İçten yanmalı motorlar için farklı çalışma modlarına sahip bir supap kontrol mekanizması geliştirilmesi
Development of a multi-mode valve control mechanism for internal combustion engines
- Tez No: 992149
- Danışmanlar: PROF. DR. CEMAL BAYKARA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında içten yanmalı motorların kısmi yükteki verim problemlerine çözüm sunacak yeni bir supap kontrol mekanizması geliştirilmiştir. Deneysel, sayısal ve analitik yaklaşımların ışığında yakıt tüketimini azaltan, motor performansını optimize eden yenilikçi, çoklu değişken mod özelliğine sahip bir tasarım ortaya konulmuştur. İlk olarak, orijinal kam milinin modal karakteristikleri ayrıntılı şekilde incelenmiştir. Bu doğrultuda sonlu elemanlar yöntemiyle sayısal modeli geliştirilmiştir. Uygulanan ağ yakınsama analizi sonucunda 2 mm eleman boyutunun hesaplama süresi ve doğruluk açısından en uygun değer olduğu görülmüştür. Sonraki aşamada orijinal kam mili için deneysel modal analiz gerçekleştirilmiştir. Testler serbest-serbest sınır koşulları altında yapılmıştır. Düşük rijitlikte askı elemanları kullanılarak kam milinin her yönde serbest titreşimi sağlanmıştır. Modal çekiç ve üç eksenli ivmeölçer kullanılarak 17 farklı noktadan, yapı geometrisinin izin verdiği ölçüde iki ya da üç eksende ölçümler alınmıştır. Her bir darbe üçer kez tekrar edilerek 132 ölçüm verisi elde edilmiştir. Deney sırasında koherans fonksiyonları yüksek güvenilirlik göstermiştir. Elde edilen verilerin işlenmesi ile frekans cevabı fonksiyonları çıkarılmış, kam milinin deneysel doğal frekansları hesaplanmış ve ilgili mod şekilleri çıkarılmıştır. Bu sayede deneysel ve sayısal doğal frekanslar için karşılaştırma yapma imkanı bulunmuştur. Buna göre, %18'e varan farklar ortaya çıkmış ve bu durum model güncelleme gerekliliğini ortaya koymuştur. Model güncelleme prosedürünün ilk aşaması olarak duyarlılık analizi ile doğal frekansların kritik malzeme özelliklerine olan duyarlılığı incelenmiştir. Buna göre, yoğunluk ve elastisite modülünün doğal frekanslar üzerinde etkisi olduğu, Poisson oranının ise belirgin bir etkiye sahip olmadığı görülmüştür. Bu nedenle model güncelleme ile belirgin etkiye sahip malzeme parametrelerinin optimizasyonuna odaklanılmıştır. Optimizasyon sürecinde Genetik Algoritma (GA) ve Parçacık Sürüsü Optimizasyonu (PSO) yöntemleri kullanılmıştır. İlgili yöntemler benzer sonuçlar üretmiş ancak Parçacık Sürüsü Optimizasyonu'nun hesaplama maliyeti açısından daha avantajlı olduğu görülmüştür. Optimizasyon sonucu elde edilen bulgulara göre hata oranının %2'nin altına indiği tespit edilmiştir. Orijinal kam mili için oluşturulan sayısal model ve test sonuçlarından elde edilen verilerin optimizasyon çalışmalarıyla başarılı bir şekilde doğrulandığı tespit edildikten sonra Model Güvence Kriteri ile mod şekilleri karşılaştırılmıştır. Buna göre mod şekilleri arasında yüksek tutarlılık gözlenmiş, ana diyagonal değerlerinin 0.9 seviyesine ulaştığı tespit edilmiştir. Böylece güncelleme sonrasında modelin, deneysel sonuçları yüksek doğrulukla yansıttığı ortaya konulmuştur. Doğrulanan model, birden fazla yakıt ekonomisi stratejisini tek bir kam milinde birleştirebilen yeni bir supap kontrol mekanizması için temel oluşturmuştur. Bu mekanizma ile değişken supap açıklık miktarı (VVL), değişken supap açık kalma süresi (VVD), değişken supap açılma zamanı (VVT) yöntemleri ile silindirleri devre dışı bırakan yöntemler (CDA) ve çevrim atlatma yöntemi (SCS) tek bir kam mili üzerinde bir araya getirilmiştir. Bu doğrultuda, silindir başına düşen supap sayısı kadar kam profili bulunduran klasik kam millerinin aksine bu çalışmada kullanılan kam miline her bir yakıt ekonomisi yöntemi için ilave kam profilleri tasarlanmıştır. İlave kam profili tasarımları her bir supap için farklı kombinasyonlarda birleştirilmiş, bu sayede bireysel silindir kontrolüne izin veren modüller elde edilmiştir. Kamalı mil üzerine yerleştirilen kam profili modülleri, vidalı mil mekanizmasına entegre edilen gezici eleman sayesinde eksenel hareketini gerçekleştirmektedir. Bu sayede, farklı yakıt ekonomisi yöntemleri tek bir kam miline uygulanabilmekte ve içten yanmalı motorun anlık ihtiyacına göre ilgili mod aktif olmaktadır. Bu modlar, içten yanmalı motorun farklı yük ve devir koşullarına bağlı olarak devreye alınmaktadır. Bu sayede, önerilen mekanizma