oranlara yakın değerler
seçmek daha uygun olmaktadır.
Silindir çapının hesaplanması
(6.10) no'lu eşitlik, (6.6 no'lu eşitlikte yerine yazılırsa;
(6.1.1)
olur ve buradan silindir çapı eşitliği elde edilir:
(6.12)
Motor gücü ve ortalama efektif basınç değerlerinin bilinmesi halinde;
(6.13)
eşitliği de kullanılabilir.
Ortalama piston hızı
Ortalama piston hızı (cm), bir motor devri süresince değişen piston hızlarının
ortalamasıdır. Ortalama piston hızı, motorun devir sayısının devir/dakika olarak
kullanılması halinde;
eşitliğiyle belirlenebilir. Ortalama piston hızı, atalet kuvvetleri, yataklara gelen yükler,
volumetrik verim, özgül yakıt tüketimi ve motorun ömrüne etki eden bir büyüklüktür.
Aşınmaların az, motorun uzun ömürlü ve özgül yakıt tüketiminin düşük olması için,
ortalama piston hızının düşük olması ( 5 - 6 m/s kadar) arzu edilmektedir. Özgül gücün
yükseltilmesi ise, daha yüksek ortalama piston hızlarıyla sağlanmaktadır. Ortalama
piston hızı (cm);
Benzin motorlarında
Orta hızlı diesel motorlarında
İki zamanlı diesel motorlarında
arasındadır.
10-17 m/s,
10-11m/s,
6 - 7 m/s,
14
İndike Ortalama Basınç
İndike ortalama basınç (Pmi), silindir içerisinde çevrim süresince değişen
basınçların ortalamasıdır ve motorla ilgili hesaplamalarda kullanılan bir büyüklüktür.
İndike ortalama basıncın hesaplanmasında, indikatör diyagramlarından yararlanılabilir,
Şekil 6.3. İndike ortalama basınç (Pmi);
(6.14)
dir. Burada;
A: Diyagram alanı, mm",
L: Diyagram genişliği, mm
m: İndikatör katsayısı, mm/kPa,
dır.
Ortalama Efektif Basınç
Ortalama efektif basınç (Pme) de, tıpkı indike ortalama basınç (Pmi) gibi, motorla
ilgili hesaplamalarda kullanılan bir büyüklüktür ve aralarında;
(6.15)
ilişkisi mevcuttur.
' Motor boyutlarına çok etki eden diğer bir faktör de ortalama efektif 'basınçtır:
Ortalama efektif basınç (Pme) nin belirlenmesinde, çeşitli yollardan herhangi biri
kullanılabilir:
(6.16)
15
(6.17)
(6.18)
olur. Ortalama efektif basıncın belirlenmesinde;
(6.19)
eşitliğinden de yararlanılabilir. Burada;
tür.
Ortalama efektif basınç (Pme);
Otomobil dört zamanlı benzin motorlarında
Otomobil dört zamanlı diesel motorlarında
Kamyon dört zamanlı benzin motorlarında
Kamyon iki zamanlı benzin motorlarında
Kamyon normal emişli diesel motorlarında
Kamyon süperşarjlı diesel motorlarında
Kamyon intercoolerli diesel motorlarında '
7-10 bar,
5,5 - 6,5 bar,
8,5-10 bar,
6 - 7,5 bar.
6 - 9 bar,
9 - 11 bar,
12-20 bar,'
arasındadır.
İn dike Güç
İndike motor gücü P,;
(6.20)
eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada;
Pmi: indike ortalama basınç, kPa, VH :
toplam strok hacmi, m3, n
: devir
sayısı, 1/min,
16
f
: bir silindirde bir devirdeki çevrim sayısı, (dört zamanlıda 0,5, iki
zamanlıda 1) dır.
Efektif Güç
Efektif motor gücü P0 'de benzer şekilde;
(6.21)
eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada;
pme: ortalama efektif basınç, kPa, dır.
Sürtünme Gücü
İndike motor gücü (Pi) ile efektif motor gücü (Pc) arasındaki fark, sürtünme
(kayıp) gücü (Pt) olarak adlandırılmaktadır.
•
(6.22)
Sürtünme gücü;
1. Segmanlar, yataklar ve motorun iş yapan diğer elemanlarındaki sürtünmelere bağlı
kayıp güç ile
2. Benzin otomatiği, su pompası, yağ pompası, yakıt pompası, soğutma vantilatörü ve
boşta çalışan jeneratörü çalıştırmak üzere harcanan gücün toplamıdır.
Efektif motor gücü Pe, laboratuarlar da ve standartlarla tamamlanmış koşullar
altında, dinamometre denilen cihazlarla ölçülmektedir. Bu standartlardan bazıları
şunlardır:
TS (Türk Standardı),
ISO (Interational Standardizatıon Organisation - Uluslararası Standartlar Birliği),
DİN (Deutsche Industrie Norm - Alman Endüstri Standardı),
SAE (Society of Automotive Engineers - Otomotiv Mühendisleri Birliği),
CUNA (Comissione tecnica di Unifıciazione nell' Automobile - Otomobil teknik
Standartlar Birliği)
Standartlarla tanımlanmış koşulların farklılığı nedeniyle, doğal olarak, bu
standartlara göre ölçülen güçler arasında da farklılıklar bulunmaktadır. Örneğin, bir
motorun DİN standardına göre ölçülen gücüne oranla, aynı motorun SAE standardına
göre ölçülen gücü, % 10...% 25, CUNA standardına göre ölçülen gücü, % 5...% 10
daha yüksek olabilmektedir.
17
Litre Gücü
Litre Gücü (AL) efektif motor gücünün, motorun toplam strok hacmine oranıdır.
(6.23)
Burada;
VH: toplam strok hacmi (Vh, . z), litre,
dır.
Büyük litre gücü, daha küçük boyutlu motor fakat daha fazla güç demektir.
Otomotiv motorlarının litre gücü değerleri;
Kamyon diesel motorlarında
Otomobil diesel motorlarında
Otomobil benzin motorlarında
Motosiklet motorlarında
(iki veya dört zamanlı)
arasındadır.
13-19 kW/l,
20 – 25 kW/l,
30-48 kW/l,
20 - 25 kW/l,
Güç Ağırlığı (veya kütlesi)
Güç ağırlığı (Gp), motorun ağırlığının (G, kg olarak), motorun efektif gücüne
(Pe) oranıdır.
(6.24)
Burada;
G: motorun ağırlığı, kg,
dır.
Küçük
güç
ağırlığı,
genellikle
motorun
devir
sayısının
artırılmasıyla sağlanmaktadır. Otomotiv motorlarının güç ağırlığı değerleri;
Kamyon diesel motorlarında
Otomobil benzin motorlarında
arasındadır.
4-5,5 kg/k\W,
yaklaşık 2 kg/kW,
İyilik Derecesi
Bir motorun iyilik derecesi (ηp), motorun indike gücünün (Pi),
makinanm gücüne (Pp) oranıdır.
(6.25)
Burada;
teorik (kusursuz)
tır.
İyilik
derecesinin yükselmesi,
motorun
yaklaşmasının
bir göstergesidir. İyilik derecesi;
Otomotiv benzin motorlarında
Otomotiv diesel motorlarında
mükemmele
0,4 - 0,7,
0,6 - 0,8
arasındadır.
İndike Verim
Bir motorun indike verimi(ηi) motorun indike gücünün(Pi)birim zamanda
motora yakıtla verilen ısıya (B . Hu) oranıdır.
(6.26)
Burada;
B: yakıt tüketimi, kg/h,
yakıtın alt ısıl değeri, kJ/kg,
dır. İndike verim ayrıca;
(6.27)
eşitliğiyle de hesaplanabilir. Burada;
ηt:teorik termik verim,
dir.
Mekanik Verim
Bir motorun mekanik verimi (ηm) motorun efektif gücünün(Pe) indike gücüne
(Pi ) oranıdır.
(6.28)
Motorların mekanik verimleri % 80 dolayındadır.
Efektif Verim
Bir motorun efektif verimi (ηe), motorun efektif gücünün (Pe), birim zamanda motora
yakıtla verilen ısıya (B . Hu) oranıdır.
(6.29)
Efektif verim ayrıca;
(6.30)
eşitlikleriyle de hesaplanabilir.
Efektif verim, en iyi koşullarda;
Otomotiv benzin motorlarında
Otomotiv diesel motorlarında
0,25 - 0,30,
0,30 - 0,45,
arasında,
Boşta çalışma sırasında ise
0,0
dır.
Özgül Yakıt Tüketimi
Özgül yakıt tüketimi (bc), elde edilen birim güç başına, saatte harcanan yakıt
miktarının göstergesidir.
(6.30)
Özgül yakıt tüketimi için ayrıca, efektif termik verimin;
(6. 31 )
eşitliği, B için düzenlenip, yukarıdaki eşitlikte yerine yazılarak;
(6.32)
eşitliği elde edilebilir. Özgül yakıt tüketimi;
benzin motorlarında 0,345 - 0,285 kg/kWh,
diesel motorlarında 0,285 - 0,190 kg/kWh,
arasındadır.
Volumetrik (hacimsel) verim
Volumetrik (hacimsel) verim (ηv), silindire alman gerçek karışım kütlesinin,
silindire alınması gereken teorik karışım kütlesine oranıdır:
(6.33)
(6.34)
(6.35)
ve bu nedenle;
(6.36)
eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada;
ps: silindirdeki dolgu yoğunluğu, kg/m ,
pa: dış ortamdaki havanın yoğunluğu, kg/m\ Ts:
silindirdeki dolgu sıcaklığı, K,.
Ta: dış ortamdaki havanın sıcaklığı, K,
Ps : silindirdeki dolgu basıncı, bar,
Pa: dış ortamdaki havanın basıncı, bar,
dır. Volumetrik verim (ηv);
Dört zamanlı motorlarda
0,7 - 0,9,
0,5 : 0,7
İki zamanlı karterden süpürmeli motorlarda
arasındadır.
Karışımın Isıl Değeri
Karışımın ısıl değeri (Hmix), 1 m3 serbest hava ile yakıt karışımının ısıl değeridir.
Silindire alman karışımın alt ısıl değeri (Hmix);
(6.37)
(6.38)
ÖRNEK 6.2
Dört zamanlı bir otomobil motoru hakkında aşağıdaki bilgiler verilmiştir:
Bu bilinenlere göre motorun ana boyutlarını hesaplayınız.
ÇÖZÜM
Motor, dört zamanlı bir otomobil motoru olduğundan, f = 0,5 tir
kabulleri yapılacak olursa, silindir çapı;
bulunur. Bu durumda strok;
H = 0,8. 9,3 = 7,45 cm
olacaktır.
KONTROL
Pme
t
p
m
v Hmix
- 9/1, (sıkıştırma oranı, diesel motorlarında 16/1-24/1, otto motorlarında 7/1
-10/1 arasındadır)
22
k= 1,4 kabulü yapılırsa;
olur. Ayrıca;
kabulleri yapılmıştır.
Benzin motorları genellikle zengin karışımlarla çalıştığından, λa
silindire alman karışımın alt ısıl değeri (Hmix);
1 dir. Bu durumda,
elde edilir.
Termodinamik bağıntılardan;
yazılabilir. Burada;
değerleri yerine yazılacak olursa;
bulunur. Hesaplanan ve kabul edilen tüm bu değerler yerine yazıldığında;
elde edilir.
Devir sayısı, (6.4) no'lu eşitlikten yararlanarak elde edilen;
eşitliğiyle hesaplanabilir.
cm için kontrol yapılabilir:
Bulunan bu değer, bu motorlar için verilen ortalama piston hızı sınırları arasındadır ve
uygundur.
ÖRNEK 6.3
Dört zamanlı, buji ile ateşlemeli bir otomobil benzin motoru ile ilgili olarak
aşağıdaki değerler bilinmektedir:
Pc = 88 kW,
nP =5500 1/min,
bc = 270 g/kWh,
z=6
D = 87 mm,
H = 70 mm.
Motorun;
a) Litre gücünü,
b) Ortalama efektif basıncını,
c) Efektif termik verimini,
hesaplayınız.
ÇÖZÜM
a)Litre gücü;
dir. Motorun toplam strok hacmi;
bulunur. Verilen ve hesaplanan değerler yerine yazılarak;
24
bulunur.
b) Ortalama efektif basınç;
eşitliğinden;
bulunur.
c) Efektif termik verim.
bulunur.
Motor parçalarının
değerlendirilebilir:
1.
Demir malzemeler,
2.
Demir dışı malzemeler.
imalinde
kullanılan
malzemeler
iki
gurupta
Demir malzemeler, adından da anlaşılacağı gibi, içerisinde esas olarak demir
bulunan malzemelerdir. Dökme demir, dövme demir, saf karbonlu çelikler ve alaşım
çelikleri, bu guruba örnek verilebilir.
Demir dışı malzemeler ise, içerisinde demir olmayan malzemelerdir. Bakır ve
bakır alaşımları, alüminyum ve alüminyum alaşımları, yatak metalleri, bu gurup
malzemelerdir.
7.2
METALLERĠN MEKANĠK ÖZELLĠKLERĠ
7.2.1 DAYANIM ve GERĠLME
Motorun çalışması sırasında, her parçası üzerine çeşitli yükler etki etmektedir.
Bu yüklerden dolayı, parçaların imalinde kullanılan malzemelerden belirli miktarda
dayanım istenmektedir. Dayanım, metalin, kararlı bir yük altında gerilmeye karşı
gösterdiği dirençtir. Malzeme dayanımı demek, malzemenin uygulanan bir yüke
direnci demektir. Gerilme ise. malzemeye uygulanan bir dış yüke karşı gösterdiği iç
reaksiyondur. Gerilme, parçanın deformasyonuna sebep olabilir. Gerilmenin bir çok
çeşidi vardır. Bunlar;
i.
2.
3.
4.
5.
dir.
Çekme gerilmesi,
Basma (sıkıştırma) gerilmesi,
Kesme gerilmesi,
Burulma gerilmesi,
Birleşik gerilme (ör. çekme ve basma gerilimlerinin bileşimi),
2&
Gerilmenin Standard birimi N/m2 dir Ancak, büyük bir değer olduğundan, daha
çok N/mm2 veya kN/mm birimleri kullanılmaktadır.
7.2.1.1 ÇEKME GERĠLMESĠ
Çekme kuvveti (yükü), parçayı çekmeye çalışan kuvvettir. Malzemenin bu
yüke karşı direncine "çekme gerilmesi" denir. Bir metalin dayanımını belirlemek için,
Laboratuarda, özel bir çekme makinesinde, bu metalden yapılmış Standard
boyutlardaki bir test parçasına, yavaşça artan bir yük uygulanır. Ölçme, parça
kopuncaya kadar sürer. Uzama - gerilme eğrisi. Şekil 7. i "de görüldüğü gibidir.
Bir parçaya herhangi bir yük uygulandığında, parçanın biçim ve boyutlarında
değişimler olur. Çekme kuvveti uygulandığındaki boyut değişimine '"uzama" denir.
Uzama miktarı, uzama oranıyla ifade edilir.
Burada;
ε: uzama oranı,
ΔL: uzunluk değişimi (uzama), mm.
L: orijinal boy, mm,
dir.
A noktasına kadar, parçaya uygulanan yük ile parçanın uzama miktarı
orantılıdır. A noktasındaki gerilmeye, "sınır gerilme" veya "oransal gerilme" denir.
A-B noktalan arasında uzama biraz artsa da, B ye kadar, uygulanan yük
-2.7
Kaldırıldığında parça eski boyutlarına çabucak döner. Malzemenin bu davranışına
'elastik davranış", B noktasına "'elastikiyet (akma) sınırı", o andaki gerilmeye de
"'elastik gerilme" denir. Yani. malzeme B 'ye kadar elastik. B 'den sonra plastik
malzeme özelliği gösterir. B 'den sonraki yüklemelerde, uygulanan yük kaldırıldığında
parça artık eski boyutlarına dönemez. C noktasında kritik gerilmeye ulaşılır. C
noktasına "dayanma sınırı", o andaki gerilmeye de "kritik gerilme" denir. B-C
noktalan arasında, yük artmadığı halde, uzamada ani bir artış olur. D noktasında
maksimum gerilmeye ulaşılır. D noktasına "kopma sınırı", o andaki gerilmeye de
'kopma (gerilmesi) dayanımı" denir. D noktasından sonra yük azaltılsa bile, parça
uzayarak E noktasında kopar.
Gerilmenin genel eşitliği;
Burada;
Gerilme., N/mm2,
F: Yük, N,
A: Yüke direnen alan, mm2 dir.
Kopma dayanımı (maksimum dayanım) ise;
(7.3)
Burada;
2
(T. • Kopma Dayanımı N/mm .
Fmax: Maksimum yük, N,
A: Yüke direnen alan, mm2
dir.
Yumuşak çeliğin maksimum kopma dayanımı, 400 N/mm2,
belirli bir çelik alaşımının ki ise 150 N/mm2 kadardır.
Yük değişimleri oluyor veya darbe yükleri uygulanıyorsa, bu değerler azalır.
Uygulamada doğrudan yük altında çalışan parçalarda başarısızlık nadiren olmakta,
kırılma genellikle malzeme yorulmasından kaynaklanmaktadır.
Yorulma dayanımı, malzemelerin çevrimsel değişen yüklere karşı
gösterdikleri direncin bir göstergesidir. Eğer yük, malzemeye tekrar tekrar uygulanır
veya sürekli yön değiştirirse, malzemenin kopma dayanımı azalacaktır. Motorda da bu
tür yükler altında çalışan birçok parça bulunmaktadır.
Darbe dayanımı ise, malzemelerin çok hızlı uygulanan yüklere karşı gösterdikleri
direncin bir göstergesidir.
ÖRNEK PROBLEM 7.1
6,4 mm çapındaki bir çubuğa. 12,2 kN’ luk çekme kuvveti uygulanmaktadır.
Çubuktaki gerilmeyi bulunuz.
ÇÖZÜM
7.2.1.2 BASMA GERĠLMESĠ
Basma, çekmenin tersidir. Basma kuvveti (yükü), parçayı sıkıştırmaya çalışan
kuvvettir. Malzemenin bu yüke karşı direncine "basma gerilmesi" denir. Malzemelerin
çekme ve basma kuvvetlerinin etkisi altındaki davranışı, elastikiyet sınırına kadar benzer
özellikler göstermektedir. Çekme ve basma dayanımları, malzemelerin sürekli yüklere karşı
gösterdikleri direncin bir göstergesidir.
Basma kuvveti altında parçanın dağıldığı gerilmeye "basma (gerilmesi)
dayanımı" denir. Ancak, dağılma (kırılma) noktası, kırılgan (örneğin dökme demir)
malzemelerde sayısal olarak tespit edilebilirken, sünek malzemelerde belirlenmesi oldukça
zordur ve kesin değildir. Basma dayanımı;
(7,4)
C
: Basma gerilmesi. N/mm ,
eşitliğiyle belirlenebilir. Burada;
C : Basma gerilme
Ft-: Kırma yükü, N,
A: Yüke direnen alan, mm
dir.
7.2.1.3 KESME GERĠLMESĠ
Kesme gerilmesi, malzemenin bir kesitine paralel fakat ters yönde etki eden iki
kuvvetin, malzemenin bir bölümünü diğer bölümü üzerinde kaydırması sırasında oluşan
gerilmedir. Kesme gerilmesi, çekme, basma veya burulma yüklerinden dolayı
oluşabilir.
Cıvatalar,
pimler,
miller gibi
kısmi kesme gerilmesinin etkisinde kalmaktadır.
birçok
parça,
tam
veya
Kesme gerilmesi (dayanımı);
(7.5) eşitliğiyle belirlenebilir. Burada;
dır.
ÖRNEK PROBLEM 7.2
Kesme dayanımı 207 N/mm" olan 6.3 mm kalınlığındaki bir levhaya, zımba ile 6.3
mm çapında bir delik açılacaktır. Gerekli kuvveti hesaplayınız.
ÇÖZÜM
7.2.2 GÜVENLĠK KATSAYISI
Bir malzemenin güvenli çalışma gerilimi, kırılma riski olmaksızın görevini
yapabileceği gerilimdir ve genellikle malzemenin kopma geriliminin basit bir kesridir.
Motor parçalan, malzemedeki maksimum gerilme, güvenli çalışma gerilimi denilen
miktarı geçmeyecek şekilde boyutlandırılmalıdır.
