Değişken Supap Zamanlamasının Elektro-Mekanik Olarak Denetimi. Variable Valve Timing as Electro-Mechanical Control

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 3, No:2, 2011 (7-13) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 3, No: 2, 2011 (7-13) TEKNOLOJĠK ARAġTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) Değişken Supap Zamanlamasının Elektro-Mekanik Olarak Denetimi Mehmet TAġLIYOL 1, Oğuzhan DOĞAN 2, Bülent ÖZDALYAN 2 ve M. Atilla BÜYÜKGÜÇLÜ 3 1 Karabük, Turkey, mehmet.tasliyol@gmail.com 2 Karabük Üniversitesi, Karabük/Turkey, dogan_oguzhan@yahoo.co.uk, ozdalyan@gmail.com 3 Düzce Üniversitesi, Düzce/Turkey, buyukguclu@gmail.com Özet Elektro-mekanik valf sistemleri içten yanmalı motorlarda kam milinden bağımsız bir çalışma sağlamaktadır. Bu özellikleri sayesinde sonsuz değişkenlikte supap zamanlamasının yapılmasına olanak tanımaktadırlar. Elektromekanik supap sistemleri motor performansını yükselttiği, özgül yakıt tüketimini ve kirletici gaz emisyonunu azalttığı bilinmektedir. Bu çalışmada; emme valfi elektro-manyetik olarak tahrik edilmiş ve emme valfi zamanlaması kam mili dönüş açısına bağlı olarak değiştirilmiştir d/d ve 24V besleme geriliminde, emme valfi için açılma ve kapanma avans değerleri ayrı ayrı değiştirilmiştir. Bobin akımları ve supap yüksekliğindeki değişimler krank açısına bağlı olarak araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kamsız motorlar, Elektro-mekanik supap, Değişken supap zamanlaması Variable Valve Timing as Electro-Mechanical Control Abstract The cam shaft of the electro-mechanical valve system provides an independent study in internal combustion engines. This feature provides a possibility of endless variability valve timing. Electro-mechanical valve systems have enhanced engine performance, they reduce specific fuel consumption and pollutant gas emissions are known. In this study, the intake valve is electro-magnetically driven and depending on the rotation angle of the intake valve camshaft timing has been changed rpm for 24 V supply voltage, intake valve opening and closing values of advances changed separately. Valve opening lift and coil currents changes investigated depending on the crank angle. Keywords : Camless engines, Electro-mechanic valve, Veriable valve timings. 1. GĠRĠġ Motorlu taşıtların kullanılması seyahat yol taşımacılığı gibi insan ihtiyaçlarının karşılanmasını hızlandırmış ve yaşam standardını artırmıştır. Motorlu taşıtlar hayatın her alanında kullanılmaya başlanması ile birlikte dünya nüfusundaki artış trafiğe çıkan araç sayısını da artırmaktadır. Bu artış toprak altındaki petrol kaynaklarını azaltmakta ve atmosferde biriken kirletici gaz oranını artırmaktadır. Kirletici gaz oranlarındaki bu artış, insan sağlığını tehdit edecek düzeye ulaşması üretici firmaları daha az yakıt Bu makaleye atıf yapmak için Taşlıyol M., Doğan O., Ozdalyan B., Büyükgüçlü M.A., Değişken Supap Zamanlamasının Elektro-Mekanik Olarak Denetimi, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, (3) 7-13 How to cite this article Taşlıyol M., Doğan O., Ozdalyan B., Büyükgüçlü M.A., Variable Valve Timing As Electro-Mechanical Control Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2011, (3), 7-13

