YENİ NESİL KOMPOZİT DIŞ GÖVDELİ BİR WANKEL MOTORUNUN ISIL VE MEKANİK PERFORMANS ANALİZİ Bekir Tolga ALTIPA RMAK T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YENİ NESİL KOMPOZİT DIŞ GÖVDELİ BİR WANKEL MOTORUNUN ISIL VE MEKANİK PERFORMANS ANALİZİ Bekir Tolga ALTIPARMAK 0000-0002-3521-9040 Prof. Dr. Ali SÜRMEN (Danışman) YÜKSEK LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA – 2021 ÖZET Yüksek Lisans Tezi YENİ NESİL KOMPOZİT DIŞ GÖVDELİ BİR WANKEL MOTORUNUN ISIL VE MEKANİK PERFORMANS ANALİZİ Bekir Tolga ALTIPARMAK Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ali SÜRMEN Bu çalışmada mevcut olan bir Wankel motorunun 3 boyutlu modellemesi yapılarak bu model üzerinde ısıl ve mekanik performans analizleri yapılmıştır. Mevcut motorun soğutma sistemlerinin devre dışı bırakılması durumunda motor gövdesi üzerinde meydana gelen sıcaklık artışı ve genleşme miktarı incelenmiştir. Krank milinin 6000 devir/dk hızında döndüğü kabul edilmiştir ve yanmanın stokyometrik olarak gerçekleştiği kabulü yapılmıştır. Krank mili açısına bağlı olarak hacim ve yüzey alanındaki geçici değişiklikler SOLIDWORKS yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sonra motor, tek boyutlu bir motor tasarım ve simülasyon aracı olan GT-SUITE yazılımı kullanılarak modellenmiştir. Tek boyutlu analizler için öncelikle geometrik ve dinamik benzerlik kriterlerine uygun olarak mevcut Wankel motor ve 4 zamanlı motorlara benzetilmiştir. Elde edilen sonuçlar, bu konu ile ilgili literatürdeki çalışmalarla uyumludur. Daha sonra ısıl ve mekanik performans sonuçlarını detaylı olarak incelemek için 3 boyutlu analizler yapılmıştır. Bu aşamada Ansys programı kullanılmıştır ve model analize uygun hale getirilmiştir. Analizde başlangıç verileri olarak GT-SUITE programnımdan elde edilen ısı akışı, ısı iletkenlik katsayısı ve sıcaklık değişkenleri Ansys programına zamana bağlı olacak şekilde tanımlanmıştır. motorun çalışma süresi 2700 saniye olarak belirlenmiştir ve krank mili dönüş hızı 6000 devir/dk olacak şekilde sabit tutulmuştur. Analiz sonuçlarında alüminyum gövde modeli üzerinde 98,34 °C sıcaklık farkı ve segmanların temas ettiği gövde iç yüzeyinde 0,609mm değerinde genleşme olduğu görülmüştür. Elde edilen bu veriler literatür araştırmalarımızda elde etiğimiz verilere yakın ve mantıklı sonuçlardır. Bu çalışma sayesinde Wankel motorları için tasarım aşamasında soğutma modelleri geliştirilebileceği ve analizlerinin yapılabileceği öngörülmektedir. Anahtar Kelimeler: Wankel motoru, motor modelleme, ısıl analiz, mekanik analiz, 3 boyutlu analiz, ısıl genleşme, soğutma modeli 2021, xii + 95 sayfa. i ABSTRACT MSc Thesis THERMAL AND MECHANICAL PERFORMANCE ANALYSIS OF A WANKEL ENGINE WITH OUTER BODY FROM NEW GENERATION COMPOSITES Bekir Tolga ALTIPARMAK Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Automotive Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ali SÜRMEN In this study, thermal and mechanical performance analyses have been conducted by constructing 3D modelling of an existing Wankel engine. In case the cooling systems of the current engine are disabled, the temperature increase and thermal expansion of the engine housing have been investigated numerically. It is assumed that the crankshaft rotates at a speed of 6000 rpm. In addition, combustion is supposed to occur stoichiometrically. Transient changes of the volume and surface area depending on the crankshaft angle has been calculated using SOLIDWORKS software. After that, the current engine has been modelled using GT-SUITE software which is a one dimensional engine design and simulation tool. For one dimensional analyses, firstly geometric and dynamic similarity rules of a standard 4-stroke engine have been applied to the Wankel engine. The results obtained are compatible with that of the studies on this topic in the literature. After that, 3-dimensional analyses have been conducted to investigate the thermal and mechanical performance results in detail. For this purpose, ANSYS software has been utilized and the engine model has been prepared for the 3D analyses. Heat flow, heat conductivity coefficient and temperature variables obtained from GT-SUITE program are defined in the Ansys program as the initial conditions for the transient simulations. The calculation time of the engine is determined as 2700 seconds and the crankshaft rotation speed is kept constant at 6000 rpm. Temperature difference of 98.34 °C is obtained in the engine model with the aluminium housing from the simulations. Also, expansion of 0.609 mm is obtained on the inner surface of the body, where the rings contacted. These results are logical and compatible with the data we have obtained in our literature review. Due to this study, it is estimated that cooling system models of Wankel engines can be developed and analysed at the design stage. Key words: Wankel engine, engine modelling, thermal analysis, mechanical analysis, 3-dimensional analysis, thermal expansion, cooling model. 2021, xii + 95 pages. ii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.................................................................................................................................. i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR ................................................................................................ iii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ...................................................................... vi ŞEKİLLER DİZİNİ ........................................................................................................... x ÇİZELGELER DİZİNİ ................................................................................................... xii 1. GİRİŞ...... ..................................................................................................................... 1 1.1 Tezin Amacı ................................................................................................................ 1 1.2. Wankel Tasarımı ve Motor Geometrisi...................................................................... 2 1.2.1. Gövde Tasarımı ....................................................................................................... 4 1.2.2. Ana Gövde Soğutucu Akışkan Kanalları ................................................................ 5 1.2.3. Soğutucu Hava Kanatları ........................................................................................ 7 2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI ...................................... 9 2.1. Kaynak Araştırması .................................................................................................... 9 2.2. Kuramsal Temeller ................................................................................................... 14 2.2.1. Termodinamik Özelliklerin Belirlenmesi ............................................................. 14 2.2.2. Kütlenin Korunumu .............................................................................................. 15 2.2.3. Türlerin Korunumu ............................................................................................... 16 2.2.4. Yanma ................................................................................................................... 18 2.2.5. Enerjinin Korunumu ............................................................................................. 21 2.2.6. Manifoldların Modellenmesi ................................................................................. 22 2.2.7. Isı Transferinin Modellenmesi .............................................................................. 24 3. MATERYAL VE YÖNTEM ...................................................................................... 29 3.1. Wankel Motor Parçalarının Sökülmesi .................................................................... 30 3.2. Wankel Motor Parçalarının Ölçümü ve Modellenmesi ........................................... 32 3.2.1. Eksantrik Mili Modellenmesi ................................................................................ 32 3.2.2. Wankel Pinyon Dişli Modellenmesi ..................................................................... 33 3.2.3. Wankel İç Planet Dişli Modellenmesi .................................................................. 34 3.2.4. Rotor Modellenmesi .............................................................................................. 35 3.2.5. Ana Gövde Modellenmesi..................................................................................... 37 3.2.6. Yüzey Alanı ve Hacim Hesaplamaları .................................................................. 39 3.3. Wankel Motorunun Sayısal Olarak Tek Boyutlu Modellenmesi ............................. 42 3.3.1. Wankel Motorunun GT-SUITE Programına Tanımlanması ................................. 42 3.3.2. Wankel Motoru Performans Veri Grafiklerinin Oluşturulması ............................ 44 3.3.3. GT-SUITE Programında Zamana Bağlı Veri Grafiklerinin Oluşturulması .......... 50 3.4. Wankel Modelinin Ansys Programında 3 Boyutlu Analizi ..................................... 59 3.4.1. Motor Gövdesinin 3 Boyutlu Analiz Modeli ........................................................ 60 3.4.2. Wankel Modelinin Thermal Transient Arayüzünde Analizi ................................. 66 4. BULGULAR .............................................................................................................. 75 4.1. Thermal Transient Süreç Analizi Sıcaklık Verileri .................................................. 75 4.2. Static Structural Arayüzünde Şekil Değiştirme Analizi Verileri ............................. 76 iv 5. TARTIŞMA ve SONUÇ ............................................................................................. 79 KAYNAKLAR ............................................................................................................... 84 EKLER ............................................................................................................................ 86 EK 1. Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri ..................................... 87 EK 2. Birim zamandaki ısı akışı ve ısı transfer katsayısı tablosu ................................... 92 ÖZGEÇMİŞ .................................................................................................................... 95 v SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama Kontrol hacmi içerisindeki kütle Emme manifoldu boyunca kütle Egzoz manifoldu boyunca kütle Contalara sızan kaçak kütlesi Çatlak kütle akışı Yanma odasına eklenen gaz haldeki yakıt oranı Yanma ürünleri kütle oranı Yanmış yakıt kütle oranı Stokyometrik yakıt hava kütle oranı Yanmış yakıt kütlesi Yakıt grş Emme egz Egzoz i İleri kaçak g Geri kaçak ̇ Yakıt yanma hızı ̇ Emme yakıt akış hızı ̇ Egzoz yakıt akış hızı ̇ İleri çatlak akış hızı ̇ Geri çatlak akış hızı ̇ Yakıt kütle oranı zamana bağlı değişimi ̇ Yanma ürünleri kütle oranı değişim hızı ̇ Taze hava kütle oranı değişim hızı ̇ Ekivalans oranı değişim hızı Yakıt Enerjisi Ateşleme başladığındaki eksantrik mili açısı Maksimum yakıt enerjisi yayılma hızındaki eksantrik mili açısı Yanma oranı bozulma sabiti Her bir çevrimde enjekte edilen toplam yakıt miktarı Yanma odası basıncı ̇ Zamana bağlı yanma odası basınç değişimi Yanma odası hacmi ̇ Zamana bağlı yanma odası hacim değişimi Yanma odası sıcaklığı ̇ Zamana bağlı yanma odası sıcaklık değişimi ̇ Kontrol hacmi içerisindeki kütlenin zamana bağlı değişimi Yanma odası gaz sabiti ̇ Yanma odası gaz sabitinin zamana bağlı değişimi vi ̇ Yoğunluk değişim hızı Kontrol hacmi ̇ Kontrol hacmi iç enerjisi Kütlenin system sınırlarını geçebileceği yolların sayısı J yönündeki entalpi ̇ Soğutma enerjisi kaybı Motor indike şaft gücü Entalpi Zaman Vektörel yön indisi Basınç katsayısı Emme manifold hava alt indisi Atmosferden manifold taze gaz akışı alt indisi Kontrol hacmindeki hava alt indisi ̇ Emme manifold yüzeylerinden zamana bağlı ısı transferi Egzoz manifoldundaki akışkan alt indisi Egzoz manifold akışkan alt indisi ̇ Egzoz manifoldundan atmosphere sızan akışkan kütle değişimi ̇ Egzoz kanalından egzoz manifolduna kütle akış hızı e Özgül iç enerji Egzoz manifold basıncı ̇ Egzoz manifold basıncının zamana bağlı değişimi b Yanmış gaz özellikleri alt indisi Nusselt sayısı Re Reynolds sayısı Pr Prandtl sayısı h Isı transferi katsayısı L Karakteristik uzunluk k İletim katsayısı Dinamik, kinematik viskoziteler Karakteristik hız Piston hızı Yanma türbülansı sonucu oluşan ek hız değeri ̅ Ortalama rotor hızı N Motor hızı (devir/dk) Rotor yarıçapı Emme ve sıkıştırma fazlarındaki karakteristik hız Hız düzeltme sabiti-1 Yanma sonucu oluşan hız Hız düzeltme sabiti-2 Sıkıştırma ve Genişleme fazlarındaki karakteristik basınç 3 V Hacim (m ) T Sıcaklık Yanma odası şartları indisi Yanma boyunca toplam gaz hızı Duvarlara ısı transfer hızı Duvar sıcaklığı vii Toplam yüzey alanı Gövde yüzey alanı Rotor yüzey alanı Yan yüzey alanı Rotorun eni C Düzeltme faktörü E Eksantriklik değeri (mm) Ørotor yatağı Rotor yatağı çapı (mm) Dt1 Pinyon dişli bölüm dairesi çapı (mm) Zt1 Pinyon dişli diş sayısı Mt1 Pinyon dişli modülü Dt2 İç planet dişli bölüm dairesi çapı (mm) Zt2 İç planet dişli diş sayısı Mt2 İç planet dişli modülü viii Kısaltmalar Açıklama İYM İçten Yanmalı Motorlar HAD Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği İHA İnsansız Hava Aracı SKB Sayısal Kontrollü Bilgisayar AÖN Alt Ölü Nokta ÜÖN Üst Ölü Nokta mm Milimetre cm Santimetre 2 cm Santimertekare 3 cm Santimetreküp °C Santigrad derece Cu Bakır elementi Ni Nikel elementi Si Silisyum elementi Al Alüminyum elementi AL 2025 Alüminyum bileşiği kodu kW Kilowatt dk Dakika BDT Bilgisayar Destekli Tasarım Nm Newtonmetre K Kelvin ix ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1. Wankel gövde geometrisi oranları .................................................................... 2 Şekil 1.2. Klasik 4 zamanlı motor ile Wankel çevrimi karşılaştırması ............................. 3 Şekil 1.3. Ön kapak demontajı yapılmış wankel motor gövdesi ....................................... 4 Şekil 1.4. İHA Wankel motorunun soğutucu akışkan iletim kanalları ............................. 5 Şekil 1.5. Wankel motorundaki kanalların gövde bağlantı noktaları ................................ 6 Şekil 1.6. Kanatlı gövdeye sahip İHA Wankel motoru ..................................................... 7 Şekil 2.1. Wankel yanma odasının açık sistem olarak şematik gösterimi ...................... 15 Şekil 2.2. Kaçak ve çatlak modeli ................................................................................... 16 Şekil 2.3. Eksantrik mili açısına göre yanma ısı yayılım hızı grafiği ............................. 19 Şekil 2.4. Modellenen Wankel motoru soğutma sisteminin şematik gösterimi .............. 25 Şekil 2.5. Denklem 2.41’in, Ansdale tarafından belirlenen yüzey alan hesabıyla kıyaslanması .................................................................................................................... 28 Şekil 3.1. Montaj halindeki Wankel motoru genel ekipmanları ..................................... 30 Şekil 3.2. Parçaları çıkartılmış Wankel motoru genel görüntüsü.................................... 31 Şekil 3.3. Eksantrik mili genel görüntüsü ....................................................................... 32 Şekil 3.4. Eksantrik mili BDT modeli ............................................................................. 33 Şekil 3.5. Pinyon dişli BDT modeli ................................................................................ 34 Şekil 3.6. İç planet dişli BDT modeli .............................................................................. 35 Şekil 3.7. İç rotor BDT modeli ....................................................................................... 36 Şekil 3.8. İç rotor montaj modeli .................................................................................... 