Güvenlik katsayısı;
(7.6)
eşitliği ile hesaplanabilir. Burada;
dir.
Güvenlik katsayıları, piston ve biyellerde 9... 12 arasında alınır.
ÖRNEK PROBLEM 7.3
Kopma gerilmesi 463,2 N/mm" olan çelik bir bağlantı çubuğu. 50 kN’ luk bir çekme
yükü iletecektir. Güvenlik katsayısı 6 olduğuna göre, çubuğun çapını belirleyiniz.
ÇÖZÜM
bulunur.
7.2.3
ELASTĠKĠYET VE HOOK KANUNU
Hook Kanunu’na göre. uzama miktarı, onu doğuran gerilme ile orantılıdır.
Çekme için bu oran, Young'un Elastikiyet Modülü adını alır.
(7.7)
(7.8)
(7.9)
Hook. Robcrt. (1635-1703). İngiliz gökbilimci ve matematikçi.
^4
dır.
Çizelge 7.1 Bazı malzemelerin elastikiyet modülleri.
Malzeme
Çelik
Dökme demir
Fosforlu bronz
Bakır Pirinç
Elastikiyet modülü
(N/mm2)
207 000
117 000
96 000
83 000
69 000
7.2.4 SÜNEKLĠK
Süneklik (tel veya levha haline getirilebilirlik), soğuk haldeki metalin
kırılmadan veya çatlamadan herhangi bir biçime getirilmesi veya çekilmesi özelliğidir.
Şekil 7.2. Süneklik, örneğin, saç levhadan yapılan far gövdelerinin imalinde önemlidir.
Cıvata malzemelerinin süneklik özelliklerinin de yüksek olması istenmektedir. Ancak
bu özellik, ani yük etkisinde kalarak kırılması muhtemel olan diğer birçok metal parça
için de önemlidir.
7.2.5 DÖVÜLEBĠLĠRLĠK
Dövülebilirlik. sünekliğe benzer biçimde tanımlanabilir. Ancak, uygulanan
kuvvet basma yüküdür. Yani dövülebilirlik, soğuk haldeki metalin, kırılmadan veya
çatlamadan, çekiçlenerek veya ekstrüzyonla (oda sıcaklığında basınç uygulamasıyla
bir kalıptan geçmeye zorlama. Şekil 7.3) plastik deformasyona müsaade etme
özelliğidir. Altın, alüminyum, bakır, ve kurşun, dövülebilirliği yüksek olan metallere
örnek gösterilebilir. Süneklik , ve dövülebilirlik benzer özellikler gibi görünse de, aynı
metalde (örneğin, kurşunda) yüksek dövülebilirlik ve düşük süneklik özelliği bir arada
bulunabilir.
7.2.6 SERTLĠK
Sertlik, metalin aşıntıya ve çizilmeye karşı direncidir. Sertlik için en çok kabul
gören tanım, bir" malzemenin plastik şekil değiştirmeye karşı direnme yeteneğidir,
şeklindedir. Bu özellik, ovalama ve ezme yükü etkisi altındaki parçalar için, (ör.
rulmanlı ve kayıcı yataklar, kamlar ve dişliler) çok önemlidir. Sertlik ölçümünde
yaygın olarak kullanılan yöntemler, brinell, rockwell ve vickers yöntemleridir. Çizelge
7.1 'de, bazı malzemelerin rockwell sertlikleri verilmiştir.
Çizelge 7.1 Bazı malzemelerin rockwell sertlikleri.
Rockvvell ölçeği
RA
RB
Çentik açıcı uç
Elmas koni (brale)
1/16" çaplı bilye
Yük (kg)
60
100
Rc
Elmas koni (brale)
150
RD
RE
Elmas koni (brale)
1/8" çaplı bilye
100
100
Malzeme
Çok sert metaller (ör. tungsten karbid)
Yumuşak metaller (ör. yumuşak çelik,
bakır alaşımları)
Sert metaller (ör. sertleştirilmiş çelik,
ısıl işlem görmüş çelik alaşımı)
Çok sert metaller
Yumuşak metaller (ör. yatak
malzemeleri, magnezyum, alüminyum)
7.2.7 TOKLUK
Tokluk, metalin kırılmaya karşı direncidir.Tokluk aynı zamanda,Bir
malzemenin kırılmadan önce enerji absorbe etme ve plastik şekil değiştirme
yeteneğidir", şeklinde de tanımlanmaktadır. Bu özellik, sertlikle karıştırılmamalıdır.
Zira, sertlik ve ihmal edilebilecek düzeyde tokluk (ör. eğeler sert ve kırılgandır), bir
arada bulunabilir. Kırılmazlık veya kırılganlık değerleri, laboratuarlarda çoğunlukla
izod darbe testi ile belirlenmektedir.
7.3
7.3.1
MALZEMELER VE ÖZELLĠKLERĠ
DÖKME DEMĠR VE ÇELĠK
Dökme demir ve çelik esas olarak ,demir ile karbon alaşımlarıdır ve içlerinde
malzeme kalitesini geliştirmek amacıyla veya saflaştırılamadığı için, çok az
miktarlarda manganez, silisyum, kükürt ve fosfor da bulunabilmektedir. Dökme demir
ve çelik arasındaki temel fark, bünyelerindeki karbon miktarı ve karbonun biçiminden
kaynaklanmaktadır. % 1,7 kadar karbon bulunuyorsa alaşım çelik, . % 1,7 'den fazla
karbon bulunuyorsa alaşım dökme demir olarak adlandırılmaktadır. Ancak, dökme
demir ile çelik arasında çok kesin bir çizgi de yoktur. % 1,7 değeri, geleneksel bir
sayıdır. Dökme demir ile çelik arasında, karbon miktarları dışında, iki aynı fark daha
bulunmaktadır:
1. Dökme demirin içerisindeki bazı karbonlar serbest grafit pullar halindedir. Bu
grafit pullar dökme demire kendi kendini yağlama özelliği verir ve kırılgan
oluşunun da birinci sebebidir. Çelikte ise, karbon daima bitişiktir ve bu yüzden
çelik hiçbir zaman grafit içermez.
2. İmalat işlemlerinde dökme demir, çeliğe oranla daha çok doku bozukluğu gösterir.
Bu da, dökme demirin, çeliğe oranla daha az dayanımlı ve az inceltilebilir olmasına
neden olmaktadır.
7.3.2
DÖKME DEMĠR
Dökme demir, esas olarak demir, karbon ve silisyum ile, çok az miktarlarda
diğer bazı elementlerden oluşan bir alaşımdır. Dökme demir aşağıdaki özelliklere
sahiptir:
1. Sünekliği (tel ve levha haline getirilebilirlik) az ve kırılgandır,
2. Çekme dayanımı düşük, basma dayanımı çok daha yüksektir (basma dayanımı,
kopma dayanımının dört katı kadardır).
Dökme demir, örneğin silindir gömleklerinde çok iyi bir yağlama yüzeyi sağlar,
ucuzdur ve silindir bloğu gibi karmaşık biçimlerde bile dökülebilir. Dökme demir,
içerisinde bulunan karbonun birleşik veya serbest grafitik durumda olmasına bağlı
olarak değişik özellikler gösterir ve değişik isimlerle anılır.
7.3.2.1 GRĠ DÖKME DEMĠR
Bütün dökümlerin % 70...80 'i, gri dökme demirden yapılmaktadır. Koyu gri
görünümünden dolayı bu adı almıştır. Gri dökme demir, içerisinde % 2...4 karbon, %
1...3 silisyum, ve önemsiz miktarda manganez ve fosfor bulunan dökme demirdir.
Karbonun çoğunluğu serbest grafit pullar halindedir. Şekil 7.4. Gri dökme demirin
özelliklerini işte bu grafit pulların biçim, boyut ve dağılımı belirler.
Gri dökme demir, yumuşak, kolay işlenebilir, iyi sönümleme özelliğine sahip
fakat kırılgan ve düşük dayanımlı bir malzemedir. Aşınma, paslanma ve ısıya karşı
dayanımı yüksek, ısıl genleşmesi düşüktür. Dökme demirlerin en ucuzudur. Bu
özelliklerinden dolayı, makine gövdelerinin, dişli kutularının ve motor bloklarının
yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Gri dökme demirin kopma dayanımı 100...400 N/mm2, basma dayanımı
400... 1400 N/mm2 arasındadır.
Gri dökme demir
Sfero dökme demir
Şekil 7.4. Gri ve sfero dökme demirin karbon dokuları.
7.3.2.2 BEYAZ DÖKME DEMĠR
Kırılan yüzeylerinin beyaz metalik görünümünden dolayı bu adı almıştır. Gri
dökme demirin elde edildiği işlemlerle elde edilmekte, fakat kompozisyonu, karbonun
çoğunluğu birleşik biçimde (karbid - sementit) olan bir mikro yapı elde edilecek
şekilde daha sıkı kontrol edilmektedir. Beyaz dökme demirin özelliklerini karbonun
mikro yapı içerisindeki miktar ve biçimi ile, silisyum, manganez, fosfor ve diğer metal
miktarları, soğutma hızı ile ısıl işlemler belirler. Karbon sertliğini etkiler. Çok karbon,
daha' sert demir demektir. Silisyum, demir karbid oluşumunu etkiler. Soğutma hızı,
aşıntı direncini etkiler.
35
Beyaz dökme demir, sert ve kırılgan bir malzemedir. Dökme demirler arasında
işlenmesi en zor olandır. Aşınma dayanımı yüksektir. Bu özelliğinden dolayı, fazla
aşıntıya maruz kalan parçaların yapımında kullanılmaktadır.
7.3.2.3 SFERO DÖKME DEMĠR
Sfero dökme demir de, gri dökme demirle aynı ham malzemelerden fakat bir
fırında (kupol ocağı, hava veya elektrikli fırın) elde edilmektedir. Gri ve beyaz dökme
demirden farklı olarak, karbonun çoğunluğu tanecikler şeklinde ve geri kalanı da
birleşik biçimde olan bir mikro yapıdadır. Sfero dökme demir, içerisinde % 2,2...4,0
karbon, % 1,8...2,8 silisyum, % 0,8 'e kadar manganez, en fazla % 0,1 fosfor ve en
fazla % 0,03 kükürt bulunan dökme demirdir.
Sfero dökme demir, düşük erime sıcaklığı, döküme elverişli akıcılık, iyi
sertleştirilebilirlik ve kırılganlık direnci özelliğine bir malzemedir. Bu özelliklerinden
dolayı, otomotiv alanında dişli kutularının ve motor bloklarının yapımında yaygın
olarak kullanılmaktadır.
Sfero dökme demirlerin kopma dayanımları 400...800 N/mm*,
basma dayanımları ise 320... 1200 N/mm" arasındadır.
7.3.2.4 DÖVÜLEBĠLĠR DÖKME DEMĠR
Dövülebilir dökme demir, uygun kompozisyondaki beyaz dökme demirden, ısıl
işlem yoluyla elde edildiğinden, ikinci derece dökme demir olarak dikkate
alınmaktadır. Dövülebilir dökme demir, içerisinde % 2,2...2,7 karbon, % 1,0... 1,7
silisyum, % 0,4...0,55 manganez, % 0,1...0,2 kükürt ve % 0,03...0,1 fosfor bulunan
dökme demirdir.
Dövülebilir dökme demir, kolay işlenebilir, iyi sönümleme özelliğine sahip;
sünek, paslanma direnci yüksek ve ısıl işlemden dolayı homojen dokulu bir
malzemedir. Dökme demirlerin en işlenebilir olanıdır. Çelik döküme daha ucuz bir
alternatiftir. Bu özelliklerinden dolayı, otomotiv alanında (örneğin arka dingil
kovanlarının yapımında) yaygın olarak, kullanılmaktadır.
7.3.2.5 ALAġIM DÖKME DEMĠRLER
Alaşım dökme demirler, içerisinde silisyum, nikel, krom, alüminyum, molibden
gibi alaşım elementlerinin miktarları fazla olan dökme demirdir. Alaşım dökme
demirlerin üretimindeki temel amaç, yapısını ve özelliklerini değiştirerek, özel
ihtiyaçlara cevap verebilmesini sağlamaktır. Alaşım dökme demirler çoğunlukla,
paslanmaya, aşınmaya ve ısıya direncini yüksek malzeme elde etmek için üretilirler.
Paslanma direnci yüksek, yüksek silisyumlu tip alaşım dökme demirin içerisinde %
36
14,0 'ten fazla silisyum, yüksek kromlu tip alaşım dökme demirin içerisinde % 20...30
krom, yüksek nikelli tip alaşım dökme demirin içerisinde % 14...30 nikel
bulunmaktadır.
Alaşım dökme demirler de, çelik döküme daha ucuz bir alternatiftir. Yorulma
dirençleri de daha yüksektir. Motor krank milleri, kam milleri bazen alaşım dökme
demirden yapılmaktadır.
7.3.3
SAF KARBONLU ÇELĠKLER
Saf karbonlu çelik, demir ve karbonun önemsiz miktardaki diğer bazı
elementlerle yaptığı alaşımdır. Bu nedenle karbon, karbonlu çeliklerin özelliklerinin
belirlenmesinde çok önemli bir rol oynar. '''Saf karbonlu" terimi, içerisinde özel
olarak katılan alaşım elementleri bulunan çeliklerden, bu elementleri önemsiz
miktarlarda kendiliğinden içeren çelikleri ayırt etmek amacıyla kullanılmaktadır.
Tüm çeliklerin yaklaşık % 85 'i saf karbonlu çeliktir. Teknolojinin ihtiyacını
karşılamak için günümüzde 130 çeşit kadar saf karbonlu çelik üretilmektedir. Saf
karbonlu çelikler, esas olarak, içerisinde bulunan karbon yüzdesi ile belirlenmektedir.
Karbon yüzdesi arttıkça, çeliğin dayanımı ve sertliği artmakta, inceltilebilirliği ve
dövülebilirliği azalmaktadır. Saf karbonlu, çelikler genellikle üç gruba ayrılmaktadır.
Saf karbonlu çeliklerin kopma dayanımları, 275...550 N/mm2
arasındadır.
7.3.3.1 DÜġÜK KARBONLU ÇELĠKLER
Düşük karbonlu çelik (yumuşak çelik veya demir de denmektedir), bünyesinde
% 0,08...0,35 arasında karbon bulunan çeliktir. En çok üretilen çelik grubudur. Düşük
karbon yüzdesi sebebiyle, sertleştirilemezler. Daha çok inşaatlarda, köprülerde ve
gemilerde kullanılırlar. Kolay kaynatılabilir, şekillendirilebilir ve sıcak dövülebilirler.
Ancak, makinede işleme özellikleri zayıftır.
7.3.3.2 ORTA KARBONLU ÇELĠKLER
Orta karbonlu çelik, bünyesinde % 0,35...0,5 arasında karbon bulunan çeliktir.
Daha yüksek karbon yüzdesi sebebiyle, sulama ile sertleştirilebilir ve tavlanabilirler.
Ancak, en iyi mekanik özelliklere sahip olabilmeleri için, sertleştirilmeden önce,
normalleştirilmeleri veya tavlanmaları gerekir. Bütün karbonlu çeliklerin en çok
amaçlı olanıdır. Çünkü sertleştirilebilir, kaynak edilebilir ve makinede işlenebilirler.
Daha çok sıcak dövme, yüksek dayanımlı döküm, krank milleri, makine parçalan ve
birçok el takımının yapımında kullanılırlar.
7.3.3.3 YÜKSEK KARBONLU ÇELĠKLER
Yüksek karbonlu çelik, bünyesinde % 0,5 'ten fazla karbon bulunan çeliktir.
Sertleştirilmeye en hazır çelik grubudur. Yüksek karbon yüzdesi sebebiyle,
üretilmeleri zor, daha pahalı ve bu nedenle uygulama alanları sınırlı bir çeliktir.
Makinede işlenmeleri ve kaynatılabilmeleri zordur. Daha çok, yayların, el takımlarının
ve kesici takımların yapımında kullanılırlar.
7.3.4 ÇELĠK ALAġIMLARI
Çelik alaşımları, içerisinde özel olarak katılan alaşım elementleri bulunan
çeliklerdir. Çelik alaşımları tüm çelikler arasında küçük bir yüzde oluşturuyorsa da,
modern teknolojideki önemleri dikkate değer orandadır.
Çelik alaşımları;
• Dayanım ve sertliğini artırmak, (böylece ağırlık/dayanım oranı azalmaktadır),
• Mekanik özelliklerin dağılımını düzgünleştirmek,
• Sıcaklık, paslanma ve aşıntı gibi, çevre faktörlerine karşı dayanımını artırmak,
amaçlarıyla
üretilmektedirler. Çelik alaşımları da, çelikler gibi üç grupta
değerlendirilirler.
7.3.4.1
DÜġÜK ALAġIMLI ÇELĠKLER
Düşük alaşımlı çeliklerin bünyesinde de, düşük karbonlu çeliklerde olduğu gibi,
% 0,08...0,35 arasında karbon bulunmaktadır. Bu çeliğin geliştirilmesinin esas amacı,
özellikle hareketli parçaların ağırlık/dayanım oranını azalmaktır. Düşük alaşımlı
çeliklerdeki temel alaşım elementleri, karbon, fosfor, molibden, manganez, silisyum,
bakır, krom ve nikeldir. Fosfor, manganez, krom ve nikel, esas olarak dayanımı
artırmak amacıyla kullanılır. Molibden, hem dayanımı, hem de sertleştirilebilirliği
artırmak amacıyla kullanılır. Bakır, atmosferik paslanmaya direnci artırmak için ve
silisyum da oksitlenme önleyici olarak katılır. Çelikte kullanılan temel alaşım
elementlerinin etkileri, Çizelge 7.2 'de verilmiştir. Kolay kaynak edilebilir, soğuk
dövülebilir ve makinede işlenebilirler.
Düşük alaşımlı çeliklerin minimum kopma dayanımları
350 N/mm2 kadardır.
Çizelge 7.2 Çelikte kullanılan alaşım elementlerinin etkileri.
7.3.4.2 ORTA ALAġIMLI ÇELĠKLER
Orta alaşımlı çelikler, orta karbonlu çeliklerin verimli olarak görev
yapamadıkları alanlarda, esas olarak sertleştirme yeteneğini geliştirmek amacıyla
üretilirler. Orta alaşımlı çeliklerde, şekil bozunumu, artık gerilimler ve sertleştirme
derinliği gibi, orta karbonlu çeliklerdeki sınırlayıcı faktörler giderilmiştir. Orta alaşımlı
çeliklerdeki temel alaşım elementleri, nikel, molibden, vanadyum, krom, manganez ve
silisyumdur. Nikel, çeliklerdeki en yaygın alaşım elementidir. Nikel, esas olarak
tokluğu, dayanımı ve sünekliği artırmak amacıyla kullanılır. Yüksek oranlarda
kullanıldığında ısıya ve aside karşı direnci de artırır. Nikelli çelikler, takım, paslanmaz
çelik, dişli, rulman yatak ve diğer otomotiv ve makine parçalarının yapımında
kullanılır. Molibden, sertleştirilebilirlik özelliğini ve şok direncini artırmak amacıyla
kullanılır. Molibdenli çelikler takım, dişli, rulman yatak ve çok sıcak buhar borularının
yapımında kullanılır.% 14 ' kadar manganezli çeliklerin, tokluk, aşıntı ve çizilmeye
karşı direnci yüksektir. İşlenmesi zor olduğundan, daha çok döküm yoluyla
şekillendirilir. Silisyum, oksitlenme önleyiciliğinin yanı sıra, çeliğin magnetik
özelliklerini de iyileştirir. Titanyum, çeliğin yüksek sıcaklıklardaki dayanımını
iyileştirmek amacıyla kullanılır. Vanadyum, çeliğin kopma dayanımını ve
elastikiyetini iyileştirmek amacıyla kullanılır. Bu nedenle vanadyum, yay, dişli ve
yüksek dayanımlı boru hatlarının yapımında kullanılır. Kükürdün yerine kullanılan
kurşun, çeliğin makinede işlenebilirliğini iyileştirmek amacıyla kullanılır.
7.3.4.3 YÜKSEK ALAġIMLI ÇELĠKLER
Yüksek alaşımlı çeliklerin bünyesinde de, yüksek karbonlu çeliklerde olduğu
gibi, % 0,5 'ten fazla karbon bulunmaktadır. Sertleştirilmeye en hazır çelik grubudur.