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) 7-13 Değişken Supap Zamanlamasının Elektro-Mekanik kullanan ve kirletici gaz emisyon değerleri daha düşük olan motorların tasarlanması için farklı teknolojilere yönlendirmiştir. Yapılan çalışmalar incelendiğinde değişken supap zamanlamasının bu isteklere çözüm olabileceği öngörülmüştür. Değişken supap zamanlaması fikri 19. yüzyılın sonlarına dayanmaktadır. Değişken supap zamanlamasının sağlanmasında elektro-pnömatik, elektro-hidrolik ve elektro-mekanik olmak üzere üç farklı metot kullanılmaktadır. Tarihsel gelişim süreci içinde ilk yapılan çalışmalar elektro-pnömatik ve elektro-hidrolik olarak şekillenmiştir [1,2,3]. Pnömatik ve hidrolik kontrollü sistemler kapladıkları alan ve supap açılma miktarındaki denetim zorluğu sebebiyle ek fazla rağbet görmemiştir. Çalışmaların büyük bir kısmı bu tip dezavantajları olmayan elektro-mekanik supap sistemi üzerinde yoğunlaşmasına yol açmıştır. Son yıllarda elektro-mekanik supap sistemleri üzerinde çok farklı çalışmalar yapılmaktadır. Yapılan çalışmalar elektro-mekanik supap sisteminin önemli ve temel teşkil eden noktaların incelenmesi [4, 5, 6, 7, 8, 9], elde edilen çıkarımların prototip üzerinde karşılaştırılması [10, 11, 12, 13, 14] ve bu çıkarımların kontrol altına alınabilmesi [12, 13, 14] şeklinde üç temel başlık altında sınıflandırılabilir. Yapılan bu çalışmalar incelendiğinde elektro-mekanik supap sisteminin supap zamanlaması için gerekli olan ön koşulları yerine getirebileceği sonucuna varılmıştır. Değişken supap zamanlaması sayesinde motorun hacimsel verimi, motorun devrine göre artırılarak yanma sonunda üretilen motor momentini en ekonomik bir şekilde elde etmek mümkün olacaktır [15]. Yapılan bazı çalışmalarda ise elektro-mekanik supap sistemi gerçek motor üzerinde denenerek özgül yakıt tüketiminin, kirletici emisyonların azaltılabildiği ve motor performansının artırılabildiği öne sürülmüştür [17]. Bu çalışmada daha önceki bir çalışmada tasarlanan elektro-mekanik eyleyici [16] kullanılmıştır. Sisteme supap profilinin elde edilebilmesi için lineer cetvel ilave edilmiştir. Elektro-mekanik eyleyicinin kontrol ve sürücü devreleri yeniden tasarlanmıştır. Supap açılma miktarı 6mm ye ayarlanarak supap açılmakapanma avans değerleri değiştirilmiştir. 2. MATERYAL VE METOT Elektro-mekanik deney düzeneği esas olarak DC motor, enkoder, güç kaynağı, elektro-mekanik eyleyici, lineer cetvel ve picoscope ölçüm cihazından oluşmaktadır. Deneylerde kullanılan DC motor 4000 d/d hıza çıkabilmektedir. Motor besleme gerilimi seviyesi değiştirilerek hızı kontrol edilmiştir. Denetleme sinyalinin elde edilmesinde OPKON marka enkoder kullanılmış ve teknik özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. DC motor ve enkoder milleri birbirine bağlantı elemanı ile tutturulmuştur. Çözünürlük Çıkış sinyalleri Besleme gerilimi Maksimum Dönüş hızı Çalışma sıcaklığı Koruma sınıfı Çizelge 1: Enkoderin teknik özellikleri 100/200/360 pulse A,B,Z 5-24 VDC 5000 rpm -20C..+80C IP50 Supap profillerinin elde edilmesinde, NOVOTEKNİK marka olup rezistif prensiple çalışan ve teknik özellikleri Çizelge 2 de verilen lineer cetvel kullanılmıştır. 8

