Hava Soğutmalı Motorlarda Soğutucu Fanın Kontrolü
Transkript
Hava Soğutmalı Motorlarda Soğutucu Fanın Kontrolü
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE Hava Soğutmalı Motorlarda Soğutucu Fanın Kontrolü: Elektromanyetik Kavrama Modeli Hakan Emre BAYDAN1 123 1 Ahmet BOĞREK2 Harun SÜMBÜL3 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Yeşilyurt Demir Çelik MYO, Samsun hakan.baydan@omu.edu.tr 2 ahmet.bogrek@omu.edu.tr 3 harun.sumbul@omu.edu.tr İçten yanmalı motorlarda (İYM) yakıt enerjisinin büyük bir kısmının ısıya dönüştüğü bilinmekte ve bu ısı yükü soğutma sistemleri sayesinde çalışma şartlarına dönüştürülmektedir [1]. Motor soğuk olduğunda, motor bileşenleri daha hızlı aşınır/eskir, motor verimi düşer ve daha fazla hava kirliliği meydana gelir. Soğutma sisteminin yapısı motoru olabildiğince çabuk ısınmasına imkân tanımalı ve daha sonra Özet İçten yanmalı motorlarda çalışma verimliliğini etkileyen parametrelerden birisi de soğutma sistemi performansıdır. Hava soğutmalı motorlarda kullanılan soğutma sistemleri herhangi bir denetim mekanizması olmaksızın sürekli çalışmakta ve soğutma ihtiyacı gözetilmeksizin devrede kalmaktadır. Gereğinden fazla soğutma, motorda yağlama kapasitesinin azalmasına yol açarak sürtünme kayıplarının artmasına, yanma veriminin düşerek emisyonların kötüleşmesine sebep olmaktadır. sabit sıcaklıkta tutmalıdır [2]. Motor parçalarının düzgün çalışması için en önemli etkenlerden biri uygun soğutma performansının elde edilmesidir [3]. Motorlarda kullanılan soğutma sistemleri sıvı soğutmalı ve hava soğutmalı olarak ikiye ayrılmaktadır. Motor gücü ve ekonomisinde soğutma sisteminin performansı; motorun ayarlama karakteristikleri olarak değerlendirilmekte ve motorun en avantajlı durumunu ve ayarlama kalitesini belirlemek için gerekmektedir [4]. Hava soğutmalı motorlarda ısı transferi miktarı; silindir üzerindeki kanatçıklar arasından akan hava debisine, kanatçıkların yüzey alanına ve kanatçıkların termal iletkenliğine bağlıdır [1]. Bu motorlarda hava akışı, taşıtın kendi hızı ile veya zorlanmış akışkan ile sağlanmaktadır. Hava soğutmalı motorlarda; zorlanmış akış sistemine sahip motorlar soğutma havasını krank milinden kayış-kasnak mekanizması ile hareket alan bir fan ile (Şekil 1-a) sağlamaktadır. Öte yandan motorlu taşıtın hareketinden oluşan hava akışıyla da soğutma yapılabilir (Şekil 1c) [2]. Ayrıca zorlanmış akış ile soğutma yapan diğer bir tip motor ise volanı üzerindeki kanatçıklar sayesinde (Şekil 1-b) soğutma yapar [5]. Zorlanmış akış ile soğutma yapan sistemde; soğutma fanı, motorun ilk hareketi ile devreye girdiğinden dolayı motorun çalışma sıcaklıklarına ulaşması gecikmekte ve verimlilik düşmektedir. Bu çalışmada hava soğutmalı motorların soğutma sistemleri için; elektromanyetik kavrama kullanılarak soğutma ihtiyacına göre soğutma yapan bir deney seti tasarlanmıştır. Ayrıca elektromanyetik kavrama üzerine bir deney düzeneği hazırlanmış ve önemli birtakım parametreler ölçülmüştür. Ölçülen bu parametreler, sonuçlar kısmında paylaşılmıştır buna göre motorun soğutma ihtiyacına göre yapılan soğutma işlemi, motorun yakıt verimliliğini arttırmakta, emisyon değerlerinin iyileşmesine yardımcı olmakta ve motorun mevcut potansiyelinin iyileştirilmesine yardımcı olmaktadır. Soğutma sistemleri geliştirilerek daha verimli bir çalışma olanağına ulaşan bu motorların milli ekonomiye katkısı olumlu yönde olacaktır. Yedek parça üretimi yerli hale gelerek, ülkemiz için önemli bir ihraç kalemi elde edilecektir. 