37 Şekil 3.9. Ana gövde BDT modeli .................................................................................. 38 Şekil 3.10. Wankel motorunun montajlanmış BDT modeli ............................................ 39 Şekil 3.11. Farklı krank mili açılarındaki yanma odası hacim ve yüzey alanı değişimi . 40 Şekil 3.12. Yanma odası yüzey alanı grafiği................................................................... 41 Şekil 3.13. Yanma odası hacim grafiği ........................................................................... 41 Şekil 3.14. Rotor-krank mili açısı grafiği........................................................................ 41 Şekil 3.15. GT-SUITE motor veri girişi arayüzü ............................................................ 43 Şekil 3.16. GT-SUITE motor ortalama efektif basınç-devir grafiği ............................... 44 Şekil 3.17. GT-SUITE motor indike efektif basınç-devir grafiği ................................... 45 Şekil 3.18. GT-SUITE motor tork-devir grafiği ............................................................. 46 Şekil 3.19. GT-SUITE motor güç-devir grafiği .............................................................. 47 Şekil 3.20. GT-SUITE motor özgül yakıt sarfiyatı-devir grafiği .................................... 48 Şekil 3.21. GT-SUITE motor volumetrik verim-devir grafiği ........................................ 49 Şekil 3.22. GT-SUITE geometrik veri girişi arayüzü örnek gösterimi ........................... 50 Şekil 3.23. GT-SUITE açıya bağlı hava giriş kanalı modelleme arayüzü ...................... 51 Şekil 3.24. GT-SUITE açıya bağlı yakıt enjeksiyonu modelleme arayüzü .................... 52 Şekil 3.25. GT-SUITE piston geometrisi modelleme arayüzü ....................................... 53 Şekil 3.26. GT-POST Wankel P-V diyagramı ................................................................ 54 Şekil 3.27. GT-POST Wankel sıcaklık diyagramı .......................................................... 55 Şekil 3.28. GT-POST Wankel ısı transfer katsayısı diyagramı ...................................... 56 Şekil 3.29. GT-POST Wankel ısı akışı diyagramı .......................................................... 58 Şekil 3.30. GT-POST Wankel modeli T-s diyagramı ..................................................... 58 Şekil 3.31. Wankel 3 boyutlu analiz modeli dış görüntüsü ............................................ 62 Şekil 3.32. Wankel 3 boyutlu analiz modeli kesit görüntüsü .......................................... 62 Şekil 3.33. Wankel 3 boyutlu analiz ağ yapısı ................................................................ 63 Şekil 3.34. Wankel analiz modeli açısal pozisyonları..................................................... 65 x Şekil 3.35. 1050° - 0° aralığındaki ısı akışı ve ısı transferi katsayısı değerleri .............. 67 Şekil 3.36. 1050° - 0° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri ........................................ 68 Şekil 3.37. 0° - 30° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri............................................ 69 Şekil 3.38. 30° - 60° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri.......................................... 69 Şekil 3.39. 60° - 90° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri.......................................... 70 Şekil 3.40. 90° - 120° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri ........................................ 70 Şekil 3.41. 120° - 150° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri...................................... 71 Şekil 3.42. 150° - 180° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri...................................... 71 Şekil 3.43. 180° - 210° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri...................................... 72 Şekil 3.44. Çoklu ısı akışı tanımlama ekranı .................................................................. 73 Şekil 3.45. Çoklu ısı akışı tanımlama arayüzü ................................................................ 73 Şekil 4.1. Thermal Transiens süreç analizi son sıcaklık dağılımları ............................... 75 Şekil 4.2. Static Structural şekil değiştirme analizi verileri ............................................ 77 Şekil 5.1. Soğutma sıvısı kanal detayı ............................................................................ 80 Şekil 5.2. Soğutma önlemi alınması gereken bölge ........................................................ 81 Şekil 5.3. Dengelenmesi gereken genleşme bölgeleri ..................................................... 82 xi ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 4.1. Sıcaklık ve şekil değiştirmenin maksimum fark değerleri .......................... 78 xii 1. GİRİŞ Wankel motoru 20. Yüzyılın ortalarından itibaren hayatımıza giren ve otomotiv sektöründe ticari anlamda kendisine yer bulabilmiş ilk eksantrik döner pistonlu motor uygulamalarındandır. Motorun mucidi olan Dr. Felix Wankel, 1957 yılında ilk prototipi tamamladığında 2 saatlik deneme testi sonuçlarına göre bu motordan 20 beygirlik güç elde etmeyi başarmıştı. Daha sonra 1958 yılında KKM kodlu aynı prensibe sahip wankel motorunu hayata geçirdi. KKM kodlu bu motor günümüzde hala kullanılan wankel motorlarının ilk prototipi konumundadır. İcat edildiği günden bu güne kadar ısınma , sürtünme , vuruntu gibi problemleri beraberinde getiren bu motor, yaşanılan problemlerin çözülebilmesi adına bir çok malzemenin geliştirilmesine ön ayak olmuştur. Çalışma prensibi sebebiyle aşırı sürtünme kaynaklı ortaya çıkan aşınma ve ısınmayı engellemek adına daha dayanıklı gövde ve segman malzemeleri üretilmiştir. Diğer yandan sadece wankel motorlarına özel geliştirilen yağlama yağları ortaya çıkmıştır. Günümüzde yüzlerce bilim insanı hala wankel motorunu geliştirmek amacıyla araştırmalara devam etmekte ve harcamalar yapmaktadırlar. Elimizde mevcut olan bir wankel motoru için daha dengeli bir ısınma dağılımı sağlayabilecek yeni bir gövde geometrisinin deneme analizlerini yapacağımız bu tez çalışmasında, modelimizden aldığımız veriler ışığında tersine mühendislik yöntemleri ile bilgisayar ortamına aktardığımız motor modeli üzerinde ısı dağılım analizleri gerçekleştirilecek ve sonuçlar yorumlanacaktır. 1.1 Tezin Amacı Çalışmamızda hava soğutmalı bir Wankel motorunun rotor açısının değişimine bağlı olarak gövdedeki sıcaklık dağılımının modellemesi gerçekleştirilecektir.Wankel motorlarının geometrilerinin standart dört zamanlı ve iki zamanlı motorlara göre farklı oldukları bilinmektedir. Wankel motorları da İYM kategorisinde incelendiği için yapılan tek boyutlu analizler, formülasyonlar ve kabuller neticesinde aslında günümüzde üretilen standart bir wankel motorunun, 4 zamanlı bir motorun çalışma mantığına yakın değerler verdiği görülmektedir. Özellikle değişken yüzey alanı ve hacim ölçümleri benzerlik göstermektedir. Odaklanılacak bir motor modelinin basınç ve 1 sıcaklık değerlerini elde edebilmek adına öncelikle bu modelin tasarımsal tüm parametrelerini bilmek gerekmektedir. Bu amaçla Vestel Hava Endüstrileri firmasının bize hibe olarak verdiği 802W kodlu Wankel motorunun tüm parçaları sökülerek, bu boyutlarla oluşturulacak olan katı model bilgisayar ortamına aktarılacak ve açıya bağlı sıcaklık, basınç, hacim ve yüzey alanı gibi değişkenler model üzerinde çözümlenecektir. Sonraki aşamada ise bulunan sıcaklık ve basınç değerleri yeni nesil geliştirilmiş bir malzemeye aynı motor geometrisinde bilgisayar ortamında HAD modülünde uygulanacak ve analiz sonuçlarına göre yeni malzeme ve soğutma yöntemlerinin gövde için uygun olup olmadığı teorik olarak belirlenecektir. Modelin gerçeğe yakınlığının sağlanabilmesi için verileri elde edeceğimiz matematiksel modeli iyi bir yaklaşım toleransı ile hesaplamalarda kullanmak bu tezin temelini oluşturmaktadır. 1.2 .Wankel Tasarımı ve Motor Geometrisi Wankel motoru tasarım geometrisi standart 4 zamanlı motorların geometrilerine kıyasla çok farklıdır. Hacim ve kütle olarak düşük olan bu motorlar ile yüksek güç seviyeleri elde edilir. Motor krank yapısı eksantrik olacak şekilde imal edilir. Teorik olarak çaplarının birbirlerine oranı 2/3 olan iki çemberden (Şekil1.1) küçüğünün büyük çember içerisinde kaymadan yuvarlanması prensibi ile çalışır. Şekil 1.1. Wankel gövde geometrisi oranları 2 Krank milinin eksantriklik ölçüsü her zaman küçük çemberin çap ölçüsünün 1/4 oranında dizayn edilir. Bu şekilde üçgen yapıdaki piston oluşan yuvarlanma hareketi sonucunda bir eğri çizer ve gövdenin iç geometrisi oluşur. Gövde geometrisi sürtünme emniyeti göz önünde bulundurularak her zaman geniş üretilir. Teoride çember olarak hesaplanan yapılar üretim aşamasında dişli olarak imal edilir. Çember çapları aslında dönen dişlilerin modül çaplarıdır. Bu sebeple diş sayısı oranları da çember çapları ile orantılı olarak imal edilir. Üretilecek motorun hacmi ve güç seviyesine göre standart dışı modül değerlerine sahip özel üretim pinyon ve planet dişli çarklar imal edilebilir. Bu şekilde dişlilerin boşluksuz şekilde birbirlerine tam oturması sağlanır. Wankel motorları da dört zamanlı olarak çalışır. Standart 4 zamanlı motorlara kıyasla supap mekanizmaları bulunmadığı için daha yüksek devirlere çıkabilirler. Motorun avansını supap yerine kullanılan giriş çıkış pencerelerinin geometrisi belirler. Üç bölmeli olarak dizayn edilen wankel motorları aynı anda sıkıştırma, genişleme, egzoz ve emiş zamanlarını yapabilmektedir. standart dört zamanlı motorlarda bir çevrim krank milinin 720° lik hareketi ile tamamlanır. Wankel motorunda pistonun uç noktasının gövde geometrisini tarayarak bir tam tur dönmesi ile krank mili 3 tam turluk yani 1080° lik hareket yapar. Şekil 1.2. Klasik 4 zamanlı motor ile Wankel çevrimi karşılaştırması(Pischinger 2005) 3 1.2.1. Gövde Tasarımı Wankel motorlarının parçaları özellikle hava endüstrisinde kullanılacak ise hafiflik ve çalışma anındaki gereklilikler sebebiyle farkı malzemeler kullanılarak üretilir. Alüminyum alaşımları hem düşük yoğunluğu hem de yüksek ısıl iletkenlik katsayısına sahip olmaları sebebiyle büyük oranda tercih edilirler. Cu ve Si elementleri ile alaşımlandırılmış alüminyum aynı zamanda yüksek mukavemet ve sürtünme direnci özelliklerini kazanır. Şekil 1.3. Ön kapak demontajı yapılmış wankel motor gövdesi Şekil 1.3.’te görülen ön kapağı sökülmüş motor gövdesi bakır ile güçlendirilmiş (Cu %4-%5) alüminyum alaşımından üretilmiştir. Aynı alaşım hava endüstrisinde araç gövdelerinde, otomotiv endüstrisinde silindir kapağı imalatında da kullanılmaktadır. Wankel motor gövdesi döküm tekniği kullanılarak imal edilecek şekilde tasarlanıp sonradan montaj ve hareket yüzeyleri SKB tezgahlarında yüksek toleransta işlenmektedir. Çalışmanın isminden de anlaşılacağı üzere inceleme altına aldığımız wankel motorunun en önemli parçası gövdesidir. Her çevrimde aynı bölge üzerinde patlama ve genişleme zamanlarına maruz kalan gövde üzerinde eşit miktarda yayılma gösteremeyen ısınma 4 ve gövdenin üzerinde meydana gelen sıcaklık farklılıkları, dengesiz genleşmeye ve şekil değişikliğine neden olmaktadır. Oluşan şekil değişikliği piston üzerindeki seramik yapılı segmanların pozisyonlarını bozmakta ve yüksek devirlerde ana gövdenin iç yüzeyinde sürtünme kaynaklı aşınma problemini ortaya çıkarmaktadır. Motor gövdesi üzerindeki ısı dağılımını ve sıcaklık farklarını dengelemek adına döküm parça imal edilmeden önce tasarım aşamasındayken soğutma önlemleri planlanır. Wankel motoru için ağırlık , çalışma ortamı sıcaklığı , motorun çevresinden akan hava debisi parametreleri incelendiğinde ısınmanın en yoğun olduğu genişleme hattında bölgesel soğutma yapılır. Motorun gövdesi detaylı incelendiğinde hangi soğutma yönteminin kullanıldığı anlaşılmaktadır. Güncel uygulamalarda en çok karşılaşılan iki yöntemden birincisi hava ile soğutma, ikincisi ise soğutucu sıvı akışkan ile soğutmadır. 1.2.2. Ana Gövde Soğutucu Akışkan Kanalları Gövde içerisine açılan soğutucu kanallar her tasarımda farklılık gösterir. Isıyı motordan uzaklaştırmak için kullanılan bu yöntemin temeli zorlanmış taşınımdır. Genişleme ve egzoz zamanlarında ortaya çıkan enerji sebebiyle bölgesel olarak aşırı ısınan ana gövdeyi soğutabilmek ve homojen olarak istenilen sıcaklık değerinde tutabilmek için sistemden çekilmesi gereken ısı hesaplanır. Şekil 1.4. İHA Wankel motorunun soğutucu akışkan iletim kanalları 5 Vestel Hava Endiüstrileri firmasının incelememiz için üniversitemize hibe ettiği W802 gövde modeline sahip wankel motorunun soğutma kanallarının montajlı hali Şekil 1.4’te görülmektedir. Pompaya bağlı olan soğutma kanaları iki farklı koldan motorun ana gövdesine işlenmiş temiz yüzeylerden sızdırmazlık contası ile bağlıdır. Şekil 1.5. Wankel motorundaki kanalların gövde bağlantı noktaları. İnceledğimiz motorda soğutucu akışkan olarak yağ tercih edilmiştir. Pompadan basılan soğutucu sıvı iki kola ayrılan kanallar yardımı ile gövdeye ulaşır. Şekil 1.5’te kırmızı ile işaretlenmiş bağlantı noktalarından giren sıvı soğutma işlevini gerçekleştirdikten sonra gövde içerisindeki soğucu kanalların birleşmesiyle oluşan tek bir kanaldan taliye edilir. Tahliye olan sıvı radyatöre geri döner ve soğuduktan sonra tekrar pompaya aktarılır. Bu sistem motorda ana gövdeyi soğutmak için tasarlanmıştır. Ana gövde haricindeki ön kapak, arka kapak, piston, dişliler ve krank milini soğutmak amacıyla bir hava pompalı soğutma sistemi de motora montajlı bir şekilde eş zamanlı olarak çalışmaktadır. Piston üzerindeki hava kanatçık tasarımının temel amacı bu soğutmayı hızlandırmaktır. 6 1.2.3. Soğutucu Hava Kanatları Wankel motorlarında ısı taşınımının yetersiz olduğu bölgelerde soğutucu kanatçıklar ile zorlanmış ısı transferi yapılır. Bu yöntemin uygulandığı motor örnekleri çok fazladır. Ana gövde üzerinde çok daha belirgin olan bu kanatlar özellikle ısının yoğun olduğu bölgede daha sık ve uzun olacak şekilde tasarlanırlar. İHA larda düşük ortam sıcaklığı ve yüksek hız sebebiyle gövde geometrisi etrafında dolanan hava debisi çok yüksek olduğu için bu yöntem tercih edilir. Şekil 1.6. Kanatlı Gövdeye Sahip İHA Wankel Motoru İHA uygulamalarında motordaki ağırlık artışı en önemli parametrelerden biridir. Düşük kütle İHA’ lar için daha yüksek irtifa ve uçuş süresine olanak verir. Şekil 1.6‘ da görüldüğü üzere motor gövdesine bağlı olarak imal edilen bu kanatlar ana gövdede kütle artışına sebep olmaktadır. Bu noktada tasarımı optimize etmek en önemli noktadır. Motorda oluşacak iç kuvvetlere ve ısıya karşı direnç gösterecek doğru kalınlık ve malzeme cinsi tayin edilirse ana gövde radyatör mekanizmasından tamamen kurtulacak ve kendini soğutabilir hale gelecektir. Kütle hesaplamalarından sonra motorun ana gövdesindeki ağırlık artışı; radyatör sisteminin yoğuşturucusu, pompası ve iletim borularının ağırlıkları toplamından küçük ise kanat tasarımı tercih edilir. Yeni nesil kompozitler ile desteklenmiş alüminyum alaşımlarının wankel motorunun ana 7 gövdesinde tercih edilmesinin en önemli sebepleri yüksek ısı iletimine ve mukavemete sahip olmalarıdır. Projemizde incelediğimiz motor üzerinde odaklandığımız temel amaç aslında budur. Denenmek istenen yeni nesil malzeme ve kompozitlerin uygunluğunu tayin edebilecek bir model oluşturmak ve bu modeli her wankel motoru için uygulanabilir hale getirmektir. Bu şekilde yeni tasarım süreçlerinin önü açılacak ve daha hızlı öngörü sağlanacaktır. 