3 TAŞLIYOL M., DOĞAN O.,ÖZDALYAN B.ve BÜYÜKGÜÇLÜ M. A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) 7-13 Deneyler sırasında eyleyiciye ait alt ve üst bobin akımları ve lineer cetvelin çıkış gerilimlerinin ölçülmesinde PICOSCOPE otomotiv arıza teşhis seti kullanılmıştır. Strok değeri Çözünürlük Hız Mekanik ömür Direnç değeri Maksimum Gerilim Çalışma sıcaklığı Koruma sınıfı Çizelge 2: Lineer cetvel teknik özellikleri 10mm 100mm arası Sonsuz 11m/sn 100 milyon hareket 1,5 Kohm 24V -30C +100C IP40 3. ELEKTRO-MEKANĠK SUPAP MEKANĠZMASI VE KONTROLÜ Elektro mekanik supap mekanizması temel çalışma biçimi, motordan alınan denetleme sinyalinin elektronik veri işleme devreleri yardımıyla eyleyici bobinlerine aktarılarak supapların açılıp kapanmasını sağlamaktır. Elektro mekanik supap sistemleri kam mili olmaksızın supapları açıp kapatarak sonsuz değişkenlikte supap zamanlamasının yapılmasına olanak sağlarlar. Deney tesisatı genel görünüşü Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1 de görüldüğü üzere 1 ve 2 nin milleri birbirine bağlantı elemanı ile tutturularak beraber hareket etmeleri sağlanmıştır. Şekil 1: Deney düzeneği genel görünüşü 2 nin tam bir tur hareketi ile çıkışlarından birinden açı bilgisi, diğerinden ise tur bilgisi alınmaktadır. Alınan bu iki çıkış bilgisi denetleme sinyalini oluşturur. Denetleme sinyali 5 in girişine uygulanır. Şekil 1 5 in üzerinde bulunan açı ayar potansiyometreleri yardımıyla istenilen açı değeri ayarlanabilmektedir. Açı ve devir bilgileri 6 ve 7 yansıtılarak sürekli izlenebilmektedir. 2 nin çıkışından elde edilen denetleme sinyali ile istenilen açı değeri 5 tarafından değerlendirilerek 8 e uygulanır. Şekil1 de 8 ise 5 ve 9 arasında gerilim ve akım değerlerinin farkının büyük olmasından dolayı optik yalıtım sağlar. Böylece 5 in ani akım ve gerilim değişiminden etkilenmesinin önüne geçilebilmektedir. Şekil 1 de 9, 11 ve 13 ün sürülmesini sağlarken, 4 ise besleme ihtiyacını karşılamaktadır. 11 ve 13 sırası ile enerjilendirilerek manyetik alan oluştururlar. Şekil 1 de 12 manyetik alana maruz kalarak alan yönünde hareket ederek 9

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) 7-13 Değişken Supap Zamanlamasının Elektro-Mekanik emme supabını açar veya kapatır. Bu çalışma biçimi sayesinde açılma ve kapanma açıları için sonsuz değişkenlikte supap zamanlaması yapılabilmektedir. 4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDĠRĠLMESĠ İçten yanmalı motorlarda, motor performansının artırılabilmesi, özgül yakıt tüketimi ve kirletici emisyonlarının düşürülebilmesinde supap zamanlaması oldukça kritiktir. Değişken supap zamanlaması sayesinde farklı supap zamanlamasının kullanılması yukarıda değinilen motor değişkenlerinde iyileşmeye neden olmaktadır. Bu çalışmada emme supabı farklı açılma ve kapanma avanslarında elektro mekanik olarak tahrik edilmiştir. Deneylerde tek silindirli, 4 zamanlı, üstten supaplı KATANA 107F marka bir motorun orijinal supap zamanlaması temel alınmıştır. Deney motorunun emme supap zamanlaması Ü.Ö.N den 18 önce ve A.Ö.N den 50 sonradır. 1200d/d da ve 24V besleme geriliminde farklı açılma ve kapanma avans değerleri için supap zamanlaması değiştirilerek elde edilen veriler aşağıda grafikler halinde tartışılmıştır. A Devir 24 Beslemede Supap Açılmasının Zamanlaması Emme supabı kapanma avansı alt ölü noktadan sonra (A.