Yüksek karbon yüzdesi sebebiyle, üretilmeleri zor, daha pahalı ve bu nedenle
uygulama alanları sınırlı bir çeliktir. Makinede işlenmeleri ve kaynak edilebilmeleri
zordur. Daha çok, yayların, el aletlerinin ve kesici takımların yapımında kullanılırlar.
7.3.6
ALÜMĠNYUM VE ALAġIMLARI
Alüminyum, demir olmayan metallerin en önemlisidir. En önemli özellikleri;
hafifliği, dayanıklılığı, işlenebilirliği, ısı ve elektrik iletkenliği, oksitlenme direnci,
magnetik ve zehirli olmayışı, ışık ve ısıyı yansıtması ve göze hoş gelen görünümüdür.
Özellikle ağırlık/dayanım oranının düşüklüğü, paslanma direnci, ışığı yansıtma ve
anodik kaplamaya uygunluğu, alüminyumu otomotiv alanında çok kullanılan bir metal
yapmıştır.
Alüminyumun
kopma 90...200 N/mm2
dayanımı arasındadır
Alüminyumun karakteristikleri, alaşımlarıyla, ısıl işlemle ve soğuk işleme ile
geliştirilebilmektedir. Temel alaşım elementleri olan bakır, manganez, silisyum,
magnezyum ve çinkonun etkileri çok önemlidir. Bu elementler, alüminyumun döküm
karakteristiklerini, işlenebilirliğini, sertleştirilebilirliğini, dayanımını ve oksitlenme
direncini
iyileştirmek
amacıyla,
%1...20
arasında
katılırlar.
Bakır,
sertleştirilebilirliğini, dayanımım, işlenebilirliğini ve oksitlenme direncini iyileştirmek
amacıyla katılır. Ancak bakır, uzamasını azaltır ve fiyatını yükseltir. Manganez,
oksitlenme direncini ve dayanımını iyileştirmek için kullanılır. Magnezyum makinede
işlenebilirlik karakteristiklerini iyileştirmek için kullanılır ancak, çabuk oksitlenme
problemi çıkar. Silisyum, akıcılık ve gaz sıkılığım iyileştirir ve dökme alüminyumdaki
çekme problemlerini azaltır. Çinko, yüksek dayanımlı alüminyum alaşımlarda
kullanılan ve makinede işlenebilirlik ve döküm karakteristiklerini iyileştirir.
7.3.5
BAKIR VE ALAġIMLARI
Bakırın en önemli özellikleri; ısı ve elektrik iletkenliği, oksitlenme direnci, aşıntı
direnci yüksek sıcaklık performansı ve sünekliğidir. Kopma dayanımı 200-..370
N/mm kadardır ancak, alaşım yaparak, soğuk işlemle ve ısıl işlemle iyileştirilebilir. İyi
elektrik iletkenliği nedeniyle elektrik endüstrisinde, iyi ısı iletkenliği ve atmosferik
oksitlenme direnci nedeniyle de, kimyasal ekipmanlarda, mutfak araçlarında, yakıt
borularının yapımında, otomotiv radyatörlerinde, ısı eşanjörlerinde, yağ soğutucularda
kullanılmaktadır. Bakırın aşıntı ve yüksek sıcaklık performansı, alüminyum ve
magnezyumunkinden daha iyidir. Sünekliği nedeniyle de biçimlendirilmesi kolaydır.
Temel alaşım elementleri çinko, kalay,, alüminyum, silisyum, nikel, manganez,
berilyum, kurşun ve fosfordur.
Bakır-çinko alaşımına "pirinç" denir. Alaşımdaki çinko miktarı % 5...40
arasındadır. Pirinçler, sade, serbest kesilen ve çeşitli pirinçler olarak gruplandırılırlar.
Dayanımını (300...700 N/mm 'ye kadar), sünekliğini. renk değişimini ve kurşunla
birlikte makinede işlenebilirliğini iyileştirmek için bakıra çinko katılır.
İkinci önemli bakır alaşım grubu, bakır-kalay alaşımıdır ve "bronz" olarak
adlandırılır. Kalay, bakırın dayanımını; işlenebilirliğini, sertlik ve sünekliğini
iyileştirmek için katılır, ancak fiyatını yükseltir. Bronzlar, düşük sürtünme katsayısı ve
ağır yük altında çalışan, kurt dişliler, yatak burçları gibi parçaların yapımında
kullanılırlar.
Bakırın kopma dayanımı 200...370 N/mm2
Pirincin kopma dayanımı 300...700 N/mm2,
kadardır.
7.3.7
KOMPOZĠT MALZEMELER
İki veya daha fazla malzeme, eriyerek veya birbirine nüfuz ederek birbirinin içine
tam olarak girmeksizin, özelliklerini koruyarak birleştirilirse, elde edilen yeni
malzemeye "kompozit" denmektedir. Bu malzemenin yapısı özellikleri, diğer
bileşiklerinkinden tamamen farklı olmaktadır. Kompoziti oluşturmak üzere
birleştirilen malzemelere "oluşturan" denmektedir. Oluşturanlar kendi özelliklerini
koruduklarından, kompozitin özellikleri oluşturanlar tarafından belirlenmektedir.
Böylelikle, bir kompozit örneğin bir oluşturanının dayanımına, bir oluşturanının
hafifliğine, bir diğer oluşturanının kimyasal, ısıl ve elektriksel özelliklerine sahip
olabilir. Kompozit malzemeler doğal (ağaç, deri, kemik, taş, vb.) veya insan yapımı
(cam, çimento, vb.) olabilir. Şekil 7.5.
Kompozitler;
1. Lifli kompozit malzemeler,
2. Katmanlı kompozit malzemeler,
3. Parçacıklı kompozit malzemeler,
olmak üzere üç grupta değerlendirilirler.
Şekil 7.5 Kompozit malzeme (sürtünmeli kavramalarda kullanılmakla olan ve serametalik adı
verilen bu kompozitte. açık renkte görünen alanlar bakır ve alaşımlarını, gri alanlar
grafit yongalarını, siyah alanlar da seramiği göstermektedir).
Lifli kompozit malzemeler, biri lifli ve diğeri de tutucu olmak üzere, en az iki
oluşturandan meydana gelmektedir. Dayanımları son derece yüksektir. Örneğin, cam
liflerin kopma dayanımları 2750...4800 N/mm2 arasındadır. Hafifliğin önemli olduğu
havacılık ve otomotiv alanlarında kullanılmaktadırlar, Şekil 7.6.
Şekil 7.6 Lifli kompozit malzemeden üretilmiş biyel.
Katmanlı kompozit malzemeler, iki veya daha fazla sayıdaki benzer veya farklı
malzeme katmanlarının birleştirilmesinden meydana gelmektedir. Sınırsız sayıda
malzeme bu yolla birleştirilebilir. Katmanlı kompozit malzeme üretmek için nedenler
çeşitlidir. Katmanlı kompozit malzemeler, dayanım/ağırlık oranım artırmak amacıyla,
dayanıklı ve hafif malzemelerin birleştirilmesiyle üretilmektedirler. Hafifliğin önemli
olduğu uçaklarda ve denizaltılarda kullanılmaktadırlar. Aşıntı, paslanma,
ısıl dirençleri yüksek, katmanlı kompozit malzemeler de üretilebilmektedir.
ve
Parçacıklı kompozit malzemeler, farklı boyutlardaki malzeme parçacıklarının
bir tutucu içerisinde birleştirilmesiyle meydana gelmektedir. Parçacıklı kompozit
malzemeye bilinen bir örnek, çakıl tanecikleriyle portland çimentonun oluşturduğu,
bildiğimiz betondur. Çok sayıda farklı parçacıklı kompozit üretilebilir. Örneğin, metal
pudralan plastik malzemeden bir tutucu ile bağlanarak, yatak malzemesi
üretilmektedirler. Seramik parçacıklar metal tutucularla bağlanarak, metal kesici
takımlar, sıcak çekme kalıplan, vb. üretilmektedirler.
7.3.8
YATAK METALLERĠ
Motorlarda kullanılan yatak metalleri, artan sertlik sırasına göre aşağıdaki gibi
sıralanırlar:
1. Kurşun esaslı beyaz metaller, esas olarak kurşun ve onunla birlikte küçük
oranlarda kalay, antimuan ve bakır alaşımlandır.
2. Kalay esaslı beyaz metaller, % 90 'a kadar kalay ve onunla birlikte küçük
oranlarda bakır, antimuan ve bazen kurşun alaşımlandır.
3. Bakır-kurşun alaşımları, % 10...30 kadar kurşun ve geriye kalanı bakır
alaşımlarıdır.
4. Kurşun-bronz alaşımları, % 4...22 kadar kurşun, % 5...11 kadar kalay ve
geriye kalanı bakır alaşımlandır.
5. Fosfor-bronz alaşımları, bakır, kalay ve % 1 kadar fosfor alaşımlandır..
7.4
ISIL ĠġLEMLER
Demir esaslı metallerin çoğu. kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, hızla
soğutularak (genellikle suya daldırılarak) sertleştirilebilmektedirler. Bütün ısıl
işlemlerin %90 dan fazlası çeliklere uygulandığından, açıklamalar çelikle ilgili olarak
yapılacaktır. Isıl işlemin sınırlan şunlardır:
1. Çeliğin karbon içeriği yeterli olmalıdır. Karbon miktarı % 0,4 veya daha fazla
oluncaya kadar sertleşme hissedilmemektedir.
2. Parça, uygun temperleme sıcaklığına ulaşıncaya kadar yeterli süre verilmelidir.
3. Parça, yeterince hızlı soğutulmalı ancak soğutma, deformasyon veya kırılma olacak
kadar da hızlı olmamalıdır.
4. Malzemenin biçim ve boyutları, çatlama tehlikesi olmadan sulanacak durumda
olmalıdır.
Sulama, dayanım ve sertliğin her ikisini de yükseltmekte ancak, sünekliğini
azaltmakta, tam olarak sulandığında ise, kırılganlığını son derece artırmaktadır.
Uygulamada, parçaların sulamadan somaki tokluğunu geliştirmek, uygun dayanım,
sertlik ve süneklik
tavı uygulanır.
düzeyleri elde etmek için, uygun düzeyde temperleme
7.4.1 TEMPERLEME
Temperleme, sertleştirilebilir çeliklere uygulanan bir ısıl işlemdir. Parça, vişne
rengine kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, suya daldırılarak soğutulursa, tamamı
sertleşir. Parça, daha sonra uygun temperleme sıcaklığına kadar ısıtıldıktan sonra,
tekrar sulanır. Isıtılan parçanın rengi, temperleme sıcaklığının bir göstergesidir. Ancak,
temperlemenin daha doğru yapılabilmesi için, uygun termometrelerin kullanılması
gerekir. Temperleme sıcaklıktan, 300°C 'ye kadar çıkabilir. Yüksek temperleme
sıcaklıkları, daha az sertlik fakat daha fazla tokluk demektir
7.4.2 YÜZEY (KABUK) SERTLEġTĠRME
Piston pimi gibi bazı parçaların, aşıntıya dirençli olmaları için sert yüzeye,
darbelere dayanıklı olmaları için de tok öze sahip olmaları istenmektedir. Bu
özelliklerin elde edilebildiği ısıl işleme, yüzey sertleştirme denmektedir.
Yüzeyi sertleştirilecek parça, önce karbürlenir. Karbürleme, dış yüzeyi
sertleştirilecek olan parçanın karbonca zengin parçalarla temas halinde ısıtılarak, dış
yüzeyindeki karbon miktarının artırılmasıdır. Isıtma işlemi, karbonla paketlenmiş
parçanın, hidrokarbon gazla dolu fırınlarda veya potasyum ve sodyum siyanürlü
banyolarda da gerçekleştirilebilir, Şekil 7.7. Karbürlemede kullanılan malzeme
genellikle yumuşak çelik veya düşük karbonlu alaşım çeliğidir. Karbürleme için. tok
öz ve sert yüzeyden öze uyumlu geçiş sağlaması ve böylece sert kabuğun parçadan
soyulması riskini azaltması nedeniyle, % 3...5 nikelli düşük karbonlu alaşım çeliği
tercih edilmektedir. Bu işlem, parçanın özünü etkilemezken, dış yüzeyim yüksek
karbonlu çelik yapmaktadır. Parça, karbürlemeden sonra, bilinen ısıtma ve soğutma
yöntemiyle sertleştirilir.
7.4.3 NORMALLEġTĠRME
Normalleştirme, çeliğin, sertleştirmede olduğu gibi, kızarıncaya kadar
ısıtıldıktan sonra, havada soğutularak yumuşatılması işlemidir. Normalleştirme
genellikle, çeliklerin makinede işlenebilirliğini geliştirmek amacıyla uygulanır. Çelik,
işlendikten sonra, tekrar uygulanacak ısıl işlemler için de ideal özelliklerdedir.
7.4.4 KONTROLLÜ TAVLAMA
Kontrollü (yavaş) tavlama, çeliğin, normalleştirmede olduğu gibi kızarıncaya
veya biraz daha düşük sıcaklıklara kadar ısıtıldıktan sonra, hava yerine kum veya
sönmüş kireç içerisinde, veya bir fırında, yavaşça soğutularak yumuşatılması işlemidir.
Kontrollü tavlama, çeliklerin gerilimlerini gidermek, homojenleştirmek ve makinede
işlenebilirliğini geliştirmek amacıyla uygulanır. Kontrollü tavlamaya tabi tutulan çelik,
işlendikten sonra, tekrar uygulanacak ısıl işlemler için de ideal özelliklerdedir.
Yavaş normalleştirme, demir olmayan malzemelere de uygulanabilir. Örneğin
bakır, kızarıncaya kadar ısıtıldıktan sonra, suya daldırılarak soğutulursa,
normalleştirilmiş olur. Saf alüminyum, yaklaşık 350°C 'ye kadar ısıtıldıktan sonra, oda
sıcaklığına kadar soğutularak normalleştirilir. Kaynak edilen alüminyum alaşımların
gerilimlerinin giderilmesi de, yaygın olarak uygulanan bir işlemdir.
7.4.4 NĠTRÜRLEME
Nitrürleme de, yüzey sertleştirme gibi, ancak, sadece belirli çelik ve dökme
demirlere uygulanabilen bir sert yüzey elde etme işlemidir.
Sertleştirilen yüzey, daha önce açıklanan yüzey sertleştirmedekinden daha ince,
ancak daha serttir. Nitrürleme işlemi, parçanın, amonyak gazlı bir ortamda, 500°C
kadar sıcaklıkta ve 10 saat kadar süre tutulmasıyla gerçekleştirilir, Şekil 7.8. Nispeten
düşük sıcaklık, nitrojenin alınmasını fakat karbonun alınmamasını sağlar. Metalin
yüzeyi, esas sertleştirici eleman olan nitrojeni absorbe eder. Nitrürleme, dökme demir
silindir gömleklerinin, alaşım çeliğinden yapılan supapların saplarının, krank
millerinin, pompa millerinin yüzeylerinin sertleştirilmesinde kullanılır. Nitrürlenen
yüzey oldukça temizdir. Yüzeydeki hafif grilik parlatılarak giderilebilir. Nitrürleme,
yüzey sertleştirmenin yanı sıra, parçaların paslanma direncini ve yorulma direncini de
artırmaktadır.
YANMA ODASI, SĠLĠNDĠR
BLOĞU
ve SĠLĠNDĠR KAPAĞININ
TASARIMI
8.1
YANMA ODASININ TASARIMI
Yanma odası tasarımı, yanma sırasında açığa çıkan enerjinin oranına önemli
derecede etki ettiğinden, motor performansının belirlenmesinde anahtar rol
oynamaktadır. Uygun bir yanma odası tasarımı, düşük vuruntu eğilimi, düşük gürültü
düzeyi, yüksek indike güç, yüksek termik verim, düşük zararlı emisyon düzeyi, yüksek
volumetrik verim, yeterli düzeyde supap soğutma ve yağlaması, ve düşük yüzey/hacim
oranına sahip olmalıdır. Bunlardan bazıları birbirine zıt özelliklerdir. Örneğin, termik
verimi artırmak amacıyla silindir yüzey sıcaklığını yükseltmek, yüzey ateşlemesi
nedeniyle motorun sert çalışmasına sebep olmaktadır. Tasarımda, yıllar boyu süregelen
gelişmeler ve kazanılan deneyimler dikkate alınmalı ve gerekli görülen değişiklikler
onun üzerinde yapılmalıdır. Önceki yanma odasının modifikasyonu, imalatçı açısından
da iyi bir tasarım olarak görülmektedir.
Bir motorun yanma odası, üstten silindir kapağı, emme ve egzoz supapları ve
buji, alttan ise, piston ve üst kompresyon segmanı tarafından çevrelenmiştir. Yanma
odasının tasarımı sırasında bu yüzeylerin dikkate alınması gerekmektedir. Şekil 8.1
buji ile ateşlemeli. Şekil 8.2'de ise sıkıştırma ile ateşlemeli motorlara ait çeşitli yanma
odası tipleri görülmektedir.
Yanma odasının biçimi, benzin motorlarının vuruntu eğilimini dikkate değer
ölçüde etkilemektedir. Tasarıma göre gerekli oktan sayısında 8... 10 sayı fark
olabilmektedir. Motorun mümkün olan en düşük oktan sayısı ile çalışması
istenmektedir. Böyle bir motor, silindirde, sıkıştırma oranını artırarak vuruntu ve
gürültülü çalışmaya sebep olan karbon birikimine daha az duyarlıdır. Böyle bir
tasarımın bir başka özelliği de, oktan sayısını piyasada bulunan yakıtlarınkinin üzerine
çıkarmadan, sıkıştırma oranının geliştirilmesine olanak vermesidir. Sıkıştırma oranını
artırmanın birçok yolu olabilir. Bunlardan biri, pistonun tepesini biraz yüksek yapmak,
diğeri ise, silindir kapağı tasarımında küçük değişiklikler yapmaktır.
Diesel motorlarında kullanılan yanma odaları genellikle;
1. Bölüntülü (ön odalı, türbülans odalı) yanma odaları,
2. Bölüntüsüz yanma odaları (direkt püskürtmeli motorlar),
gibi sınıflandırılmaktadır.
Ön odalı yanma odaları, küçük boyutlu ve hızlı motorlarda yaygın olarak
kullanılan yanma odası tiplerinden birisidir. Yanma odası iki bölümden yapılmıştır. Ön
oda denilen küçük bölme, esas yanma odasına birkaç küçük delikle irtibatlandırılmıştır
ve toplam yanma odasının % 25...40 4ı kadardır. Yakıt ön odaya püskürtülmekte ve
kısmen yanan karışım ön oda tarafından ana yanma odasına ikinci bir enjektör gibi
püskürtülmekte ve sağlanan iyi bir türbülansla yanma tamamlanmaktadır. Bu sistemin
önemli avantajları, enjektör lülesinin hassasiyet gerektirmeyişi ve düşük enjeksiyon
basınçlarında (80... 120 bar kadar) başarıyla kullanılmalarıdır. Ön yanma odalı diesel
motorları daha yumuşak ve sessiz çalışırlar. Ancak, termik verimleri daha düşük, ilk
harekete geçirilmeleri daha zordur (ısıtma bujisi kullanılır).
Türbülans odalı yanma odaları da, yine ön odalı diesel motorlarında olduğu gibi,
küçük boyutlu ve hızlı taşıt diesel motorlarında yaygın olarak kullanılan bir diğer yanma
odası tipidir. Yanma odası iki bölümden yapılmıştır. Türbülans odası denilen küçük
bölme, esas yanma odasına teğetsel bir geçiş boğazı ile bağlanmıştır ve toplam yanma
odasının % 40...60 'ı kadardır. Sıkıştırma sırasında hava bu odaya dolarken de türbülans
oluşturmaktadır. Yakıt bu odaya püskürtülmekte ve kısmen yanan karışım
ana yanma odasına akarken yine iyi b i r türbülans sağlamakta ve yanma tamamlanmaktadır.
Bu sistemin önemli avantajları da, ön odalıda olduğu gibi, enjektör lülesinin hassasiyet
gerektirmeyişi ve düşük enjeksiyon basınçlarında (100... 125 bar kadar) başarıyla
kullanılmalarıdır. Türbülans odalı diesel motorları da yumuşak ve sessiz çalışırlar. Ancak,
termik verimleri daha düşük, ilk harekete geçirilmeleri daha zordur (ısıtma bujisi kullanılır).