8 2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Kaynak Araştırması Tezin kaynak araştırması yapılırken, klasik 2 zamanlı ve 4 zamanlı motorlara kıyasla özelleştirilmiş bir mekanik yapıya sahip olan wankel motorunun geometrik yapısı, ısıl ve performans analizlerini içeren çalışmalar incelenmiştir. Kaynak olarak gösterilen tezler, makaleler ve tüm çalışmaların uygulanabilirlik durumları kontrol edilerek çalışmamıza uygun olan verileri kullanılmıştır. Günümüzde otomotiv endüstrisinde kendisine fazla yer bulamayan wankel motorları, askeri endüstrideki gelişmeler ve insansız hava araçlarında kullanılabilecek alternatif bir motor olması sebebiyle tekrar mercek altına alınmıştır. Araştırmada kullanılan kaynaklar bize göstermektedir ki, bu motor üzerinde yapılan modelleme çalışmaları motorun geometrisi ve çalışma şekli sebebiyle biraz kısıtlıdır. Mühendislik yaklaşımı ile yapılan bazı kabuller neticesinde ise gerçek çalışma şartlarına ve değerlerine yakın sonuçlar elde edilebilmektedir. Bu sonuçlar ile yapılan analizler neticesinde bu motorların istenilen kullanım şartlarına uygun şekilde geliştirilebileceği ön görülmektedir. Bu kapsamda wankel motorlarında ısıl ve performans yaklaşımlarını içeren çalışmalar ile birlikte motorlarda kullanılan malzemeler ve motorun çalışma anında motor üzerindeki verileri alabileceğimiz bilgisayar programlarını içeren çalışmalar detaylı şekilde incelenmiştir. Tartakovsky ve ark. (2012) çalışmasında günümüzde 4 zamanlı sıralı pistonlu motorlar için kullanılan formülleri ve ticari yazılımları kullanarak wankel motorlarının geometrisine uygun ısı transferi ve yanma modeline bağlı bir performans analizi gerçekleştirmiştir. Yapılan çalışmada wankel motoruna tam uyum sağlayacak bir program bulunamadığı için bir geometrik benzerlik algoritması tasarlanmıştır. Benzerlik kriterleri olarak yer değiştirme eşitliği , sıkıştırma oranı , çalışma odası hacmi ve yüzey hacim oranı ( Krank mili açısına göre ) alınmış ve bu durum oluşturulan sanal pistonlu motorun temel boyutlarının bulunmasını sağlamıştır. motorun emme girişi ve egzoz çıkışı HAD programında modellenip kanallardan pistonun konumuna bağlı hava yakıt 9 karışımı ve yanmış egzoz gazı akış hızlarının modelleri grafikler ile sunulmuştur. Motordaki yanma hızı ve ısı yayma davranışları Wiebe denklemi ile wankel motoruna göre modellenmiştir. Bu veriler ile oluşturulan korelasyonda motorun gücü ve yakıt tüketimi verileri tatmin edici miktarda yakınlık göstermiştir. Geliştirilen bu simülasyonun wankel motorları için ateşleme zamanı, hava/yakıt oranının motor üzerindeki etkisi, hava filtresi ve egzoz susturucu özelliklerinin performansı, emme ve egzoz girişlerinin zamanlaması ve geometrisi, uçuş yüksekliği gibi değişkenlerin iyileştirilmesinde kullanılabilir bir yapı olarak önerilmektedir. Spreitzer ve ark. (2015) çalışmasında wankel motorlarının özel geometrik yapısını modelleyebilmek ve daha verimli sonuçlar alabilmek için ticari olarak kullanılan “Convergent Science” yazılımını kullanmıştır. Bu yazılım ile yaptıkları modellemede wankel motorlarının bilinen dezavantajlarını ve sorunlarını (Zayıf termal verimlilik, yüksek emisyonlar) doğrulamayı başarmışlardır. Motordaki yanma sıkıntılarının hassas şekilde tespit edilebilmesi, bu modelde derinlemesine ve detaylı şekilde verimlilik kayıpları ve yanma süreci ile ilgili yeni analiz sonuçları ortaya çıkarmıştır. Yapılan analizde ısı salınım konumları açıya bağlı olarak gözlemlenebilip, motor geometrisine bağlı en verimli ısı yayınım modeli tespit edilebilmektedir. Motordaki ateşleyicinin zamanlaması yanma modeline göre düzenlenebilmektedir. Boretti (2015) çalışmasında Mazda Renesis tasarımından sonra geliştirilen bir Wankel motorunda jet ateşleme kullanımının avantajlarını vurgulamıştır. Geleneksel bujilerin yanma anındaki yavaş tepkileri sonucunda yakıtı enjeksiyon yardımı ile belirlenmiş bir püskürtme modelinde ateşleme bölgesine püskürtüp, yanmanın daha hızlı ve eksiksiz gerçekleşmesi amaçlanmaktadır. Yapılan bu modellemede geliştirilen püskürtme tasarımı hem daha büyük güç yoğunluğu hem de daha iyi yakıt dönüşüm verimliliği sağlamaktadır. Wankel motorlarının günümüzde insansız hava araçları için alternatif bir motor olmasıyla birlikte bu motorlarda gücü yükseltecek uygulamalar değer kazanmaktadır. Boretti bu enjeksiyon ile ateşleme yönteminde motorun daha yüksek güç seviyesine çıkacağını önermektedir. Çalışmadan alınan veriler sonucunda önerilen teknoloji ile motora turboşarj eklemek ve benzin haricindeki geleneksel jet yakıtlarını bu motorlarda kullanılması gibi konuların geliştirilmesi mümkün görünmektedir. 10 Malkaz (2011) Çalışmasında Mazda 13B kodlu Wankel motorunun egzoz çıkışı ve temiz hava girişi geometrilerini değiştirerek teorik olarak motoru iki zamanlı olacak şekilde yeni bir model önermiştir. Yaptığı yapısal analizlerde motorun krank mili açısına göre anlık sıcaklık ve basınç değerlerini teorik olarak bulup bu yeni değerler altında motorun sorunsuz çalışabilmesi için gerekli tasarımsal değişiklikleri tezinde konu almıştır. Mekanik olarak segman dayanımları ve sızdırmazlıkları, yanmaya bağlı sıcaklık ve gerilim dağılımları incelenerek motorun gövdesi için yeni bir tasarım geometrisi önerilmiştir. Yapılan bu değişikliklerin getirdiği güç yoğunluğundaki artış ile bu motor insansız hava araçları için bir prototip olarak üretilip geliştirilebileceği savunulmaktadır. Farzadı (2015) Çalışmasında referans olarak aldığı bir Wankel motorunun tasarım parametrelerini değiştirerek motorun yakıt tüketimini düşürmeyi ve otomotiv endüstrisi için daha verimli bir motor haline getirebilecek bir yol bulmayı amaçlamıştır. Wankel tipi döner pistonlu motorun emme ve sıkıştırma periyodu boyunca akış analizini gerçekleştirerek, optimum dizayn elde edilmeye çalışılmıştır. Motorun yanma odasında gelişen fiziksel olaylar karmaşık olduğundan bu modelleme SOLIDWORKS programında yapılmış ve akış analizleri için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) programı olarak ANSYS FLUENT kullanılmıştır. Veriler değerlendirildiğinde, farklı devirlerde basınç ve sıcaklık dağılımı, türbülans dağılımı incelenmiştir. Bu dağılımlar yanma odası içerisinde hangi bölgelerde nasıl eğilim gösterdiği araştırılmıştır. Modelde yanma ile ilgili bir çalışma olmadığı, sadece havanın motor içerisinde nasıl bir davranış izleyeceğini ortaya çıkarmak için analizlerin yapıldığı bilgisi sunulmuştur. Bu nedenle sonuçların gerçek çalışma şartlarını vermemesi ile birlikte motorun emiş ve egzoz şartları için fikir oluşturacağı savunulmuştur. Bu çalışmanın üzerine Wankel motorlarının 2 zamanlı olarak model çalışmasının yapılabileceği bu tez çalışmasında önerilmektedir. Abraham ve ark. (1991) Çalışmasında yanma odasına direkt püskürtmeli enjeksiyon yapısına sahip bir wankel motorunun modelini oluşturarak, bu model üzerinde motorun ana gövdesine ait anlık ısı akışı analizlerini ve gövdede oluşan termal gerilim 11 analizlerini gerçekleştirmiştir. Bu analizlerde motorun gövdesine ait 3 boyutlu model ve sonlu elemanlar tekniklerinden yararlanılmıştır. Yanmanın olduğu krank mili açıları için yapılan analizlerde alınan verilere göre 20 °C lik tolerans ile gövde ve rotor kapaklarının yüzey sıcaklık verilerine ulaşılmıştır. Yapılan analizler yüksek hassasiyet seviyesine sahip olmadığı için bu tolerans değerinin ortaya çıktığı bilgisi verilmektedir. Bu çalışmadan alınan verilerin, motorun imalatına başlamadan önce tasarım parametrelerinde yol göstereceği savunulmaktadır. Wu ve ark. (2014) Çalışmasında insansız hava araçlarında kullanılan bir Wankel motorunun modeli üzerinden motor üzerinde oluşan dengesiz ısı yayılımını ve termal gerilme sebebiyle oluşan şekil değiştirmeleri engellemeye yönelik bir yöntem geliştirmiştir. Modelin ana gövdesi üzerinde aşırı ısınan bölgeler belirlenerek bu bölgelere ısı iletim katsayısı daha yüksek bir malzeme ile dolgu yapılmıştır. Bu sayede ilk analizlerde teorik olarak 159 °C ölçülen sıcaklık farkı, motorun gövdesine dengeli bir şekilde dağıtılıp 18°C sıcaklığa indirilmiştir. Yaklaşık olarak 8,8 kat düşen fark sebebiyle, gövde geometrisinde sıcaklık farkına bağlı olarak meydana gelen şekil değişikliği önemli ölçüde azalmıştır. Çalışmada önerilen tekniğin verileri bilgisayar ortamında oluşturulduğu için gerçek veriler ile tam uyum gösterip göstermediği ile ilgili bir bilgi mevcut değildir. Motor tasarım aşamasında yol gösterici bir çalışma olarak kullanılabilir. Badglay ve ark. (1989) Çalışmasında bir Wankel motorundaki dengesiz ısı dağılımını engellemek için ana motor parçalarının ısıya maruz kalan yüzeylerine zirkonya bileşiği emdirilmesi metodu ile adyabatik hale getirilmeye çalışılan parçaların analizlerini gerçekleştirmiştir. Bu sistem ısı dağılımının kontrolü konusuna yeni bir bakış açısı getirmektedir. Kaplanan yüzeylerde ısı kalkanı etkisi oluşmakta ve termal gerilmeler en aza indirilmektedir. Zirkonya kaplama teknolojisi geçmişte performansı arttırılmış bir Mazda 13B motoruna uygulanmış ve performans artışına rağmen motorun termal gerilim ve şekil değiştirmesi neredeyse ilk haline yakın değerlerde oluşmuştur. Çalışmada yapılan ısıl analizler bu sonucu doğrulamaktadır. 12 Gkoutzamanis ve ark. (2015) SARM motoru adını verdikleri yeni bir döner pistonlu motor konsepti geliştirmişlerdir. İki boyutlu ve üç boyutlu HAD analizleri yürüterek elde ettikleri termodinamik verim ve güç çıkışı ile ilgili verileri pistonlu motorlarla kıyaslamışlardır. Ercan (2005) Yüksek lisans tezinde verimli bir sıkıştırma evresi limitli sıcaklıktaki yanma evresi ve bunu takip eden uzun bir güç alma evresinden oluşan yeni bir termodinamik çevrim ile çalışan bir turbo döngüsel motor tasarlanmıştır. Motorun termodinamik ve yapısal tasarımı ve analizleri yapılmış ve bu analizler doğrultusunda iki tane prototip imal edilmiştir. Ayrıca imal edilen prototiplerin komponent testleri tamamlanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. 3 Arabacı (2005) Yüksek lisans tezinde 16 cm türbin hacmine sahip turbo döngüsel pars motorunda palet kalınlığı, yanma odası boyutu ve şeklinin motor performansına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Belirli hava debileri için yapılan deneylerde motor dinamometre ile yüklenerek veriler elde edilmiştir. Elde edilen veriler neticesine 30 l/dk hava debisinde motor gücünde palet değişikliği ile %15, yanma odası değişikliği ile % 40’a varan artışlar sağlanmıştır. Costa ve ark. (2016) Çalışmasında XMv3 Döner Motorundan Isı Transferi Kayıplarının Ölçülmesi ve simülasyonunu gerçekleştirmişlerdir. Sabit parçalardaki ısı transfer hızı, o devrenin soğutma havasının termal enerji dengesi ile ölçülmüştür. Ancak, rotorun soğutma havası motorun egzoz gazı ile karıştığı için, benzer bir prosedür rotor devresi için pratik olmadığından CONVERGE HAD modeli geliştirilmiş ve GT-POWER ile birlikte, rotor ve sabit parçaların ısı transferi arasındaki oranı belirlenmiştir. Hem deneysel hem de numerik metotların kullanıldığı bu çalışma da tez çalışması için iyi bir referans kabul edilmiştir. Leboeuf ve ark. (2018) Makale çalışmasında Wankel motorların en önemli sorunu olan sızdırmazlık problemine çözüm getirmeye çalışmışlardır. Yüksek verimli bir döner motor sızdırmazlık sisteminin performansını belirlemek için matematiksel model oluşturmuş ve numerik analizini gerçekleştirmişlerdir. Modelleme sonuçları, 13 modellenen döner motorun sızdırmazlığının, geliştirilen sızdırmazlık stratejisi ile benzer büyüklükteki bir Wankel'e kıyasla yaklaşık % 65 kadar azaldığını göstermiştir. Bu sonuç deneysel verilerle de desteklenmiştir. 2.2. Kuramsal Temeller Proje süreci boyunca kaynaklardan edinilen ve deneyimler sonucunda ulaşılan tüm formülasyonlar hesaplamalarda kullanılmıştır. Modelin doğrulanması aşamasında bu bölümdeki formüller ile ölçüm kontrolleri yapılmıştır. 2.2.1. Termodinamik Özelliklerin Modellenmesi Wankel motorlarda yanma odası, içerisindeki gazın üniform sıcaklık basınç ve kompozisyona sahip olduğu açık bir termodinamik sistem şeklindedir. Sistemin 0- boyutlu modeli Şekil 2.1’de görülmektedir. Çevrim boyunca gerçekleşen olaylar, yanma odalarından yalnız biri referans alınarak modellenmiştir. Modellenmeyen diğer iki yanma odası da aynı çevrim süreçlerinden geçeceği için modellenen yanma odasının özellikleri diğerleri içinde geçerli kabul edilebilecektir. Şekil 2.1’ de kesikli çizgiyle gösterilmiş yanma odası modelleme de kullanılan yanma odasıdır ve rotor saat yönünde dönmektedir. Basit bir yaklaşımla, kütlenin ve enerjinin korunumu açık bir sistem için ideal gaz denkleminden yararlanılarak elde edilmiştir. Söz konusu matematiksel bağıntılar, çeşitli kaynaklarda pistonlu motorlar için yapılmış modelleme çalışmalarının Wankel motorlara uyarlanması ile elde edilmiştir (Norman 1983, Bartrand ve ark 1993). 14 Şekil 2.1. Wankel yanma odasının açık sistem olarak şematik gösterimi (a) Emme portu, (b) egzoz portu, (c) kaçak yolu, (d) çatlak akışı, (e) yakıt enjektörü (Norman 1983). 2.2.2. Kütlenin Korunumu Şekilden de görüleceği üzere kaçaklar yan contalar, tepe contaları boyunca, çatlak akışı ise yan contalar boyunca tepe conta boşluklarında enjektör ve buji boşluklarında oluşmasına rağmen kaçak ve çatlak akışları tepe contalarında toplanırlar (Şekil 3.16). Kütle korunumu denklemini ve değişkenlerini yazalım. Kütlenin korunumu; ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (2.1) ; kontrol hacmi içerisindeki kütle, ; emme manifoldu boyunca kütle, ; egzoz manifoldu boyunca kütle, ; contalara sızan kaçak kütlesi, çatlak kütle akışı , ; yanma odasına eklenen gaz halinde yakıt oranıdır 15 (Bartrand ve ark. 1993). Her değişkenin üzerindeki nokta değişkenin zamana bağlı türevini göstermektedir. Şekil 2.2: Kaçak ve Çatlak Modeli (Norman 1983) . 2.2.3. Türlerin Korunumu Yanma odası içerisinde üç tür bulunduğu varsayılmaktadır. Bunlar; yanmamış hava, yanma ürünleri ve yanmış yakıttır. Yanmış yakıt kütlesi çevrim boyunca yanan tüm yakıt kütlesini temsil eden bir büyüklüktür. Yanma ürünleri kütle oranı ( ) ve yanmış yakıt kütle oranı ( ) ilişkisi; ( ) şeklindedir. stokyometrik yakıt hava kütle oranıdır. Yakıt, oluşturulan modelde yanma başlangıcına kadar kontrol hacmi içerisinde yer almaz. Bu sebeple yanmamış gaz halindeki yakıt yanma odasındaki temel gazlar 16 arasında yer almaz. Sistemdeki yanma ürünleri ve taze hava, kontrol hacmi üzerinden kütle akışı ve yanmanın etkisi ile tükenir veya artar. Yanmış yakıt kütlesi (mf); ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (2.2) Denklem 2.2’deki alt indisler, f; yakıtı, grş; emme, egz; egzoz, kçk; kaçak akışı sembolize etmektedir. Üst indisler; i ve g; ileri ve geri kaçak ve çatlak akışlarını göstermektedir. ̇ ; ifadesi ise yakıt yanma hızını göstermektedir. Yakıt ve portlardan yakıt akışı arasındaki ilişki akış yönüne bağlıdır. Emme ve egzoz yakıt akışı ilişkisi aşağıdaki gibidir. ̇ ̇ ̇ { (2.3) ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ { (2.4) ̇ ̇ Çatlak ve kaçak akışlarında yakıt akış hızı da akış yönüne bağlıdır. ̇ ̇ ̇ ve ̇ ̇ ̇ eşittir. İleri ve geri çatlak ve kaçak akışları aşağıdaki gibidir; ̇ ̇ ̇ { (2.5) ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ { (2.6) ̇ ̇ Yakıt kütle oranı, taze hava kütle oranı yanma ürünü kütle oranı yanma odası kompozisyonunu oluşturur. Yanma odası yakıt kütle oranı ⁄ zamana bağlı değişimi aşağıdaki bağıntıdan elde edilebilir. 17 ̇ ̇ ̇ (2.7) Yanma ürünleri kütle oranı değişim hızı ( ̇ ) ̇ ̇ (2.8) Taze hava kütle oranı değişim hızı ( ̇ ) ̇ ̇ (2.9) Ekivalans oranı değişim hızı ( ̇); ̇ ̇ (2.10) ( ) 2.2.4. Yanma (Gatowski ve ark. 1984) yanma odası basınç verilerinden yararlanarak, krank miline bağlı yanma ısı yayılım hızı grafiğini oluşturmuştur ve buna göre yanmayı iki aşamada incelemişlerdir (Şekil 2.3.). 