BİLGİSAYAR DESTEKLİ MOTOR TEST STANDININ TASARIMI VE İMALATI

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı 2, TEKNOLOJİ BİLGİSAYAR DESTEKLİ MOTOR TEST STANDININ TASARIMI VE İMALATI M. Bahattin ÇELİK* Raif BAYIR** Bülent ÖZDALYAN* * Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Karabük, Türkiye ** Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Karabük, Türkiye Özet İçten Yanmalı Motorlar (İYM) ile ilgili araştırmalarda motorların test edilmesi önemli bir basamaktır. Motorların laboratuar ortamında test edilmesi ile performans değerlendirmeleri yapılabilmektedir. Test sonuçlarının güvenirliği, çok sayıda parametrenin ölçülmesi ve deneysel verilerin doğru olarak kaydedilmesine bağlıdır. Bunun sağlanması için birçok donanıma sahip motor test standlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Otomotiv laboratuarlarında bulunması gereken en önemli donanım motor test standıdır. Ancak fiyatlarının yüksek olması nedeniyle test standları kolaylıkla temin edilememektedir. Bu çalışmada içten yanmalı bir motoru bilgisayar kontrolünde test edebilen ve deneysel verileri eş zamanlı olarak bilgisayar ortamına aktarabilen bir test standının tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen test sistemi sayesinde motorun ilk harekete geçirilmesi, istenilen hızlarda yüklenmesi ve sürtünme gücünün ölçülmesi sağlanmıştır. İmalatı yapılan stand; deney motoru, dinamometre, dinamometre kontrol ünitesi, bilgisayar, veri alış-veriş kartı, röle kontrol kartı ile moment, hız, yakıt tüketimi, hava tüketimi ve sıcaklık ölçme ünitelerinden oluşmaktadır. Standda yapılan motor testleri ile motorlara ait performans değerlendirmeleri kolaylıkla yapılabilmektedir. Ayrıca ülkemiz koşullarında imal edilen bu test standı, eşdeğer özellikteki standlara göre çok daha ucuza mal edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Motor test standı, Veri aktarımı, Motor testi, Performans Abstract DESIGN AND MANUFACTURE OF A COMPUTER AIDED ENGINE TEST STAND The test of engines is an important stage for studies on internal combustion engines (ICE). The performance evaluation can be made by testing the engines in the laboratories. The reliability of the test results depends on the measurement of the numerous parameters and the recording of the experimental data accurately. To this effect, engine test stands comprising lots of equipments are required. The engine test stand is the most important rig of an automotive laboratory. But, it can not easily been obtained because of its high cost. In this study, the design and manufacture of a computer aided engine test stand was effected. This stand enables the internal combustion engine to be tested with computer control and experimental data to be transferred to a computer in real time. The start of the engine, the load of the engine for all speeds and the measurement of the friction power were effected thanks to the developed test system. The manufactured stand consisted of a test engine, dynamometer, dynamometer control unit, computer, data acquisition card, relay control card, and torque, speed, fuel consumption, air consumption and temperature measurement units. With engine tests performed using the stand, engine performance evaluations can be made easily. Moreover, the cost of this stand is very low by comparison with the other stands which have the same specifications because it was manufactured with our country resources.