ile beş farklı çalışma modu da desteklenebilmektedir. Son aşamada, tasarlanan mekanizma için modal analiz yapılarak doğal frekanslar ve mod şekilleri elde edilmiştir. Elde edilen veriler ışığında, önerilen mekanizmanın adapte edildiği kam mili ile orijinal versiyonun mod şekillerinin büyük ölçüde benzerlik gösterdiği tespit edilmiştir. Eksenel modun daha yüksek bir frekansa taşınması ile mekanizmanın eksenel yöndeki olumsuz etkilerden korunması garanti altına alınmıştır. Ayrıca önerilen mekanizmanın dinamik davranışını incelemek amacıyla bir matematik model geliştirilmiştir. Kam profili-supap ilişkisi tek serbestlik dereceli kütle-yay-sönüm yaklaşımıyla modellenmiş,“temasta”ve“temasta değil”durumları için parçalı koşullar tanımlanmıştır. Bu yapıdan kaynaklanan süreksizliklerin çözümü için hiperbolik tanjant yaklaşımı benimsenmiştir. Her bir çalışma modu için özel olarak tasarlanan kam profilleri için polinom fonksiyonları tanımlanmıştır. Böylece sistemin titreşim tepkileri incelenebilir hale getirilmiş, çalışma modları arasındaki geçişlerin dinamik davranış üzerindeki etkilerinin analitik düzlemde değerlendirilmesine olanak tanınmıştır. Analizler normal (N), değişken supap açılma miktarı (VVL) de değişken supap açık kalma süresi (VVD) modları için yapılmıştır. Değişken supap açılma zamanı (VVT) modu için kam profili geometrisi aynı kalmakta, yalnızca faz kayması söz konusu olmaktadır. Supapların kapalı konumda olduğu modlar silindir deaktivasyonu (CDA) ve çevrim atlatma yöntemi (SCS) için ise kam profili yükselme ve alçalma bölgeleri bulunmadığı yalnızca temel daire ile sınırlı olduğundan ek bir dinamik incelemeye gerek duyulmamıştır. Elde edilen sonuçlar, N, VVL ve VVd modlarının kontrollü temas koşulları altında çalıştığını göstermiştir. N modu ile mevcut kam milinin dinamik davranışları ortaya koyulmuş ve referans olarak alınmıştır. VVD modunda artan ivmeler dolayısıyla temas kuvvetlerinin ve elastik deformasyonların yükseldiği ancak mikrometre boyutunda olduğundan supap-yuva temasının güvenli bir şekilde sürdüğü görülmüştür. VVL modunda ise kam profili yüksekliğinin azaltılması ile daha düşük kuvvetler ve daha kararlı bir dinamik davranış elde edilmiştir. Modlar arası geçiş grafiklerinde kısa süreli salınımlar gözlense de sistemin kısa sürede dengeye ulaştığı görülmüştür. Bu bulgular ışığında, önerilen mekanizmanın ilgili çalışma modları, mevcut yay karakteristikleri ile kararlı ve güvenli bir şekilde çalışacağı anlaşılmıştır. Günümüze kadar, literatürde geçerliliği kanıtlanmış olan supap kontrol yöntemlerinin bireysel uygulamaları ya da ilgili yöntemlerin yalnızca belirli sayılarda kombinasyonları (VVT ile CDA ya da VVT ile VVL vb.) üzerinde çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmada önerilen tasarım ise ilgili yöntemleri tek bir kam mili üzerinde birleştiren ilk mekanizma olma özelliğini taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
Valve control mechanisms play a critical role in improving engine efficiency and fuel economy. In conventional valve trains, the kinematic relationships between the valves, camshaft, and crankshaft limit flexibility in controlling combustion. This limitation arises because valve timing is adjusted once based on piston movement, and cannot be altered to adapt to varying operating conditions of the internal combustion engines. These adjustments are only provided for the specific operating range where the engine is most frequently used, and optimal results can only be achieved within this range. Similarly, when designing the engine intake system, it is optimized for full-load conditions that will maximize engine performance. This prevents the engine from operating efficiently at lower rpm. Valve behavior should be determined by considering both high and low speed operating conditions of the engine to address this issue, since combustion can be improved by varying valve control according to engine speed. The primary focus of valve control studies in the literature is to overcome these limitations caused by the constant operating conditions of the engine's variable speed range. Valve control mechanisms developed for this purpose have a significant impact on improving engine efficiency and fuel economy. In this thesis, a new valve control mechanism has been developed to address part-load efficiency issues in