18 Şekil 2.3. Eksantrik mili açısına göre yanma ısı yayılım hızı grafiği (Gatowski ve ark. 1984) Yanma ısı yayılım hızı belirli bir değere kadar lineer olarak artar daha sonra eksponansiyel olarak düşer. Birinci aşamada yanma ısı yayılım hızı aşağıdaki gibidir; ( ) ( ) (2.11) İkinci aşamada; ( ) (2.12) (2.11) ve (2.12) denklemlerinde ; yakıt enerjisi, ateşleme başladığındaki eksantrik mili açısı, ; maksimum yakıt enerji yayılım hızındaki eksantrik mili açısı, ( ) ; maksimum ısı yayılım hızı, yanma oranı bozulma sabitidir. Bozulma sabiti ifadesi elde etmek için Denklem (2.11)’de ifade edilen ısı yayılım hızının ’ ten ’e kadar integrali alınır ve Denklem (2.12)’de ifade edilen ısı yayılım hızının ’ den ’a kadar integrali alınır. Ortaya çıkan entegre ısı yayılımları, yanmada serbest kalan toplam yakıt 19 enerjisine eşit olduğu varsayımı yapılır. Yakıtın tam yanması gerçekleşmediği için, yakıt enerjisi verim ifadesiyle gösterilir. ( ) (2.13) ( ) ; her bir çevrimde enjekte edilen toplam yakıt miktarıdır. Daha önce de bahsedildiği gibi oluşturulan bu modelde, yakıt buharlaşıp yanana kadar ki aşamalarda yanma odası gazlarından biri olarak kabul edilmemektedir. Yakıt yanma hızı; ( ) ̇ (2.14) İdeal gaz denklemi, ideal gaz ilişkisi zamana bağlı yanma odası basınç değişikliğini ortaya koyan bir ifade olduğu söylenebilir. İdeal gaz bağıntısının zamana göre diferansiyeli; ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ( ) (2.15) Gaz sabitinin zamana bağlı türevi ̇ ’dir. Yoğunluk değişim hızı; ̇ ( ) ̇ ( ) ̇ ( ) ̇ (2.16) ( ) ve ( ) kısmi türevleri ideal gaz bağıntısına göre yeniden düzenlenir ve Denklem (2.16) daha sade hale getirilirse, ̇ ̇ ̇ ( ) ̇ (2.17) 20 Gaz sabiti değişim hızı, ̇ ̇ ̇ ̇ (2.18) Denklem (2.17), Denklem (2.18)’de yerine konursa gaz sabiti değişim hızı, ̇ ( ) ̇ (2.19) Denklem (2.19), Denklem (2.15)’te yerine konursa basıncın zamana bağlı değişimi elde edilmiş olur. ̇ ( ) ̇ ̇ ̇ ̇ (2.20) 2.2.5. Enerjinin Korunumu Enerji emme akışı, egzoz akışı kaçak ve çatlak akışı ve yanma vasıtasıyla açık termodinamik sistemin sınırlarından geçmektedir. Yanma odası kontrol hacmine termodinamiğin 1. yasası uygulanırsa; ̇ ∑ ̇ ̇ (2.21) ̇ ; kontrol hacmi iç enerjisi, kütlenin sistem sınırlarını geçebileceği yolların sayısı, j yönündeki entalpi, ̇ ; soğutma enerjisi kaybı, ; motor indike şaft gücüdür. Büyüklüklerin üzerindeki nokta zamana bağlı türevi göstermektedir. Denklem (2.21) denkleminde eşitliğin sol tarafı aşağıdaki gibi genişletilebilir. Burada yanma odasındaki kinetik ve potansiyel enerjiler ihmal edilmiştir. ∑ ̇ ̇ 21 ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇ ̇ (2.22) Entalpinin türevi kısmi türevler cinsinden ifade edilirse; ̇̇ ̇ ̇ ̇ (2.23) Yukarıda elde edilen denklemler Denklem (2.22)’ de yerine konursa zamana bağlı sıcaklık değişimi elde edilir; ∑ ̇ ̇ ̇ ̇ [ ̇ ] ̇ ̇ ̇ ̇ (2.24) Burada, ’dir. 2.2.6. Manifoldların Modellenmesi Emme ve egzoz manifoldları volumetrik verimin tahmini için önem arz etmektedir. Emme ve egzoz manifoldları sabit hacme sahip termodinamik özelliklerin üniform dağıldığı kontrol hacimleri olarak modellenir. Emme Manifoldu Emme manifoldu modellenirken ayrıca çevrim boyunca emme manifoldu kompozisyonunun fazla değişmesi beklenmez dolayısıyla da kompozisyonun değişimini gösteren türev ifadeleri ihmal edilebilir. Kütle ve enerjinin korunumu bir de ideal gaz bağıntısı emme manifoldu modelline uygulandığında, elde edilen zamana bağlı basınç ve sıcaklık ifadeleri aşağıdaki gibidir; 22 ̇ ̇ ̇ (2.25) ̇ ̇ ̇ ̇ ( ) [ ] (2.26) ̇ ̇ ̇ ( ) (2.27) Bu denklemlerde ̇ ; manifold yüzeylerinden ısı transferidir. Emme manifold özellikleri ‘im’, atmosferden manifolda gaz akışı ‘a’ alt indisleriyle sembolize edilir. Dışarıdan emme manifoldu yüzeylerine ısı transferi ihmal edilmiştir. Egzoz Manifoldu egzoz manifoldu modeli emme manifolduna benzer şekildedir tek fark egzoz manifoldu kompozisyonu zamana bağlı değişimi oldukça yüksektir. Dolayısıyla manifold kompozisyonunun zamana bağlı kısmı türevleri dâhil edilir fakat emme manifoldu modellenirken ihmal edilmişlerdir. Egzoz manifoldunda kütle korunumu; ̇ ̇ ̇ (2.28) ̇ ;egzoz manifoldundan atmosfere sızıntı şeklindeki akışkan kütlesidir. Egzoz manifoldundaki taze hava kütle oranı değişim hızı; ̇ ̇ (2.29) Burada ‘a’ alt indisi taze atmosfer havasını sembolize etmektedir. ̇ ̇ ( ) ̇ ̇ ̇ ̇ (2.30) 23 ‘e’özgül iç enerji, ̇ ; egzozportundan egzoz manifolduna kütle akış hızı, ‘b’ alt indisi yanmış gaz özelliklerini gözstermektedir. İdeal gaz denklemi düzenlenirse egzoz manifoldunda zamana bağlı basınç değişimi matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir. ̇ ̇ ̇ ̇ [ ] (2.31) 2.2.7. Isı Transferinin Modellenmesi Wankel motorlarında ısı transferi bu alandaki en temel ilgi alanlarındandır. Genellikle içten yanmalı motorlarda ısı transferi yanma ve genişleme stroklarında gerçekleşmektedir. Bu motorların yanma odası şekli hacme oranla daha yüksek yüzey alanına sahip olduğundan dolayı ısı transferi miktarı pistonlu motorlara göre çok daha yüksektir. Isı transferinin daha yüksek olmasının bir diğer nedeni de gövde duvarlarından yüksek hızlarda dolgu geçişidir. Isı transfer katsayısının doğru şekilde tahmini bu çalışmaya konu olan Wankel tasarımında kullanılacak modelin sıcaklık dağılımı ve malzemesi açısından da hayati önem arz etmektedir. İncelenen motorun gövdesi sıvı soğutmalı rotoru ise hava soğutmalıdır. Isı transferi matematiksel modeli oluşturulurken bu durum dikkate alınmıştır ancak 3 boyutlu analizlerde dengesiz sıcaklık dağılımlarını görebilmek için soğutma önlemleri iptal edilmiştir. Söz konusu soğutma sistemleri Şekil 2.4.’te şematik olarak gösterilmiştir. 24 Şekil 2.4: Modellenen Wankel motoru soğutma sisteminin şematik gösterimi. a) Trokoid gövde cidarları soğutulması, b) Rotor soğutulması, c) Trokoid gövde yan duvarlarının soğutulması. Woschni içten yanmalı motorlar için genelleştirilmiş anlık ısı transferi katsayısının tahmini konusundaki çalışmasında yanma odasındaki ısı transferini düz bir levha üzerinden ısı transferine benzer kabul etmiştir. Düz levha üzerinden ısı transferi Nusselt sayısı üzerinden incelenebilir. (2.32) Denklem 2.32’de; Nu; Nusselts sayısı, Re ; Reynolds sayısı (Re= ), Pr; Prandtl sayısı (Pr= )’dır. Ayrıca, h; ısı transferi katsayısı, L; karakteristik uzunluk, k; iletim katsayısı, , ; dinamik, kinematik viskoziteler, ; karakteristik hız, C, a,b; düzeltme sabitleridir. Farklı deneysel çalışmalarda C,a ve b düzeltme sabitleri için sırasıyla 0.037, 0.8 ve 0.3 değerleri uygun görülmüştür (Norman 1983, Stanton 1987, Woschni 1967). Sabit değerleri bu kaynakları referans alarak Denklem 2.32 ‘de yerine koyduğumuzda; denklemi elde edilmiştir. Ayrıca deneysel çalışma sonuçlarından olarak sadece Re sayısının bir fonksiyonu olarak yazmakta mümkündür. Isı transferi katsayısı özellikle Woschni tarafından yapılan çalışma referans alınıp Wankel motorlarına uyarlanmaya çalışılarak matematiksel olarak modellenmiştir. 25 Isı transfer katsayısı Nu sayısından elde edilebileceği gib ayrıca literatürde içten yanmalı motorlardaki yanma odası taşınımla ısı transfer katsayısı basıncın sıcaklığın piston hızı gibi parametrelerin bir fonksiyonu olarak da elde edilmiştir (Woschni 1967). Bu genelleştirilmiş ısı transfer katsayısı; temelde yanma odası boru içi türbülanslı akış hesaplarından yola çıkılarak temin edilmiştir. Pistonlu motorlarda taşınımla ısı transfer katsayısı; emme/ sıkıştırma stroklarında [ ] ve yanma/genişleme stroklarında [ ] şeklinde hesaplanmaktadır (Woschni 1967). Denklemde ; piston hızıdır. Bu hız değeri emme ve sıkıştırma stroklarında gaz hızına karşılık geldiği için alınmıştır. ; yanmadan dolayı türbülans sonucu piston hızına ek olarak oluşan hız değeridir. Bu denklemlerden de görüleceği üzere wankel motorlarında ısı transferi modellerken gaz hızı önemli bir değişken parametredir. Woschni’ye göre içten yanmalı motorlarda ısı transferi iki faz olarak karakterize edilir(Woschni 1967); 1. Yanma olmadığında ısı transferi. 2. Yanma boyunca ısı transferi. Yanma Olmadığında Gaz Hızı Yanma olmadığı durumda bütün gaz hızı ortalama rotor hızıyla orantılıdır. Ortalama rotor hızı( ̅ ); ̅ = (2.33) Burada N; motor hızı (devir/dk) ve rotor yarıçapıdır. Yanma olmayan yani emme ve sıkıştırma fazlarındaki karakteristik hız; ̅ (2.34) Burada düzeltme sabitidir. 26 Yanma Boyunca Yanan Gaz Hızı Yanma boyunca ise yanan gaz hızlı bir şekilde genişleyeceği için gaz hızı rotorun ve gödenin hızına kıyasla daha hızlı hale gelir ve ortalama rotor hızına ek bir hız oluşur (Roberts 1983); ( ) ( ) (2.35) 3 Burada; ; düzeltme sabiti, V; hacim (m ), T; sıcaklığı sembolize etmektedir. alt indisi; yanma odası şartlarını ve 1 alt indisi; emme portu kapalıyken ki şartları göstermektedir. basınç değeri izantropik sıkıştırma ve genişleme stroklarındaki değerdir. Yanma boyunca toplam gaz hızı; ̅ ( ) ( ) (2.36) Bu denklemlerden emme ve sıkıştırma boyunca ısı transferi katsayısı; [ ̅ ] (2.37) Yanma ve genişleme boyunca ısı transfer katsayısı (Roberts 1983); [ ( ̅ ) ] (2.38) Denkleme; sonuçların genel ısı transfer katsayısı ve şarj hızındaki hassasiyetini belirlemek amacıyla C1 ve C2 düzeltme sabitleri ilave edilmiştir. Duvarlara ısı transfer hızı; (2.39) 27 toplam yüzey alanıdır. (2.40) Toplam yüzey alanı hesabı için, rotor yüzeyi tüm çevrim boyunca sabittir ve dairesel yay formunda olduğu yaklaşımıyla modellenebilir. (Danieli ve ark. 1978) tarafından toplam yüzey alanı hesabında izlenen yol şöyledir; Geometrik olarak yanma, rotor boyutları tarafından tanımlanan uzunluk ve genişlikteki bir kutuda yayılan iki alev olarak modellenmiştir. Kutunun yüksekliği, hazne hacminin zaman davranışına uyması için sinüzoidal şekilde değiştiği düşünülmüştür. Bu kutunun yüzey alanı gerçek motorunkinden yaklaşık% 10 farklılık gösterir. Böylece yüzey alanı için düzeltilmiş bir alan hesabı yapılmıştır. Buna göre; (2.41) Burada; C; düzeltme faktörü yaklaşık% 10 farklılık hesaba katılarak belirlenmiştir. V; hacim b; rotorun eni, L; rotorun uzunluğudur. Şekil 2.5’de, Denklem 2.41 de elde edilen değerlerin Ansdale’nin çalışmasındaki yüzey alanı verileriyle kıyaslanmıştır. Şekil 2.5. Denklem 2.41’in, Ansdale tarafından belirlenen yüzey alan hesabıyla kıyaslanması (Danieli ve ark. 1978) Matematiksel olarak elde edilen yüzey alanı her bir krank mili açısı için bilgisayar ortamında modellenmiştir. 28 3. MATERYAL VE YÖNTEM Vestel Hava Endüstrileri firmasının üniversitemize hibe ettiği Wankel motorunun ısıl ve yapısal analizini gerçekleştirebilmek için silindir içi basınç ve sıcaklık değerlerinin hesaplandığı bir yanma analizi çalışması yapılacaktır. Motorun sadece mekanik parçalarına sahip olduğumuz için çalıştırıp sıcaklık ve basınç ölçümleri yapmak imkan dahilinde değildir. Bu sebeple teorik olarak eksantrik milinin veya rotorun açısal değişimine bağlı sıcaklık ve basınç değerlerini veren bir model oluşturulacaktır. Bu modelden alınan ilk sonuçlar ile motordaki yanma süreçleri analiz edilecek ve gövde üzerindeki sıcaklık dağılımının değişimi açısal olarak incelenecektir. Analizleri yüksek doğruluk seviyesinde yapabilmek adına üniversitemize hibe edilen wankel motoru sökülecek ve tersine mühendislik yöntemleri kullanılarak ana parçaları bilgisayar ortamında yeniden modellenecektir. Modellenen parçaların teorik ölçü hesaplarına uygunlukları kontrol edilecektir. Wankel motorları için de yanma odasının hacminin en küçük olduğu nokta üst ölü nokta (ÜÖN), hacmin en büyük olduğu nokta alt ölü noktadır (AÖN). İncelediğimiz motor için üst ölü nokta buji bağlantısının olduğu bölgededir ve 0° açı olarak kabul edilir. Hacim hesabı ve model doğrulaması sonucunda ÜÖN ve diğer tüm açısal veriler çizelgede sunulacaktır. Motor modellemesi yapılırken tersine mühendislik ve ölçüm yöntemleri kullanılacaktır. Modeldeki tüm ölçüler motor parçalarının gerçek ölçüleridir. Wankel motoru, geometrisi sebebiyle belirli açılarda kendini tekrar eden alan ve hacim ölçüleri verir. Hedefimiz motor için ısıl ve mekanik analiz yapmaktır. Bu nedenle giriş ve çıkış portlarının kapalı olduğu (858°) – (1080° veya 0°) – (219°) eksantrik mili açıları aralığındaki bölgeye ait rotor pozisyonu ve hacim geometrisi 1° lik rotor hassasiyetinde SOLIDWORKS BDT programında modellenecektir. Modelin ana gövdesi odaklanılan ana parça olduğu için model detaylı şekilde bilgisayar ortamına aktarılacaktır. Sonraki aşamada modelden elde edilen ölçüler ile GT-SUITE programında motor tek boyutlu olarak modellenecek ve kuramsal temeller bölümünde yararlanılan denklemler ile bilgisayar ortamında başlangıç değerleri olarak kabul edeceğimiz ilk sıcaklık ve basınç 29 parametreleri elde edilecektir. Tek boyutlu ısıl denklemlerden çıkan sıcaklık ve basınç parametreleri ile yeni malzemeye sahip gövdeye ANSYS programında ısıl analiz denemeleri uygulanacaktır. Yapılan denemeler sonucunda tasarım optimize edilip nihai şeklini alacaktır. Başlangıç modelimiz hem hava hem de su soğutmalı bir yapıda olduğu için, model üzerinde değişiklikler yapılarak ana gövde İHA’larda kullanılmaya uygun olacak şekilde sadece hava soğutmalı hale getirilmeye uygunluğu kontrol edilecektir. Elde edilen sonuçlar tartışılarak yeni malzemelerin, gövdenin ana maddesi olan alüminyum alaşımı yerine veya alaşıma destek olacak bir yapıda kullanılıp kullanılamayacağı tartışılacaktır. 3.1. Wankel Motor Parçalarının Sökülmesi Elimizdeki wankel motorunu inceleyebilmek için motorun tüm alt parçalarının sökülmesi amaçlanmaktadır. Motor bize elektronik aksamları, elektrik dağıtıcısı ve radyatör mekanizması üzerinden sökülmüş halde gönderilmiştir. Şekil 3.1’de motorun montajlı halinin genel görünümünü incelediğimizde iki adet soğutma sisteminin olduğunu öngörmekteyiz. Şekil 3.1. Montaj halindeki wankel motoru genel ekipmanları Pompa ile basılan soğutucu sıvı motorun ana gövdesini soğutmaktadır. Hava pompası ile basılan soguk hava ile önce gövdenin ön kapağından geçmekte, segmanlar ile ayrılmış boşluktan yararlanarak dişlilere, rotora ve eksantrik miline ulaşmaktadır. Bu 30 kanallarda ısınan hava gövdenin arka kapağındaki kanaldan egzoz manifolduna paralel şekilde bağlanmıştır. Motorun ana gövdesine ulaşabilmek ve gerekli ölçüleri alabilmek için parçaların sökme sırası tayin edilmiştir. Motorun ön yüzünden başlanarak marş motoru, soğutucu hava pompası, soğutucu sıvı pompası, soğutma sıvısı kanalları, hava pompası tahrik kasnağı, volan somunu ve dişlisi, gövde ön kapağı, eksen pimleri, rotor, eksantrik mil sıralaması takip edilerek motoru sökme işlemi tamamlanmıştır. Motordaki volan dişlisini krank miline sabitleyen somun ısıtılarak genleştirilmiş ve sökülmüştür. Motorun ana gövdeye kadar sökülme işlemi 6 saatlik bir sürede tamamlanmıştır. Şekil 3.2. Parçaları çıkartılmış wankel motoru genel görüntüsü Ana gövde , rotor, dişliler, ve eksantrik mili çıkartıldıktan sonra SOLIDWORKS programında yapılacak olan katı modelleme için ölçü alma aşamasına geçilmiştir. Parçaların ölçümleri yapılırken elektronik kumpas, elektronik mikrometre ve 3 boyutlu ölçüm cihazı kullanılmıştır. Ölçüm ekipmanları, bünyesinde çalışmakta olduğum 31 Baykal Makine A.Ş. firmasından tedarik edilmiştir. Tüm parçaların ölçümlerinin yapılması ve modellenmesi süreci başlangıçtan itibaren 1 haftalık bir süreci kapsamaktadır. Modelleme yapılırken analiz esnasında ihtiyaç duyulacak parçalar dikkate alınmıştır. Motor üzerindeki marş motoru, hava pompası, akışkan pompası, volan dişlisi, kayış kasnak mekanizması gibi ekipmanlar modele dahil edilmemiştir. 3.2. Wankel Motor Parçalarının Ölçümü ve Modellenmesi Bir mekanizmanın üç boyutlu modellemesi yapılacak ise modellemenin yapılacağı programın montaj yapısını ve mekanizmanın temas ilişkilerini çok iyi bilmek gerekir. Solidwork programında montaj modeli yapılabilmesi mekanizmanın tüm alt parçaları tek tek modellenmeli ve sonrasında montaj modülünde parçalar gerçek temas yüzeylerinden birleştirilmelidir. 3.2.1. Eksantrik Mili Modellenmesi Motorun eksantrik milinin ölçümleri elektronik kumpas ve mikrometre ile yapılmıştır. Mil üzerindeki en önemli ölçü eksantriklik değeridir. Şekil 3.3. Eksantrik mili genel görüntüsü 32 Yapılan hassas ölçümler sonuunda %0,05 tolerans aralığında eksantriklik(E) değeri E = 12mm Rotor yatağı çapı (Ørotor yatağı) = 55mm Milin diğer tüm detaylı ölçüleri oluşturulan model üzerinde şekil 3.4’te gösterilmektedir. Şekil 3.4. Eksantrik mili BDT modeli Model gerçek işleme tekniğine uygun şekilde kendi pah ve yarıçap ölçüleri korunarak oluşturulmuştur. Montaj modülü için kullanıma uygun hale getirilmiştir. 