2 132 Bilgisayar Destekli Motor Test Standının Tasarımı ve İmalatı Key Words: Engine test stand, Data acquisition, Engine test, Performance. 1.Giriş Motor performansının arttırılması, taşıtlardan kaynaklanan çevre kirliliğinin azaltılması ve alternatif yakıtların kullanımı konularında araştırmalar devam etmektedir. Araştırmalarda, motorların laboratuar ortamında test edilmesi ile hedeflenen amaca ulaşıp ulaşmadıkları kontrol edilmektedir. İYM ların denenmesi, araştırma ve öğretim bakımından olduğu kadar ticaret ve çevre kirlenmesi açısından da büyük önem taşır [1-3]. Motor ve taşıt testleri, testlerin yapılış amaçlarına uygun olarak çeşit ve süre bakımından farklılıklar göstermektedir. Otomotiv imalatçı firmaları ve araştırma birimleri, taşıtın geliştirilmesi sırasında bir dizi bilimsel ve uzun süreli testler yaparlar. Bu testler yeni geliştirilen motorlar üzerinde de yapılabilir. İmalat aşamasında da motorlar ve taşıtlar montaj hattını terk ederken test edilirler. Bu test, üretimin denetlenmesi bakımından oldukça önemlidir. Yenileştirilen motor ve taşıtlara da buna benzer testler uygulanarak, sonuçların tatmin edici değerlere ulaşıp ulaşmadığı araştırılır. Ayrıca yakıt, yağ kalitesini tespit etmek ve eğitim-öğretim amaçlı olarak da birtakım motor testleri yapılmaktadır [4]. Test sonuçları motorların tasarım ve imalinde esas teşkil ederler ve deneylerle motorların kabul edilebilir ömürde, istenilen gücü verip vermedikleri kontrol edilir. Motorun değişik çalışma durumlarındaki güç ve ekonomisi motor karakteristikleri ya da diğer bir deyimle performans eğrileri ile değerlendirilir. Performans eğrileri sayesinde motorlar ekonomiklik, güç, emisyon ve gürültü vb. bakımından kıyaslanabilmektedir [5]. Motor testlerini yapmak amacıyla kurulan test standları yapısal olarak birbirine benzemekle beraber, gelişen teknolojinin sunmuş olduğu imkânlar ve ölçme sistemlerindeki değişiklikler itibariyle farklılıklar gösterirler. Test sistemlerine yeni ölçüm cihazlarının eklenmesiyle test standları daha karmaşık hale gelmektedir [6 8]. Tam donanımlı bir test standı; deney motoru, dinamometre, moment, hız, yakıt tüketimi, hava tüketimi, motor sıcaklıkları, egzoz emisyonu ölçme ünitelerinden oluşmaktadır. Gelişmiş standlarda gürültü, titreşim ve motor silindir basıncını ölçen sistemler ile verileri aynı anda kaydetmek için bilgisayar ve veri aktarım sistemleri bulunmaktadır [3]. Günümüzde motor test sistemini geliştirmek ve daha ekonomik test sistemi kurmak amacıyla çalışmalar yapılmaktadır. Babbitt vd. tarafından yapılan bir çalışmada test standı için motor dinamometresi ve veri aktarım sisteminin tasarımı araştırılmıştır. Dinamometre kontrolü için bilgisayar kontrollü dijital sinyal işlemci, ticari yazılımlar ve programlanabilir lojik kontrol (PLC) kullanılmıştır. Veri aktarımı için standart veri alış-veriş kartı ve Labview yazılım programından yararlanılmıştır. Test sonuçları, sistemin algılayıcılardan gelen verileri kaydetmede ve sistemi kontrol etmede yetenekli olduğunu göstermiştir [9]. Figueroa vd. tarafından yapılan bir çalışmada bir roket motoru için veri aktarım sistemi ve motorun çalışma durumunun izlenmesi amacıyla bir test sistemi geliştirilmiştir. Genel amaçlı sinyal yükselticinin kullanıldığı sistem sayesinde veri aktarım sistemini fiyatının düşürülmesi ve güvenirliğin artırılması sağlanmıştır [10]. Gubeli ve Dorey tarafından yapılan bir