internal combustion engines. Experimental, numerical, and analytical approaches have been used to develop an innovative, multi-variable mode design that reduces fuel consumption and optimizes engine performance. First, the modal characteristics of the original camshaft were examined in detail. Accordingly, a numerical model was developed using the finite element method. The applied mesh convergence analysis revealed that an element size of 2 mm was the most suitable value in terms of computational cost and accuracy. In the next stage, an experimental modal analysis was performed for the original camshaft. Tests were conducted under free-free boundary conditions. Low-stiffness suspension elements were used to ensure free vibration of the camshaft in all directions. Measurements were taken at 17 different points using a modal hammer and a three-axis accelerometer. Each impact was repeated three times, yielding 132 measurement data sets. Furthermore, the coherence functions demonstrated high reliability during the experiment. By processing the obtained data, frequency response functions were derived, experimental natural frequencies of the camshaft were calculated, and the corresponding mode shapes were extracted. This allowed for comparison between experimental and numerical natural frequencies. Accordingly, differences of up to 18% were revealed, indicating the need for a model update. As the first step in the model update procedure, a sensitivity analysis was conducted to examine the sensitivity of natural frequencies to critical material properties. The results revealed that density and modulus of elasticity had a significant effect on natural frequencies, while Poisson's ratio had no notable effect. Therefore, the model updating focused on optimizing the material parameters with significant effects. Genetic Algorithm (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) methods were employed in the optimization process. Both methods produced similar results, but Particle Swarm Optimization was found to be more advantageous in terms of computational cost. The results of the optimization revealed that the error rate was reduced to less than 2%. After determining that the numerical model and test data generated for the original camshaft were successfully validated through optimization studies, the mode shapes were compared using the Model Assurance Criterion. High level of consistency was observed among the mode shapes, with the main diagonal values reaching 0.9. This result demonstrates that the updated model reflects the experimental results with high accuracy. The validated model provided the basis for a new valve control mechanism that can combine multiple fuel economy strategies within a single cam profile. This mechanism combines variable valve clearance (VVL), variable valve duration (VVD), variable valve opening timing (VVT), cylinder deactivation (CDA), and skip cycle (SCS) on a single camshaft. Accordingly, unlike conventional camshafts, which have cam profiles equal to the number of valves per cylinder, the camshaft used in this study was designed with additional cam profiles for each fuel economy mode. These additional cam profile designs were combined in different combinations for each valve, resulting in modules that allow for individual cylinder control. The cam profile modules, mounted on the camshaft, perform axial movement through a fork integrated into the screw shaft mechanism. This allows different fuel economy modes to be applied via a single camshaft, and the relevant mode is activated based on the current requirement of the internal combustion engines. These modes are activated based on different load and speed conditions of the engine. Thus, the proposed mechanism is capable of supporting five different operating modes. In the final stage, modal analysis was conducted for the proposed mechanism to obtain natural frequencies and mode shapes. Based on the results, it was determined that the mode shapes of the camshaft integrated with the proposed mechanism exhibited a high degree of similarity to those of the original version. Even though the mode shapes of the modified mechanism resemble the original design, the longitudinal mode frequency is now shifted to a higher band. This indicates that the mechanism will not adversely affect its functional