3.2.2. Wankel Pinyon Dişli Modellenmesi Pinyon dişli mekanizması wankel motorunun matematiksel modelindeki küçük çaptır. Çap değeri eksantriklik değerinin dört katına eşittir. Tasarım aşamasında dikkat edilmesi gereken en önemli nokta mekanik olarak çap değeri, pinyon dişlinin bölüm dairesi çapına eşit olmak zorundadır. Motor üzerindeki büyük dişli ve küçük dişlinin temas noktaları, üretilmiş olan çarkların bölüm dairesi çaplarından hesaplanır. Pinyon dişli için ölçüm değerleri aşağıda belirtildiği gibidir. Dt1= Bölüm Dairesi Çapı = 48mm Zt1= Pinyon diş sayısı = 30 adet Mt1= Pinyon Modül = Dt1 / Zt1 = 48/30 = 1,6 33 Bulmuş olduğumuz modül değeri standartlaştırılmış değerlerin dışındadır. Bu durum pinyonun özel olarak işlendiği anlamına gelmektedir. Pinyonun diş formunun hassas ölçümü yapıldıktan sonra Pinyon bilgisayar modeli oluşturulmuştur ve montaj durumuna hazır hale getirilmiştir. Şekil 3.5. Pinyon dişli BDT modeli 3.2.3. Wankel İç Planet Dişli Modellenmesi İç planet dişli mekanizması wankel motorunun matematiksel modelindeki büyük çaptır. Çap değeri eksantriklik değerinin altı katına eşittir. Dişli mekanizmalarındaki zorunluluk sebebiyle iki dişlinin birbiri ile çalışabilmesi için bu dişlilerin modülleri eşit olmalıdır. Bu nedenle pinyon dişli ile iç planet dişlinin modülleri ve diş geometrileri birbirine eşit imal edilir. Planet dişli üretildikten sonra rotorun iç yüzeyine oturacak şekilde montajlanır. Planet dişli için ölçüm değerleri aşağıda belirtildiği gibidir. 34 Dt2= Bölüm Dairesi Çapı = 72mm Zt2= Planet diş sayısı = 45 adet Mt2= Planet dişli Modülü = Dt2 / Zt2 = 72/45 = 1,6 Yapılan ölçümlerden alınan sonuçlar neticesinde planet dişlinin bilgisayar modeli oluşturulmuş ve montajlanmaya hazır hale getirilmiştir. Şekil 3.6. İç planet dişli BDT modeli 3.2.4. Rotor Modellenmesi Rotor mekanizması motor üzerindeki en önemli aksamlardan biridir. Rotor geometrisi oluşturulurken eksantrik milinin eksantriklik değeri önemlidir. Şeklin ana hatlarını ve 35 eğrileri belirleyen matematiksel model kuramsal temmeller bölümünde verilmiştir. Geometriyi oluşturan koordinat sistemi denklemlerinde eksantriklik çarpan olarak yer alır. Bilgisayar modeli oluşturulurken ve ölçümler yapılırken rotor ölçülerinin matematiksel olarak uygunluğu da kontrol edilmiş. Yapılan ölçümler sonucunda gerçek yapı ile matematiksel model arasında ölçü uyuşmazlığı görülmemiştir. Tasarım yapılırken rotor ve onun göbeğine bağlanan iç planet dişlisi ayrı düşünülemez. Hesaplamalar bu iki parça birbirine bağlanmış haldeyken yapılmalıdır. Dişlilerin bağlantı delik pozisyonları motorun dönüş rotasyonuna göre açılır. Rotorun oluşturulan bilgisayar modeli şekil 3.7 de gösterilmiştir. Şekil 3.7. İç Rotor BDT modeli Rotorun merkezine açılan Ø85 mm lik temiz işlenmiş yüzeye iç planet dişli oturtulup sabitlenir. Bu sayede mekanik olarak rotor ve planet bişlinin bölüm dairesi çapı hesaplamalarda bir bütün olarak alınır. 36 Rotor modeli tamamlandıktan sonra gövdenin içine yerleştireceğimiz ana parçaların modellenme süreci tamamlanmıştır. Sabitlemeyi ve bütünlüğü sağlayan civata, segman ve rulman gibi ara parçalar modelde analizi zorlaştıracağı öngörülerek modelle dahil edilmemiştir. Rotorun planet dişli ile montajlanmış bilgisayar modeli şekil 3.8.’ de gösterilmiştir. Şekil 3.8. İç Rotor Montaj Modeli 3.2.5. Ana Gövde Modellenmesi Gövdenin içine montajlanacak olan alt parçaların modellenmesinden sonraki aşamada oluşturulan modelin en önemli parçası olan ana gövdenin modellenmesine başlanmıştır. İlk aşamada mühendislik ölçüm teknikleri kullanılarak gövdenin iç eliptik yapısının geometrik noktaları çıkartılmış ve birleştirilmiştir. Motorun ana gövdesinin işleme tekniği ve yüzey segmanlarının uyumlu olabilmesi sebebiyle matematiksel model ile 37 gerçek motor gövdesi arasında yaklaşık 1mm lik bir yarıçap farkı gözlemlenmiştir. Bu durum wankel motorlarının çalışma prensibi sebebiyle olması gereken doğal bir durumdur. İç yüzey geometrisi oluşturulduktan sonra kumpas ve mikrometre ile modelin tüm detay ölçüleri alınmış ve %98 oranında uyumluluk gösteren ana gövde katı modeli oluşturulmuştur. Şekil 3.9. Ana gövde BDT modeli Modelin temel ölçüleri Sekil 3,9’ da görüldüğü gibidir. Aynı eliptik yapıya sahip gövde yan kapakları da modellendikten sonra bütün parçalar SOLIDWORKS programının montaj modülünde bir araya getirilmiştir. Montaj ilişkileri tanımlanırken motorun matematiksel oranlarına uygun olacak şekilde rotorun eliptik hareketine imkan veren montajlama yöntemi tercih edilmiştir. 38 Şekil 3.10. Wankel motorunun montajlanmış BDT modeli 3.2.6. Yüzey Alanı ve Hacim Hesaplamaları Wankel motoru, geometrisi sebebiyle belirli açılarda kendini tekrar eden alan ve hacim ölçüleri verir. Hedef ele alınan motor için ısıl ve mekanik analiz yapmaktır. Bu nedenle giriş ve çıkış portlarının kapalı olduğu 858°-1080° veya 0°- 219° eksantrik mili açıları aralığındaki bölgeye ait rotor pozisyonu ve hacim geometrisi 3° lik krank dönüş ve 1°lik rotor dönüş hassasiyetinde SOLIDWORKS CAD programında modellenmiştir. Motorun hareketi esnasında değişen oda geometrileri bilgisayar ortamında tek tek modellendikten sonra hacim ve yüzey geometrilerinden alınan veriler motorun rotor oyuğundaki hacim ve yüzey alanı değerleri ile birleştirilerek Excell programında listelenmiştir. Toplam hacim ve yüzey alanı değerleri EK 1’de verilmiştir. 39 Şekil 3.11. Farklı krank mili açılarındaki yanma odası hacim ve yüzey alanı değişimi Yanma odası hacim ve yüzey alanı verileri, motorun krank milinin 3 kez 360°’lik tur yapması sonucunda referans olarak belirlenen bir yanma odasının gerçek geometrik değerlerini bize sunmuştur. Bu veriler birleştirilerek yüzey alanı ve hacim grafikleri elde edilmiştir. Grafiklerden okunan veriler bir sonraki aşama olan tek boyutlu matematiksel motor modellemesinde veri kaynağı olarak kullanılacaktır. Motorun tek boyutlu modeli GT-SUITE programında gerçekleştirilecektir. Modelleme yapılırken emiş ve egzoz manifoldu alan ve hacim değişkenlikleri de dahil olmak üzere tüm geometrik yapı sayısal değerler ile modellenecek. Motorun sayısal kopyası bilgisayarda rotor konumuna göre yanma odasının sıcaklık ve basınç değerlerini verecek şekilde düzenlenecektir. Oluşturulan excell formatından alınan ilk hacim ve yüzey alanı verileri aşağıdaki grafiklerde okunduğu gibidir. 40 350 330 310 290 270 250 230 210 190 170 150 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Rotor açısı (°) Şekil 3.12. Yanma odası yüzey alanı grafiği 350 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Rotor açısı (°) Şekil 3.13. Yanma odası hacim grafiği Rotor-Krank Mili Açısı Grafiği 400 300 200 100 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Krank mili açısı (°) Şekil 3.14 Rotor-krank mili açısı grafiği 41 Rotor açısı (°) Yüzey alanı(cm2) Hacim (cc) Wankel motorlarının günümüzde ticari olarak çok fazla uygulama alanı bulunmadığı için bu motorların termodinamik yapılarını hesaplayabilen programlar çok sınırlı kalmıştır. Wankel motorlarının eliptik dönme hareketi sonucunda oluşan yanma odası şekillerini bir matematiksel modele oturtmak bilgisayarlar için çok karmaşık bir hesaplama ağına sebep olmaktadır. Standart pistonlu motorlarda piston hareketi tek eksende gerçekleştiği için yanma odası ve strok hacmi geometrisini bilgisayarda şekillendirmek çok daha kolaydır. Bu sebepten dolayı standart pistonlu motorların HAD programlarında pistonlu motorlar için ticari yapıdaki hesaplama modülleri yüksek düzeyde geliştirilmiştir. Piyasa taleplerinin de bu yönde olması sebebiyle bir çok programda hazır halde standart pistonlu motorun ısıl performansını tek veya çok boyutlu olacak şekilde hesaplayabilen paketler sunmuşlardır. 3.3. Wankel Motorunun Sayısal Olarak Tek Boyutlu Modellenmesi. Wankel motoru çealışma geometrisi olarak standart pistonlu motorlara göre farklı bir yapıda olsa da bu motorlar ile hemen hemen aynı temel denklemlere ve matematiksel modele sahip bir yapı izler. Bu benzerlik wankel motorları için çizilen basınç ve hacim diyagramlarında da görülebilmektedir. Bu durum tek boyutlu bir wankel modeli oluştururken, standart pistonlu motorlar için geliştirilen hazır bilgisayar programlarının bazı değişiklikler ile wankel motorları için de kullanılabileceğini ön görmemizi sağlamıştır. Yapılan araştırma neticesinde GT-SUITE modelleme programının bu işi yapabilecek en uygun program olduğuna karar verilmiştir. 3.3.1. Wankel Motorunun GT-SUITE Programına Tanımlanması. Wankel motorunun sayısal modellemesinin GT-SUITE programı üzerinde devam etmesi fikrinin danışman hocam Prof.Dr. Ali Sürmen tarafından onaylanması üzerine ilk olarak geometrik parametreler üzerinden çalışmaya başlanmıştır.Programa ve wankel motorları ile ilgili analiz yapılarına hakim olan Arş.Gör. Merve Altay modellemenin her aşamasında takip ve destek sağlamıştır. Programın kullanılması aşamasında TEI firmasının motor tasarım birimindeki GT-SUITE modulleri kullanılmıştır. Yardımları için firmaya ve çalışanlarına tekrar teşekkür ederiz. 42 GT-SUITE programının temel özelliği, ticari olarak üretilecek otomotiv ile ilgili mekanik ve termodinamik yapıları birbiri ile montajlanmış gibi ilişkilendirebiliyor olması ve sistemleri son verileri alacak şekilde birleştirip, zamana ve devir sayısına bağlı analiz edebilmesidir. Programın bu özelliği kullanılarak motorun mekanik yapısı sayısal veriler şeklinde programa işlenmiştir. Tasarım ölçüleri programa girişten çıkışa kadar eksiksiz girildikten sonra programın arayüz görüntüsü sekil3.15’te görüldüğü gibidir. Şekil 3.15. GT-SUITE motor veri girişi arayüzü Motor için 1000-6000 devir aralığında programa çözüm yaptırılmıştır. Alınan sonuçlar referans kaynaklarda alınan sonuçlar ile benzer ve wankel motoru için tutarlıdır. Aynı zamanda program üzerinde giriş ve egzoz manifoldlarındaki sıcaklık değişimleri de gözlenebilmektedir. Bu yöntem ve analiz çeşidi GT-SUITE programında sayısal parametreler ile oluşturulduğu için ele aldığımız motorun dışındaki farklı ölçülere sahip Wankel motorlarını analiz etmek için de kullanılabilir. Sadece motorun ölçüsel parametreleri, yakıt ve zamanlama verileri değiştirilerek oluşturulması planlanan yeni tasarım yapısına sahip motorlar için de hızlı bir tasarım doğrulama metodu olarak kullanılabilir. Tahmin edildiği üzere veriler nihai tasarım için çok yetersiz kalacaktır ancak bu veriler ile 43 oluşturulan ilk tasarımın sonrasında 3 boyutlu HAD analizler ile desteklenmesiyle ortaya çıkartılacak olan son tasarım için ilk adım olarak kullanılabilir. Programdan elde edilen grafiklerin doğru şekilde yorumlanması, tasarımda odaklanacağımız noktaları belirlemek ve doğru önlemleri sunmak için büyük önem taşımaktadır. 3.3.2. Wankel Motoru Performans Veri Grafiklerinin Oluşturulması. GT-SUITE programının alt yapısında motorun volumetrik verim, ortalama efektif basınç, özgül yakıt sarfiyatı, tork ve güç eğrileri oluşturulmuştur. Alınan veriler yorumlanarak benzer motor çalışmalarını içeren referans makalelerdeki veriler ile karşılaştırılmıştır. elde edilen sonuçların motorun daha önce elde edilmiş çalışma verine yakın olduğu ve beklenilen mantıklı değerlerin çıktığı görülmüştür. Motorun Ortalama Efektif Basınç Grafiği 44 Şekil 3.16. GT-SUITE motor ortalama efektif basınç-devir grafiği Şekil 3.16.’da görüldüğü üzere motor 6000 devir/dk devirde en yüksek basınç seviyesine ulaşmıştır. Eğrinin devir arttıkça azalan eğri olarak gitmesi beklenen bir durumdur. Çizelgede en yüksek devir olan 6000 devir/dk değerinde basınç 8,2 bar seviyesinde okunmaktadır. Motorun İndike Efektif Basınç Grafiği Şekil 3.17. GT-SUITE motor indike efektif basınç-devir grafiği Beklendiği üzere indike basınç değerleri ortalama basınç değerlerinden daha yukarıda gelmiştir. Grafik 5000-6000 devir/dk aralığında 9,2 – 9 bar seviyelerinde okunmaktadır. 45 Motorun Tork Eğrisi Grafiği Şekil 3.18. GT-SUITE motor tork-devir grafiği Analizin tork verileri incelendiğinde wankel motorunun tam beklendiği gibi benzinli motor karakteristiğinde yüksek devir çevirebilen ve maksimum torkunu geç veren bir yapıya sahip olduğu görülmüştür. Krank mili 6000 devirde seyrederken tork değeri yaklaşık 97 Nm seviyesine ulaşmaktadır. Bu hacimdeki bir motor için ulaşılabilecek mantıklı bir tork değeridir. Motorun emiş bölümünde kompresör veya turbo desteği olmadığı için motorun maksimum tork değerine bu kadar geç ulaşması beklenen bir durumdur. İnsansız hava araçlarında da tork değerinin her devirde yüksek olması tercih edilen bir durum değildir. Genellikle devir ve güç değerlerinin yüksekliği irtifa şartlarında aracın pervaneler ve kanatlardaki hava akışını kontrol edebilmesi için önemi büyüktür. 46 Motorun Güç Eğrisi Grafiği Şekil 3.19. GT-SUITE motor güç-devir grafiği Wankel motoru için güç verileri en önemli değerlerdir. Genellikle yüksek devir seviyelerine ulaşabilen wankel motorları yüksek yüzey alanı ve sürtünme değerleri sebebiyle geniş devir aralıklarında güç değerlerini dengeli şekilde tutamamaktadır. Sürtünme konusu wankel motorları için hala üzerinde çalışmaların devam ettiği bir problemdir. Yanal sızdırmazlık segmanları, dönme hareketinin de oluşturduğu merkez kaç kuvveti sebebiyle motor gömleğinin iç yüzeyinde yüksek oranda sürtünmeye sebep olmaktadır. Grafikte de 4000 devir değerine kadar 25 kW değerine kadar yükselen güç, 4000 devir değerinden sonra yüksek yüzey alanından kaynaklanan sürtünmeler sebebiyle büyük oranda düşüs göstermektedir. Gerçek uygulamada bu düşmenin ne kadar olacağı tartışmaya açık bir konudur çünkü motor içindeki yağlama mekanizması ve irtifa sıcaklık değerleri sürekli değişkendir. Şu sonuç kesindir ki tasarım aşamasında odaklanılması ve geliştirlmesi gereken en önemli nokta bu güç değerinin yükseltilmesi ve geniş devir aralıklarına yayılabilmesi için çalışma yapılmasıdır. 47 Motorun Özgül Yakıt Sarfiyatı Grafiği Şekil 3.20. GT-SUITE motor özgül yakıt sarfiyatı-devir grafiği Özgül yakıt sarfiyatı grafiği incelendiğinde oluşan eğrinin benzinli bir motorda beklendiği gibi düşük devirlerde yüksek değerlerde olduğu, yüksek devirlerde ise özgül sarfiyatın düştüğü gözlemlenmiştir. Bu durum benzinli bir wankel motoru için beklenen bir sonuçtur. Wankel motorunda supap zamanlaması kontrol mekanizması bulunmadığı için devir arttıkça giriş kanalının açık kalma süreleri kısalmaktadır. Yükselen devir ile birlikte vakum etkisi artarken, emiş manifolduna enjekte edilen yakıt motorun geometrik yapısı sebebiyle hava ile düzgün şekilde karışıp yanma odasına iletilememektedir. Özgül yakıt sarfiyatı grafikleri standart 4 zamanlı benzinli motorlarda supap kontrolü mekanizmalarına sahip olduğu için düşük devirlerde yüksek ve devam eden devirlerde hafif dalgalı bir yapıda oluşurken. Wankel motorlarında devirin artmasıyla ve belirtilen sebepler yüzünden sürekli azalan bir eğri oluşturur. 48 Motorun Volumetrik Verim Grafiği Şekil 3.21. GT-SUITE motor volumetrik verim-devir grafiği. Motor tam gaz konumuna yaklaştıkça beklendiği şekilde volumetrik verimde stokyometrik sınıra yaklaşım gözlenmiştir. Motor 6000 devire ulaşıncaya kadar yanma odasındaki vakum etkisi sürekli arttığı için içeri alınan hava miktarında artış olması doğal bir sonuçtur. Analiz teorik olsa bile belirlenen motor şartları neticesinde 6000 devire kadar wankel motoru stokyometrik değere ulaşamamıştır. Elde edilen veriler yanma analizinde kullanılmak üzere programda kaydedilmiştir. Motorda patlama anından sonraki genişleme süreci boyunca yanma odasında meydana gelen değişimleri gözlemleyebilmek için daha detaylı yanma verilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Yapılan motor simülasyonunda GT-SUITE programı üzerinde bu verileri zamana veya açıya bağlı olarak elde etmek mümkündür. 