çalışmada, motor ve dinamometre bilgisayarla kontrol edilerek taşıtın test çevriminde karşılaştığı değişik çalışma durumlarına göre motor testlerinin otomatik olarak yapılması sağlanmıştır [11]. Bunker vd. motor-dinamometre sisteminin kontrolü için yeni bir kontrol ünitesi tasarlamışlardır. Kontrol ünitesi eddy current dinamometre ve dizel motorlu test standına uygulanmış ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir [12]. Pfeiffer ve Isermann tarafından yapılan bir çalışmada hareket halindeki bir taşıtın egzoz emisyonlarını analiz etmek için, taşıtın karşılaştığı yük değişimlerini benzeştiren bir model geliştirilmiş ve test standına uyarlanmıştır [13]. Kawarabayash ve Fujii tarafından yapılan bir çalışmada, test standının kontrolünü iyileştirmek için yeni bir sistem geliştirilmiştir. Bu sistemle motorun test edilmesi anında bir yükten diğer yüke geçişinin daha hızlı ve yumuşak olması sağlanmıştır [14]. Bir diğer çalışmada yapay sinir ağları kullanılarak motor arızalarının teşhis edilmesi için test standı ile bütünleşik bir sistem geliştirilmiştir. Sistem sayesinde test esnasında oluşan algılayıcı arızaları etkili biçimde tespit edilmiştir [15]. Campbell ve Galbraith tarafından yapılan bir çalışmada, fakülte öğrencilerinin bütün araştırma seviyelerinde yararlanmaları için düşük fiyatlı bilgisayar destekli bir motor test standının tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Sistemde motoru yüklemek için hidrolik dinamometre kullanılmıştır. Yük değişimi için dinamometreye giren akışkan miktarı bir elektrik motoru ile kontrol edilmiştir. Bu sistemde yakıt tüketimi Froude FG 100 yakıt ölçme sistemi ile ölçülmüştür. Bütün sıcaklıklar termokupllar ile ölçülmüştür. Sistemde bulunan bilgisayar test sisteminin kontrolünde ve deney verilerinin kaydedilmesinde kullanılmıştır [16]. Test sonuçlarının güvenirliği, çok sayıda parametrenin ölçülmesi ve deneysel verilerin doğru olarak kaydedilmesine bağlıdır. Bunun sağlanması için birçok donanıma sahip motor test standlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Gerek otomotiv endüstrisinde gerekse eğitim kurumlarındaki laboratuarlarda çoğunlukla elektrikli ve hidrolik dinamometreye sahip standlar kullanılmaktadır. Elektrikli dinamometreler hidrolik dinamometrelere göre daha hassas ölçme ve seri test edebilme özelliklerine sahip oldukları için daha çok

3 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı tercih edilmektedir. Elektrikli dinamometreye sahip test standlarının fiyatları çok yüksek olduğundan, özellikle otomotiv eğitimi veren kurumlar için test standı temin etmek oldukça güçtür. Yazarların bilgisine göre Türkiye de elektrikli dinamometreye sahip test standı üreten firma bulunmamakta ve aracı firmalar ile yurt dışından ithal edilmektedir. Bu çalışmanın iki amacı vardır. Birincisi; içten yanmalı bir motoru farklı çalışma şartlarında test edebilen ve deneysel verileri eş zamanlı olarak bilgisayar ortamına aktarabilen bir test standının tasarımını ve imalatını gerçekleştirmektir. İkincisi; yüksek fiyatlarla yurt dışından temin edilen motor test standını yerli imkânlarla daha ekonomik şekilde üretmektir. 