Ö.N.S) 50 derecede sabit tutularak, açılma avansı üst ölü noktada (Ü.Ö.N), üst ölü noktadan 18 derece ve 36 derece önce ötelenerek gerçekleştirilmiştir. Şekil 2 de supap açılma açısındaki değişimin kam mili profiline uyarlanmış hali görülmektedir. Şekil 2 incelendiğinde emme zamanının farklı açılarda başlayarak A.Ö.N den sonra aynı noktada bittiği anlaşılmaktadır. Şekil 3 te emme supabını açma yönünde hareket ettiren alt bobin akımı ve supap yüksekliğinin, krank mili açısına bağlı değişim grafiği görülmektedir. Emme supabı açılma avansında değişkenlik sağlanabilmiştir. Alt bobin akımı incelendiğinde 450 derece civarında dalgalanma göze çarpmaktadır. Şekil 2: Açılma açısı ötelenmiş görüntüsü. 10

5 TAŞLIYOL M., DOĞAN O.,ÖZDALYAN B.ve BÜYÜKGÜÇLÜ M. A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) 7-13 Şekil 3: Sabit kapanma avansında, açılma avansı değişimi Dalgalanma supap yaylarından kaynaklanmaktadır. Sıkışmış olan yayın aksi yönünde supap harekete başladığında yayın enerjisi supap hareketine yardımcı olmaktadır. Fakat supap yarı yolu geçtikten sonra diğer taraftarı yayı sıkıştırmaya başlar. Bu andan itibaren yayın sıkışma yönündeki direncini yenebilmek daha fazla kuvvete ihtiyaç duyar ve kaynaktan daha fazla akım çekmeye başlar. Nüvenin tam açık pozisyonda gelmeden hemen önce bobin yüzeyine çapması sıçrayama sebep olmaktadır. Supap sapına direkt vidalanan ve supap profilinin elde edilmesinde kullanılan lineer cetvelin çarpmanın etkisiyle sarsılmaktadır. Supap yüksekliği 400 dereceyi hemen geçmesiyle beraber maksimum düzeyde yükselme göstermiş ve 0,2 mm fazlalıkla bunu gerçekleştirmiştir. B Devir 24 Beslemede Supap Kapanmasının Zamanlaması Emme supabı açılma avansı orijinal değeri olan üst ölü noktadan (Ü.Ö.N) 18 derece öncede sabit tutularak kapanma avansı alt ölü noktadan sonra (A.Ö.N.S) 18, 50 ve 72 derece ötelenmiştir. Şekil 4 te emme supabı açılma başlangıcı sabit tutularak, kapanma açısı için değişken supap zamanlamasının kam mili profiline uyarlanmış hali görülmektedir. Şekil 4: Kapanma açısı ötelenmiş görüntüsü 11

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) 7-13 Değişken Supap Zamanlamasının Elektro-Mekanik Şekil 5: Sabit açılma avansında, kapanma avansı değişimi Şekil 5 incelendiğinde emme zamanının üst ölü noktadan önce başladığı ve alt ölü noktayı geçtikten sonra farklı açılarda zamanlamasını tamamladığı görülmektedir. Üst bobin akımı ve supap konumu Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekil 5 incelendiğinde değişken supap zamanlaması gerçekleştirilmiştir. Üst bobin akımındaki dalgalanma supap ve eyleyici yaylar neden olmaktadır. Supap kapanma anındaki sekmesi 0,3 mm civarında gerçekleşmiştir. Lineer cetvelin çok hassas olmasından ve direkt supap sapına monte edilmesinden dolayı çalışma anında sürekli titreşime maruz kalmakta, Supap konumundaki küçük dalgalanmalara sebep olmaktadır. 5. SONUÇLAR 1) 1200 d/d da 24V besleme geriliminde emme supabı elektro-mekanik olarak tahrik edilerek, supap açılma ve kapanma açıları kullanıcı kontrollü olarak değiştirilmiştir. 2) Krank açısına bağlı olarak supap açılma yüksekliği ve bobin akımlarının değişimi incelenmiştir. 