Bölüntüsüz (direkt püskürtmeli) yanma odalarında daha çok çok delikli enjektörler
kullanılır ve enjektör genellikle yanma odasının tam ortasına yerleştirilir. Karışımın
oluşturulmasında, emme kanal ve supaplarının uygun tasarımı ile, primer türbülanstan
yararlanılmaktadır. Türbülans için, emme kanalları, silindir çapı doğrultusuna göre 15°...60°
kadar yönlendirilmektedir. Egzoz kanalları da yine havanın kısa devre olmasını engellemek
amacıyla 45°...60° kadar yukarıya doğru eğimli yapılırlar. Emme kanal ve supaplarının uygun
tasarımı ile sağlanan türbülans, MAN modelinde olduğu gibi, piston ve yanma odasına
verilecek uygun biçimlerle güçlendirilebilir. Direkt püskürtmeli diesel motorları daha sert
çalışırlar ancak, termik verimleri ve maksimum basınçlan, diğerlerine oranla daha yüksektir.
Bu nedenle yüksek enjeksiyon basınçlan (175 bar kadar) gereklidir. İlk harekete geçirilmeleri
de daha kolaydır.
8.1.1 YANMA ODASI TASARIMINI ETKĠLEYEN FAKTÖRLER
Uygun bir yanma odası tasarımında, tasarımcının çözümlemesi gereken özel
koşullara ek olarak, sıkıştırma oranı, silindir çapı, türbülans, ezilme (bazı tip yanma
odalarında pistonun, sıkıştırmanın sonuna doğru bir kısım karışımı ezmesi), söndürme,
volumetrik verim, supapların yeri ve boyutları, bujinin yeri ve yüzey/hacim oranı gibi
temel etkenler bulunmaktadır. Yanma odasını tasarımında aşağıdaki faktörler dikkate
alınmalıdır.
8.1.1.1 TÜRBÜLANS
Türbülans, silindire dolmakta olan çalışma maddesinin, silindir
içerisindeki dönme hareketidir. Şekil 8.3. Türbülansın etkisi, çayınıza şeker attığınızda,
şekerin çayla çabukça karışması için kaşıkla çevirmenizin yaptığı etkiye benzemektedir.
Şekil 8.3 Türbülans.
Benzer şekilde, karışıma türbülans verilmesiyle, yakıt ile havanın çok daha homojen
karışması ve yanmanın da üniform olması sağlanmaktadır. Türbülans aynı zamanda,
alev cephesinin karışımı daha çabuk katetmesini sağlamakta ve böylece vuruntu
ihtimalini de azaltmaktadır. Türbülans, emme supabının yanma odasının ortasında
değil de kenara doğru kaçık yapılmasıyla veya supabın üzerine yönlendirme çıkıntısı
eklenerek (bu durumda supabın dönmemesi sağlanmalıdır) sağlanabilir. Böylelikle,
çalışma maddesi silindirin içine doğru, Şekil 8.3 'te görülen kırmızı oklarla gösterildiği
gibi dönerek ilerleyecektir.
8.1.1.2 EZĠLME
Ezilme, bazı tip yanma odalarında pistonun, sıkıştırmanın sonuna doğru bir kısım
karışımı sıkmasını, ezmesini ifade etmektedir. Şekil 8.1 'deki kama tipi yanma
odasında, ezilme alanı görülmektedir. Piston ÜÖN' ya yaklaşırken karışımın ezilme
bölgesinden sıkılıp dışarıya itilmesi, bir türbülans veya düz kaynatma hareketi
oluşturarak karışımın daha da iyi karışmasına sebep olur.
8.1.1.3 SÖNDÜRME
Bilindiği gibi vuruntu, alev cephesi ulaşmadan karışımın sonunun sıcaklığının
çok artması nedeniyle kendiliğinden ateşlenmesi ve patlamasına bağlı olarak duyulan
sestir. Ancak bazı motorlarda, ısı kaybına bağlı olarak, karışımın sonu soğumakta ve
alev cephesi ulaştığında dahi tutuşma sıcaklığına ulaşamamaktadır. Şekil 8.1 'de
görülen ezilme alanı, aynı zamanda söndürme alanıdır. Zira bu bölgede silindir ve
piston birbirine çok yakın bulunmakta, bu metal yüzeylerin nispeten soğuk olması
nedeniyle karışımın sonundan ısı çekilmektedir.
8.1.1.3 VOLUMETRĠK VERĠM
Motor torku veya gücünün artırılabilmesi, silindire bir çevrimde veya birim
zamanda daha fazla hava ve yakıtın alınması ve yakılmasına yani volumetrik veriminin
yüksek olmasına bağlıdır. Yanma odasının biçimi,volumetrik verimi etkileyen birçok
faktörden bir tanesidir. Diğerleri, manifold ve supap-port düzenlemeleri, supapların
boyutu, biçimi, ve yeri, karışım hazırlama ve hava filtresi tasarımı ile egzoz borusu ve
susturucudur.
8.1.1.4 YANMA ODASININ BĠÇĠMĠ
Yarı küresel yanma odalarının volumetrik verimi, geniş supapları ve ezilme
veya söndürme alanının yokluğu nedeniyle daha yüksek, ancak türbülansları daha
düşüktür. Buji, yanma odasının orta kısmına yerleştirilebilmekte ve böylece alev
cephesinin kat edeceği mesafe azalmaktadır. Bütün bunlar, yüksek hızlarda yüksek
performans sağlamaktadır. Ancak, yan küresel yanma odalarının' düşük hızlarda sert
çalışma ve vuruntu eğilimleri artmakta, tam gaz çalışmaları, supap mekanizması
düzenlemesi de kama tipi yanma odalarına göre daha karmaşık olmaktadır. Vuruntu,
Şekil 8.4 'te açıklanmıştır.
- Kama tipi yanma odaları, ezilme veya söndürme nedeniyle daha yüksek,
türbülans sağlamaktadır. Buji, yanma odasının bir tarafına yerleştirildiğinden, alev
cephesinin kat edeceği mesafe daha fazladır. Ancak, ezilme veya söndürme alanlarının
son karışımı soğutma etkisi ve yüksek türbülans, vuruntu ihtimalini azaltmaktadır. Bu
yüzden, kama tıpı yanma odalarındaki basınç artışı daha yavaş ve maksimum basınçlar, yarı küresel
yanma odalarındakinden daha düşük olmaktadır. Bu ise, motorun daha düzgün çalışmasını
sağlamaktadır.
8.1.1.5 SUPAPLARIN BİÇİMİ VE YERİ
Supaplar yanma odasına, iyi soğutma, iyi yağlanma ve yeterli kalkma yüksekliği sağlayacak
konumda yerleştirilmelidir. Daha yüksek hacimsel verim için geniş olmalıdırlar. Ancak, iyi türbülans
için, karışımın silindire yüksek hızla girmesi gerekmekte ve bu da supap portunun daraltılmasını,
supapların daha küçük yapılmasını gerektirmektedir .
8.1.1.6 BUJİNİN YERİ
Buji, yanma odasının orta kısmına yerleştirilmeli, alev cephesinin katedeceği mesafe fazla
olmamalıdır. İyi soğutma için, bujinin bağlandığı kısım su ceketlerine yakın olmalıdır. Eğer buji giren
dolgunun akış hattına yerleştirilirse, ilave soğutma sağlanabilir.
8.1.1.7 YÜZEY/HACİM ORANI
Yüzey/hacim oranı, karışımın iyi yanması için önemli bir faktördür. Yüksek yüzey/hacim oranı,
dumanlı yanmayı yanı egzoz gazlarındaki yanmamış hidrokarbonların miktarım artırmaktadır. Şekil 8.5
'te görüldüğü gibi, küresel yanma odaları, uygulanabilir en yüksek yüzey/hacim oranına sahiptir ve bu
nedenle egzoz gazlarındaki yanmamış hidrokarbon miktarı en düşük yanma odası tipidir.
MOTOR
PARÇALARININ
TASARIM HESAPLARI
8.1
GĠRĠġ
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 makinelerini 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.
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.
İçten yanmalı motorlar, Çeşitli alanlarda kullanılacak motorların seçiminde, bu
motorların, iki veya dört zamanlı, benzinli veya diesel, normal emişli veya süperşarjlı
olmaları gibi önemli seçenekler, hâlâ geçerlidir. Öyleyse, başarılı bir içten yanmalı
motor tasarımı. sahip olduğu ve çoğu günümüzde de tam olarak cevaplanmamış veya
anlaşılmamış problemlerinin çözümüyle yakından ilgilidir.
8.2
SĠLĠNDĠR BLOĞU
Silindir bloğu, piston-biyel-krank milinden oluşan mekanizma ile alternatör,
marş motoru ve ateşleme sistemi gibi elemanları üzerinde taşıyan ana parçadır. Silindir
bloklarının tasarımında, tasarlanan motorların güçleri ve kullanım yerleri dikkate
alınır. Örneğin, sabit tesis veya büyük gemi motorlarının silindirleri tek tek, ikişer veya
üçerli bloklar halinde imal edilirler. Zamanlarına göre de motor silindirleri de
farklılıklar gösterirler. İki zamanlı motorların egzoz ve emme portları silindir bloğu
üzerindedir. Dört zamanlı motorlarda supaplar silindir bloğunda veya kapakta olabilir.
Otomotiv motorları genellikle tek blok olarak, gri dökme demir (ör. GG 25).
dökme demir alaşımı veya alüminyum alaşımından, döküm veya basınçlı döküm
yöntemiyle yapılmaktadır. Kamyon motorlarının silindir blokları çoğunlukla gri
dökme demirden yapılırken, özellikle küçük hacimli ve az zorlanan otomobil
motorlarının silindir blokları, daha hafif, işlenmesi kolay ve ısı iletkenliği fazla olan
alüminyum alaşımından yapılmaktadır. Alüminyumun sıcaklığa, basınca ve
titreşimlere karşı dayanımını artırmak için içerisine nikel, magnezyum, dökme demir
ve silikon katılmaktadır. Alüminyum alaşımlı bloklara çelik, dökme demir, kuru ve yaş
gömlek takılarak, dayanımı yüksek silindir elde edilmektedir. Küçük hacimli
motorlarda alüminyum bloklar gömleksiz olarak kullanılırlar. Şekil 8.1'de bir motorun
blok resmi görülmektedir.
Şekil 8.1 Sıra tipi silindir bloğu.
8.2.1
SĠLĠNDĠR GÖMLEKLERĠ
Silindir, pistona yataklık eden ve çalışma maddesinin çevrim boyunca olan
değişikliklerinin yer aldığı ortamdır. Pistonlu motorlarda, güç elde edilen yer silindirler
olduğundan, silindir boyutları ve sayısı motor gücüne direkt olarak etki etmektedir.
Şilindirler çok değişken şartlarda, karışık gerilme ve sürtünme kuvvetleri altında
çalışmak zorundadırlar. Yüksek basınç, sıcaklık, aşınma ve paslanmadan etkilenmemesi
veya en az seviyede etkilenmesi için, çalışma ortamlarına göre ideal boyutlarda ve
uygun malzemelerden imal edilmeleri gerekir.
Motor bloklarının ömrünü uzatmak, imalini basitleştirmek ve maliyetini
düşürmek için,
bloklar üzerine aynı
silindir gömlekleri geçirilmesi
yaygın bir
uygulamadır. Bu sayede blok ve silindirin farklı malzemelerden yapılabilmesi
sonucunda, silindirin aşırı zorlanmaya karşı dayanımı artırılmıştır. Ayrıca, herhangi bir
arıza durumunda bloğun komple değiştirilmesi yerine, sadece gömleğin
değiştirilmesiyle, motorun revizyonunun daha basit ve ucuz olarak yapılması
sağlanmıştır. Buji ile ateşlemeli motorlarda daha çok, blokla birlikte dökülen kuru
gömlekler kullanılırken, diesel motorlarında, ayrı parça olarak yapılan ve silindir
bloğuna pres edilen kuru veya aşıntıya dayanıklı özel yaş gömlekler kullanılmaktadır.
Silindir gömlekleri, aşıntı ve paslanmaları önlemek amacıyla, çelikten ve çoğunlukla
gri dökme demirden (% 14-15 Ni, % 6-7 Cu, % 2-4 Cr) santrifüj dökümle imal
edilmektedir.
Kuru gömlekler, boruya benzeyen ve motor bloğundaki silindirik yuvalarına
sıkı geçirilerek veya döküm sırasında bloğa yerleştirilerek yerine sabitleştirilen
elemanlardır. Kuru gömlek bloktaki yerine takılınca soğutma suyu ile temas etmez, ısı
akışı gömlekten bloğun silindir duvarına ve oradan soğutma suyuna geçer. Aşınmaya,
ısıya ve basınca dayanımını artırmak için, silindir bloğunda belirtilen katkı maddeleri
ilave edilmekte ve tav fırınlarında ısıl işlemle sertleştirilmektedir. Böylece, komple
blok yerine, sadece gömlekler daha kaliteli malzemeden imal edilerek, dayanımları
yükseltilmiş olur.
Kuru gömlek takılan bloktaki silindirik yuvalar gömlek çapından 0.02-0.05 mm
daha küçük yapılır. Bu ölçüye sıkılık payı denir. Kuru gömleklerin üst tarafından 5-8 mm
yüksekliğinde ve gömlek dış çapından 2 - 4 mm daha büyük bir fatura vardır. Blokta
da buna uygun yuva bulunur. Şekil 8.2'de kuru gömlek kesit resmi görülmektedir.
Gömlekler büyüklüklerine göre 1-5 tonluk basınçla yerine çakılır. Kuru gömleğin üst
yüzeyi, blok yüzeyi ile aynı hizada veya gömlek yüzeyi blok yüzeyinden 0.02 mm
yüksek olmalıdır. Silindirlerde aşınmanın en aza indirilebilmesi için genellikle izlenen
yol, silindir yüzeylerinin sertleştirilmesidir. Pres blok imalatından sonra sertleştirilme
işlemi yapılır ve gömlekler yerine takıldıktan sonra Standard ölçüsüne göre torna edilir
ve/veya honlanırlar.
Şekil 8.3’te ise bir yaş gömlek kesiti görülmektedir. Yaş gömlekler, silindir
bloğundaki yuvasına kolayca takılacak şekilde imal edilmiştir. Yaş gömleğin dış
yüzeyi soğutma suyu ile temas halindedir. Isı akışı direkt olarak gömlekten soğutma
suyuna geçer. Yaş gömlekler genellikle, aşınmaya, ısıya ve basınca dayanıklı
malzemelerden püskürtme döküm olarak imal edilirler. Motorun çalışması sırasında
yaş gömleğin aşağı yukarı kaymasını önlemek ve sızdırmazlığı sağlamak için
gömlekteki faturaya silindir kapağı tarafından basma kuvveti uygulanır. Alt kısımda
ise, sızdırmazlık contaları bulunmaktadır. Bu nedenle gömlek yüzeyleri blok yüzeyi ile
aynı düzlemde olmalı veya kapağın daha iyi basması için gömlek yüzeyleri blok
yüzeyine göre 0.05-0.10 mm daha yüksek olmalıdır. Ayrıca, bloktaki bütün gömlek
yüzeyleri aynı hizada olmalıdır.
8.2.2 SĠLĠNDĠRLERĠN BOYUTLANDIRILMASI
Motor torku veya gücünün artırılabilmesi, silindire bir çevrimde veya birim
zamanda daha fazla hava ve yakıtın alınması ve yakılmasına bağlıdır. Silindire alınan
yakıt-hava karışımının miktarı, emme ve egzoz işlemlerinin veriminin yanı sıra,
silindirin büyüklüğüne ve motorun devrine de bağlı olduğundan, motorun silindir
hacmi ya da devri arttıkça motorun gücü de artacaktır. Bu nedenle, daha önce de
belirtildiği gibi, silindir tasarımı yapılmadan önce, bir motorun nerede kullanılacağı,
gücünün ne olması gerektiği, maksimum devri belirlenir. Diğer bazı değerler de tablo
ve grafiklerden alınarak, önceden bulunmuş formüller yardımıyla silindir boyutları
hesaplanır.
Toplam si l i ndi r uzunluğunun hesaplanabilmesi için, benzinli veya dizel motorlarında
piston ve silindir blok ölçüleri dikkate alınmalıdır. Çünkü, piston alt ölü noktada iken. piston
gövdesi silindir içinde kalmaktadır. Toplam silindir boyu:
LS = H + LP
(8.1)
Burada;
Ls: Toplam silindir boyu. mm.
H : Kurs, mm.
Lp : Piston boyu. mm
dir.
8.2.3 SĠLĠNDĠR KALINLIĞININ HESAPLANMASI
Silindirlerin aşınmaya, yüksek basınca ve sıcaklığa dayanabilmesi, ayrıca silindir
duvarından soğutma suyuna ısı akışının ideal olması için, silindir duvarı uygun malzemeden
ve uygun kalınlıkta imal edilmelidir. Silindir malzemelerinin seçiminde, mekanik ve ısıl
yüklenmelere dayanma özelliği ile. o malzemenin ısı iletkenliği dikkate alınır. Silindir
kalınlığı, bütün bu koşullar göz önünde bulundurularak hesap edilir. Silindir duvar
kalınlığının hesaplanması için, maksimum yanma sonu basıncının ve silindir malzemesinin
emniyet gerilmesinin bilinmesi gerekir.
Silindirler, uzunlamasına çatlaklar oluşturan çevresel gerilmeye maruzdur. Silindir
kalınlığının belirlenmesinde;
(8.2) eşitliği kullanılabilir. Burada;
dir. Silindir ölçüleri. Şekil 8.4 'de verilmiştir.
Silindir gömleklerinde müsaade edilen emniyet gerilmeleri ( os);
Çelik malzeme için
: 100-150 N/mm2
Dökme demir malzeme için : 30-60 N/mm2
kadardır. Çelik gömlek kullanıldığında, kalınlığı 2 mm 'den az olmamalıdır.
Faturaların yüksekliği, silindirlerin büyüklüğüne göre değişir. Fatura yüksekliği
5-8 mm ve genişliği 2-4 mm arasındadır.
ÖRNEK PROBLEM 8.1
Dökme demir silindir için, ilave ısıl gerilmeler de dikkate alınarak, emniyet
gerilmesi 25 N/mm2 alınırsa, maksimum yanma basıncı. 5,85 N/mm ise, 115 mm
silindir çapı için. silindir kalınlığı;
olmalıdır. Bu durumda, silindir gömleğinin kalınlığı 4 mm ise, bloktaki silindir
kalınlığı 10 mm olacaktır.
8.2.4
SĠLĠNDĠR KAPAĞI
Silindir kapakları, yanma odasının bir bölümünü oluşturmakta, dört zamanlı
motorlarda, supapları. enjektörleri, bujileri, emme ve egzoz kanallarını ve soğutma
suyu kanallarını üzerinde bulundurmaktadır. Şekil 8.5 . Günümüzde, iyi ısıl iletkenlik
ve hafiflik avantajları nedeniyle, hemen hemen bütün benzinli ve diesel otomobil
motorlarının ve hava ile soğutulan bütün motorların silindir kapakları alüminyum
alaşımından (ör. % 4 Cu, % 2 Ni, % 1,5 Mg, % 92,5 Al) yapılmaktadır. Su ile soğutmalı
diesel kamyon motorlarının silindir kapaklan ise, gri dökme demirden yapılmaktadır. İyi
yorulma dayanımı özelliği için. dökme demir alaşımları, nikel, krom ve molibden
katkılardan en az ikisini içermelidir.
Küçük motorlar için silindir kapak kalınlığı 5 mm. 'den az
olmamalıdır. Düzgün bir plakaya benzetilerek, silindir kapağının kalınlığı
hesaplanabilir.
(8.3)
Burada;
dir.
Silindir çapı
150 mm
'ye kadar olan motorların
kalınlığının belirlenmesinde aşağıdaki yaklaşık eşitlikler de kullanılabilir:
kapak
benzin motorları için;
tcb=0,9
Diesel motorları için;
tch = 1,5 + 0,09 D
Su ceketi kalınlığı ise, her tür motor için;
tchj = 2,2 + 0,03 D
Alüminyum alaşımı kullanıldığında, yukarıda belirlenen kalınlıklara 2-3 mm ilave
edilmelidir.
ÖRNEK PROBLEM 8.2
Bir motorda;
D =115 mm
Pmax = 5,85 N/mm2,
2
b = 130 N/mm , olduğuna göre, silindir kapağının
kalınlığım belirleyiniz.