1. Giriş Günümüzde otomotiv sektöründe büyük teknolojik gelişmeler yaşanmakta ve çok hassas özellikli ürünler tasarlanmaktadır. Tasarlanan ürünlerin getirdiği yenilikler; çevreye daha az emisyon yayma, yüksek çalışma verimi, daha hafif ve daha az maliyetli olma gibi özelliklerdir. Firmalar teknolojik gelişmelerde bu önceliklerle hareket ederek Ar-Ge çalışmalarını hızlandırmaktadırlar. Araçlardaki soğutma sistemlerinin iyileştirilmesi, mevcut motorun potansiyelinden daha fazla yararlanabilme imkânı sunmaktadır. 304 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE (a) Şekil (b) fanı ilk anda devrede olduğundan dolayı motor geç ısınır ve termal verim düşmesine, kötü yağlama yapmaya, motor performansının düşmesine ve emisyonları artmasına sebep olmaktadır. Bu sebeple motorun soğutmaya ihtiyaç duyduğu zamanlar bir sıcaklık sensörü ile tespit ederek klima sisteminde olduğu gibi soğutucu fan kasnağı sıcaklığa bağlı olarak kumanda edecek şekilde elektromanyetik kavramalı bir sistem geliştirilmesi gerekmektedir. (c) 1: Hava soğutmalı motor tipleri Tasarımı ve işletme şartları iyileştirilmiş soğutma sistemleri, yakıt verimliliği sağlamakta ve emisyonları iyileştirmektedir. Bunun yanı sıra motor ömrünü uzatmaktadır [6]. 2.1. Soğutma Sistemi Tasarımı Buna göre hava soğutmalı bir motorun elektromanyetik kavrama ile kumanda edilen soğutma sistemine ait tasarım Genel olarak hava soğutmalı motorlar sıvı soğutmalı motorlardan daha hafiftirler. Bu motorlar çalışma sıcaklığına daha erken ulaşırlar. Su soğutmalı motorlara göre daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler. Sistemde sızıntı problemi yoktur ve bakım gerektirmezler. Soğuk hava şartlarında soğutma sisteminin donma tehlikesi yoktur. Bunun yanı sıra, fan gürültülü çalışır ve motordan aşırı miktarda güç emer. Zorlu şartlar altında aşırı ısınma eğilimindedirler. Mekanik motor gürültüsü kanatçıklar nedeniyle daha da yükselir [7]. şekil 2’de görüldüğü gibidir. Ayrıca hava soğutmalı mobil jeneratörler, aşırı sıcak iklimlerde sıvı soğutmalı sisteme sahip motorların soğutma yetersizliği nedeniyle daha çok tercih edilmektedir. Soğuk iklim şartlarına daha uygun olan hava soğutmalı motorlar, ilk çalışma süresince soğutmaya başladığından motorun işletme şartlarına ulaşmasını geciktirmektedir. Bu süreçte motordan yük çekerek, verimlilikte düşüşe sebep olabilmektedir. Ayrıca çok soğuk iklim şartlarında soğutma ihtiyacına bakılmaksızın çalışan bir fan, çalışma veriminin düşmesine sebep olmaktadır. Diğer taraftan dizel motorlarında hidrokarbonlar (HC) ve karbon monoksit (CO) emisyonlarının büyük kısmı, motorun ısınma periyodunda üretilmektedir[8]. Şekil 2: Soğutma sistemi parçaları. Soğutma fanı kasnağı (2) ile motor krank mili kasnağı (13) bağlantısı kayış (9) ile sağlanmaktadır. Soğutma fanı üzerindeki manyetik tutucu (1) bobin (3) üzerine verilen akım sayesinde fan kasnağı (2) ile fan mili (5) arasındaki bağlantıyı