2. Bilgisayar Destekli Motor Test Standının Tasarımı Ve İmalatı Tasarım, bir tasarlama eylemi sonucunda ortaya çıkan ve ürünün imal edilmeden önce proje, çizim, maket ve buna benzer yöntemlerle modelinin yapılmasıdır. Tasarımın bilgisayar ve diğer ortamlarda yapılmasıyla, imalat sırasında gereksizce yapılabilecek birçok işlemin önüne geçilebilmekte, zaman kaybı ve israf önlenmektedir. İmalat, tasarımı yapılan ürünün birtakım işlemlerden geçirilerek üretilmesidir. Bu çalışmada imalatı yapılan test standı mekanik ve elektronik olmak üzere iki üniteden oluşmaktadır Test Standının Mekanik Ünitelerinin Tasarımı ve İmalatı Tasarım ve imalatı gerçekleştirmek için stand üzerinde yapılacak deneyler gözönüne alınarak en uygun stand elemanları belirlenmiştir. Motor test standının mekanik elemanları; stand alt şasisi, test motoru, dinamometre, üniversal şaft (flanş), üst şasi, moment ve hava tüketimi ölçüm ünitelerinden oluşmaktadır. İmal edilecek elemanlar önce bilgisayar ortamında ayrı ayrı tasarlanmıştır. Daha sonra elemanlar birleştirilerek komple sistem bilgisayarda modellenmiştir. Sistem elemanları için imalat aşaması planlanmıştır. Standart olarak satın alınacak elemanlar firmalarla temasa geçilerek tasarım planına uygun olarak temin edilmiştir. İmal edilmesi gereken elemanlar bir plan dâhilinde tasarlandığı biçimde imal edilmiştir. Hazır alınan ve üretilen elemanlar, üretim planına uygun şekilde monte edilmiştir. İmalat öncesi tasarımı yapılan motor test sisteminin mekanik ünitelerinin komple tasarımı Şekil 1 de görülmektedir. Şekil 1. Tasarımı yapılan motor test standının mekanik üniteleri. Stand alt şasisi: Stand alt şasisi deneylerde kullanılacak olan içten yanmalı test motorunun ve DA (doğru akım) makinesinin (dinamometre) sabitlendiği kısımdır. Testler sırasında oluşan burulma momentlerini ve değişik kuvvetleri karşılamak için U kesitli ağır malzemeden imal edilmiştir. Motorun yüklenmesi esnasında meydana gelecek olan sarsıntıları sönümlemek amacıyla motor ile alt şasi bağlantısı arasına uygun sertlikte lastik takozlar konulmuştur. Dinamometre ise alt şasiye katı bir bağlantı ile monte edilmiştir. Alt şasi laboratuar zeminine çelik dübeller yardımıyla sabitlenmiştir. Alt şasi değişik tip ve büyüklükteki motorların bağlanmasına uygun olarak imal edilmiştir.

4 134 Bilgisayar Destekli Motor Test Standının Tasarımı ve İmalatı Deney motoru: İmalatı yapılan test standında, çok silindirli 0 75 kw arasında güç üreten tüm benzinli ve dizel motorlar test edilebilmektedir. Deneyler sırasında motorların aşırı sıcaklıktan dolayı hararet yapmasını önlemek için radyatör motor dışından ilave bir fan yardımıyla soğutulmaktadır. Dinamometre ve moment ölçme ünitesi: Test standının en önemli elemanı dinamometredir. Motorlarının ürettiği efektif gücü veya döndürme momentini işe veya elektrik enerjisine dönüştürerek yutan makinelere dinamometre adı verilmektedir. Dinamometreler ile motorların değişik devir sayılarındaki dönme momentleri ölçülebilmektedir. Çeşitli tipte yapılan dinamometreler, beş ana grupta toplanabilir. Bunlar; mekanik sürtünmeli, havalı (pnömatik), hidrolik, manyetik ve elektrikli dinamometrelerdir. En kullanışlı dinamometrelerden birisi, tork ölçümünün dinamometre gövdesinden yapıldığı elektrikli dinamometrelerdir. Bu dinamometrenin en önemli özelliği, yüksek ölçme hassasiyeti ile birlikte, hem bir elektromotor olarak hareket üretimi ve motorlara güç verilmesinde, hem de jeneratör olarak hareket üreten makinelerin güçlerinin yutulmasında kullanılabilmesidir. Ayrıca DA dinamometreleri büyük güç ve geniş hız aralığına sahip olmaları, yük ve hız kontrolündeki kolaylık ve çabukluk nedeni ile