49 3.3.3. GT-SUITE Programında Zamana Bağlı Veri Grafiklerinin Oluşturulması. Wankel motorunun geometrik yapısı ve bu geometrilerin programda doğru şekilde modellenmesi, simülasyon verilerinin fiziksel verilere yakınlık göstermesi açısından büyük önem arzetmektedir. Yapılan fiziksel ölçümler ve üç boyutlu bilgisayar modeli, tek boyutlu yanma simülasyonu için gerekli olan tüm ölçüleri elde etmemimizi sağlamıştır. Motorun çalışması durumunda krank milinin sabit bir devirde döndüğünü düşünecek olursak piston mekanizmasına bağlı tüm değişken parametreleri bir fonksiyon olarak programa aktarmamız gerekmektedir. Şekil 3.22. GT-SUITE geometrik veri girişi arayüzü örnek gösterimi Şekil 3.22.’de motorun emiş manifoldunun bir bölümünün geometrik ölçülerinin mm olarak program arayüzüne girilmesi gösterilmiştir. Yakıt-Hava Karışımı Modellemesi Wankel motoru çalışma prensibi sayesinde üç ayrı odayı aynı geometri üzerinde birleştirmektedir. Bu durum tasarımsal olarak mekanizmaya uygun supap yapısı tasarlamayı çok zorlaştırmaktadır. Bu nedenle Wankel motorlarında sürekli açık emiş ve egzoz boğazları bulunur. İncelediğimiz motor da bu özelliktedir. Piston dönme 50 hareketini yaparken emiş kanalı hizasında hangi oda var ise o oda için emiş işlemi gerçekleşir. Emiş stroğu yapmayan diğer odalar için ise emiş boğazı geometrik olarak kapalı olur ve hesaplamalar bu kabul yapılarak gerçekleştirilir. GT-SUITE üzerinde yapılan simülasyon modelinde supap zamanları ve açılma miktarları, emiş boğazının açık kalma süreleri ve boğaz kesit alanı ile birbirine benzetilerek programa tanımlanmıştır. Şekil 3.23. GT-SUITE açıya bağlı hava giriş kanalı modelleme arayüzü Şekil 3.23. ‘te görüldüğü şekilde hava giriş kanalının üç oda için oda için açık kaldığı açı aralığı programın arayüzüne tanımlanmıştır. bu ölçüsel yaklaşımı yapmak, simülasyonun Wankel motor yapısına uygun olarak çalışabilmesi için gereklidir. Genişleme stroğunu takip eden egzoz stroğu için de aynı yaklaşım ile açıya bağlı olarak üç farklı egzoz kanalı tanımlaması yapılmıştır. Wankel motorunun yanma odalarındaki patlama motorun gövdesinde oluşan ısının temel kaynağıdır. Bu nedenle yakıt-hava karşımı düzgün şekilde hesaplanmalı ve programa doğru değişkenlere bağlı olarak tanımlanmalıdır. Yapılan üç boyutlu modelde emiş hacmimiz 319.84cc’dir. Motorun stokyometrik oranda (λ=1) çalışması durumunda 14.5 yakıt oranı değeri elde edilmektedir. Kullanılan yakıt cinsi benzindir. 51 Teorik olarak bu değerin kullanılması sıkıntı oluşturmaz ancak GT-SUITE simülasyonunda emiş manifoldunda enjeksiyon tanımlaması yapıldığı için havanın kütlesine bağlı olarak bulduğumuz bu yakıtın krank açısına bağlı olan integrasyonu oluşturulmalıdır. Yani yakıtın püskürtülmesi bir süreçtir ve bu sürece uygun olarak bilgisayar programına tanımlaması yapılmalıdır. Şekil 3.24. GT-SUITE açıya bağlı yakıt enjeksiyonu modelleme arayüzü Şekil 3.24. ‘te bulduğumuz değerler geometriye uyum sağlayacak şekilde programa aktarılmıştır. Üç farklı oda için ayrı ayrı enjeksiyon zaman modelleri aslında tek bir enjeksiyonu temsil etmektedir. Wankel motorunda her odaya zamanı geldiğinde tek ve aynı enjeksiyon püskürtme yaptığı için böyle bir benzetim yapmak zorunludur. Bu program tamamlandığında krank açısına ve devire bağlı olarak püskürtülen yakıt miktarı otomatik olarak düzenlenmektedir. Piston Hacimlerinin GT-SUITE Arayüzünde Modellemesi Üç boyutlu olarak modellediğimiz Wankel motorundan elde ettiğimiz hacim değerleri için açıya bağlı olarak oluşturulan çizelgede, krank açısına bağlı olarak meydana gelen hacim değişimi üç boyutlu modelleme bölümünde belirlenmişti. GT-SUITE simülasyonunda Wankel geometrisi, Standart pistonlu motor geometrisine benzetildiği 52 için aynı krank dönüş açılarında aynı hacim ve yüzey alanı değişimlerini veren veren bir sayısal piston modeli oluşturulmalıdır. Wankel motorunun en büyük oda hacmi = emiş hacmi = 319.84cc Wankel motorunun sıkıştırma Hacmi = 31.85cc Wankel motoru sıkıştırma oranı = 1/10 Hacim değişim miktarı : 319.84 – 31.85 = 287.99cc Aynı yöntem ile yüzey alanı değişimleri de belirlendikten sonra programa girilecek piston geometrisi değerleri ortaya çıkmıştır. Wankel motorunun krank milinin 270 derecelik dönüşü standart 4 zamanlı pistonlu motorlarda 180 dereceye denk gelmektedir. Bu fark dikkate alınarak hesaplama yapılmıştır. Şekil 3.25. GT-SUITE piston geometrisi modelleme arayüzü Şekil 3.25’ te piston modelinin ölçülerinin girildiği arayüz gösterilmektedir. Ölçüsel yaklaşım neticesinde en uygun çap ve motor stroğu değerleri programa tanımlanmıştır. Normal şartlarda piston çapı 111mm ve krank mili 29.06mm ölçülerinde bir 4 zamanlı 53 standart pistonlu motorun imal edilebilmesi çok zordur. Ancak burada yapılan yaklaşım sebebiyle doğru hacimsel ve yüzeysel değişimleri tutturabilmek için bu değerleri girmek gereklidir. sayısal simülasyon olması sebebiyle program, fiziksel yapıları göz ardı ederek çözüm verilerini bize sunacaktır. tüm geometrik tanımlamalar programa girildikten sonra açıya bağlı simülasyon çalıştırılıp ilk sonuçlar alınmıştır. Performans analizi neticesinde bizim çalışmamızda ısıl ve mekanik performansı etkileyen veriler dikkate alınacaktır. Simülasyon sonuçları GT-SUITE programının GT-POST modülünde görüntülenmektedir. Program açıya bağlı olarak bir silindire ait 47 farklı parametrede grafik veri çıkarabilmektedir. GT-POST Arayüzünde Wankel P-V Diyagramı Wankel motorlarının P-V diyagramları şekil olarak standart 4 zamanlı pistonlu motorların grafikleri ile benzer yapıya sahiptir. Silindirde meydana gelen maximum basıncı kolaylıkla görebileceğimiz ve benzetim methodu ile yaklaşımda bulunduğumuz hacimlerin doğruluğunu kontrol edebileceğimiz önemli bir veri tablosudur. GT-POST belirlediğimiz geometride ve bu geometriye ait değişken devir yapılarında bize P-V diyagramını otomatik olarak oluşturmaktadır. Şekil 3.26. GT-POST Wankel P-V diyagramı Oluşan grafik istenilen noktada bilgisayarda işaretlendiğinde bize basıncı Bar biriminde, hacmi ise cc biriminde göstermektedir. Yanma odasında oluşan maximum basınç değeri 54 6000 devir/dk durumunda 43.39 Bar seviyesine ulaşmıştır. Motor geometrisi sonraki aşamada bu devir değeri için emniyet gözetecek şekilde analiz edilecektir. Yapılan Hacimsel benzetim verilerinde ise tutarsızlık görülmemektedir. Giriş valfinin kapanması 3 anında odanın hacmi 312 cm değerine ulaşmaktadır. 3 Teorik değerimizin 319.84 cm olması durumu ile karşılaştırırsak 312 / 319.84 = 0,975 Benzerlik oranı olarak %97,5 oranında bir hacimsel yaklaşım değeri ortaya çıkar. Bu değer yapılacak üç boyutlu analiz için ön bilgi sağlaması adına yeterince yüksek bir orandır. GT-POST Arayüzünde Wankel Sıcaklık Diyagramı Yanma sonucu oluşan ısının motor gövdesine ve iç duvarlarına olan etkisini gözlemleyebilmek için ısı ve sıcaklık ile ilgili GT-POST modülündeki tüm veriler kullanılacaktır. Krank açısına bağlı olarak yanma odasında meydana gelen sıcaklık değişimleri, yaptığımız simülasyonun sonucu olarak GT-POST analiz grafikleri arasında yer almaktadır. Şekil 3.27. GT-POST Wankel sıcaklık diyagramı. Değişken açıya ve devire bağlı bir analiz olduğu için programın sunduğu onlarca grafik verisi burada tek tek belirtmemiz mümkün değildir. Başka model yapısına sahip Wankel 55 motorları için de uygulanabilir bir simülasyon olması nedeniyle verilerin nasıl oluşturulduğunu açıklamak bu aşamada yeterli olacaktır. Simülasyon her devir için modellenebilir ve her farklı devir tercihi için açıya bağlı sıcaklık verisi alınabilir. Bu çalışmada 1000,2000,3000,4000,5000,6000 devir sayıları için hesaplama yaptırılmıştır. Tahmin edildiği üzere Wankel üzerindeki yüklerin ve sıcaklık değerlerinin 6000 devir seviyesinde maximum değerlerine ulaştığı görülmüştür. Odalarda yükselen sıcaklık değeri motorun gövdesi tarafından emilecek ve soğutma döngüsü düzene oturana kadar ısı akışı meydana gelecektir. Öngörülen durumda motor çalışmaya devam ettikçe oluşan ısının, motorun gövde geometrisine zarar vermeden havaya aktarılması amaçlanmaktadır. Şekil 3.27.’de 6000 devir durumunda düzene girmiş Wankel motor modeli için yakıtın yanması sonucu ortaya çıkan maximum sıcaklık değeri krank açısının 37° olduğu konumda 2267 K değerinde okunmaktadır. Üç boyutlu analiz yapısında bu değerler kullanılacaktır. GT-POST Arayüzünde Wankel Isı Transfer Katsayısı Diyagramı Yanma odasında yükselen sıcaklığıkla birlikte odanın iç yüzeylerinden, motorun gövdesine ısı akışı olacağı kesindir. Bu akışı analiz edebilmek için gerekli olan ısı transfer katsayısı, analizin en önemli değişkenlerinden biridir. Kuramsal temeller bölümünde ısı transfer katsayısı için kaynaklardan edinilen formülasyonda bu parametrenin sıcaklık ve ortalama rotor hızı (“T” ve “ ̅ ”) değerlerine doğrudan bağıntılı olduğu görülmektedir. GT-POST arayüzü de alt programlarında aynı kuramsal yapılar ile çözümleme yaptığı için ısı transfer katsayısının sabit bir değer olması düşünülemez. Alınan sonuçlarda krank açısına bağlı olarak değişkenlik gösteren bir ısı transferi katsayısı grafiği görülmüştür. 56 Şekil 3.28. GT-POST Wankel ısı transfer katsayısı diyagramı. Şekil 3.28.’de 6000 devir durumunda düzene girmiş Wankel motor modeli için bağıntılı parametrelere bağlı olarak ortaya çıkan maximum ısı transfer katsayısı değeri krank açısının 24° olduğu konumda 1887 W/m^2.K değerinde okunmaktadır. Üç boyutlu analize geçildiğinde bu veriler program arayüzünde kullanılacaktır. Hangi açı değeri için analiz yapılacak ise o katsayı analiz verisi olarak girilecektir. GT-POST Arayüzünde Wankel Isı Akış Diyagramı Yanmanın etkisiyle oluşan ısının emilmesi ve bu emilimin hızı Wankel motorunun gövde ve parçaları için çok önemlidir. Üretilen ısının parçalardan uzaklaştırılması, dengelenmiş bir ısı akış mekanizması ile yapılmalıdır. Bu yapı motor parçalarının fiziksel yapısına zarar verecek yüksek ısıyı uzaklaştırmakla birlikte, yanmayı tehlikeye sokacak aşırı soğumaya da neden olmaması gerekmektedir. Wankel motorları için de soğutma yöntemleri tasarım ve prototip aşamasında belirlenmelidir. Gövde ve parçaların soğutma ihtiyacına göre hava ile soğutma, sıvı ile soğutma ya da bu iki yöntemin aynı anda kullanıldığı tasarım yapıları mevcuttur. Motorun soğutulması gereken parçalarına aynı ana gövde üzerinde faklı kanallar açılarak soğuk hava veya soğutma sıvısı enjekte edilebilir. Üzerinde çalıştığımız Wankel motorunda da sıvı ile soğutma ve hava ile soğutma teknikleri bir arada kullanılmıştır. GT-POST program arayüzünde modellenmiş Wankel için yanma odası iç yüzeyi alanları, krank açısına bağlı olarak değişecek şekilde hesaplanmıştı. Bu durum 57 sayesinde program bize ısı akışı ile ilgili veriler sunmaktadır. Programdan alınan diyagramda sabitlenmiş bir devirde krank açısına göre yanma odasından duvarlara doğru olan ısı akış miktarları okunabilmektedir. Şekil 3.29. GT-POST Wankel ısı akışı diyagramı. Şekil 3.29.’da ısı akış diyagramında Wankel motor geometrisine göre duvarlara doğru olan maksimum ısı akışı değeri krank mili 27° pozisyonundayken 2764 kW/m^2 dir. Diyagram üzerindeki maksimum değer de dahil olmak üzere patlama ve genişleme anındaki tüm akış verileri üç boyutlu analizde başlangıç verisi olarak kullanılacaktır. Yanma sonucu ısı ve sıcaklık ile ilgili GT-POST programının bize verdiği tüm verilere ulaşılmıştır. Son olarak programın oluşturduğu T-s diyagramı incelenmiş ve anormal bir grafik yapısı oluşmadığı görülmüştür. 58 Şekil 3.30. GT-POST Wankel modeli T-s diyagramı. Çalışmamızda örnek olarak gösterdiğimiz her grafik, yeni ölçü ve parametreler için güncellenebilir özelliktedir. Bu bölümde sistemin çalışma şeklini örnek grafikler ve veri giriş arayüzleri ile izah etmiş bulunmaktayız. GT-SUITE programı ve GT-POST modülü ile genellikle standart pistonlu motorlar için kullanılan analiz yöntemleri Wankel motoru yapısına uygun olacak şekilde değiştirilmiş ve sonuçlara ulaşılmıştır. Bu sebeple bu çalışmamız esnek yapılı bir analiz yöntemi ve programı olarak örnek teşkil etmektedir. Sonraki aşamada bu veriler ışığında hesaplanabilir sonlu elemanlar analizleri ile tasarım modeli üzerinde daha detaylı verilere ulaşılması amaçlanmaktadır. Elimizde hazır bir Wankel motor modeli bulunduğu için tüm üç boyutlu analiz çalışmaları o model üzerinde gerçekleştirilecektir. Isıl ve geometrik yapı verileri yorumlandığında tasarım modeli üzerinde nasıl geliştirmeler yapılabileceği konusunda somut veri ve fikirler ortaya çıkacaktır. 3.4. Wankel Modelinin Ansys Programında 3 Boyutlu Analizi Çalışmamızda kullanılan Wankel motoru için yapılan 3 boyutlu katı modelleme ve tek boyutlu veri analizi çalışmalarından sonra motor ile ilgili ısıl ve mekanik performans 59 sonuçlarını model üzerinde görüp, öngörülerde bulunabileceğimiz en önemli aşamaya ulaşılmıştır. 3 boyutlu analiz söz konusu olduğunda, tek boyutlu analizde olduğu gibi motor ile ilgili her koşuldaki ısıl ve mekanik verileri elde etmek mümkün değildir. Analiz için öncelikle koşullar belirlenmeli ve o koşullardaki çözümlemeyi yapabilecek katı model yapısı oluşturulduktan sonra detaylı veri analizlerine geçilmelidir. Bu çalışmada Wankel motorunun ısıl performansı söz konusu olduğunda odaklanacağımız nokta motorun içerisinde oluşan ısının, motor gövdesine olan etkisini incelemektir. Yanma sonucu oluşan ısı sürekli olarak gövdenin iç yüzeylerinden gövdenin dışına doğru bir akış yolu izler. Bu ısı akışı bir süreçtir ve analiz yapılırken bu süreç içerisindeki tüm parametreler birleştirilmelidir. GT-POST arayüzünden elde edilen sıcaklık, ısı akışı, ısı iletkenlik katsayısı, hacim, yüzey alanı ve basınç parametreleri üç boyutlu analiz için büyük önem taşımaktadır. Tek boyutlu analizde istenilen her devir/dk değeri için programdan sonuçların alınabildiği bilinmektedir ve yapılan analizlerde ve örnekleme grafiklerinde motor için maksimum veriler 6000devir/dk değerinde elde edilmektedir. Bu şartlar altında motoru ısıl ve mekanik açıdan zorlayabilmek için analiz katı modeli 6000devir/dk hızıa göre oluşturulmalı ve verilerin integrasyonları bu hızdaki zaman aralıklarına göre hesaplanıp Ansys programının arayüzüne girilmelidir. Ansys ticari programı içerisinde Wankel motorunu hesaplayabilecek özel bir arayüze sahip değildir ancak bu durum bir Wankel motor modelinin Ansys içerisinde analiz edilemeyeceği anlamına gelmez. Program içerisinde zamana bağlı ısıl ve mekanik analizler yapabilen arayüzler mevcuttur. Mühendislik temellerine uyan doğru yaklaşım metodları ile mantıklı ve gerçeğe yakın sonuçlara ulaşmak mümkündür. Başlangıç için analiz edilecek 3 boyutlu modellerin, Ansys programına uyumlu olacak şekilde değiştirilmesi en önemli noktadır. 3.4.1. Motor Gövdesinin 3 Boyutlu Analiz Modeli Motor modeli oluşturulurken odaklandığımız yapı motorun montajlı gövdesidir. Bu sebeple motor gövdesi, gövde ön ve arka kapakları, rotor,giriş ve çıkış kanalları model üzerinde bulunmak zorundadır. Bu ana parçalar üzerinde analizi ve programın oluşturduğu ağ elemanları yapısını bozacak tüm detayları model üzerinden kaldırmak 60 bilgisayar işlemcisinin analiz hesaplama sürecini kısaltacak ve programın çalışmasını kolaylaştıracaktır. Bu detaylar bağlantı civataları,pimler ve soğutma kanal girişleri olarak örneklendirilebilir. Analiz modelini oluştururken modelin malzeme özelliklerinin tanımlanması gereklidir. Elimizdeki motorun gövdesi AL 2024 kodlu Alüminyum alaşımından imal edilmiştir. Bu malzeme otomotiv endüstrisinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Isıya dayanıklı olması ve doğru bir ısıl işlem ile 55-60 HRC yüzey sertliğine ulaşabilmesi nedeniyle bu malzemenin tercih edildiği düşünülmektedir. Motorun gövde parçalarının neredeyse tamamı bu malzemeden imal edilmiştir. Standart çeliklere göre dayanımı düşük olmasına rağmen ağırlığının düşük olması ve ısıl iletkenliğinin yüksek olması sebebiyle İHA larda da kullanıma uygundur. Motorun giriş ve çıkış manifoldlarında kompozit yapılı carbonfiber malzemeler de görülmüştür. Ancak bu malzemelerin tercih sebebi sadece ağırlık azaltmak olduğu için ısıl performans analizlerinde modele dahil edilmelerine gerek görülmemiştir. Motorun gövde modeli oluşturulurken 6000devir/dk için belirli dönüş açılarında birbirini takip eden katı modeller oluşturulması zamana bağlı olarak analizi yapabilmek için kullanacağımız yöntemdir. Krank milinin her 30° lik dönüşüne ve rotorun her 10°lik dönüşüne karşılık gelen 8 farklı model oluşturulacaktır. Burada duvarlara olan ısı akışının maksimum olduğu patlama ve genişleme zamanları analiz edilecektir. Bu iki zamanda referans olarak alınan yanma odası için giriş ve çıkış kanallarının kapalı olduğu açı aralığı seçilecektir. İlk aşamada belirlenen pozisyonlar için duvarlara olan ısı akışları belirlenecektir. Sonrasında geometri diğer yanma odaları için birbirini tekrar etmesi sebebiyle tüm süreç ve veriler belirli bir zaman aralığında birleştirilerek zamana bağlı sonuçlara ulaşılacaktır. Model aralıklarının 10° lik rotor açısında olmasına rağmen GT-POST programından alınan veriler rotorun 1° lik hareketine göre Ansys programına girilecek ve integrasyonu yapılacaktır. Bu durum daha hassas sonuçlar elde edebilmemize olanak sağlayacaktır. motorun 6000devir/dk