ÇÖZÜM
tch = 0,434D√
= 0.434 x 115 √
8.2.5
SĠLĠNDĠR KAPAK CIVATALARI
Silindir kapak cıvataları (veya saplamaları) genellikle krom nikelli çelikten
yapılmaktadır. Silindir kapak cıvatalarına gelen kuvvet;
Fb = Fgmax/nb
dir. Burada;
Fb
: bir cıvataya gelen eksenel kuvvet, N,
Fgmax : silindirdeki maksimum gaz kuvveti, N
nb
: bir silindire düşen cıvata sayısı.
(8.4)
dır.
Bir cıvatanın eksenel çekme gerilmesi;
(8.5)
ve diş dibi kesit alanı;
(8.6) olduğundan, bu eşitliklerden yararlanarak diş dibi çapı
ve anma çapı (db) belirlenebilir:
(8.7)
(8.8)
db
dbr
Burada;
dbr: diş dibi çapı, mm,
db: anma çapi. mm,
dir.
ÖRNEK PROBLEM 8.3
Bir motorda;
D
Pmax
=115 mm,
= 5,85 N/mm2,
2
ab= 130 N/mm
n = 6 olduğuna göre, silindir kapak cıvatasının anma çapını belirleyiniz.
b
ÇÖZÜM: Bir civataya gelen gaz kuvveti ;
olur. Buna göre silindir kapak cıvatasının anma çapı;
b = 1,2
bulunur. M12 civata kullanılabilir.
8.3
PĠSTONLAR
Piston, silindir içinde iki ölü nokta arasında hareket ederek zamanları meydana getiren
ve çalışma maddesinin silindire alınmasını, sıkıştırılmasını, yanma sonucunda silindirde
meydana gelen gaz kuvvetini biyel yardımı ile krank miline ileterek gücün oluşmasını ve arık
gazların silindirden atılmasını sağlayan önemli bir parçadır.
Piston, yanma zamanında meydana gelen yüksek sıcaklığa dayanabilmek' ve bu
sıcaklık karşısında şekil değiştirmeden, sıkışıp kaynamadan görevine devam edebilmelidir.
Ayrıca piston, yanma sonunda meydana gelen yüksek basınca da dayanabilmeli, uzun süre
sıcaklık ve basınç altında normal şeklini koruyabilmelidir. Bunun için, pistonun yeteri kadar
kaim ve ısı iletimi iyi malzemeden yapılması gerekmektedir. Bununla birlikte, atalet
kuvvetlerini yenerek, ölü noktalan kolayca aşabilmesi için mümkün olduğu kadar hafif
olmalıdır. Birbirine zıt bu özelliklerin piston üzerinde toplanabilmesi için. piston
malzemelerinin özenle seçilip şekillendirilmesi gerekir. Motorlu araçlarda kullanılan
pistonlar;
a.
b.
c.
d.
Gri dökme demir
Yumuşak dökme çelik
Alüminyum alaşım
Krom nikelli çelik
gibi malzemelerden, genellikle döküm veya pres döküm yöntemiyle imal edilmektedir.
Gri dökme demirden yapılan pistonlar aşınmaya dayanıklı olmakla beraber, gri dökme
demire az miktarda çelik katıldığı zaman, dökme yumuşak çelik elde edilir ki, dayanıklılığı,
aşınmaya karşı direnci ve nispeten hafifliği nedeniyle, piston yapımında tercih edilmektedir.
Alüminyum alaşımdan yapılan pistonlar hafif olduklarından bu pistonlarla motor daha
dengeli çalışmaktadır. Ayrıca alüminyumun ısı iletme yeteneği fazla olduğu için, ısıyı
bünyelerinde tutmadan geçirirler, bu nedenle daha düşük sıcaklıklarda çalışırlar. Alüminyum
alaşımdan yapılan pistonların genleşme katsayısı fazla olduğu için, bu tip pistonlarda,
silindirle piston arasında, dökme demir pistonlara nazaran daha fazla boşluk verilir.
Alüminyum alaşımdan yapılan pistonlar termik işlemlere tabi tutulduktan sonra elektrolitik
işlemler uygulanarak piston yüzeyinde 0.0005 mm kalınlığında alüminyum oksit tabakası
meydana getirilir. Bu tabaka pistonun aşınmaya karşı direncini artırdığı gibi, piston yüzeyinin
daha iyi yağlanmasını da sağlar. Piston yüzeyinin aşınmaya karşı direncinin artmlması için
uygulanan diğer bir yöntem ise, piston yüzeyinin kalay veya benzeri
yumuşak malzemelerle kaplanmasıdır.
Piston yapımında genellikle iki değişik alüminyum alaşım kullanılmaktadır.
Bunlar;
1. Alaşım
Alüminyum
Silisyum
Nikel
Demir (en fazla)
Bakır
Magnezyum
% 78.00-86.00
% 11.25-15.00
% 1.00-3.00
% 1.30
% 0.50-1.50
% 0.70-1.30
II. Alaşım
Alüminyum
% 90.00-92.00
Bakır
% 3.75-4.25
Nikel
% 1.80-4.25
Magnezyum
% 1.20-1.70
Demir (en fazla)
% 1.00
Silisyum (en fazla) % 0.70
Diğer katkılar (en fazla) % 0:20
dır.
8.3.1
PĠSTONUN YAPISI
Piston başlan genellikle düz, bombeli ve bazı dizel motorlannda çanak
biçiminde yapılmaktadır. Aynca piston başını takviye etmek, gaz basıncına karşı
direnci artırmak için. pistonun iç kısmına takviye kollan yapılmıştır. Bu takviye kollan,
piston başmdaki ısmm segmaniar yoluyla silindir cidarma ve soğutma suyuna
iletilmesine de yardım eder.
Piston etek başlangıcının hemen altında bulunan piston pim yuvalan piston
pimine yataklık eder. Alüminyum alaşımdan yapılan pistonlarda, pime dik eksende,
mümkün olduğu kadar boşaltılmış ve motorun çalışması sırasında pistonun pim
yönünde genleşip büzülmesi sağlanmıştır.
Piston başında segman yuvalan bulunmaktadır. Kompresyon segman yuvalan
düz olduğu halde, yağ segman yuvalannda yağ akıtma delikleri mevcuttur.
Pistonun tepesi yanan karışımın yüksek sıcaklıklarıyla karşı karşıyadır. Bu
sıcaklıklar. Şekil 8.6 'daki grafikte de görüldüğü gibi, motorun tasarım özellikleri ve
çalışma koşullanna bağlı olarak, piston tepesinin ortasında 250...340°C, etek kısmında
ise, 100..125°C 'ye kadar ulaşmaktadır. Bu nedenle, pistonun segman bölgesi, etek
kısmından daha küçük çaplı yapılırlar.
Şekil 8.6 Hafif metal pistonda çalışma sırasındaki sıcaklık dağılımı.
Piston eteğinin yüksek sıcaklıklar karşısında genleşmesini azaltmak, dayanımını
artırmak ve deformasyonunu önlemek için, segman bölgesinin hemen alt iç kısmına,
Şekil 8.7, Şekil 8.8 ve Şekil'8.9 'da, görüldüğü gibi, döküm sırasında bir takviye ve
denge şeridi yerleştirilmektedir.
Piston tepesinden piston eteğine ısı iletimini azaltmak ve eteğin ısıl genleşmeler
sonunda silindirde sıkışmasını önlemek amacıyla, etek kısmına Şekil 8.10 da
görüldüğü gibi. T veya nvtersUsd biçiminde bir yarık açılmaktadır.
Şekil
8.1 1
"de.
buji
tasanmlan görülmektedir.
ile
ateşlemeli
motorlara
ait.
çeşitli
piston
Şekil 8.11 Tipik buji ile ateşlemeli motor pistonları.
8.3.2
PĠSTON ÖLÇÜLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Pistonlar, üst yüzeyi ile yanma odasının bir yüzeyini oluşturmakta ve
pistonlardan çok güç mekanik ve ısıl koşullarda aşağıdaki görevleri yerine getirmesi
beklenmektedir:
1. Basınç enerjisini mekanik enerjiye çevirmek,
2. Silindirin krank haznesi tarafındaki yüzeyini oluşturmak,
3. İki zamanlı motorlarda emme ve egzoz portlarmın açılış ve kapanışlarını
kontrol etmek
Pistonlann, bu görevleri üstlenebilmesi için, aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekir:
1. Salınım yapan kütle atalet kuvvetlerinin az olması için, hafif olmalıdır,
6?
2. Piston tepesi rıjit, piston pimi yuvası yumuşak, etek kısmı elastik olmalıdır,
3. Segman bölgesinde, segmanların çarpmasıyla kırılmalara engel
için, dayanıklı olmalıdır,
4. Özellikle piston tepesinde, ısıl dayanımı yüksek olmalıdır,
5. Aşırı sıcaklık farklarını önlemek üzere ısı iletimi iyi olmalıdır.
6. Küçük boşluk toleransları için ısıl genleşmeler az olmalıdır.
olmak
Pistonlar genellikle dökme demir veya alüminyum alaşımlarından yapılmaktadır.
Otomobil motorlarının pistonları genellikle alüminyum-silisyum alaşımlarından
yapılmaktadır. En çok kullanılan piston alaşımı. Al Si 12 Cu Ni dir. Piston ölçülerine ilişkin
notasyon. Şekil 8.12 'de verilmiştir.
Radyal eğilme gerilmesi (obr) 'nin belirlenmesinde;
(8.9)
eşitliği kullanılabilir. Burada;
Di Piston tepesinin iç çapı. mm.
Pmax: Maksimum yanma basıncı. N/mm'
tt: Piston tepesinin kalınlığı, mm.
dır.
Piston yükü ile ilgili bir değer de özgül piston tepesine etki eden güçtür.
(8.10)
Burada;
dir.
Pratik olarak, özgül piston tepesi gücü, 0,0015...0,0045 kW/mm2 arasında
alınmaktadır.
Piston ölçülerinin ortalama değerleri. Çizelge 8. Tde verilmiştir.
Çizelge 8.1 Piston ölçülerinin ortalama değerleri.
8.4
SEGMANLAR
Pistonla silindir arasında boşluk bulunması zorunlu olduğundan, pistonlar gazları
silindirde yalıtamazlar. Segmanların görevi, silindirdeki basınçlı gazların kartere kaçmasını
engellemek ve piston başındaki ısıyı silindir gömleğine iletmektir. Segmanlar yüksek
sıcaklıklarda ve oldukça değişen yükler altında çalışırlar. Segmanlar aşınma kalitesinin iyiliği
ve yaylanma özelliklerini çalışmaları sırasında karşılaştıkları sıcaklıklarda korumaları
nedeniyle, dökme demir, dökme demir alaşımı veya alaşımlı çelik malzemelerden imal
edilirler. Segmanlar o şekilde imal edilirler ki. gerilimsiz yani serbest durumda iken dairesel
değildirler. Görev yapacak konumda iken, silindir yüzeyine Şekil 8.13 4te görülen radyal
basınçları uygularlar.
Segmanlar, Şekil 8.14 'de görüldüğü gibi, kompresyon segmanı ve yağ segmanı olmak
üzere iki grupta sınıflandırılırlar.
Segmanların temel imalat ölçüleri, silindir çapının radyal segman kalınlığına oranı,
serbest durumdaki segman ağız aralığının radyal segman kalınlığına oranı ve segman
genişliğidir.
Segman tasarımı;
•
•
•
•
Segmanlarla silindir yüzeyi arasındaki sürtünmeyi ölçülebilir düzeyde artırmadan silindir
yüzeyine uygulanacak ortalama segman basıncının belirlenmesi.
Segmanın çevresel basınç eğrisinin çizilmesi,
Pistona takılı ve çalışma durumunda iken, segman ağzının karşısındaki kesitte meydana
gelen gerilmenin belirlenmesi,
Montaj boşluklarının tanımlanması.
konularını içermektedir.
Segman ağız aralığı, genellikle 0.010, 0,015 D kadar alınır.
Segman yuvası aksiyal boşluk 0.05 mm kadardır.
Kompresyon segmanlarının sayısı ve aksiyal yükseklikleri Çizelge 8.2 'de
verilmiştir.
Çizelge 8.2 Kompresyon segmanlarının sayısı ve aksiyal yükseklikleri.
Motor tipi
Taşıt benzin motorları
Taşıt diesel motorları
7.5
Segman
adedi
2-3
3 -5
Aksiyal yükseklik
(mm)
2 - 3.5
2,5-5
PĠSTON PĠMLERĠ
Piston pimleri, piston kuvvetini biyele aktaran elemandır. Piston pimleri nitrürlü
çelikten sertleştirilerek yüzeyi düzgün işlenmiştir.
Piston pimlerinin boyutlandırılmasında kullanılan notasyon, Şekil 8.15 'te
verilmiştir. Pimlerin boyutlandırılmasında aşağıdaki yaklaşık değerler kullanılabilir:
DıĢ çap;
Benzin motorları için
Diesel motorları için
Pim boyu (her iki tip motor için)
d0
d0
0,28 D
0.4 D
L
0.85 D
Piston pimlerinin dış çap hesabında yeni bir yaklaşım, müsaade edilen
basıncının dikkate alınmasıdır.
(8.11)
(8.12)
Burada;
Fmax- Yanmaya bağlı maksimum gaz kuvveti, N,
Pmax: Silindirdeki maksimum gaz basıncı. N/mm'
D
: Piston çapı, mm,
c : Pistondaki pim yatağı uzunluğu, mm
dir. Bu durumda piston piminin dış çapı;
(8.13)
olacaktır. Pistonda iki adet pim yatağı bulunduğundan;
(8.14)
alınabilir. Piston pimi yüzey basıncı 40...60 N/mm" arasında olmalıdır. Eğilme
kontrolü:
(8.15)
olmalıdır. Burada;
f
: eğilme miktarı, mm,
fmax : maksimum eğilme miktarı, mm, (Şekil 8.16 'den alınacaktır),
a
: gaz kuvvetlerinin etki noktaları arasındaki mesafe, mm,
E
: çeliğin elastikiyet modülü,
I
: pimin düzlemsel atalet momenti,
k
: düzeltme faktörü,
b
: biyel pim yatağının genişliği, (
L/2),
dır.
Ovallik kontrolü:
(8.16
Ortalama pim yarıçapı : r =
İL : pimin uzunlamasına kesitinde düzlemsel atalet momenti,
(8.17)
Şekil 8.16 Piston pimleri için müsaade edilen maksimum
eğilme ve ovallik değerleri.
Eğilme gerilimi;
(8.İ8)
Ovalleşme ile ilgili eğilme gerilimi:
(8.19)
Her iki gerilme birlikte tek bir gerilme ile ifade edilebilir:
(8.20)
ÖRNEK PROBLEM 8.4
Bir benzin motoru ile ilgili olarak aşağıdaki değerler verilmiştir.
Pmax = 50bar = 5 N/mm2 ,
D
= 80 mm
Bu motorda kullanılabilecek piston piminin boyutlarını belirleyiniz.
ÇÖZÜM:"
1. Pim çapı
do = 0,28 . 80 = 22,4 mm
2. Pim boyu
L = 0,85 .80-69 mm Pim çapı diğer yoldan, 40 N/mm2
yüzey basıncı için;
2c = 69/2 = 34,5 mm
Eğilme kontrolü:
= 0,04 mm
Şekil 8.16. 'da, fmax = 0;045 mm olduğundan, f
fmax
'tır. Ovallik kontrolü:
Şekil 8.16 dan, Δdmax = 0.028 mm olduğundan, bulunan değer fazladır (Δd
durumda, iç çap 15 mm yerine 14 mm alınmalıdır.
8.6
Δdmax ). Bu
BĠYELLER
Biyel, pistonu kranka bağlar ve piston üzerine gelen gaz kuvvetini krank miline
iletmeye yarar. Pistonun doğrusal hareketini, ana milde dairesel harekete dönüştürür.
Biyele piston kolu da denmektedir. Genellikle bugünkü motorlarda piston kollan ( I )
şeklinde yapılmıştır. Biyeller gerilme dayanımları 600...700 N/mm2 olan yan sert
karbonlu çelikten veya krom-nikelli çelikten yapılmaktadır. Ani darbeler karşısında
eğilmeye, burulmaya dayanıklıdır. Pres altında, kalıp içinde dövülerek yapılırlar. Şekil
8.17 'de, piston-biyel mekanizması görülmektedir.
Şekil 8.17 Pistonlu, pimli, segmanlı ve kusinetli komple biyel (piston kolu).
8.6.1
BĠYEL AYAĞI
Biyel ayağı (küçük taraf) genellikle Şekil 8.18 'de de görüldüğü gibi iki tiptir:
1. Biyel piston pimi üzerinde serbest: Biyel ayağı içerisine preste sıkı olarak bronz bir
burç geçirilir.
2. Piston pimi biyel ayağında sabit: Pim, yatak içinde dönemeyecek şekilde biyele sıkı
geçirilir. Bazılarında ise bir cıvata ile sabitleştirilmiştir. Bu durumda, pime
pistondaki pim yuvası yataklık eder.
Biyel ayağında piston pimi ve burcu motor çalışırken sıçrayan yağlarla ve biyeldeki
yağ deliğinden gelen yağla yağlanır. Biyel ayağı deliği ile burç deliğinin aynı hizada
olmasına önem verilmelidir. Burçlarda yağ boşluğu 0.007 mm-0.012 mm arasında
olmalıdır.
Şekil 8.18 Biyel ayağı tipleri.
8.6.2 BĠYEL BAġI
Biyel
başı
(büyük
taraf)
genellikle iki parçadan
ibarettir ve içerisinde
kusinet adı verilen iki
parçalı yatak bulunur,
Şekil 8.19. Biyel başı
krank
muylusu
üzerinde çalışır. Krank
muylusuna
biyel
başının çeliği temas
etmez. Biyel başı
yuvasındaki iki parçalı
yatak temas eder.
Yatak yumuşak malzemelerden yapılmıştır. Biyel başı yatağını sıkan cıvata ve
somunları yüksek dayanıklı çelikten yapılmıştır. Gerilmelere dayanıklıdır, uzama
katsayısı yüksek olan çeliktir. Cıvata somunları uygun torkta sıkılmalıdır.
Şekil 8.19 Komple biyel kesiti
Biyel başı yatak yuvalan oval ve konik olmamalı silindirik olmalıdır. Ovallik ve
koniklik miktarı 0.05 mm 'yi geçmiş ise mutlaka kep ağızlarından alınarak yuvalar
standart ölçüde taşlanmalıdır.
Biyel başı ile krank muylusu arasındaki gezinti boşluğu motorun çalışmasına çok
fazla etki eder. Motorun sıkışmasına sebep olabilir. Bu nedenle gezinti miktarı sentille
kontrol edilmeli, gerekirse yatak veya biyel kolu değiştirilmelidir.
8.6.3 BĠYELĠN BOYUTLANDIRILMASI
Biyel boyu, krank biyel oranı (X) ile belirlenebilir. Günümüz motorlarında bu
oran λ 1/3,4 kadardır.
Biyel, çekme, basma ve eğilme gibi farklı zorlamalarla karşılaştığından, Şekil
8.20 'de de görüldüğü gibi, dört kesitte incelenecektir.
Biyel başındaki A - A kesitinde, çekme gerilmesi;
Şekil 8.20 Biyel boyutlarının belirlenmesi.
(8.21)
B - B kesitindeki eğilme gerilmesi;
(8.22)
Biyelin en dar yeri olan C - C kesitindeki basma gerilmesi;
(8.23)
Biyel başındaki D - D kesitindeki eğilme gerilmesi de;
(8-24)
bD
Burada;
F04: Pistonun ÜÖN'da oluşan maksimum atalet kuvveti, N,
F04 = m4r
2
(l+ ),
FBJ: Piston ve biyelin O.Ö.N.'da oluşan maksimum atalet kuvveti, N,
FBJ = (m4 + m3)r
2
(l+ ),
AA: A-A kesitinin alanı, mm2,
rs, rb: Küçük ve büyük taraftaki .kuvvet aralıkları, mm,
MbB: B-B kesitinin eğilme kesit modülü mm3,
Mbi): D-D kesitinin eğilme kesit modülü mm3
dir.