daha seri test edebilme, uzun ömürlü olmaları ve otomatik programlama kolaylığı gibi özelliklere de sahiptirler [5]. DA jeneratörleri ve DA motorları aynı şekilde üretilirler. Dolayısıyla bu makineler hem jeneratör hem de elektrik motoru olarak kullanılabilir. Herhangi bir DA elektrik jeneratörü, motoru yüklemek için, bir dinamometre olarak kullanılabilir. DA dinamometreleri elektrik motoru olarak da kullanılabildiği için değişik hızlarda test motorunun döndürülmesi ile sürtünme güçleri de belirlenebilmektedir [2].Bu çalışmada dinamometre olarak DA makinesi tercih edilmiştir. Test standında dinamometre olarak seçilen DA makinesinin teknik özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Dinamometre olarak kullanılan DA makinesinin teknik özellikleri. Güç Armatür gerilimi Armatür akımı Uyartım akımı Uyartım gerilimi Max.Hız Sınıf Çalışma sıcaklığı Soğutma tipi 75 kw 440 V 170 A 14 A 200 V 6000 d/d IP23 40 C IC06 Verim %94 Dinamometre, ön ve arka tarafından yataklandırılarak standın alt şasisi üzerine katı bir bağlantı ile sabitlenmiş ve gövdesi serbest durumda bırakılmıştır. Dinamometre ile deney motorunun birbirine bağlanmasında eksen kaçıklığından doğabilecek sakıncaları önlemek için üniversal şafttan yararlanılmıştır. Yüksek hızlarda şaftın dağılma ihtimali düşünülerek şaftın üzeri bir muhafaza ile kapatılmıştır. DA dinamometrelerinin yüksek hızlarda arızalanma riski bulunmaktadır. Merkezkaç kuvvetin etkisi ile kollektör ve endüvi sargıları savrulabilmektedir. Bunu önlemek için endüvi sargıları ve kollektörün mile bağlantısı yüksek hızlara dayanıklı olacak şekilde özel imalat yaptırılmıştır. İkinci bir tedbir olarak, yüksek hızlarda kollektör ve endüvi sargılarının savrulma tehlikesine karşı, test yapacak personelin güvenliğini sağlamak amacıyla dinamometre ünitesi bir muhafaza ile koruma altına alınmıştır. Dinamometre gövdesinin her iki tarafına aynı yapıda yük kolları monte edilmiştir. Yük kollarından birisine yük algılayıcı (load cell) bağlanmıştır. Gövdenin diğer tarafındaki yük kolu, dinamometre gövdesinin statik balansını yapmak ve yük algılayıcının kalibrasyonunu kontrol etmek için kullanılmaktadır. Elektrikli dinamometrelerde güvenilir bir moment ölçümü için dinamometre gövdesi sarkaçvari yataklanmakta ve moment doğrudan ölçülmektedir [1]. Dinamometre gövdesindeki dönme kuvvetinin etki ettiği yere yük algılayıcı bağlanarak kuvvet değeri bilgisayara aktarılmıştır. Yük algılayıcı stand alt şasisi ile dinamometre gövdesindeki yük kolu arasına bağlanmıştır. Dinamometre merkezi ile yük algılayıcı arasındaki uzaklık 0,4 m dir. Test motoru yüklendiği veya motor olarak döndürüldüğü zaman dinamometre gövdesi serbest olduğundan, bir tarafa doğru baskı yapmaktadır. Bu baskı kuvveti ile moment kolu çarpılarak motor momenti elde edilmektedir. Dinamometre

5 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı endüvi sargıları ve kollektörün aşırı sıcaklıktan zarar görmemesi için, dinamometre 3 fazlı (380 V) alternatif akımla çalışan bir soğutma fanı ile soğutulmaktadır. Profil çerçeve (Üst şasi): Üst şasi; dalgalanma sönümleyici hava tankı, eğik manometre ve yakıt tüketimini hacimsel olarak ölçmekte kullanılan düzeneğin bağlanması için imal edilmiştir. Hava tüketimi ölçüm ünitesi: Bu çalışmada hava tüketimini ölçmek için orifis plaka yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde motora giden hava, belirli bir çaptaki