hızdaki pozisyon hesaplamaları aşağı verilmiştir. Krank dönüş hızına göre 61 6000 devir/dk = 100 devir/saniye  1° lik krank açısı için 0,0000277saniye  1° lik rotor açısı için 0,0000831saniye Zaman aralıkları belirlenmiştir. Programda 10°lik rotor açısı için integrasyonu yapılacak zaman değerler EK 2’de detaylı şekilde verilmiştir. Belirlenen parametreler ile birlikte analizi yapılacak olan modelin genel görünümü sekil 3.31. ve sekil 3.32.’de verilmiştir. Şekil 3.31. Wankel 3 boyutlu analiz modeli dış görüntüsü 62 Şekil 3.32. Wankel 3 boyutlu analiz modeli kesit görüntüsü Şekil 3.31. ve Şekil 3.32.’de görüldüğü üzere modelelin iç yüzeyleri ve dış yüzeyleri arasında yüzey ayrım çizgileri oluşturulmuştur. Bu çizgilerin aralıkları rotorun 10° lik hareketine uyum sağlayacak şekilde ölçülendirilmiştir. Yüzeyleri ayırmanın temel nedeni farklı anlardaki ısı ve sıcaklık verilerini gövde geometrisinin farklı bölgelerine tanımlayabilmektir. Bu sayede ısı aktarım katsayısı da dahil olmak üzere zamana bağlı tüm parametreler farklı rotor açısına sahip geometriler arasında aktarılabilmekte ve rotorun döngüsü geniş zaman aralıklarında modellenebilmektedir. Ansys analiz programı, zamana bağlı ısıl hesaplamaları gerçekleştirebilmek için geliştirilmiş olan Thermal Transient arayüzüne sahiptir. Bu arayüzde ısı akışı, sıcaklık, ısı iletkenlik katsayısı parametreleri belirli bir zamana bağlı olarak programa tanımlanabilir ve hesaplatılabilir. Program girilen verilerin otomatik olarak integrasyonunu hesaplamakta ve tanımlı geometri üzerinde süreç sonundaki ısı akışı ve sıcaklık değerlerini gösterebilmektedir. Hesaplamaların hassasiyeti model üzerine tanımlanan ağ örgüsüne ters orantılı olarak bağlıdır. Ağ örgüsünün ölçüleri ne kadar küçük olursa, hassasiyet o kadar yüksek olacaktır ancak ölçülerin ağ ölçüsünün çok 63 küçük olması durumu hesaplama elemanlarının sayısını arttıracak ve çözümün sürecini uzatacaktır. Burada analizi yapacak olan bilgisayarın işlemci yapısına göre uygun ölçünün seçilmesi önemlidir. Şekil 3.33. Wankel 3 boyutlu analiz ağ yapısı Bizim modelimizde geometrinin yapısına uygun olarak 2mm kenar büyüklüğüne sahip üçgen ağ örgüsü uygulanmıştır. Ağ örgüsünün geometrik şekli değiştirilebilir ancak modelimizde de olduğu gibi yüzeyler arası geçişlerin çok fazla olduğu uygulamalarda, geçişler arası hesaplama hatalarının en aza indirilmesi için program üçgen yapılı ağ örgüsünü önermektedir. Ağ örgüsü hassasiyetin yüksek olmasını istediğimiz ısı akış yüzeylerinde yoğunlaştırılmıştır. Ağ yapıları netleştirildikten sonra 10° lik rotor açıları ile birbirini takip eden 8 adet geometri oluşturulmuştur. Malzeme tanımlamaları, yüzey ayırma işlemleri ve hesaplama ağ örgüsü tüm geometrilere tanımlanmıştır. oluşturulan geometriler, referans olarak seçilen yanma odasında meydana gelen yanma ve genişleme zamanlarını modelleyecek şekilde sıralı olarak oluşturulmuştur. 64 Şekil 3.34. Wankel analiz modeli açısal pozisyonları Sekil 3.34.’te numaralandırılmış olarak verilen resimler sırasıyla 0°,30°,60°,90°,120°,150°,180° ve 210° krank açılarını temsil etmektedir. Geometrik 65 modellerin uygun şekilde düzenlenmesiyle birlikte programın Thermal Transient arayüzünde ısıl analizlere başlanabilir. Bir sonraki bölümde parametrelerin nasıl tanımlanacağı detaylı şekilde gösterilecektir. 3.4.2. Wankel Modelinin Thermal Transient Arayüzünde Analizi Çalışmamızın bu bölümünde Thermal Transient arayüzüne parametreleri tanımlamadan önce analizin yöntemini belirlemek gereklidir. Wankel motorunda gerçekleşen yanma bir süreçtir ve aynı zamanda sürekliliği vardır. Yanma motorun çalışma prensibi sebebiyle birbirini takip eden her yanma odası için 0° krank mili konumunda gerçeklesir. Referans yanma odası için giriş ve çıkış kanalları kapalı konumdayken krank mili 210° lik konuma ulaşıncaya kadar genişleme evresi devam eder. Bu süreç yanma odası iç yüzeyinin duvarlarından motorun ana gövdesine, kapaklarına ve rotoruna en çok ısı akışının olduğu süreçtir. Zamana bağlı olarak değişen bu ısı akışı ve ısıl iletkenlik katsayısı değerleri sabit kabul edilip, motorun analiz modeline tanımlanırsa gerçeğe yakın ve mantıklı sonuçlar elde edilemez. Bu nedenle yanma ve genişleme süreçleri olabildiğince küçük parçalara bölünmelidir. Krank mili 0° pozisyonundan 210° pozisyonuna gelene kadar geçen süreçteki ısı akışı miktarı, rotorun her 1°lik hareketi için analiz geometrisine tanımlanırsa, sabit durumdaki verilere göre çok daha hassas ve gerçeğe yakın sonuçlara ulaşılacaktır. Hesaplamalarımızda 6000devir/dk krank mili hızı için rotorun 1° lik hareketini 0,0000831saniye olarak bulmuştuk. Hesap yaparken krank mili ile rotorun dönüş oranının 1/3 olduğu unutulmamalıdır. Bu süreci oluşturduğumuz geometrilere göre genişletirsek her 10° lik rotor hareketi için geçen süre 0,000833saniye olacaktır. Bu süreç aralığında kalan tüm değişken ısı akışı ve iletkenlik katsayısı değerleri, programa teker teker tanımlanıp integrasyonu alınacaktır. 10° lik rotor hareketi sonucunda oluşan ısı akışı ve sıcaklık dağılımı verileri 8 farklı geometride elde edilecek ve sonrasında bölünmüş yüzey geometrisi sayesinde tek bir model üzerindeki ayrılmış yüzey alanlarına bu veriler teker teker tanımlanacaktır. Wankel geometrisinde yanma ve genişleme zamanları aynı bölgede ve tekrar eden yapıda olduğu için elde edilen ısı akışı modeli, programa tekrarlanabilir şekilde tanımlandıktan sonra motorun analiz ortamında 66 çalışma süreci dakikalara hatta saatlere kadar genişletilebilir. Küçük verileri hassas bir şekilde birleştirerek, asıl elde etmek istenilen sıcaklık verilerine ulaşılmasını sağlayan bu yöntem aslında bir çeşit tümevarım metotudur. Analize başlarken öncelikle başlangıç şartları belirlenmeli ve programa tanımlanmalıdır. Krank milinin 6000devir/dk sabit hızda olduğunu kabul etmiştik ancak krank bu hız değerine bir anda ulaşamaz. Motor çalıştıktan bir kaç saniye sonra kelebeğin doğru pozisyona gelmesiyle birlikte hız değeri sebitlenir. Geçen bu süre zarfında motorun gövdesinde bir miktar sıcaklık artışı meydana gelmektedir. Bu durum dikkate alınarak gövdenin başlangıç sıcaklığı 295,14 K değerinde kabul edilmiştir. Yapılacak olan bu sıralı analizler krank milinin 6000devir/dk değerine çıktıktan sonraki yanma odasında meydana gelen ilk sıcaklık artış değerlerini bize verecektir. Süreçler çok kısa olacağı için bu birim analizlerde sıcaklık artış değerlerinin küçük olması beklenmektedir. İlk analiz ve geometrik model, krank milinin 1050° - 0° aralığını kapsamaktadır. GT-POST verilerine göre patlamanın başlangıcı ancak bu sürecin sonuna denk geldiği için ısı akışı verileri çok düşüktür. Her farklı geometri için oluşturulmuş ısı akışı ve katsayı verileri çizelge ....... da verilmiştir. Şekil 3.35. 1050° - 0° aralığındaki ısı akışı ve ısı transferi katsayısı değerleri 67 Şekil 3.35’te Thermal Transient arayüzünde 0,000833saniye süreci için giriş verilerinin integrasyonu verilmiştir. bu aşamadan sonra analiz programı çalıştırılıp, motor geometrisi üzerinde sıcaklık değerleri Kelvin cinsinden okunabilir. Şekil 3.36. 1050° - 0° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri Şekil 3.36.’ te Transient Thermal arayüzünde 1050° - 0° aralığındaki analizin 3 boyutlu model üzerindeki sıcaklık dağılımı sonuçları gösterilmektedir. Her ısıl analizin sonunda program, modelin solunda bir renk cetveli oluşturur ve sıcaklıkların görsel olarak okunmasını kolaylaştırır. Noktasal olarak ölçüm yapılmak istenirse şekilde görüldüğü gibi ölçüm komutu ile istenilen yüzeyde sıcaklık değeri sayısal olarak görüntülenebilir. Bu analiz 8 farklı geometri için tekrarlanmıştır ve analizlerin sonuçları neticesinde elde edilen sıcaklık değerleri Şekil 3.37., Şekil 3.38., Şekil 3.39., Şekil 3.40., Şekil 3.41., Şekil 3.42. ve Şekil 3.43.’te gösterilmiştir.Yanma odası duvarlarına en çok ısı geçişi krank milinin 0° - 30° aralığındaki süreçte gerçekleşmiştir. Elde edilen ısı ve sıcaklık verileri, final analizinde kullanılmak üzere programda kayıt altına alınmıştır. Programa girilen ısıl veriler EK 2’ de verilmiştir. 68 Şekil 3.37. 0° - 30° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri Şekil 3.38. 30° - 60° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri 69 Şekil 3.39. 60° - 90° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri Şekil 3.40. 90° - 120° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri 70 Şekil 3.41. 120° - 150° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri Şekil 3.42. 150° - 180° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri 71 Şekil 3.43. 180° - 210° aralığındaki analizin sıcaklık değerleri Oluşturulan modellerin 0,000833s zaman dilimi için gerçekleştirdiğimiz analiz sonuçları, zamana bağlı olarak birbirlerine bağlanacak ve aynı geometri üzerinde ısı akışları akuple edilecektir. Sonrasında bu akuple edilmiş veriler tekrarlı hale getirilecek ve program arayüzünde zaman değişkeni için daha büyük değerler girilecektir. Kullanılan yöntemin bundan sonraki kısmı tamamen deneysel analizlere dayanmaktadır. Analizde kullanılan motor geometrisi üzerinde soğutma sağlayacak ters yönlü bir ısı akışı tanımlanmadığı için sıcaklık artışı sürekli olacaktır. Bu beklenilen bir sonuçtur ancak bizim için önemli olan nokta bu sıcaklık artışının gövde üzerindeki dağılım dengesidir. Wankel motor gövdelerinde meydana gelen dengesiz sıcaklık dağılımının, bu motorların temel problemlerinden biri olduğunu önceki bölümlerde belirtmiştik. Oluşan bu dengesizlik sebebiyle motor gövdesinin genleşmesi de farklı bölgelerde farklı değerlerde olacaktır. Bu durum Wankel motoru için büyük bir problemdir ve bu problemi öngörüp, tasarım aşamasında doğru soğutma yöntemlerini gövdeye uygulayabilmek büyük bir avantajdır. Final çözümlemesi için gövde üzerinde yapılan tanımlamalar Sekil 3.44’te gösterilmiştir. Bu çoklu tanımlama yönteminde model üzerine tanımladığımız ayrılmış yüzeylerin sağladığı avantaj görülmektedir. Planlanarak 72 ayrılmış yüzeyler sayesinde farklı bölgelere zamana bağlı ısı akışı tanımlamaları yapılmıştır. Şekil 3.44. Çoklu ısı akışı tanımlama ekranı Yapılan ısı akış tanımlamalarının arayüz ekranı Şekil 3.45’te listelenmiştir. Şekil 3.45. Çoklu ısı akışı tanımlama arayüzü 73 Yapılacak olan son ısıl analizin en önemli parametresi zamandır. Bu noktada deneme yanılma metodu ile bir çok analiz analiz yapılmıştır. İlk deneme 16dk için gerçekleştirilmiştir ve motorun çalışmasını engelleyecek sıcaklık dağılımı ve genleşme kaynaklı şekil değişiklikleri görülmemiştir. Daha sonra 32dk , 45dk ve 60dk süreleri için tekrarlı ısı akışı analizleri gerçekleştirilmiştir. 45dk lık sürecin sonunda elde edilen bulgularda motorun dayanım toleranslarının üzerine çıkıldığı görülmüştür. Bir sonraki bölümde tüm bulgular detaylı olarak incelenecektir. 74 4. BULGULAR 4.1. Thermal Transient Süreç Analizi Sıcaklık Verileri Yapılan çalışmanın ve kullanılan yöntemlerin çıktılarını alacağımız son süreç analizi Thermal Transien arayüzünde yapılmıştır. Zaman olarak 2700 saniyelik süreçte motor döngüsü tamamlandığında elde edilen sıcaklık dağılımı verileri Şekil 4.1’de görüldüğü gibidir. Şekil 4.1. Thermal Transiens süreç analizi son sıcaklık dağılımları Ölçüm noktalarından alınan sonuçlar okundunğunda ve sıcaklık renk cetveline göre görsel kontrol yapıldığında ısı akışının yönü ve etkilenen bölgeler açıkça görülmektedir. Başlangıçta 295,14 K sıcaklığına sahip olan Wankel motor gövdesi, 6000 devir/dk hızında 2700s boyunca çalıştırıldığında maksimum 628,06 K sıcaklığına ulaşmaktadır. Bu değer patlamanın olduğu bölgede okunmuştur. En düşük sıcaklık değeri 529,72 K olarak okunmaktadır ve hava giriş kanalının olduğu bölge, gövdenin en soğuk 75 bölgesidir. Sıcaklık değerlerini santigrat derece cinsine çevirdiğimizde değerler aşağıdaki gibidir. 628,06 K = 355,06 °C 529,72 K = 256,72 °C Geometri üzerindeki maksimum sıcaklık farkı = 355,06 °C - 256,72 °C = 98,34 °C’ dir. Bulunan bu sıcaklık farkı değeri beklenilen bir sonuçtur ve soğutma önlemi alınmamış bir Wankel modeli için yüksek bir değerdir. Bu motorun ısıl performansı hakkında yorum yapabilmek için ulaşılması gereken sıcaklık farkı değerleri, analizin sonucunda bulunmuştur. Motorun gövdesinde oluşan sıcaklık farkları nedeniyle meydana gelen genleşmeler sonucunda gövde ölçülerinde değişimler gözlenir. Bu ölçü değişikliği ve deformasyonların büyüklüğü, çalışmamızda motorun mekanik performansını gösterecektir. Wankel motor gövdesinin iç yüzey geometrisi, motorun çalışma prensibi sebebiyle eliptik yapılı formunu korumak zorundadır. Sıcaklık etkisiyle genleşme olsa bile bu genleşme tüm yüzeylerde eşit miktarda olmalı ve segmanların izin verdiği tolerans değerlerini geçmemelidir. Thermal Transient arayüzü zamana bağlı ısıl analizleri yapabilen alt programlara sahiptir. Mekanik analiz söz konusu olduğunda bu modül kullanılamaz. Ansys programı içerisinde sıcaklığa bağlı olarak mekanik deformasyonları analiz edebileceğimiz formül yapılarını içeren Static Structural arayüzü bulunmaktadır. Bu arayüzler program içerisinde birbirlerine bağlanarak aralarında veri aktarabilirler. Şıcaklığa bağlı olarak motor gövdesinde meydana gelen deformasyonları bulabilmek için arayüzler arasındaki bağlantı kullanıcak ve sıcaklık verileri Static Structural arayüzüne aktarılacaktır. 4.2. Static Structural Arayüzünde Şekil Değiştirme Analizi Verileri Static Structural arayüzü zamana bağlı çözümleme yapabilen fonksiyon yapısına sahip değildir ancak süreç analizlerinin istenilen bir anındaki verilere göre çözümleme 76 yapabilmektedir. Isıl analizin son anındaki sıcaklık verileri Static Structural arayüzüne tanımlanırsa, son sıcaklık dağılımında meydana gelen mekanik bozulmalar okunabilmektedir. Şekil 4.2. Static Structural şekil değiştirme analizi verileri Analiz sonucu incelendiğinde maksimum 0,904mm genleşme olduğu görülmektedir. Analiz geometrisi üzerinde noktasal ölçümler yapıldığında ise kenar segmanlarının temas ettiği iç yüzeylerde 0,609mm genleşme görülmektedir. Bu genleşme tüm geometride dengeli olarak gerçekleşmemiştir. Hava giriş kanalına yakın olan yüzeylerde ise 0,14mm - 0,17mm aralığında değerler okunmaktadır. Bu değerler motor için sorun teşkil etmeyecek düzeydedir ve segman toleranslarına uygundur ancak yanma bölgesinde olusan genleşme miktarı kenar segmanlarının tolerans değerlerini 77 aşmaktadır. Gerçek model üzerinde yapılan segman yayı ölçümlerinde yayların 0,5mm değerinde esneme mesafeleri olduğu görülmüştür. Çizelge 4.1.’ de gövde üzerinde ölçülen sıcaklık ve şekil değiştirme değerlerinin maksimum farkları verilmektedir. Sıcaklık ve Şekil Değiştirmenin Maksimum Fark Değerleri Sıcaklık (° C) 98,34° C Şekil Değiştirme(mm) 0,904mm Çizelge 4.1. Sıcaklık ve şekil değiştirmenin maksimum fark değerleri Çalışmamızda hedeflenen tüm analizler gerçekleştirilmiştir ve geliştirilen tüm özel metotlar bilgisayar ortamında ve bu belgede kayıt altına alınmıştır. 78 5. TARTIŞMA VE SONUÇ Gerçek bir Wankel motorunun ana gövdesi üzerinde gerçekleştirilen bu çalışmanın sonucunda bilgisayar modeli üzerinde 98,34 °C’sıcaklık farkı ve gövde iç yüzeyinde 0,609mm değerinde genleşme olduğu görülmüştür. Ulaşılan bu sonuçlar basit değerler gibi görünse de Wankel motorunun mekanizması ve çalışma sürekliliği için hayati önem taşır. Analiz denemelerinde motoru 60dk lık süreçte test ettiğimizde gövde sıcaklığı 500 °C değerinin üzerine çıkmaktadır. Gerçek motor üzerinde bu sıcaklık test edilmek istenirse daha bu değere ulaşamadan genleşme sebebiyle segmanlar işlevlerini yapamaz hale gelecek ve etkin yanma elde edilemediği için motor duracaktır. Bu çalışmada sürecin 45dk olarak kabul edilip, analizlerin bu süreçte gerçekleştirilmesinin temel nedeni elde edilen sonuçların tolerans sınırlarında olmasıdır. Bu çalışmada kullanılan tüm programlar ve geliştirilen metotlar, gerçekte var olan bir Wankel motorunun gövdesinin ısıl ve mekanik verilerini okuyabilmek için hazırlanmıştır. Yine bu metotlar kullanılarak sıfırdan bir Wankel motor gövdesinin tasarlanması söz konusu olduğunda, kullanılan metot ve program yapıları tam esneklik gösterecek şekilde hazırlanmıştır. Yani bu çalışma hem yeni bir tasarım için kullanılabilir hem de var olan bir tasarımın geliştirilmesine kılavuzluk edebilir. Bu çalışmanın devamında farklı gövde modelleri için farklı malzemeler denenebilir ve bu malzemelerin ısıl ve mekanik performansları belirlenebilir. Elde edilen sonuçlar ile daha hafif ve dayanıklı tasarım modelleri geliştirilebilir. Bir Wankel motoru gövdesi daha tasarım aşamasındayken gövde üzerindeki soğutulması gereken bölgeler belirlenebilir veya var olan bir soğutma mekanizmasının ısı akış değerleri bulunabilir. Bu durumu çalışmamızdaki veriler ile örneklendirelim. 