sağlamaktadır. Manyetik tutucu (1) ortamda oluşan manyetik alanın etkisi ile fan kasnağına doğru hareket ederek kasnağa aksiyal yönde baskı uygular ve kenetlenmesi sağlanır. Bobin (3) üzerindeki akım sıfıra indiğinde, ortamda manyetik etki de sıfıra ineceğinden, manyetik tutucu bünyesinde bulunan geri getirme yayı, manyetik tutucu (1) ile fan kasnağı (2) arasındaki bağlantıyı keser. Bu sayede motordan gelen hareket, manyetik kavrama ile kumanda edilmiş olur. Hava soğutmalı motorlarda, soğutma ihtiyacına göre elektromanyetik kavrama ile kontrol edilen soğutma fanı; yakıt ekonomisi sağlayacağı ve gerekmediği sürece çalışmayarak motor performansının gereksiz yere düşmesini engelleyeceği düşünülmektedir. Bobine akım verilip fan kasnağı ile manyetik tutucu kenetlendiğinde, krank milinden gelen hareket, fanı (6) çevirir ve dış ortamdaki havayı kabini (8) içerisine emer. Kabin basıncı yükselerek içerde sıkışan hava, hava çıkışına doğru yönlenerek motor (11) kanatçıkları arasından dış ortama atılır. Bu süreçte motor sıcaklığı kapalı çevrim kontrol 2. Materyal ve Metot Günümüzde A/C kliması olan taşıtlarda klima çalıştırıldığında bekleme konumunda olan klima kasnağı devreye girmektedir. Hava soğutmalı motorlarda ise soğutma 305 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE sistemi (7) ile sürekli olarak izlenerek motorun optimum sıcaklıkta çalışması sağlanır. Tasarlanan soğutma modelinin montajlanmış hali şekil 3’te verilmiştir. Şekil 4: Kapalı çevrim kontrol sistemi blok diyagramı. Blok şema üzerindeki işaret tanımlamaları aşağıdaki gibidir; r(t) ; giriş referans değeri, e(t) ; hata işareti, Hava Çıkışı Şekil h(t) ; geri besleme işareti, 3: Soğutma sistemi montajlı hali. u(t) ; işlenmiş kontrol işareti, Hava Girişi v(t) ; etkiyen işaret, 2.2. Kontrol Sistemi c(t) ; çıkış işareti, Buna göre motor üzerindeki sıcaklık, geri besleme elemanı ile sürekli olarak izlenmektedir (h(t) işareti). Geri besleme algılayıcısından ölçülen sıcaklı değeri, sistemin kabul edeceği referans giriş değerinden farklı ise bu sefer hata fark işareti (e(t) ) oluşmaktadır. e(t)’nin değeri aşağıdaki gibi belirlenir; Kontrol sistemleri, kendisi veya bir başka sistemi insan müdahalesi gerektirmeksizin kumanda etmek üzere uygun bir biçimde bağlanmış fiziksel elemanlar topluluğudur. Kontrol edilen sistemin özelliklerine göre tek girişli tek çıkışlı kontrol sistemleri olduğu gibi, çok girişli çok çıkışlı kontrol sistemleri de bulunmaktadır. Kumanda tarzına göre 2 çeşit kontrol sistemi mevcuttur; e(t) = r(t) ± h(t) Açık Çevrim Kontrol Sistemi: Bu tip kontrol sistemlerinde çıkıştan girişe herhangi bir geri besleme yapılmamakta ve sistemin mevcut durumuyla alakalı herhangi bir bilgi denetleyiciye gelmemektedir. (1) mikrodenetleyici, hata sinyalini alır almaz sürücü fanı tetikler ve motorun soğutularak motor sıcaklığının istenilen değere getirilmesini sağlayacak işlenmiş kontrol işaretini u(t) gönderir. Fanın çalışması ile motor sıcaklığı düşer ve hata sinyali, geri besleme sinyaline eşit olduğunda (e(t) =0) sistem optimum çalışmaya başlamış demektir. Bu şekilde çıkış işareti sürekli izlenmiş ve motor sıcaklığının olması gereken değerde tutulması sağlanmıştır. Kapalı Çevrim (Geri