3) Sistemin sürekli çalışması esnasında supabın oturma yüzeyine çarpmasının nedenleri hakkında daha detaylı çalışmalar yapılacaktır. 4) Gelecekte yapılacak olan çalışmalarda elektro-mekanik supap sisteminin, motor devri artırılarak besleme ihtiyacının araştırılması yönünde devam edilecektir. 6. KAYNAKLAR 1. Gould, L; Richeson, W; and Erickson, F., Performance Evaluation of a Camless Engine Using Valve Actuation with Programmable Timing SAE Paper No Dobson, N. and Muddell, G., Active Valve Train System Promises Eliminate Camshafts, Automotive Engineer February / March S, Anderson, M; Tsao, T-C; and Levin, M., Adaptive Lift Control for a Camless Electrohydraulic Valvetrain, SAE Paper No

7 TAŞLIYOL M., DOĞAN O.,ÖZDALYAN B.ve BÜYÜKGÜÇLÜ M. A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2011 (3) Kamış, Z., Yüksel, İ. ve Topçu, E. E. "Bir Elektromekanik Supap Mekanizması Tasarımı", Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, (2002). 5. Kamış, Z. ve Yüksel, İ., "Elektromekanik Supap Mekanizması Tasarımı ve Tasarıma Etki Eden Parametrelerin Araştırılması", Mühendis ve Makine. ISSN Sayı 523, (2003). 6. Jieng-Jang Liu Yee-Pien Yang Jia-Hong Xu Electromechanical Valve Actuator with Hybrid MMF for Camless Engine Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control Seoul, Korea, July 6-11, Wolfgang H.; Iterative Learning Control of Electromechanical Camless Valve Actuator Proceedings of the American Control Conference Arlington, VA June 25 27, S. Di Gennaro, B. Castillo Toledo, and M. D. Di Benedetto Nonlinear Regulation of Electromagnetic Valves for Camless Engines Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision & Control Manchester Grand Hyatt Hotel San Diego, CA, USA, December 13-15, V. Kosmidis, A. Panga, V. Sakizlis, G. Charles, S. Kenchington, N. Bozinis and E.N. Pistikopoulos Output feedback Parametric Controllers for an Active Valve Train Actuation System Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision & Control Manchester Grand Hyatt Hotel San Diego, CA, USA, December 13-15, Zhao, j; and. Seethaler, R. J.; A Fully Flexible Valve Actuation System for Internal Combustion Engines Ieee/Asme Transactıons On Mechatronıcs 1, L, Liu.; and S, Chang.; A Moving Coil Electromagnetic Valve Actuator for Camless Engines Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and AutomationAugust 9 12, Changchun, China. 12. P, Eyabi.; G, Washington.; Modeling and sensorless control of an electromagnetic valve actuator Mechatronics 16 (2006) K, Nagaya.; H, Kobayashi.; K, Koike.; Valve timing and valve lift control mechanism for engines Mechatronics 16 (2006) Z, Sun.; and T.W, Kuo; Transient Control of Electro-Hydraulic Fully Flexible Engine Valve Actuation System IEEE Transactıons On Control Systems Technology, Vol. 18, No. 3, May Taşlıyol, M., Elektro-Mekanik Denetimli Supap Sisteminde Değişken Supap Zamanlaması Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, (2011). 16. Moh d Sami S. Ashhab.; Fuel Economy And Torque Tracking İn Camless Engines Through Optimization Of Neural Networks Energy Conversion and Management 49 (2008) Doğan, O., İçten Yanmalı Bir Motorda Elektro-Mekanik Supap uygulaması Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, (2006). 13