orifis plakadan geçerek dalgalanma sönümleyici depoya oradan da motora gitmektedir. Hava deposundaki basınç değişimi hem eğik manometre ile ölçülmekte hem de fark basınç algılayıcısı ile bilgisayara aktarılmaktadır Test Standının Elektronik Ünitelerinin Tasarımı ve İmalatı Dinamometre kontrol ünitesi: Sistemde kullanılan elektronik kontrol ünitesi DA makinelerinin hız ve kumanda kontrolünde kullanılmaktadır. Hız kontrolü tristör sürücü ile yapılmaktadır. Bu ünite dinamometreye kumanda ederek sistemin 3 değişik kademede çalışmasını sağlamaktadır. 1.Kademede; dinamometre, bir elektrik motoru gibi çalışarak İYM un ilk harekete geçirilmesini sağlamaktadır. 2.Kademede; dinamometre bir doğru akım jeneratörü gibi çalışarak içten yanmalı motorun yüklenmesini sağlamaktadır. Bu işlem sırasında içten yanmalı motorun hızı hassas biçimde sabit tutulmaktadır. 3.Kademede; dinamometre bir elektrik motoru gibi çalışarak, içten yanmalı motoru değişik hızlarda döndürmektedir. Bu kademede içten yanmalı motor çalışmaz durumdadır. Bu konumda İYM un sürtünme gücünün belirlenmesi sağlanmaktadır. Her üç kademede de DA makinesinin ürettiği ve çektiği akımın değeri voltmetre ve ampermetre ile ölçülebilmektedir. Yük konumunda yani dinamometre jeneratör olarak çalıştığında üretilen elektrik 3 fazlı tam dalga tristör köprüsü yardımıyla alternatif akıma çevrilmekte ve şebekeye verilmektedir. Dinamometrenin üç kademede çalıştırılması, hem kontrol ünitesi üzerindeki tuşlar yardımıyla manüel olarak hem de bilgisayar üzerinden gerçekleştirilebilmektedir. Moment ölçüm ünitesi: Dinamometre gövdesinde oluşan baskı ve çekme kuvvetini ölçmek için HBM marka, RSCAC1 tipinde, 100 kg ölçme kapasitesine sahip bir yük algılayıcı kullanılmıştır. Yük algılayıcıdan alınan veriler veri alış-veriş kartı aracılığı ile aynı anda bilgisayara aktarılmaktadır. Hız ölçüm ünitesi: Bu çalışmada, dinamometre milinin arka kısmına bağlanan takometre ile motor hız ölçümü yapılmıştır. Kullanılan takometre ile d/d arasında hız ölçümü yapılabilmektedir. Hız bilgisi gerilim olarak veri alış-veriş kartı aracılığı ile bilgisayara aktarılmaktadır. Ayrıca dinamometrenin ön kısmına yerleştirilen endüktif algılayıcı yardımıyla bir diğer hız bilgisi dinamometre kontrol ünitesi gösterge panelinde dijital olarak okunabilmektedir. Yakıt tüketimi ölçüm ünitesi: Yakıt tüketimini ölçmek için, Farnell marka, saatte 0-30 litre/saat ölçme kapasitesine sahip bir akış metre kullanılmıştır. Akış metre seçiminde, test edilecek motorların minimum ve maksimum yakıt tüketimleri dikkate alınmıştır. Kullanılan akış metre ile anlık yakıt tüketimi bilgisayara aktarılmaktadır. Ayrıca yakıt tüketiminin hacimsel olarak da ölçülmesi için gerekli düzenek bulunmaktadır. Sıcaklık ve nem ölçüm üniteleri: Deney motorunun test edilmesi esnasında motora ait değişik bölgelerdeki sıcaklık değişimlerinin incelenmesine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada hava giriş, yakıt, yağ, egzoz, soğutma suyu giriş ve soğutma suyu çıkış (motor sıcaklığı) sıcaklıkları termokupllar yardımıyla ölçülmüştür. Sistemde kullanılan termokupllar; Elimko marka, E-MI06-1J30-5-1/4 tipinde, 1xFe-Const (Type J), 3 mm çapında, değişik ölçüm boylarında ve 2 m kablo uzunluğuna sahiptirler. Ortam nemi ve ortam sıcaklığı için ayrı elektronik ölçüm algılayıcıları kullanılmıştır. Sıcaklıklar ve nem ile ilgili veriler veri alış-veriş kartı aracılığı ile