beslemeli) Kontrol Sistemi: Bu tip kontrol sistemlerinde ise çıkış sürekli izlenir ve denetleyiciye, algılayıcılar üzerinden sistemin mevcut durumu hakkında bilgi akışı olmaktadır. Denetleyici çıkıştaki hataya bağlı olarak girişi sürekli düzeltmektedir[9]. Kapalı çevrim sistemlerde bir geri besleme (feedback) mekanizması mevcuttur. Gerçekleştirilen sistemde kullanılan kontrol sistemi, geri beslemeli kapalı çevrim (close loop) kontrol sistemidir. Bununla alakalı literatürde birçok bilgi mevcuttur [10]. Geliştirilen kontrol sistemine ait blok şema şekil 4’te görülmektedir. Kontrol sisteminde denetleyici olarak ATmega2560 mikrodenetleyicisi içeren Arduino Mega 2560 mikrodenetleyicisi tercih edilmiştir. Arduino Mega 2560 'ta 54 tane dijital giriş / çıkış pini vardır. Bunlardan 15 tanesi PWM çıkışı olarak kullanılabilir. Ayrıca 16 adet analog girişi, 4 UART (donanım seri port), bir adet 16 MHz kristal osilatörü, USB bağlantısı, power jakı (2.1mm), ICSP başlığı ve reset butonu bulunmaktadır. Arduino Mega 2560 bir mikrodenetleyiciyi desteklemek için gerekli bileşenlerin 306 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE hepsini içerir. Arduino Mega 2560 bir bilgisayara bağlanarak, bir adaptör ile ya da pil ile çalıştırılabilir[11]. Tüm bu özelliklerinden ve Arduino Uno 'dan sonra en çok tercih edilen Arduino kartı olmasından dolayı bu çalışmada bu denetleyici tercih edilmiştir. Kontrol sistemine ait devre şekil 6’da görülmektedir; 3. Deneysel Çalışma Şekil 6: Kontrol Sistemi Şekil -2’deki soğutma sisteminde kullanılacak olan manyetik kavrama modelinin deneysel olarak incelene bilmesi ve çalışma parametrelerinin elde edilebilmesi amacıyla şekil 5’te görülen deney düzeneği tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Kontrol sisteminde, blok şemadan da anlaşılacağı üzere sürücü sistem olarak soğutucu fan kullanılmıştır. Kontrol edilen sistem ise hava soğutmalı motordur. Örnek düzenekte hava soğutmalı motor yerine 12v redüktörlü DC motor tercih edilmiştir. Geri besleme elemanı olarak ise sıcaklık etkisiyle direnç değeri değişebilen bir termistör olan NTC (Negative Temperature Coefficient) kullanılmıştır. 4. Sonuçlar Şekil 5’teki deney düzeneği üzerinden sistemin çalışması esnasında ölçülen parametreler aşağıdaki tablolarda verilmiştir. Şekil 5: Deney düzeneği Tablo 1: Sensöre ait ölçüm parametreleri Isınma Öncesi Deney düzeneğinde 12VDC motora bağlı disk, hava soğutmalı motorun krank kasnağını temsil etmektedir. Tam karşısında ise manyetik tutucu disk yerleştirilmiştir. Diskin bir ucu selenoid bobine bağlı iken diğer uç, fan mili üzerinden fana bağlantılıdır. Kontrol sistemi devresi, toz vb. maddelerden olumsuz etkilenmemesi kapalı bir kutu içerisine yerleştirilmiştir. Kutu üzerinde bobini enerjilendirme anahtarı, motoru çalıştırma anahtarı ve geri besleme elemanının hassaslığı ayarlanan potansiyometre bulunmaktadır. Geri besleme elemanı olarak NTC-103-R termistörü kullanılmıştır. Sistem bu haliyle açık çevrim gibi durmasına rağmen temsili olarak NTC ısıtıldığında çok kısa bir sürede (2sn) selenoid bobinin enerjilendiği ve mile bağlı bulunan diski ileri doğru iterek elektromanyetik kavramanın gerçekleştirildiği izlenmiştir. NTC üzerindeki