Biyel başındaki E - E kesitinde iki adet biyel cıvatasına uygulanan çekme
gerilmesi;
(8.25)
ve diş dibi kesit alanı;
(8.26)
olduğundan, bu eşitliklerden yararlanarak diş dibi çapı (dbr) ve anma çapı (db)
belirlenebilir:
(8.27)
Burada;
dbr • diş dibi çapı, mm,
db: anma çapı, mm, dir.
Çekme gerilmesi ( t), yüksek hızlı motorlar için müsaade edilen 50 N/mm2 değerinden
fazla olmamalıdır.
Biyel burcunun kalınlığı;
(8.28)
kadardır. Şekil 8.21 .Bulunan değere en yakın ölçüdeki Standard burç seçilir.
Şekil 8.21 Biyel burcunun kalınlığı.
8.7
KRANK MĠLLERĠ
Motorun ana milidir, Şekil 8.22. Krank milleri, gerilme dayanımları 800...900
N/mm' olan ıslah çeliğinden dövülerek yapılırlar. Bir seri tornalama işlemleriyle
biçimlendirildikten sonra aşınma, burulma ve eğilmeye karşı dayanıklılığını artırmak
amacıyla ısıl işlemler uygulanarak muylu yüzeyleri sertleştirilir. Son olarak muylular
taşlanıp parlatılarak Standard ölçülerine getirilir.
Şekil 8.22 Dört silindirli bir motorun krank mili.
Krank milinin görevleri şunlardır:
1. Pistondan biyel yardımıyla aldığı doğrusal hareketi dairesel harekete çevirir ve arka
acuna flanş yardımıyla bağlanan volan aracılığıyla motor gücünü kavramaya verir.
2. Güç zamanı dışında, biyel ve pistona hareket verir.
3. Üzerindeki kasnak ve/veya dişli yardımıyla su pompasına ve kam miline hareket
verir.
Bir krank milinde en az iki ana muylu ile bir veya iki krank bulunur, biyeller
krank kollan arasında bulunan muylulara bağlanır. Biyel muylularının karşısına
yerleştirilen karşı ağırlıklar biyel muylularında meydana gelen merkezkaç kuvvetleri
dengelemek içindir.
Bazı krank millerinin biyel muylularında oyuklar vardır. Bu sayede muylu ağırlığı
düşürülerek merkezkaç kuvvetler de o oranda azaltılır.
Krank milleri blokta bulunan ana yataklara ana muylular yardımıyla bağlanır. Esas
olarak krank milinin iki ucunda ana muylu olmakla beraber motorun silindir sayısına ve
modeline göre orta kısmında da bir veya daha fazla ana muylu bulunabilir. Krank mili
ana muylularından birinin iki yan yüzü temiz işlenmiştir. Kılavuz muylu denilen bu
muyluya yaslanma yüzeyli kılavuz yatak kusinetleri takılır ve krank milinin eksenel
gezintisi bu yatak yardımıyla sınırlandırılır.
Biyel yatakları basınçlı yağ ile yağlanan motorlarda ana muylulardan biyel
muylularına Şekil 8.23'de görüldüğü gibi çapraz yağ delikleri açılmıştır.
Şekil 8.23 Krank mili.
Bir krank milindeki ana muylularla biyel muyluları, muylu çapları ve
genişlikleri, motorun silindir sayısına, motorun gücüne ve modeline göre değişik biçim
ve ölçülerde yapılabilir.
8.7.1
KRANKTA MEYDANA GELEN GERĠLMELER ve BOYUTLANDIRILMASl
Krank milinin boyutlandırılmasına ilişkin notasyon Şekil 8.24 'de verilmiştir.
Şekillerde, a: ana muylular arasındaki mesafeyi, a/2: ana muylu ile kol muylusu
arasındaki mesafeyi, wx: krank kolu eksenel kalınlığı, wy: krank kolu genişliğini, d: ana
muylu çapını ve jx 'te ana muylu boyunu göstermektedir.
Şekil 8.25 Krank miline gelen yükler.
Krank mili ölçülerinin ortalama değerleri. Çizelge 8.3"te verilmiştir.
Çizelge 8.3 Krank mili ölçülerinin ortalama değerleri.
Boyutlar
Kol muylusu çapı (d)
Ana muylu çapı (d)
Kol muylusu uzunluğu (jcx)'
Ana muylu uzunluğu (jmx)
Krank kolu kalınlığı (wx)
Krank kolu genişliği
Benzin motorları
0,6 D
0,68 D
0.3 D
0,32 D
0,28 D
0,72D
Diesel motorları
0,7 D
0,75 D
0,3 D
0,35 D
0,3 D
0.79D
Muylu çapı.
(8.29)
Burada;
d : Ana muylu ve kol muylusu çapı,
Md: Maksimum ortalama döndürme momenti,
cm: Burulma emniyet gerilmesi (kırılma dayanımı 500 N/mm" olan çelik için,
s, = 30 N/mm" alınır),
dır.
Kol muylusundaki eğilme gerilmesi:
(8.30)
yazılırsa;
(8.31)
olur. Burada;
FG: Maksimum gaz kuvveti, N,
a : Ana muylular arasındaki mesafe, mm,
d : Kol muylusunun çapı, mm,
dir.
Krank kolundaki eğilme gerilmesi;
(8.32)
yazılırsa;
(8.33)
olur. Burada;
F(;: Maksimum gaz kuvveti, N,
jx : Kol muylusunun uzunlusu, mm,
wx : Krank kolunun eksenel kalınlığı mm,
wy : Krank kolunun genişliği, mm,
dir.
8.8
SUPAP MEKANĠZMASI VE SUPAPLAR
Supap mekanizmasının parçalan şunlardır, Şekil 8.26;
1. Supaplar
2. İtici çubuklar
3. İticiler
3.1 Mekanik iticiler
3.2 Hidrolik iticiler
4. Supap yaylan
5. Külbütör tertibatı
6. Kam mili
7. Kam mili hareket mekanizması
8.8.1
SUPAPLAR
Motorlarda her silindir için biri emme, diğeri de egzoz olmak üzere en az iki
supap bulunur. Ancak, Şekil 8.27 'de görüldüğü gibi, günümüzde dört supap
uygulaması yaygınlaşmaktadır. Emme supapları, emme zamanında açılarak, taze
karışım veya havanın silindire alınmasını, egzoz supapları ise, egzoz zamanında
açılarak, yanmış egzoz gazlarının silindirden atılmasını sağlarlar. Supaplar, yay tablası
ve supap başı bakımından değişik şekillerde yapılırlar. Günümüzde en çok kullanılan
supap tipi, mantar başlı ve tırnaklı olandır. Supapların darbe tesirlerini azaltmak için,
supap tablası oyularak hafifletilir. Büyük çaplı supapların içerisi oyularak sodyum
doldurulmuştur. Supap otuma yüzeyleri, 30, 45, 60 derece olarak taşlanır. Gaz akışının
çok önemli olduğu uygulamalarda, otuma yüzeyi açılan 30 hatta 15 derece olabilir. 60
derecelik oturma yüzeylerinde daha az karbon birikintisi görülür, ancak, yeterli gaz
geçiş yüksekliğini sağlayabilmek için, supapların daha fazla kalkması gerekir. 45
derece oturma yüzeyinin özellikleri 30 ve 60 derecelerdeki özelliklerin arasında yer
almaktadır. Bu nedenle, otomotiv uygulamalarınnda çoğunlukla her iki supabın yüzey
açıları da 45 derecedir. 45 derecenin bir avantajı da işleme kolaylığıdır.
Şekil 8.27 Dört silindirli ve 16 supaplı bir motorun
silindir kapağının alttan görünüşü.
Supaplar genellikle austenitik çelikten dövülerek yapılır. Bazı yüksek
performanslı motorların egzoz supapları ise, yüksek kromlu ve manganezli paslanmaz
çelikten yapılarak, oturma yüzeyleri tungsten-kobalt kaplanır. Tam yükteki
çalışmalarda, supap tablasında sıcaklıklar egzoz supaplarında 800°C 'ye, emme
supaplarında 500°C 'ye kadar yükselebilmektedir. Bu nedenle, genel olarak,
kullanılacak çeliğin kopma geriliminin 800 °C 'de 20 kg/mm" den aşağı düşmemesi
istenir. Ayrıca egzoz gazlarının etkisi altında paslanmamalıdır. Egzoz supapları
krom-kobaltlı özel çelikten, silisyum volframlı özel çelik ya da krom-nikelli çeliklerden
yapılırlar. Supap tablasından sapa doğru ısı iletimini iyileştirmek amacıyla, tabladan
itibaren sapın içerisine açılan oyuğa, 2/3 oranında metalik sodyum doldurulur. Sodyum
yaklaşık olarak 98°C'de erimektedir. Çalışma sıcaklıklarında sıvılaşan sodyum, boşluk
içerisinde aşağı yukarı akarak, ısıyı sıcak supap başından daha soğuk olan sap
bölgesine taşır.
Supap sapının kılavuz içerisinde yapışmasını önlemek üzere, sap üzerine karbon
kazıyıcı çevresel bir oyuk açılır. Bir başka yöntem de supapların yuvasında dönmeleri
sağlanır.
8.8.2 SUPAP YUVASI (BAĞA)
Egzoz supabı gibi, egzoz supabının yuvası da, egzoz portundan geçen egzoz
gazlarının yüksek sıcaklıklarının etkisi altındadır. Bu nedenle, genellikle ısı direnci
yüksek alaşımlı çeliklerden yüzük biçiminde yapılarak, yuvalarına sıkı geçirilirler. Sert
ve ısı dirençlerinin yüksek olması nedeniyle, blok veya silindir kapağı malzemelerine
oranla daha uzun ömürlü olurlar. Aşındıklarında veya biçimleri bozulduğunda,
değiştirilebilirler. Supabın bağaya oturduğu yüzeyler, bazı motorlarda, oturmayı
iyileştirmek amacıyla supap yüzey açısından Î4...1 derece daha büyük açılı, yani 45
derece için, 45 ⁄ ... 46 derece yapılır.İyi bir tasarımda baga yükseklikleri 1,5.....2,5 mm
kadar küçük olabilir.
8.8.1 GAZ KANALLARI (PORTLAR) VE SUPAP ÖLÇÜLERİ
Port tasarımı, supap boyutlan ve açılma miktarı, silindir kapağı ve manifold
konfigürasyonları gibi faktörlere bağımlıdır. Şekil 8.28'de, iyi bir örnek görülmektedir.
Gazların geçişi için yeterli alarmı bulunmasının gerekliliği yanında, supap sapının
sıcak egzoz gazlan ile temas yüzeyini azaltmak üzere, boğaz derinliği port çapının 0,75
'inden fazla olmamalıdır. Akışa direnç göstermemesi için, akış kanalı da en az port kadar
geniş olmalıdır.
Paralel konumlu supaplarda supap tablası çaplan;
Şekil 8.28 İyi bir port tasarımı.
Supap sapı çaplan;
Yüksek hızlı motorlarda: dst
0,25...0,35 d
Düşük hızlı motorlarda: dst
0,15...0,25 d
Supap oturma yüzeyinin genişliği:
Supap tablası çapının port çapma oranı:
1,5...2,5 mm
1,15/1
kadardır.
Supabın maksimum kalkma yüksekliği, geçiş kesit alanının port alanına eşit
olması gerektiği düşüncesinden hareketle, Şekil 8.29'un yardımıyla;
ve
alınarak;
(8.34)
hmax
d0 / 4 ... d0 / 6
eşitliğiyle belirlenebilir.
Pratikte, maksimum kalkma yükseklikleri, hmax = do/6... do/4 arasındadır.
Ortalama gaz hızı (cgm), silindirdeki hacimsel debi ile supap geçiş kesitindeki
hacimsel debinin eşit olması gerektiği ilkesinden yararlanılarak;
Şekil 8.29 Supap ölçüleri.
cgm Cos γ
do hmax= cm
D2/4
ve buradan elde edilen;
(8.35)
eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada;
cgm.: Supap aralığındaki gaz hızı, m/s,
γ
: Oturma yüzeyinin eğimi, °,
hmax-Supap kalkma yüksekliği, m,
cm : ortalama piston hızı(cm = H n / 30), m/s,
H : Strok, m,
D : Silindir çapı, m.
dir.
cgm değerleri;
Emme supaplarında 60...90 m/s
Egzoz supaplarında 80... 120 m/s
arasındadır.
Ortalama gaz hızı eşitliği sadeleştirilerek, supap açılma alanı için;
Av =
do h Cos γ
eşitliği yazılabilir.
8.8.2
KAMLAR
Kam. dönme hareketini doğrusal harekete çeviren bir makina elemanıdır. Kam
üzerinde bir veya daha fazla yüksek nokta bulunur ve kendisi ile sürekli temas
halindeki itici, kam döndükçe kendisinden uzaklaşır ve kendisine yaklaşır. Esas olarak
kamlardan oluşan mile kam mili denmektedir. Otomotiv kam milleri, krank milinin
yansı hızda dönerler ve emme ve egzoz supaplarının açılıp kapanmalarını kontrol
etmek üzere kullanılırlar. Kam mili üzerinde ayrıca, besleme pompasına, yağ
pompasına, distribütöre veya yakıt enjeksiyon pompasına hareket veren eksantrik ve
dişliler de bulunmaktadır. Kam milleri, üst kartere veya silindir kapağının üstüne
yerleştirilmektedir. Şekil 8.26.
Supap mekanizmasındaki elemanların hareketi, kamın çevresel yüzeyi, yay
taşanını ve hız olmak üzere, üç faktöre bağımlıdır. İdeal olarak, supap çabuk açılmalı,
yeterli derecede açık kalmalı ve çabucak kapanmalıdır. Ancak, açılma sırasında supap
mekanizması elemanlarının aşın yüklenmelerinden kaçınmak için, fazla ivmeden
kaçınılmalıdır. Aynı zamanda, supap tam açık konuma yaklaşırken de aşın
yavaşlamadan kaçınılmalıdır. Ayrıca, kapanma konumuna yaklaşırken, kolay
kapanmayı sağlamak için, yavaşlama ivmesi yeterince fazla olmalıdır. Gürültüsüz
çalışma da bir başka beklentidir. Hızlanma ve yavaşlama ivmeleri kam profilinin
fonksiyonudur. Düzgün supap hareketi için, ivme eğrisinde keskin değişimler
olmamalıdır. Keskin değişimler, darbe yüklerinin oluşmasına sebep olmaktadır.
Günümüzün yüksek hızlı motorlarında. Şekil 8.3 'de görülen harmonik kam
diyagramlarından (yer değiştirme, hız ve ivme) yararlanılmaktadır.
8.8.2.1 ĠTĠCĠNĠN KALKMA EġĠTLĠKLERĠ
İtici, 1. daire yayma teğet iken; kam açısı
bu bölgedeki yer değiştirme miktarı;
ı = O dan,
Sf1=bı (1 -Cos ı)
ımax'
a değişir. İticinin
(8.37)
eşitliğiyle hesaplanabilir.
İtici, 2. daire yayma teğet iken; kam açısı
bu bölgedeki yer değiştirme miktarı;
2
=
ımax'tan, 0 'a değişir. İticinin
(8.38)
Şekil 8.30 Harmonik kam eğrileri.
olur. (8.37) ve (8.38) no'lu eşitliklerin yardımıyla. Şekil 8 .30'dagörülen harmonik kam
yolu eğrisi çizilebilir.
İtici hızlan ise, yer değiştirme eşitliklerinin zamana göre birinci türevleridir.
Buradan:
: Kam milinin açsal hızı (
),
b1, b2 : merkezler arası mesafeleri Şekil 8.31 ‘ de dir.
c
(8.39)
(8.40)
İtici ivmeleri ise, hız eşitliklerinin zamana göre birinci türevleridir.
Buradan;
(8.41)
(8.42)
yazılabilir. Şekil 30 daki hız ve ivme grafikleri bu eşitliklerle çizilebilir.
Bazı durumlarda ivmenin, yolun fonksiyonu olarak belirlenmesi de gerekebilir. Bunun
için ivme eşitliği yeniden düzenlenerek;
(8.43)
(8.44)
eşitlikleri elde edilebilir.
Kam tepesinin r2 yarıçapı;
r 2 = r + hf - b 2
ve b1 merkez mesafesi ;
(8.45)
hf : kamın tepesinin temel dairesine uzaklığı
(8.46)
eşitlikleriyle bulunabilir, r, yarıçapı ise;
dir.
α 1max ve α2max açılarının hesaplanmasında ise;
(8.47)
(8.48)
eşitliklerinden yararlanılabilir.
8.8.2.2 KAM ÖLÇÜLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Ölçülerin belirlenebilmesi için. bilinmesi gereken kam ölçüleri şunlardır:
• Supap zaman açısı. 9, (° krank açısı olarak).
• Supabın maksimum kalkma yüksekliği,
hmax
• Külbütör manivela oranı, rr.
• Motorun devir sayısı, n.
Şekil 8.2 Kam çizimi.
8.32 Ön Rampalı Kam Çizimi
Belirlenmesi gereken kam ölçüleri ise;
• Kamdaki supap hareket bölgesi açısı, (° kam açısı cinsinden).
• Supap boşluğu, hvc,
• İticilerin yay kuvvetinin etkisi altındaki kabul edilebilir en büyük yavaşlama
ivmesi. a2max, (a2max 500… 1500 mm2 )
• Kamın temel dairesi çapı, 2r,
dir.
Kam açısı : Kamın, supabın açılmaya başlaması ile tam açılması arasındaki
dönme açısı
(8.49)
Burada;
x: zaman sayısı, (dört zamanlı motorlar için 4, iki zamanlı motorlar için 2)
Maksimum itici kalkma yüksekliği;
hf = rr(hmax + hvc)
rr
l
'
(8.50)
- 0 olduğunda, yavaşlama ivmesi en büyük değerine ulaşır. Yani, bu anda
itici kamın tam tepe noktasına temas etmektedir. Kam tasarımında önceki deneyimlerin
sonucu olarak, Ia2maxI 1500m/s2alınır. Kamın orta nokta ölçüsü, şu şartı sağlamalıdır:
2=
b2<r + hf
(8.51)
Bu sağlanmadığı takdirde, 2max ile r. veya sadece r, yeniden seçilmelidir. b2 r + hf ile
harmonik kam elde edilemez. Diğer ölçüler, r2, bı, rı ve ]max, eşitlikler ve kontrol
hesaplarının yardımıyla belirlenebilir.
8.8.2.3 KONTROLLER
1. Kontrol
Kamdaki supap hareket bölgesi açısı, f (° kam açısı cinsinden)'e bağlı olarak
iticinin yer değiştirme miktarı sf1, yeterince büyük olmalıdır ki, supap boşluğundan
dolayı külbütör manivelası geriye,gitmesin ve supap tekrar açılmaya başlamasın.
2. Kontrol
Supapların simetrik kanılarda, külbütör manivelasının kapalı duruma geldiği
andaki oturma hızlan, Cımax < 0,8 m/s olmalıdır. Yüksek hızlar, supap sıçramalarına,
dolaysıyla, supap ve supap yuvasının zarar görmesine sebep olur.
3.
Kontrol
Kam ile itici yüzeylerinin aşınmaması için aralarındaki yüzey basıncı 200
N/mm den fazla olmamalıdır.
2
ÖRNEK PROBLEM 8.5
Harmonik emme kamı tasarlanacak olan dört zamanlı bir motor hakkında
aşağıdaki değerler bilinmektedir:
Em.A.A.= 40°,,
Em.K.G.= 40°,
Supap kalkma yüksekliği, hmax= 6 mm»
Külbütör manivela oranı, rr= 1, Motor devir
sayısı, n= 5000 1/min.
ÇÖZÜM
Aşağıdaki değerler kabul edilmiştir:
Supap boşluk açısı, f1= 10° kam açısı
Supap boşluğu, hvc = 0,2 mm.
Maksimum yavaşlama ivmesi, a2max = - 1000 m/s2,
Temel dairesi yarıçapı, r = 15 mm.
1. Kam açısı;
75° kam açısı
2. Maksimum itici kalkma yüksekliği hf;
hf=rr(hmax + hvc)
hf= 1 (6 + 0,2) = 6,2 mm
3. b2 orta nokta mesafesi;
eşitliğinden yararlanılarak hesaplanabilir.
Motorun açısal hızı;
Kamın açısal hızı. motorun açısal hızının yansı olduğundan:
c
değerler yerine yazılarak;
bulunur.
4.
r2 yarıçapı;
5. bı orta nokta mesafesi;
bulunur.