operation, particularly during longitudinal displacement. In addition, a mathematical model was developed to investigate the dynamic behavior of the proposed mechanism. The cam profile-valve relationship was modeled using a single-degree-of-freedom mass-spring-damper approach. The“contact”and“non-contact”situations were categorized into four different scenarios: simultaneous cam–valve and valve–seat contacts, cam–valve contact only, valve–seat contact only, and no contact at all. These conditions introduced discontinuities into the model. The hyperbolic tangent approach was used to reduce the solution difficulties caused by these discontinuities, enabling the contact to be expressed with smooth transitions. Polynomial functions were defined for the cam profiles specifically designed for each operating mode. The cam profile geometry, modeled symmetrically, was analytically represented using these functions for the rise and fall regions. The boundary conditions for the displacement function ensured position and velocity continuity. This approach provided a kinematically accurate representation of valve motion and improved dynamic accuracy of the vibration response. The developed model enables the analytical investigation of the influence of parameter variations on the natural frequencies and vibration amplitudes of the system. In conclusion, this mathematical model provides an analytical approach to examining camshaft vibration behavior independently of experimental and numerical analyses. By accounting for contact discontinuities and different operating modes, the model was employed to evaluate the dynamic performance of the proposed mechanism and to conduct comparative vibration analyses for different modes. Analyses focused on the normal (N), variable valve lift (VVL), and variable valve duration (VVD) modes. For the variable valve timing (VVT) mode, the cam profile geometry remains the same and only a phase shift applied. For cylinder deactivation (CDA) and Skip Cycle Strategy (SCS), since the cam profile is limited to the base circle without rise any fall regions, no additional dynamic analysis was required. The results revealed that in the N, VVL, and VVD modes the system maintained continuous valve–seat contact while preserving dynamic stability. The dynamic behavior of the original camshaft was demonstrated in the N mode and served as a reference. It was observed that in the VVD mode, contact forces and elastic deformations increased due to increasing accelerations; however, since these remained in the micrometer size, stable valve-seat contact was preserved. In the VVL mode, reduced cam lift resulted in lower contact force levels and a more stable dynamic behavior. Although transient oscillations were observed during mode transitions, the system quickly settled into equilibrium. Overall, the findings appear that the proposed mechanism will operate reliably and safely with the relevant operating modes and existing spring characteristics. Studies in the literature have focused either on the individual applications of validated valve control methods or their implementation in limited combinations (such as VVT and CDA, VVT and VVL, etc.). The proposed mechanism in this study is the first design to incorporate these methods on a single camshaft.
Benzer Tezler
- Sürücülerde kandaki alkol miktarı ile trafik kazası arası ilişki
Başlık çevirisi yok
Z.SEMRA GÜMRÜKÇÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
UlaşımGazi ÜniversitesiKazaların Çevresel ve Teknik Araştırması Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. RIDVAN EGE
- Karıştırıcılar ve karıştırma kabındaki akım olaylarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
NADİR İLTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ÖMER SAMİH MERTBAŞ
- Plazma arkı eldesi ve yüzey bölgesi modifikasyonunda kullanılabilirliği
Başlık çevirisi yok
ÖZKAN ÖZİPEKLİLER
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİM DEMİRCİ
- Gazi Eğitim Fakültesi Beden Eğitimi ve Spor bölümü öğrencilerinde dolaşım ve solunuma etkili bazı parametrelerin“Boy, kilo, spor yapma yılı, sigara alışkanlığı”araştırılması
Başlık çevirisi yok
RASİM KALE
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
SporGazi ÜniversitesiBeden Eğitimi ve Spor Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. FADIL ERTOGAN