Design and development of a two-stroke engine with rhombic drive mechanism

Abstract

Bu çalışmada, pistonun silindire uyguladığı yanal kuvvetleri azaltmak amacıyla, tek silindirli iki zamanlı buji ile ateşlemeli bir motorda pistonun ileri geri hareketi, rombik mekanizması ile gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan rombik mekanizmalı motor ile krank hareket mekanizmalı bir motorun kinematik ve termodinamik analizleri yapılmıştır. Gerçek çevrim yaklaşımı ile matematik modeli yapılmış ve sıkıştırma oranı, süpürme hacmi, ısı verilme süresi ve lamda eşit alınmıştır. Basınç, hacim, sıcaklık, toplam açığa çıkan ısı, ısı iletkenlik katsayısı, iş, piston hızı ve ivmelenme değişimleri incelenmiştir. Motorun 3 boyutlu modeli hazırlanarak CAE yazılımında 3 boyutlu montajın dayanım analizi, atalet kuvvetlerini dikkate alan metod ile yapılmıştır. Sonrasında motor performansını ve emisyonları incelemek üzere rombik mekanizmalı motorun prototipi üretilmiştir. Teorik sonuçlar, maksimum silindir basıncının rhombik mekanizmalı motorda 222° krank açısında 4188 kPa, krank mekanizmalı motorda ise 190° de 4003 kPa olduğunu göstermiştir. Sonlu elemanlar modeline göre en kritik parçanın dişli pimi olduğu görülmüş, mekanizma için sonsuz ömür limiti sağlanmıştır. Prototip rombik hareket mekanizmalı motor, 2400 dev/dak'da 0.98 Nm çıkış torku, 3000 dev/dak'da 0.3 kW çıkış gücü sağlamıştır. Maksimum ısıl verim %23.55 olarak elde edilmiştir. Toplamda %11 ağırlık düşürülmüş olup, bu hafiflik hava araçlarında bir avantaj olarak görülmektedir.

In this study, reciprocating motion of piston in a single cylinder, two-stroke spark ignition (SI) engine was achieved with a rhombic drive mechanism, which is estimated to reduce lateral forces of the piston on the cylinder. Kinematic and thermodynamic analyses were conducted for the engines with rhombic drive and slider-crank mechanisms. Mathematical model was conducted according to real cycle approach and some of the operating parameters such as compression ratio, swept volume, heat release time, and lambda were kept identical for both engines. Pressure, volume, temperature, heat release, heat transfer coefficient, work, piston speed and acceleration changes were examined. 3D model was created and 3D assembly strength analysis was carried out with inertia relief method in CAE. Then,a prototype of the engine was manufactured to test the engine performance and emissions. According to the theoretical results, maximum cylinder pressure obtained at 222° CA with 4188 kPa for rhombic drive while 190° CA with 4003 kPa for crank mechanism engine. According to finite element model, most critical component was gear pins and endurance limit for the mechanism was satisfied. Rhombic drive prototype engine could provide 0.98 Nm shaft torque at 2400 rpm and 0.3 kW at 3000 rpm. Maximum thermal efficiency was obtained as 23.55%. In total, 11% weight reduction was achieved and this lightness is seen as an advantage for aerial vehicles.