6. rı yarıçapı;
r, = b1 + r
= 15,5 + 15-30,5 mm
7. αımax açısı;
Buradan;
ve
bulunur.
1. Kontrol
Bu değer, hvc 'den büyük olduğundan, bulunan supap boşluk açısı değeri doğrudur.
2. Kontrol
Cı< C1max olmalıdır.
c1 = 262 . 15,5 Sin 10 = 706 mm/s = 0.7 m/s
0,7 < 0,8 olduğundan, hesaplamalar uygundur. Kam tasarlanabilir.
8.8.3 SUPAP YAYLARI
Supap yaylarının görevleri şöyle özetlenebilir:
1- Supap mekanizmasındaki hareket eden parçaların sürtünme ve atalet momentlerini
yenerek, supapları istenilen zamanda kapatmak,
2- Supapların açılması esnasında kam mili ile itici arasında devamlı teması sağlamak,
3- Emme esnasında silindirde meydana gelen alçak basıncın teshindeki egzoz supabını
belirli bir basınçta kapalı tutmak,
4- Supap duruş şekline göre, gerektiğinde supap ve iticilerin ağırlığım taşımaktır.
Supap yaylan, yukarıdaki görevleri yaparken yeterince gerilim uygulamalı, ancak
bu gerilim, supap ve supap mekanizması elemanlarının fazla aşınmasına sebep olacak
kadar da fazla olmamalıdır. Yaylar, çok değişik hız ve sıcaklıklarda gerilimim korumalı,
ayrıca doğal frekansı, maksimum çalışma hızından yeterince yüksek olmalıdır. Eğer
olmazsa, belirli kritik hızlarda yay dalgalanması oluşur ve supap mekanizmasının
elemanları kam çevresini izleyemez. Bu durum aynı zamanda, supap mekanizmasının
elemanlarına ağır darbe etkisi uygulayarak, hızla aşınmalarına ve hatta motor hasarına
sebep olabilir. Yay dalgalanmasını önlemenin yolu, küçük çaplı
yay teli kullanmak, sarım sayısını ve sarımlar arasındaki mesafeyi artırmaktır. Yer
kısıtlaması nedeniyle, tasarımcılar yukarıdaki özellikleri gerçekleştirmek için. sarım
aralıkları değişik yaylar veya iç içe geçmiş iki hatta üç yay kullanmaktadır. Şekil 8.30.
Şekil 8.30 Supap, supap yayı ve tespit elemanları.
Supabın mekanizma ile birlikte herhangi bir durumdaki etki kuvveti;
(8.52)
Burada;
Fv; Yay etki kuvveti, N,
mef : Supap mekanizmasının eşdeğer kütlesi, kg.
av
: Supabın yavaşlama ivmesi, m/s ,
dir.
Supap mekanizmasının eşdeğer kütlesinin hesaplanması.
mef = mı + m2 + m3
+rra(m5+m6)
I12
Burada;
mef: Supap mekanizmasının eşdeğer kütlesi, kg,
mı : Supabın kütlesi, kg.
(8.53)
m2 : Supap yayının kütlesi, kg,
m.3 : Supap yay tablasının kütlesi, kg,
m5 : Supap itici çubuğunun kütlesi, kg.
m6 : Supap iticisinin kütlesi, kg.
a,max- Maksimum yay ivmesi, m/s2,
Ira : Külbütör manivelasının kütle atalet momenti, kgm2.
Iı
: Külbütör manivelasının supap tarafının uzunluğu, m.
rra : Manivela oranı (rra 1).
dir.
Yay boyutlarının hesaplanması:
Dairesel kesitli tellerden sarılarak elde edilen supap yaylarında, kuvvet ile yayın
esnemesi arasında doğrusal bir ilişki bulunmaktadır. Supabın mekanizma ile birlikte
kapanma kuvveti hesaplandıktan sonra, supap açılma yüksekliği Şekil 8.31 "deki
diyagramdan belirlenebilir.
Tel Çapı;
(8.54)
Burada;
dw : Tel çapı, m,
Ds: Yay sarım çapı, m
Fmax : maximum yay kuvveti, N
Gerçek burulma gerilmesi;
(8.55)
Burada;
Ön gerilim kuvveti Fmin in yardımıyla da minimum burulma gerilmesi belirlenebilir;
(8.56)
Bu aşamada. Şekil 8.32 'nin yardımıyla dayanım kontrolü yapılabilir.
Şekil 8.32 Supap yayının sürekli dayanım kontrol grafiği.
Sarım Sayısı
(8.57)
Burada;
(8.58)
fmaX: Maksimum yay yolu (yayın serbest ve tanı basılmış konumlan arasındaki ölçü farkı), m,
G
Kesilme elastikiyet modülü. N/mm2, (yay çeliği için. G = 83 000 N/mm2), dir.
Bulunan sarım sayısı, üst tam sayıya yuvarlanır. Yayın her iki tarafına bükmeler için 1 veya 1,5
sarım eklenir.
Uygulamada supap yaylarında, aktif sarım sayıları ı = 5...8, uç ekler 2..3 sarım olmak üzere,
toplam 7….11 sarım bulunmaktadır.
Tam deformasyonda sarımlar arasında 0.3 mm 'den fazla boşluk olmalıdır.
Son olarak, yay titreşim frekansının da belirlenmesi gerekir.
Burada;
ns: yayın dakikadaki titreşim sayısı, l/mm.
dw: Yayın tel çapı, mm,
Ds: Yayın helezon çapı, mm
i : sarım savısı, dır.
ÖRNEK PROBLEM 8.6
Aşağıda verilen bilgilere göre, dört zamanlı bir motor için supap yayı boyutlarını belirleyiniz.
Supap kalkma miktarı
Supabın ivmelenme sırasındaki kalkma miktarı
Maksimum yavaşlama ivme kuvveti
Minimum yavaşlama ivme kuvveti
Motorun devir sayısı
Ortalama helezon çapı
:
:
:
:
:
:
6 mm
4 mm.
500 N,
300 N,
83 l/s (5000 1/min),
35 mm
ÇÖZÜM
' Şekil 8.31 'in yardımıyla maksimum ve minimum yay kuvveti değerleri belirlenebilir. Şekildeki
tanıtım çizgisi, supap kalkma yüksekliğine bağımlı yavaşlama ivme kuvvetlerinin değişim değerlerinin
% 20 fazlası ile işaretlenmiştir. Buna göre, supabın tam açık ve tam kapalı olduğu durumlardaki yay
kuvvetleri:
Fmax = 600 N,
Fmin.= 300N,
olmaktadır.
Tel.Çapı;
dur. T = 500 N/mm" kabulü ile birlikte, değerler yerine yazılırsa;
alınabilir.
Maksimum burulma gerilmesi için;
ve
Minimum burulma gerilmesi;
Gerilim değişimi;
bulunur. Değerler, Şekil 8.32 'nin yardımıyla kontrol edildiğinde, kabul edilebilir sınırlar arasındadır.
Sarım Sayısı
ve
değerler yerine yazılırsa;
bulunur. Uç kısımlar için 2 sarım eklenirse, sarım sayısı 5 olmalıdır.
Yayın titreşim frekansı;
KRANK MİLİNİN BOYUTLANDIRILMASI
Krank milleri, tek parça halinde, kesme dayanımları 480...890 N/mm2
olan sade karbonlu çelikten veya kesme dayanımları 340...515 N/mm2 olan
nikel veya krom molibdenli alaĢım çeliğinden dövülerek veya bazen de
dökülerek yapılfrlar
Krank millerine pratikte uygulanmıĢ olan ölçüler
Boyutlar
Biyel muylusu çapı (dcj)
Ana muylu çapı (dmj)
Biyel muylusu uzunluğu (jcx)
Ana muylu uzunluğu (jmx)
Krank kolu kalınlığı (wx)
Benzin
motorları
0,55...0,68 D
0,6...0,7 D
0,25...0,40 D
0,27...0,42 D
0,25...0,30 D
Diesel motorları
0,56...Q,72D
0,7...0,8 D
0,28...0,46 D
0,30...0,48 D
0,30...0,35 D
Seçilen ölçülerin kontrolü:
Kol muylusundaki eğilme gerilmesi;
yazılırsa;
FG: Maksimum
gaz kuvveti, N
a : Ana muylular arasındaki mesafe, mm
dcj: Kol muylusunun çapı, mm
Kol muylusundaki güvenli eğilme gerilmesi
N/mm2 'yi geçmemelidir.
bj
= 70...100
Krank kolundaki eğilme gerilmesi;
FG: Maksimum gaz kuvveti,
N jx : Kol muylusunun uzunluğu,
mm
wx : Krank kolunun kalınlığı, mm
wy : Krank kolunun geniĢliği, mm
Krank kolundaki güvenli eğilme gerilmesi
geçmemelidir.
bw
= 70...90 N/mm3 'yi
Krank millerinin tasarımı sırasında dikkat edilmesi gereken özellikler
• Krank muylu çapı en az 0,6 D olmalıdır. Ana muylu çapı krank muylu
çapından bir miktar daha fazla olmalıdır.
• Santrifüj krank yükleri dengelendiğinde, ana muylu uzunluğu 0,3 dj
kadar az olabilir.
• Muylu bindirmesi krankın dayanımını yükseltir. Kavislendirme de
yeterli olmaktadır. Ancak, kavis yarıçapı en az 0,05 dj olmalıdır.
• Muylularda bilinçsizce yapılacak boĢaltmalar, dayanımı azaltır.
• Krank mili mümkün olduğu kadar, deliksiz ve kama kanalsız yapılmalı,
özellikle yüksek gerilmelerin olduğu bölgelerde vidalı delik
açılmamalıdır. Ayraca, tüm deliklere pah kırılmıĢ olmalıdır, ölçülerin çok
kısıtlı olmadığı durumlarda döküm kranklar tatminkar bir alternatif
olarak görülmektedir.
BĠYEL BOYUTLARININ BELĠRLENMESĠ
Biyel ayağındaki A - A
kesitinde, çekme gerilmesi
Biyelin A - A kesitindeki çekme
gerilmesi değerleri, 30...50 N/mm2 arasında
alınmaktadır.
B - B kesitindeki eğilme gerilmesi
Biyelin B - B kesitindeki eğilme
gerilmesi değerleri, 40...60 N/mm2 arasında
alınmaktadır.
Biyelin en dar yeri olan C - C kesitindeki basma gerilmesi;
Biyelin C -C kesitindeki basma
gerilmesi değerleri, 90...110 N/mm2
arasında alınmaktadır.
Biyel baĢının D - D kesitindeki eğilme gerilmesi de;
Biyelin D - D kesitindeki eğilme
gerilmesi değerleri, 25...35 N/mm2
arasında alınmaktadır.
Fo4." Pistonun ÜÖN'da oluĢan maksimum atalet kuvveti
FBJ: Piston
ve biyelin Ü.Ö.N.'da oluĢan maksimum atalet kuvveti
AA: A-A kesitinin alanı, mm2
rS rb: Küçük ve büyük taraftaki kuvvet aralıkları, mm
MbB. B-B kesitinin eğilme kesit modülü, mm3
MbD: D-D kesitinin eğilme kesit modülü, mm3
Biyel gövdesi kesitinin boyutlarına ilişkin temel oranlar
/'.'
Dikdörtgenin eğilme kesit modülü
Nötr
ekseni
Mb= 0,167 bh2
E - E kesitinde iki adet biyel cıvatasına uygulanan çekme gerilmesi;
diĢ dibi kesit alanı
anma çapı (db) =1,25 dbr
Çekme gerilmesi ab yüksek hızlı motorlar için müsaade edilen 50
N/mm2 de üzerinden fazla olmamalıdır.
Piston ve biyeller
9...12 arasındadır.
için
seçilen
güvenlik
katsayıları,
Biyel burcunun kalınlığı;
Biyelin boyutlandırılmasına iliĢkin temel ölçüler
YARDIMCI
SĠSTEMLER
10.1 MANĠFOLDLAR
Manifold tasarımı motor performansını önemli ölçüde etkilediğinden, manifoldlar üzerinde
özenle çalışılması gereken elemanlardır.
l
Şekil 10.1
de, yaygın olarak kullanılmakta olan üç tip emme manifoldu
yerleşimi görülmektedir. Bazı sıra tipi motorlarda, emme ve egzoz manifoldlan silindir kapağının aynı
tarafında.
Şekil 10.1 Üç tip emme ve egzoz manifoldu yerleşimi
bazılarında ise ayn taraflardadır. V tipi motorların emme manifoldları ise, motorun üzerinde ve her iki
silindir kapağının arasındadır. Benzin motorlarında emme manifoldu, karışımı silindirlere olabildiğince
aynı biçimde ve en akışa az direnç göstererek dağıtmalıdır. Bu özellikleri sağlaması-için;
1.
Manifold kolları simetrik yani karıştırıcıdan silindire kadar mümkün olduğu kadar eşit boy ve kesit
alanında olmalıdır.
2. Her bir karıştırıcı boğazındaki emme işlemi aralıkları eşit olmalıdır. .
3. Kabul edilebilir sürtünme kaybı ve küçük akış kesitleriyle en yüksek akış hızları sağlanmalıdır.
Ayrı emme boruları veya port veya silindir yakıt enjeksiyon sistemlerinin kullanıması durumunda,
yüksek hız ihtiyacı azalmakta ve basınç kaybı ihmal edilebilir düzeye inmektedir.
Dört zamanlı motorlar, yüksek geri basınç oluşmadığı sürece, egzoz sistemi tasarımına daha az
duyarlıdır. Şekil 10.1 'de, yaygın olarak kullanılmakta olan üç tip egzoz manifoldu yerleşimi
görülmektedir.
10.2 ATEġLEME SĠSTEMLERĠ
Burada, ateşleme sisteminin ayrıntılarına girilmeyecek, sadece bazı önemli özelliklerine
değinilecektir. Günümüz otomotiv motorlarında, platinli ve elektronik olmak üzere iki tip ateşleme
sistemi kullanılmaktadır. Platinli ateşleme sistemlerinin egzoz emisyon standartlarını karşılayamaması
sebebiyle, 1970 'lerin başından itibaren, elektronik ateşleme sistemleri giderek daha çok kullanılmaya
başlanmıştır.
Ateşleme sistemleri, bu alandaki uzmanlar tarafından sağlandığından, tasarımcıya herhangi bir
problem çıkarmamaktadır. Dikkat edilmesi gereken iki önemli nokta, yanma, vuruntu, güvenilirlik ve
bakım açısından, bujinin yeri ve tipidir. Kullanılması düşünülen sistemin tasarımı ilgilendiren boyutları,
ilgili sistemden alınabilir.
10.3 YAKIT SĠSTEMLERĠ
Motorun silindirlerine yanıcı karışımı sağlayan yakıt sistemleri de, ateşleme sistemleri gibi;,/bu
alandaki uzmanlar tarafından sağlandığından, ayrıntılarına girilmeyecek, sadece bazı önemli
özelliklerine değinilecektir. Günümüz otomotiv motorlarında, karbüratör veya yakıt enjeksiyon
sistemleri olmak üzere, iki tip yakıt sistemi kullanılmaktadır. Karbüratörlü ölçme sistemlerinin egzoz
emisyon standartlarını karşılayamaması sebebiyle, 1980 'lerin başından itibaren, otomobillerin çoğunda,
ateşleme, yakıt ölçme ve diğer ilgili sistemleri kontrol etmek üzere, EEC (electronic engine control elektronik motor kontrol) sistemi, yakıt ölçümü için de EFI (electronic fiıeL injection -elektronik yakıt
enjeksiyonu) kullanılmaya başlanmıştır.
Yakıt enjeksiyon sistemlerinden en iyi sonucun elde edilmesi genellikle, enjektörün yeri,
tasannu ve zamanlaması konularında belirli bir deney süresini gerektirmektedir.
10.3.1 YAKITIN VERDĠĞĠ ENERJĠ
Motorun faydalı (efektif) işinin ısı eşdeğeri;
Qe=Pe
eşitliği ile belirlenebilir. Burada;
Qs: güce dönüşen ısı, kj/s,Pe: fren gücü, kW, tır.
Yakıtla sağlanması gereken ısı,
(10.1)
(10.2) eşitliğiyle hesaplanabilir. Yakıtın, yanma odasında yakılması
sonucunda sağlanan ısı aynı zamanda:
olduğundan, kullanılması gereken yakıt debisi;
(10.3)
olacaktır. Burada;
mf : yakıt debisi, kg/s,
Q : toplam ısı, kJ/s,
Hu : yakıtın alt ısı değeri, kJ/kg dır.
Karbüratörlü motorlarda motorun hava debisi;
(10.4)
ve burada;
dv : ventüri boğazının çapı, m,
Cv : ventüri boğazındaki ortalama hava hızı, m/s,
1 silindirli motorlarda Cv 75 m/s,
2 veya 3 silindirli motorlarda Cv 100 m/s,
4 veya daha çok silindirli motorlarda Cv 120 m/s,
dir. Debi, motor hacmi cinsinden yazılırsa;
\
(10.5)
olur. Burada;
D . silindir çapı, m,
H : strok, m,
n : motor devri, 1/min,
f: bir devirdeki iş zamanı sayısı, (dört zamanlı motorda 0,5, iki zamanlıda 1),
z : silindir sayısı.
dır.
(10.4) ve (10.5) no'lu eşitliklerin yardımıyla ventüri boğazının çapı hesaplanabilir:
(10.6)
Hava ve yakıtın debileri;
(10.7)
(10.8)
eşitlikleriyle hesaplanabilir. Eşitliklerde;
(10.9)
(10.10;
(10.11)
ve
(10.12)
dir. Burada;
a: havanın yoğunluğu, kg/m ,
r: yakıtın yoğunluğu, kg/m2.
P3 : atmosfer basıncı, Pa.
Ps : en dar kesitteki hava basıncı. Pa dır
2
Ma = λ (a/f) teo .mj
.
■
(10.13)
olduğu da dikkate alınarak düzenleme yapılacak
olursa, ana meme çapı için;
(10.14)
Cv
Cmj
A.
(a/f)min
a
r
eşitliği yazılabilir. Burada;
: ventüri debi katsayısı, (Cv 0,8),
: ana meme debi katsayısı, (Cmj 0,85),
: hava fazlalık katsayısı, (λ 0,9),
: teorik hava/yakıt kütle oranı, (( a/f )min 0,9),
: havanın yoğunluğu, (0,9 bar ve 10°C "de 1,1 kg/m3),
: yakıtın yoğunluğu,
(benzin için 740 kg/m'), tür.
Yaklaşık değerler yerine yazıldığında,
olmakta ve pratik olarak;
eşitliği kullanılmaktadır.
Diesel motorlarının enjeksiyon sistemindeki yakıt debisi;
(10.15)
eşitliğiyle hesaplanabilir. Burada;
C; ;enjektör çıkışındaki akış katsayısı, « 0,6,
Aj: toplam çıkış alanı, m", cnı; ; çıkış hızı,
m/s,
(10.16)
r : yakıtın yoğunluğu, (diese! yakıtı için =* 830...850 kg/m3),
Pi : enjeksiyon basıncı, Pa,
Pe : silindirdeki dolgunun basıncı, Pa, dır.
(10.15) ve (10.16) eşitlikleri, Ai için düzenlenecek olursa:
(10.17)
olur.
Bu durumda, enjektör meme deliğinin (veya deliklerinin) çapı;
(10 18)
olacaktır. Burada;
Zh :enjektör çıkışındaki delik sayısı,
dır.
Diesel motorlarının enjeksiyon sistemindeki yakıt debisi;
dir. Burada;
m' ; motorun bir iş zamanında bir silindirine püskürtülmesi gereken yakıt
miktarı;
(10.19)
ti : püskürtme süresi;
olduğundan, yakıt debisi eşitliği;
(10.21)
olacaktır. Burada;
bs : özgül yakıt tüketimi, g/kWh,
f : bir devirdeki iş zamanı sayısı, (dört zamanlı motorda 0,5, iki zamanlıda 1),
z : silindir sayısı,
i : krank açısı cinsinden enjeksiyon açısı, radyan, dır.
ÖRNEK PROBLEM 10.1
Direkt enjeksiyonlu, dört zamanlı bir diesel motoru hakkında, aşağıdaki değerler bilinmektedir:
Pc = 200 kW,
ne = 3000 1/min,
be = 230 g/kWh,
z = 4,
; = 20° krank açısı, tam gazda.