79 Şekil 5.1. Soğutma sıvısı kanal detayı Şekil 5.1.’de kırmızı ile işaretlenmiş soğutma kanalı girişi, ok yönünde gövde içerisinde ilerlemektedir. Radyatör mekanizmasında soğutulan sıvı ilk olarak analizlerimizde en yüksek sıcaklık değerini okuduğumuz yanma bölgesi altında kalan kısma pompalanmaktadır. Bu örnekleme yapılan analizlerin doğruluğunu kanıtlar niteliktedir. Analiz sonuçlarında elde ettiğimiz veriler neticesinde model üzerinde yapılabilecek geliştirmelerde odaklanılacak bölge bellidir. Isıl ve mekanik performansı arttırmak için sıcaklık dağılımı dengelenmeli ve bunun sonucu olarak meydana gelecek olan genleşme miktarlarının ana gövde iç yüzeyinde eşit olması sağlanmalıdır. Bu çalışmadaki motor modeli için geliştirme önerisinde bulunurken dikkat edilmesi gereken en önemli değişken ağırlıktır. İHA larda kullanılmak üzere dizayn edilmiş olan bu motor için tasarım değişikliği içeren her çalışma, motorun ilk halindeki ağırlığından daha düşük bir ağırlığa sahip olmalıdır. Aksi halde yapılan geliştirmenin bir anlamı olmayacaktır. Modelimizde soğutma önlemi alınması gereken bölge Şekil 5.2.’de gösterilmiştir. 80 Şekil 5.2. Soğutma önlemi alınması gereken bölge Önceki bölümlerde bu motorun gövdesinin sıvı soğutmalı yapıda tasarlandığını belirtmiştik. Soğutma ekipmanlarını ve kanallarını iptal ettiğimizde kırmızı ile işaretlenmiş yüksek sıcaklık bölgesinde et kalınlığı artmıştır. Bu durum motorun ağırlığının artması anlamına gelir ki uygulamada istenmeyen bir durumdur. GT-POST verilerine göre bu motorun belirlenen çalışma şartlarında maruz kaldığı maksimum basınç değeri bellidir. Yapılacak ilk geliştirme kütle optimizasyonu ile bu basınca direnç gösterebilecek et kalınlığı tayin edilmeli ve modele uygulanmalıdır. Gövdenin dayanımı ile ilgili çözüm üretildikten sonra dengesiz sıcaklık dağılımı için bir öneri getirilmelidir. Kırmızı ile işaretlenmiş bölgede okunan sıcaklık değerleri, sarı ile işaretlenmiş bölgedeki değerlere ya eşit ya da yakın olmalıdır. Burada ağırlık artışı da dikkate alınarak önerilebilecek en iyi yöntemin gövdeye ilave edilecek soğutma kanatcıkları olacağı öngörülmektedir. Kanatçıkalrın boyutları sıcaklık dağılımına göre değişkenlik gösterecek şekilde optimize edilmelidir. Bu kanatçıklar motor gövdesi için ek ağırlık anlamına gelir. Burada motorun ilk halindeki ağırlığına göre ağırlık karşılaştırılması yapılmalıdır. Sıvı soğutma sistemine dahil olan radyatör mekanizması ve aktarım borularının ağırlığı, gövdeye eklenen kanatçıkların ağırlığından fazla ise 81 önerilen yöntem avantajlıdır. İHA larda uçuş irtifası değişkenlik gösterdiği için gövde üzerinden akacak olan havanın hızı ve sıcaklığı da değişkenlik gösterir. Kanatçık modelinden sonra bu modele ek olarak, gövde üzerinden akacak havayı optimize edecek bir çalışma da yapılabilir. Sıcaklık sensörlerine bağlı olarak başka bir kanat mekanizması ile bu hava akışı düzenlenebilir. Gövde için yapılan tüm bu öneriler ile amacımız gövde üzerindeki genleşmeleri düzene sokmaktır. Şekil 5.3. Dengelenmesi gereken genleşme bölgeleri Şekil 5.3.’te genleşme sonucu meydana gelen kritik ölçüler verilmiştir. Yapılan analizlerde bölgesel olarak meydana gelen ısı akış değerleri bellidir. Kanatçık yapısı optimize edilirken anlık olarak motor gövdesine akan ısıya karşıt yönde ters akış oluşturacak şekilde bir tasarım önerilmelidir. Sonuç değerleri için yine bu çalışmadaki yöntemler kullanılarak şekil değişikliği analizi yapılmalı ve kırmızı ile işaretlenmiş bölgedeki genleşme değerleri, sarı ile işaretli bölgedeki değerlere yaklaştırılmalıdır. Rotor üzerindeki segmanların ve segman yaylarınıni genleşmeye karşı sağladığı uyum ise başlı başına ayrı bir araştırma konusudur. 82 Bu çalışma, yine danışmanım Prof. Dr. Ali Sürmen’in önderliğinde yürütülen daha büyük bir çalışmaya alt veri oluşturacak niteliktedir. Yazarlığını Arş. Gör. Merve Küçük’ ün üstlendiği doktora tezi çalışmasında, bu yöntemlerin ışığında yeni bulgular elde edilecektir. Arş. Gör. Merve Küçük, matematiksel modelin oluşturulması ve tek boyutlu analizlerin optimize edilmesi aşamalarındaki desteği büyüktür. Bu sebeple bu çalışmadaki verileri, kendi çalışmaları için kullanmasına izin verilmiştir. Wankel motorlarının İHA larda kullanılmasıyla birlikte bu motorların geliştirilmesi tekrar gündeme gelmiştir. Bu çalışmada kullanılan metotlar geliştirilmeye açıktır ve bu yöntem hem bu motorlar üzerinde daha fazla bilgiye sahip olmamızı sağlayacak hem de başka çalışmalar için veri kaynağı olacaktır. İHA ların silahlı kuvvetlere taarruz ve savunma hatlarında sağladığı avantajlar göz ardı edilemez derecede büyüktür. Bu ve buna benzer çalışmalar sayesinde çok daha işlevsel İHA lar üretilebilecek ve elde edilen tüm bilgiler literatürde yerini alacaktır. 83 KAYNAKLAR Tartakovsky,L., Baibikov,V., Gutman,M., Veinblat,M. 2012. Simulation of Wankel Engine Performance Using Commercial Software for Piston Engines. SAE Technical Paper, doi:10.4271/2012-32-0098. Spreitzer,J., Felix,Z., Geringer,B. 2015. Implementation of a Rotary Engine (Wankel Engine) in a CFD Simulation Tool with Special Emphasis on Combustion and Flow Phenomena. SAE Technical Paper, doi:10.4271/2015-01-0382. Boretti,A. 2015. CAD/CFD/CAE Modelling of Wankel Engines for UAV. SAE Technical Paper, doi:10.4271/2015-01-2466. Malkaz, F. 2011. İki Zamanlı Wankel Tipi Döner Pistonlu Motorun Analizi. Y. Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Farzadı, A. 2015. Döner Pistonlu Wankel Motorunda Hava Akışının Analizi. Y. Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Abraham,J., Ramoth,D., Mannisto,J., 1991. 3-D Steady-State Wall Heat Fluxes and Thermal Analysis of a Stratified-Charge Rotary Engine. SAE Technical Paper, 910706. Wu,W., Lin,Y., Chow,L. 2014. A Heat Pipe Assisted Air-Cooled Rotary Wankel Engine for Improved Durability, Power and Efficiency. SAE Technical Paper, doi:10.4271/2014-01-2160. Badglay,P.R., Doup,D., Kamo,R., 1989. Analysis and Test of Insulted Components for Rotary Engine. SAE Technical Paper, 890326. Gkoutzamanis V., Mertzis D., Nikolaidis S., Savvakis S. 2015. CFD Comparıson for the SARM Rotary Engine With a Conventional Reciprocating Otto Cycle Engine. 6 th BETA CAE International Conference, 10-12 June, 2015, Thessaloniki, Greece. Ercan, T. 2005. Thermodynamic and structural Design and Analysis of a Novel Turbo Rotary Engine. MSc Thesis, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Arabacı, E. 2009. Turbo Döngüsel Bir Motorun Performansının Arttırılması. Y. Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Costa, T., Nickerson, M., Littera, D., Martins, J. 2016. Measurement and Prediction of Heat Transfer Losses on the XMv3 Rotary Engine. SAE International Journal Engines, 9(4): 2368-2380. Leboeuf, M., Dufault, J. F., Nickerson, M., Becker, K. 2018. Performance of a Low- Blowby Sealing System for a High Efficiency Rotary Engine. SAE Technical Paper, doi:10.4271/2018-01-0372. Pischinger, S. 2005. Internal Combustion Engines: Lecture Notes, Rheınısch – Westfälısche Technısche Hochschulea, Achen, Vol 1. Norman, T.J. 1983. A Performance Model of a Spark Ignition Wankel Engine. MSc Thesis, Massachussetts Institude of Technology, ABD. Bartrand, T.A., Willis E.A. 1993. Rotary Engine Performance Computer Program ( RCEMAP and .RCEMAPPC) User’s Guide. NASA Contract Report-191192-N94- 15192. Ohio. Gatowski, J.A., Balles, E.N., Chun, K.M., Nelson, F.E., Ekchian, J.A., Heywood, J.B. 1984. Heat Release Analysis of Engine Pressure Data. SAE Paper, 841359. 84 Stanton, R.A. 1987. Heat Transfer and Performance Calculations in a Rotary Engine. MSc Thesis, Massachussetts Institude of Technology, ABD. Woschni, G. 1967. A Universally Applicable Equation for Instantaneous Heat Transfer coefficient in İnternal Combustion Engine. SAE Paper, 670931. Roberts., J.M. 1983. Heat Release Estimation and Prediction of Wankel Stratified- Charge Combustion Engine. MSc Thesis, Massachussetts Institude of Technology, ABD. Daniellie, G.A., Keck, J.C., Heywood, J.B. 1978. Experimental and Theoretical Analysis of Wankel Engine Performance. SAE Paper, 78416. 85 EKLER EK 1: Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri EK 2: Birim zamandaki ısı akışı ve ısı transfer katsayısı tablosu 86 EK 1 Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri ALAN-HACİM SONUÇLARI TABLOSU KRANK AÇISI (°) ROTOR AÇISI (°) HACİM (cm3) ALAN (cm2) 858 286 317,13 307,14 861 287 314,25 305,84 864 288 311,28 304,18 867 289 308,1 303,03 870 290 304,78 301,55 873 291 301,31 300,01 876 292 297,71 298,4 879 293 293,97 296,74 882 294 290,1 295,03 885 295 286,1 293,26 888 296 281,99 291,44 891 297 277,75 289,57 894 298 273,41 287,65 897 299 268,96 285,71 900 300 264,4 283,67 903 301 259,76 281,64 906 302 255,02 279,56 909 303 250,19 277,45 912 304 245,28 275,3 915 305 240,28 272,87 918 306 235,24 270,66 921 307 230,13 268,41 924 308 224,97 266,15 927 309 219,76 263,88 930 310 214,5 261,59 933 311 209,2 259,29 936 312 203,88 256,99 939 313 198,53 254,69 942 314 193,12 252,85 945 315 187,74 250,59 948 316 182,35 248,34 951 317 176,96 246,1 954 318 171,86 243,86 957 319 166,23 241,62 960 320 160,9 239,4 87 Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri (devam) KRANK AÇISI(°) ROTOR AÇISI (°) HACİM(cm3) ALAN(cm2) 963 321 155,6 237,19 966 322 150,33 234,99 969 323 145,1 232,81 972 324 139,93 230,66 975 325 134,8 228,52 978 326 129,74 226,41 981 327 124,75 224,33 984 328 119,83 222,28 987 329 114,99 220,25 990 330 110,24 218,31 993 331 105,57 216,35 996 332 101,01 214,46 999 333 96,55 212,6 1002 334 92,19 210,8 1005 335 87,95 209,04 1008 336 83,83 207,33 1011 337 79,84 205,68 1014 338 75,97 204,08 1017 339 72,24 202,54 1020 340 68,65 201,05 1023 341 65,2 199,63 1026 342 61,9 198,27 1029 343 58,76 196,97 1032 344 55,77 195,74 1035 345 52,94 194,57 1038 346 50,28 193,48 1041 347 47,78 192,45 1044 348 45,46 191,49 1047 349 43,31 190,61 1050 350 41,34 189,8 1053 351 39,55 189,06 1056 352 37,94 188,4 1059 353 36,51 187,81 1062 354 35,28 187,3 1065 355 34,23 186,87 88 Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri (devam) KRANK AÇISI(°) ROTOR AÇISI (°) HACİM(cm3) ALAN(cm2) 1068 356 33,37 186,51 1071 357 32,7 186,23 1074 358 32,2 186,02 1077 359 31,92 185,9 1080 360-0 31,85 185,84 3 1 31,92 185,9 6 2 32,2 186,02 9 3 32,7 186,23 12 4 33,37 186,51 15 5 34,23 186,87 18 6 35,28 187,3 21 7 36,51 187,81 24 8 37,94 188,4 27 9 39,55 189,06 30 10 41,34 189,8 33 11 43,31 190,61 36 12 45,46 191,49 39 13 47,78 192,45 42 14 50,28 193,48 45 15 52,94 194,57 48 16 55,77 195,74 51 17 58,76 196,97 54 18 61,9 198,27 57 19 65,2 199,63 60 20 68,65 201,05 63 21 72,24 202,54 66 22 75,97 204,08 69 23 79,84 205,68 72 24 83,83 207,33 75 25 87,95 209,04 78 26 92,19 210,8 81 27 96,55 212,6 84 28 101,01 214,46 87 29 105,57 216,35 90 30 110,24 218,31 89 Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri (devam) KRANK AÇISI(°) ROTOR AÇISI (°) HACİM(cm3) ALAN(cm2) 93 31 114,99 220,25 96 32 119,83 222,28 99 33 124,75 224,33 102 34 129,74 226,41 105 35 134,8 228,52 108 36 139,93 230,66 111 37 145,1 232,81 114 38 150,33 234,99 117 39 155,6 237,19 120 40 160,9 239,4 123 41 166,23 241,62 126 42 171,86 243,86 129 43 176,96 246,1 132 44 182,35 248,34 135 45 187,74 250,59 138 46 193,12 252,85 141 47 198,53 254,69 144 48 203,88 256,99 147 49 209,2 259,29 150 50 214,5 261,59 153 51 219,76 263,88 156 52 224,97 266,15 159 53 230,13 268,41 162 54 235,24 270,66 165 55 240,28 272,87 168 56 245,28 275,3 171 57 250,19 277,45 174 58 255,02 279,56 177 59 259,76 281,64 180 60 264,4 283,67 183 61 268,96 285,71 186 62 273,41 287,65 189 63 277,75 289,57 192 64 281,99 291,44 195 65 286,1 293,26 90 Motor modelinin toplam hacim ve yüzey alanı değerleri (devam) KRANK AÇISI(°) ROTOR AÇISI (°) HACİM(cm3) ALAN(cm2) 198 66 290,1 295,03 201 67 293,97 296,74 204 68 297,71 298,4 207 69 301,31 300,01 210 70 304,78 301,55 213 71 308,1 303,03 216 72 311,28 304,18 219 73 314,31 305,81 91 EK 2 Birim zamandaki ısı akışı ve ısı transfer katsayısı tablosu Krank pozisyon aralığı (°) 1050 - 0 Zaman(t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 5,23E+04 4,34E+02 1,66E-04 5,61E+04 4,45E+02 2,49E-04 6,19E+04 4,69E+02 3,32E-04 7,49E+04 4,89E+02 4,16E-04 8,92E+04 5,16E+02 4,99E-04 1,25E+05 5,74E+02 5,82E-04 1,63E+05 6,28E+02 6,65E-04 2,52E+05 7,36E+02 7,48E-04 3,38E+05 8,28E+02 8,33E-04 5,16E+05 9,90E+02 Krank pozisyon aralığı (°) 0 - 30 Zaman(t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 6,71E+05 1,11E+03 1,66E-04 9,50E+05 1,30E+03 2,49E-04 1,16E+06 1,43E+03 3,32E-04 1,50E+06 1,60E+03 4,16E-04 1,85E+06 1,74E+03 4,99E-04 2,07E+06 1,81E+03 5,82E-04 2,36E+06 1,87E+03 6,65E-04 2,52E+06 1,89E+03 7,48E-04 2,68E+06 1,87E+03 8,33E-04 2,75E+06 1,84E+03 Krank pozisyon aralığı (°) 30 - 60 Zaman(t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 2,76E+06 1,75E+03 1,66E-04 2,68E+06 1,69E+03 2,49E-04 2,59E+06 1,58E+03 3,32E-04 2,42E+06 1,46E+03 4,16E-04 2,29E+06 1,38E+03 4,99E-04 2,08E+06 1,27E+03 5,82E-04 1,88E+06 1,16E+03 6,65E-04 1,75E+06 1,09E+03 7,48E-04 1,57E+06 1,00E+03 8,33E-04 1,41E+06 9,16E+02 92 Birim zamandaki ısı akışı ve ısı transfer katsayısı tablosu (devam) Krank pozisyon aralığı (°) 60 - 90 Zaman(t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 1,27E+06 8,41E+02 1,66E-04 1,18E+06 7,95E+02 2,49E-04 1,06E+06 7,33E+02 3,32E-04 9,62E+05 6,77E+02 4,16E-04 9,01E+05 6,43E+02 4,99E-04 8,19E+05 5,96E+02 5,82E-04 7,46E+05 5,55E+02 6,65E-04 7,03E+05 5,29E+02 7,48E-04 6,44E+05 4,94E+02 8,33E-04 5,91E+05 4,63E+02 Krank pozisyon aralığı (°) 90 - 120 Zaman(t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 5,45E+05 4,35E+02 1,66E-04 5,17E+05 4,17E+02 2,49E-04 4,78E+05 3,93E+02 3,32E-04 4,44E+05 3,17E+02 4,16E-04 4,13E+05 3,51E+02 4,99E-04 3,94E+05 3,39E+02 5,82E-04 3,68E+05 3,22E+02 6,65E-04 3,52E+05 3,11E+02 7,48E-04 3,30E+05 2,96E+02 8,33E-04 3,10E+05 2,83E+02 Krank pozisyon aralığı (°) 120 - 150 Zaman(t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 2,91E+05 2,74E+02 1,66E-04 2,80E+05 2,62E+02 2,49E-04 2,65E+05 2,51E+02 3,32E-04 2,55E+05 2,45E+02 4,16E-04 2,41E+05 2,35E+02 4,99E-04 2,33E+05 2,29E+02 5,82E-04 2,21E+05 2,21E+02 6,65E-04 2,11E+05 2,13E+02 7,48E-04 2,04E+05 2,08E+02 8,33E-04 1,95E+05 2,01E+02 93 Birim zamandaki ısı akışı ve ısı transfer katsayısı tablosu (devam) Krank pozisyon aralığı (°) 150 - 180 Zaman (t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 1,89E+05 1,96E+02 1,66E-04 1,81E+05 1,90E+02 2,49E-04 1,76E+05 1,86E+02 3,32E-04 1,68E+05 1,81E+02 4,16E-04 1,64E+05 1,78E+02 4,99E-04 1,58E+05 1,73E+02 5,82E-04 1,54E+05 1,70E+02 6,65E-04 1,48E+05 1,65E+02 7,48E-04 1,45E+05 1,63E+02 8,33E-04 1,40E+05 1,59E+02 Krank pozisyon aralığı (°) 180 - 210 Zaman (t) Isı akışı (W/mm2) Isı transfer katsayısı (W/mm2K) 8,31E-05 1,36E+05 1,56E+02 1,66E-04 1,33E+05 1,53E+02 2,49E-04 1,31E+05 1,51E+02 3,32E-04 1,27E+05 1,48E+02 4,16E-04 1,24E+05 1,46E+02 4,99E-04 1,22E+05 1,44E+02 5,82E-04 1,19E+05 1,42E+02 6,65E-04 1,17E+05 1,40E+02 7,48E-04 1,15E+05 1,38E+02 8,33E-04 1,12E+05 1,37E+02 94 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Bekir Tolga ALTIPARMAK Doğum Yeri ve Tarihi : Bursa – 12.01.1993 Yabancı Dil : İngilizce Eğitim Durumu Lise : Meriç Anadolu Lisesi Lisans : Manisa Celal Bayar Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans : Bursa Uludağ Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği A.B.D. Çalıştığı Kurum/Kurumlar : BAYKAL MAKİNE SANAYİ VE TİCARET A.Ş. İletişim (e-posta) : btaltiparmak@gmail.com 95