sıcaklık, referans değerinden fazla olduğu sürece fan miline bağlı disk, motor diski ile birlikte dönmekte ve dolayısı ile fan milinin diğer tarafında bulunan soğutma fanı hareket etmektedir. NTC soğuduğu anda ise miktodenetleyici kontrolü ile bobinin enerjisi kesilmekte ve diskler birbirinden ayrılmaktadır. Dolayısı ile soğutma fanı da artık dönmeyecektir. Isınma Sonrası V(v) I(µA) R V(v) I(mA) R 0.725 0,946 0.752MΩ 0.058 1.812 32Ω Tablo 2: Motora ait ölçüm parametreleri Kavrama Öncesi Kavrama Sonrası V(v) I(mA) R(Ω) Q(dev/dk) V(v) I(mA) R(Ω) Q(dev/dk) 12.62 0.05 252.4 194 12.52 0.07 178.8 198 Şekil 7’de görüldüğü üzere kavrama gecikme süresi 2sn olarak ölçülmüştür. Yani NTC ısınmaya başladıktan 2sn sonra selenoid bobinde manyetik alan oluşmakta ve fanı devreye sokmaktadır. Kavramada kalma süresi ise 35sn olarak ölçülmüştür. Kavrama sisteminin devreye girmesi için sensör üzerine bir sıcaklık kaynağı ile sıcaklık uygulanmıştır. 307 EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE Sıcaklık değeri 10°C’ye ulaştığında kavrama devreye girmekte, 40°C’ye ulaştığında ise devreden çıkmaktadır. [4] Çetinkaya S., Taşıt Mekaniği Kitabı, Nobel Yayın Dağıtım, 2015 [5] http://www.faqs.org/patents/imgfull/20120097119_03. Son erişim: 25.01.2016, 10.21. [6] Pang HH., Brace C.,”Review of engine cooling technologies for modern engines”, proceedıngs of the ınstıtutıon of mechanıcal engıneers part d journal of automobıle engıneerıng 218(11):1209-1215, 2004. [7] Hillier V.A.W., Coombes P., “Hillier's Fundamentals of Motor Vehicle Technology”, Nelson Thomas Ltd, 2004. [8] Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt:4, Sayı:4, 2014,15-26. [9] https://tr.wikipedia.org/wiki/Otomatik_kontrol, son erişim: 21.01.2016, 17:57. [10] Sümbül, H. Coşkun A., Taşdemir M., (2011), The Control of An Automatic Door Using Fuzzy Logic, International Symposium on Innovations in Intelligent Systems and Applications, INISTA2011, 978-1-61284922-5/11/$26.00@2011 IEEE, pp:432-435, 15-18 Haz 2011, İstanbul, TÜRKİYE. [11] http://www.robotiksistem.com/arduino_mega_2560_oze llikleri.html. Son erişim: 01.01.2016, 15:52. Şekil 7: Kavrama Grafiği Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre sıcaklık değişiminin hissedilmesi ve elektromanyetik kavramanın devreye girmesi süreci değerlendirildiğinde, sistemin otomotiv motorlarında kullanılabileceği kanısına varılmıştır. Sıcaklık şartları gerçek motorların çalışma parametrelerine uygun olarak düzenlenerek hava soğutmalı bir motorun soğutma ihtiyacına göre soğutma sistemi kumanda edilebileceği öngörülmektedir. Teşekkür Bu çalışma T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Teknogirişim sermayesi desteği projesi kapsamında ‘0381.TGSD.2015-2’ proje numarası ile desteklenmiştir. Desteklerinden dolayı teşekkür ederiz. 5. Kaynaklar [1] Prudhvi G, Vinay G, Babu DS, “ Cooling Systems in Automobiles & Cars”, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 – 8958, Volume-2, Issue-4, 2013 [2] İçten Yanmalı Motorlarda Aşınma, Yağlama ve Soğutma, Kaleli. H., Yıldız Teknik Ünv.Ders Notları, 2015 [3] Diesel Otobüs Motorlarında Soğutma Sisteminin Modellenmesi, Dizaynı ve Ekonomik Optimizasyonu, KUYUMCU A. M., Doktora Tezi, 2014 308