Pc = 60 bar,
P, = 300 bar,
r, = 850 kg/m3
Altı delikli (zh = 6) bir enjektör için delik çapını hesaplayınız.
ÇÖZÜM
Yakıt debisi;
deliklerin toplam kesit alanı;
ve bir deliğin çapı;
Bir silindire bir çevrimde hacimsel olarak püskürtülen yakıt miktarı;
(10.22)
eşitliğiyle hesaplanabilir. Püskürtülen yakıt hacminin, pompa plancırının yer değiştirme hacmine oranı
"sevk verimi''' .(ηd) olarak bilinmektedir.
Uygulamada, sevk verimleri, η= 0,7...0,9 arasında değişmektedir.
Geri dönüş yakıtı, aşın yük ve soğuk havalarda güvenilir ilk hareket gereksinimleri dikkate
almak üzere, pompanın tam kapasitesi;
(10.24)
alınmaktadır. Pompa plancırının strok çap oranına xpı denirse;
(10.25)
Bu durumda, pompanın ana boyutları belirlenebilir;
(10.26)
'
buradan;
(10.27)
olur.
Uygulamada, pompa plancırının strok çap oranı; xpi = 1,0... 1,7 arasında değişmektedir. Ancak, plancır
çapı 5 mm 'den az olmamalıdır. Normal emişli motorlarda
,0,065...0,08 arasındadır.
ÖRNEK PROBLEM 10.2
Örnek 10. T’ deki motor için gerekli yakıt enjeksiyon pompasının plancır çapını ve strokunu hesaplayınız.
ÇÖZÜM
•Yakıt debisi;
Örnekte, sevk verimi ηd = 0,8, komple sevk miktarı vp= 3 vd, plancırm strok/çap oranı xpi = 1,0 kabul
edilmiştir. Bu durumda;
ve
1 Ü.4
SOĞUTMA SĠSTEMLERĠ
Pistonlu içten yanmalı motorlarda, yanma odasında iş yapan gazların sıcaklıkları, zamana bağlı
olarak o kadar hızlı değişmektedir ki, soğutma olmasa bile, gazların silindirdeki genişlemelerine bağlı
olarak soğumaları, egzoz ve radyasyon ısı kayıpları nedeniyle, yüzey sıcaklığı hiçbir zaman maksimum
çevrim sıcaklığına ulaşamaz. Ancak, bu sıcaklıklar bile çok yüksektir ve maksimum çevrim
sıcaklıklarının yapısal özelliklerle sınırlandırılmış olması gerekmektedir. Bu yüzden pistonlu içten
yanmalı motorlar her zaman soğutma sistemleri ile donatılarak, silindir, piston, supap ve diğer' ilgili
parçaların sıcaklıkları kontrol edilir.
Çizelge 10.1 'de, pistonlu içten yanmalı motorlarda yakıttan elde edilen enerjinin, yaklaşık
yüzdelerle nerelere harcandığına ilişkin bir örnek görülmektedir.
Soğutma, silindir içerisindeki gaz sıcaklığının, silindir yüzey sıcaklığının üzerine çıktığı zamanki
ısı akışı ile gerçekleşmektedir.
Pratikte, soğutucu yeterince hızlı bir şekilde devridaim yapmalı ve böylece motordan geçişi
sırasındaki sıcaklık artışı, sıvı soğutmalılarda 10...15°C ve hava
Çizelge 10.1 Pistonlu içten yanmalı bir motorda ısı dengesi
soğutmalılarda 20...40° C 'yi geçmemelidir. Düşük soğutucu sıcaklığının tek avantajı, sıcak yüzeylerin
sıcaklıklarının düşmesi ve hacimsel verimin artmasıdır. Diğer yandan, soğutucu sıcaklığının düşmesi ile,
silindir gömleği kayıpları, ısıl gerilimleri ve eğer varsa, radyatör boyutları artacaktır. Sıvı ile soğutma
yapıldığında soğutucu sıcaklığı genellikle kaynama sıcaklığının altında tutulmaktadır. Modem
uygulamalarda ise, soğutma sistemi içerisindeki kaynama noktasını yükseltmek için, basınçlı soğutma
sistemleri kullanılmaktadır. Radyatör kapasitesinin küçültülmesi gereken durumlarda, yüksek kaynama
noktalı sıvılar kullanılmaktadır.
Taşıt motorlarının su ceketlerinden dolaşacak yeterli düzeyde su ile, suyun belirli bir zaman
içerisindeki geçiş miktarı, giriş ve çıkış sıcaklıklarını ölçebilecek bir düzenlemenin yapılması
gerekmektedir.
Şekil 5.2 "de, basit bir soğutma suyu düzenlemesi görülmektedir. Bu düzenlemede, soğutma
suyunun sadece hızı değiştirilebilen bir pompa yardımı ile devridaim yapması sağlanmıştır.
Radyatörün kapasitesi, pompanın kontroluna da bağlı olarak arzu edilen su sıcaklığına uygun düzeyde
olmalıdır. Gerektiğinde, hızı değiştirilebilen bir vantilatör kullanılarak radyatörün de soğutulması
sağlanabilir.
Modem taşıt motorlarında, çabuk ısınmayı sağlamak ve motor sıcaklığım kontrol etmek için,
tormostatik kontroller düzenlenmektedir. Soğutma suyu sıcaklığı, kaynama noktasının hemen altında
iken motor verimi maksimumdur. Sıcak çalışma aynı zamanda yakıtın yoğunlaşmasını azaltarak, emme
manifoldundaki dağıtımını kolaylaştırmakta, özgül yakıt tüketimini ve silindir aşıntısını da
azaltmaktadır Motorun çabucak ısıtılması, maksimum gücün mümkün olan en kısa zamanda
üretilebilmesine ve yağlama yağının viskozitesini düşürerek, piston sürtünmesinin azalmasına, mekanik
verimin artmasına sebep olur.
Şekil 5.2 Basit bir soğutma suyu düzenlemesi
Soğutma suyu sıcaklığının 20°C 'den 90°C 'ye kadar yükseltilmesi ile, güçte % 10 dolayında bir
artış olmaktadır. Bu kazancın çoğu, piston sürtünmesindeki azalmadan dolayı olmaktadır, İmalâtçıların,
piston tasarımı, piston basınçları ve piston hızı ile yakından ilgilenmelerinin nedeni de budur. Motorun
ısınması sonucu, içeriye alman karışımın kütlesinin azalması nedeniyle olan kayıp ile, güçteki kazanç
kısmen birbirini dengelemektedir. Ortalama efektif basınç, % 3 kadar azalmaktadır. Sonuç olarak, sıcak
çalışan bir motorun güç ve verimindeki net kazanç, % 5...% 8 dolayındadır.
Son zamanlardaki içten yanmalı motor denemeleri, motoru yüksek sıcaklıkta çalıştırıp, düşük
viskoziteli yağlama yağlan kullanmak ve sürtünme kayıplarını azaltarak maksimum gücü elde etmek
yolundadır. Sıcaklık nedeniyle hacimsel verimdeki azalmayı en az düzeyde tutmak amacı ile: soğuk
havanın motor haznesi dışından motora alınması için düzenlemeler yapılmış ve böylece daha büyük
kütledeki oksijen alınması ile güçte % 15 kadar bir artış sağlamıştır.
10.6 SOĞUTMA SUYU KAPASĠTESĠ
Silindir yüzeylerinden, kapağından ve diğer parçalardan soğutma suyuna geçen ısı şu formülle
hesaplanabilir:
(10.28)
Burada:
O w : soğutma suyuna geçen ısı, kj/'s,
m w: soğutma suyu debisi, kg/s,
t1 : giriş sıcaklığı, °C,
t2 : çıkış sıcaklığı, °C,
Cp : soğutma suyunun özgül ısısı, 4,187 kJ/kg °C
dır.
Soğutma ile kaybedilen ısı, motorun tipi, ısıl verimi ve yakıt türüne bağlı olarak değişmekle
birlikte, yaklaşık olarak sisteme verilen ısının % 28 i kadardır. Buna göre soğutmanın aldığı ısı:
(10.29)
dolayında olacaktır. Burada;
Qw : soğutma suyuna geçen ısı, kj/s,
0.28: soğutmaya kaybedilen ısı yüzdesi,
be
: özgül yakıt tüketimi, g/kWh
Hu : yakıtın alt ısı değen, kJ/kg Pe
:
efektif güç, kW tır.
ÖRNEK PROBLEM 10.2
30 kW gücündeki bir benzin motorunda, soğutma suyu sıcaklıklarının girişte 15°C, çıkışta 80°C
olması gerekiyorsa ve motorun özgül yakıt tüketimi 310 g/kWh ise, soğutma suyunun debisi ne olmalıdır?
10.5 YAĞLAMA SĠSTEMLERĠ
Bilindiği gibi, motor yağlama sisteminin amacı, sürtünme ve aşınmayı azaltmak, aşınma
yoluyla açığa çıkan parçacıkları kartere indirmek ve çalışan parçalan bir ölçüde soğutmaktır. Basınçlı
yağlama sisteminde bulunan genellikle dişli tip bir yağ pompası, karterde bulunan yağı bir süzgeç ve
emiş borusu üzerinden emerek, bir yağ kanalından yağ filtresine basar, Şekil 10.5. Yağ basıncının
ayarlanması, pompa gövdesindeki bir basınç supabı aracılığıyla sağlanır. Bu supap, sistem üst basıncına
erişildiğinde yağ deposuna dönüş kanalını açar.
Yağ filtreleri;
a)
b)
Kısmi akışlı (bypass) filtreler,
Tam akışlı filtreler,
olmak üzere iki tiptir. Kısmı akışlı (bypass) filtreli sistemlerde, pompadan çıkan yağ iki kola ayrılır.
Kollardan birinden akan yağ filtreden geçerken, diğerinden akan yağ doğrudan doğruya motora
gönderilir. Şekil 10.5 'te görülen sistem, kısmı akışlı filtreli bir sistemdir. Tam akışlı filtrelerde ise,
motora pompalanan yağın tamamı filtreden geçer. Tam akışlı filtrelerde, filtrenin tıkanması
durumundaki akışı sağlamak üzere, bir bypass valfı bulunur.
Yağ filtreleri genellikle kapalı bir muhafaza içerisindeki kağıttan yapılmış, yıldız şeklinde
katlanan bir filtre elemanından oluşmaktadır ve değiştirilebilirler. Filtre edilen yağ, filtreden ana yağ
kanalına ulaşır.
Motorun hareket eden parçalan, basınçla veya püskürme yoluyla yağlanır. Silindir bloğundaki
yatay ana yağ kanalı (galerisi), deliklerle krank milinin ana yataklarına bağlanmıştır. Bir kısım yağ,
yatak yağ boşluklarından geçerek hareketli parçalara püskürtülürken, bir kısmı da ana ve biyel muylusu
arasındaki deliklerden geçerek biyel muylusuna ulaşır. Biyel üzerindeki bir delikten fışkıran bir miktar
yağ, silindir yüzeylerini yağlar. Birçok motorun biyelinde bulunan boydan boya bir delikten geçen yağ,
piston ve silindirler için ilave bir yağlama sağlar. Yağ, aynı zamanda, yatay ana yağ kanalından ayrılan
düşey bir kanal (galeri) dan geçerek kam miline ulaşır ve kam mili boyunca açılmış olan delikten
geçerek kam mili yataklarını ve supap mekanizmasının diğer elemanlarını yağlar. Yağlama görevini
yapan yağ, tekrar kartere dökülür.
Şekil 10.5 Basınçlı yağlama sistemi
Gerekli yağ debisi, motorun boyutları, hızı ve diğer bazı tasarım faktörlerine bağımlıdır. Önemli
sorulardan biri, pistonların yağ ile soğutulmasının gerekli olup olmadığıdır. Ancak, aşıntı ve güvenlik
gibi gerekçelerle, tasarım pompa kapasiteleri teorik değerleri ikiye katlamalıdır.
Motorun yağlama yağı debisi, motordan yağ tarafından uzaklaştırılan ısı miktarı (O o) ile
ilişkilidir. Isı analizi sonuçlarına göre bu ısı miktarı, yakıtla sağlanan ısının % 1,5...% 3.0 'ü kadardır.
(10.30)
eşitliği ile belirlenebilir. Burada:
Q yakıtla sağlanan ısı ( Q = mf Hu ) kJ/s dır
Yağlama yağı ile taşman ısının tanımlanmış değerlerinde, yağ debisi;
(10.31)
ve burada;
V os: yağ debisi. m3/s,
o : yağın yoğunluğu, ( 900 kg/m3),
C,, : yağın ortalama özgül ısısı, ( 2,094 kJ/kgK),
T0: yağın motorda dolaşması sırasındaki sıcaklık değişimi, ( 10... 15 K), dir.
Sistemdeki yağ basıncını kararlı düzeyde tutabilmek için, yukarıda belirlenen debi değerinin iki
katı alınır:
VOS = 2 VO
(10.32)
Yağ kaçakları nedeniyle, yağ pompasının sevk verimi (ηod) de dikkate alındığında, pompanın
tasarım yağ debisi;
(10.33) olacaktır.
DFDD
Uygulamada, yağ pompası verimleri. ηod = 0.6...0.8 arasında değişmektedir.
Pompayı döndürmek için gerekli güç (Pop) ise;
(10.34)
Pop : tasarım pompa gücü, kW,
V od : tasarım yağ debisi. m3/s
Pomax • sistem yağ basıncı. Pa.
η mp : pompanın mekanik verimi, dir.
Uygulamada genellikle:
sistem yağ basınçları, Pom:lx = 3p...7 bar.
yağ pompalarının mekanik verimleri. η od
= 0.6...0.8
karter yağ kapasiteleri 3...7 litre kadardır.
10.6 POZĠTĠF KARTER HAVALANDIRMA SĠSTEMLERĠ
Motorun, pistonun karterdeki gazlara harcayacağı sıkıştırma işini azaltmak, kartere kaçan
yanmamış karışım ve yas buharlarının atmosfere atılmadan tekrar motora dönmesini sağlamak üzere,
pozitif karter havalandırma (positive crankcase ventilation - PCV) sistemlerinin kullanılması yasal
zorunluluktur. Sekil 10 6 'da, bövle bir sistem görülmektedir.
10.7 MARġ SĠSTEMĠ
Marş sistemi, motorun ilk harekete geçirilmesini sağlayan marş motoru ve ona kumanda eden
sistemden oluşmaktadır. Motorun ilk harekete geçirilebilmesi için, buji ile ateşlemeli motorlarda 60...
100 1/min, diesellerde 80...200 1/mın kadarlık bir devir yeterli olabilmektedir. Volan dişlisinin diş sayısı,
marş motorunun pinyon dişlisinin diş sayısının 10/1-...20/1 katı kadardır. Pinyon dişlilerinin diş sayıları
genellikle 9, 10, 11 dır. Örneğin, marş motorunun şaftı ile krank mili arasında 15/1 kadar
Şekil 10.6 Pozitif karter havalandırma (PCV) sistemi
redüksiyon olması durumunda, marş motoru 3000 1/min hızla döndüğü zaman krank mili 200 1/min hızla
dönecektir ki bu da motoru ilk harekete geçirmek için yeterlidir. Motor çalıştıktan sonra pinyon dişli
volandan mutlaka ayrılmalıdır. Ayrılmayacak olursa, motorun 3000 1/min hızla dönmesi halinde, 15/1
oranından dolayı, marş motoru 45000 1/min hızla dönmek zorunda kalacaktır ki, bu da marş motorunu
dağıtmak için yeterlidir. Marş sistemleri de bu konudaki uzmanlar tarafından tasarlanmakta ve
üretilmekte olduğundan, tasarımcının yapması gereken iş yalnızca tasarımını yaptığı motora uygun bir
sistemi seçmektir.
Marş motorunun uygulaması gerekli moment, Nm olarak;
(10.35)
ve burada;
Fc: sıkıştırma strokunda. ÜÖN 'ya 25° kala pistona etki eden gaz kuvveti, N, cm
: ortalama piston hızı, m/s, co : açısal hız, rad/s, dir.
(10.36)
(10.36)
olacaktır. Burada,
ns : marş motorunun krank milini çevirme devir sayısı, ( 100 1/min), dir.
Taşıtlarda genellikle 12 V 'luk sistemler kullanıldığından, seçilecek marş motoru da doğal
olarak, 12 V seri sargılı DC motor olacaktır.
Marş motorunun verimi rjs ile irade edilirse, bataryanın sağlaması gerekli güç;
Pb=P/ns
(10.37)
olacaktır. Marş sırasında 12 V 'luk bataryanın gerilimi, Vs
motorunun çekeceği akım (Ib), amper olarak;
10 V 'a düşmektedir. Buna göre, marş
(10.38)
Ib = Pb/ Vs
dir. Batarya kapasitesi, bu akımı yeterli bir süre sağlayabilecek düzeyde (ör. 15...20 dakika) olmalıdır.
Otomotiv alanında 5 ... 200 Ah'e kadar kapasitelerde aküler kullanılmaktadır.
10.8 CONTALAR
Conta ve yalıtıcılar, bütün motorlarda kullanılan ve çok önemli fonksiyonlar üstlenen
parçalardır. Şekil 10.7'de, altı silindirli bir motorda kullanılan çeşitli contalar görülmektedir. Conta ve
yalıtıcı tasannu, başarılı motor tasarımı için önemlidir.
Silindir kapak contaları, silindir bloğu ve kapak arasında yanma odasını ve su geçiş kanallarını
uygun biçimde yalıtmak üzere kullanılırlar. Otomotiv buji ile ateşlemeli motorlarında kullanılan silindir
kapak contaları genellikle bakır-asbest tiptedir. Silindir çapı 150 mm 'den küçük bazı diesel motorlarında
da aynı tıp contalar kullanılmaktadır. Silindir çapı 150 mm 'den büyük ve bazı küçük diesel motorlarında,
her yanma odasını yalıtmak için, bakır, alüminyum veya yumuşak çelikten metal halka tipi contalar
kullanılmaktadır. Ayrıca, silindir bloğu ve kapak arasındaki su geçiş kanallarını yalıtmak üzere de,
neoprene veya benzeri sentetik lastik yumuşak contalar kullanılır.
Şekil 10.7 Altı silindirli bir motorda kullanılan çeşitli contalar
Contaların görevlerini başarıyla yapması, yüzeylerin düzgünlüğüne, contanın her yerinin yeterli
ve aynı oranda sıkıştırılmasına ve dolaysıyla silindir kapak cıvatalarının yerleştirilme düzenine bağlıdır.
Yaş gömleklerde ve diğer su geçişlerindeki yalıtım için, genellikle sentetik lastik O-ringler
kullanılmaktadır. O-ring kullanımında dikkat edilmesi gereken özellik, lastiklerin kolaylıkla
sıkıştırmaması nedeniyle, oyuk kesit alanının ringin kesit alanından hafifçe büyük yapılması gerektiğidir.
O-ringlerde yalıtım, kesitin biçim bozulması ile başarılmaktadır. O-ringler, uygun seçim ve takma
halinde, hareketsiz parçalar arasındaki statik yalıtım için çok elverişlidir.
Su pompalan, şaftlar gibi hareketli parçalar arasındaki yalıtım için O-ringler uygun değildir. Bu
kısımlardaki yalıtım için, yağ keçesi olarak adlandırılan ve uzman firmalarca üretilen, radyal dudaklı
esnek yalıtıcılar kullanılmaktadır. Metal bir muhafazaya yerleştirilmiş olan esnek yalıtıcı çevresel dudak,
dönen parçaya sürekli temas ederek yalıtımı sağlar. Dudağın dönen parçaya temasına yardımcı olmak
üzere bu yalıtıcıların içerisinde bazen bir yay da kullanılır.
Krank haznesinin iki ana elemanının civatalandığı bölgelerdeki yalıtım için, birbiriyle temas
eden yüzeylerin düzgünlük ve doğruluğu çok önemlidir. Krank milinin krank haznesinden dışarıya
çıktığı kısımlarda, bir yağ fırlatma diski ile birlikte, yumuşak conta veya helisel geri dönüş kanalı
kullanılır.
Mantar, asbest, keçe, kağıt, vb. malzemelerden yapılmakta olan yumuşak contalar, karter, su
pompalan, külbütör kapaklan, marş motorları, vb. çevresinden olabilecek yağ sızıntılarını önlemek
amacıyla kullanılmaktadır. Bu contalar, yüksek basınç veya yüksek sıcaklık olan bölgelerdeki yalıtım
için uygun değildir.