bilgisayara aktarılmıştır. Test standını izleme ünitesi: Deneyin güvenle yapılabilmesi için bilgisayar başındaki deney operatörünün standı izlemesi için USB kameradan yararlanılmıştır. Deney esnasında oluşabilecek yangın vb. gibi durumların erken teşhis edilmesi güvenlik bakımından önemli olmaktadır. Operatör tehlikeli bir durumda İYM u bilgisayardan durdurabilmektedir. Bilgisayar, veri alış-veriş kartı ve röle kontrol kartı: Test standının çalıştırılması, kontrolü ve test sonuçlarına ait verilerin depolanması için bir bilgisayardan yararlanılmıştır. Test standında algılayıcılardan gelen baskı kuvveti, hız, sıcaklıklar, nem, yakıt ve hava tüketimi bilgilerini bilgisayara aktarmak için veri alış-veriş kartı kullanılmıştır. Ayrıca veri alış-veriş ve röle kontrol kartları yardımıyla dinamometrenin üç kademede

6 I + I J 136 Bilgisayar Destekli Motor Test Standının Tasarımı ve İmalatı çalıştırılması, İYM un acil durumlarda durdurulması ve gaz kelebek açıklığının bilgisayar yardımıyla kumanda edilmesi sağlanmıştır. Sistemde kullanılan veri alış-veriş kartı (Advantech PCI 1710 HG) şu özelliklere sahiptir: Çok amaçlı bir karttır, PCI slottan çalışır, 333 ks/s örnekleme oranına sahip, çözünürlük anolog girişler için 12-bit, anolog giriş sayısı 16SE/8DI, giriş voltaj aralığı ± 0.05V~ ±10V, 2 adet anolog çıkış, anolog çıkışlar için çözünürlük 12 bittir. Sistemde kullanılan 16 röle çıkışına sahip PCLD- 785 röle kontrol kartı ise veri alış-veriş kartı ile kontrol edilebilmektedir. Gaz kelebeği kumanda ünitesi: Gaz kelebeğinin açıklığını bilgisayardan kumanda edebilmek için bir adım motorundan yararlanılmıştır. Adım motorunun dönmesi ile kelebek açıklığı değişmektedir. Bilgisayar destekli motor test standı için Şekil 2' de görülen elektriki bağlantı yapılmıştır. Algılayıcılardan gelen bilgiler PCLD 8710 terminal borduyla veri alış-veriş kartına aktarılmaktadır. Dinamometre kontrol ünitesi ile bilgisayar arasındaki bağlantı röle kontrol kartı ve veri alış-veriş kartı ile sağlanmaktadır. İmalatı gerçekleştirilen bilgisayar destekli motor test standının komple fotoğrafik görünümü Şekil 3 de verilmiştir. KONTROL ÜNİTESİ Hız bilgisi (Kontrol ünitesi göstergesi için) M K S VERİ ALIŞ-VERİŞ KARTI PCI-1710 HG BİLGİSAYAR Takometre Çıkışı Takometre Girişi K0 TA K0 TA USB Üretilen veya kullanılan akım A- A+ RÖLE KONTROL KARTI PCLD-885 TERMİNAL BORDU PCLD-8710 Üretilen veya kullanılan gerilim V- V + Dinamometre uyartım K NA Kontak Start START/STOP Ortak Uç NK Kontak Stop Eksiltme (-) DİNAMOMETRE YÜKÜNÜN Artırma (+) KONTROLÜ Ortak Uç ON OFF IO O O W Gerilim algılayıcı LV 25P Yükselteç Hava debisi Yakıt sıc. Yakıt debisi Hava sıc. Gerilim / Frekans Konvertörü V F DİNAMOMETRE SOĞUTMA FANI U V N Gaz kelebek açkl. Motor sıc. Usb video kamera GÜÇ KAYNAĞI Takometre DİNAMOMETRE Yük algılayıcı Endüktif algılayıcı İÇTEN YANMALI MOTOR Motor yağ sıc. Su giriş sıc. Egzoz sıc. Şekil 2. Bilgisayar destekli test standı elemanlarının elektrik devre şeması Bilgisayar Destekli Test Standının Veri Alış-Veriş ve Kontrol Sistemi Tasarımı Bilgisayar destekli motor test standının fiziksel özelliklerini ve çalışma ortamı koşullarını bilgisayar ortamına aktarmak ve sistemi denetlemek için kullanıcı ara yüz yazılımı hazırlanmıştır. Bu yazılımda İYM a ait bilgiler veri alış-veriş kartı kullanılarak dış ortamdan bilgisayara aktarılmıştır. Kullanıcı ara yüz yazılımı, Visual Basic 6.0 da geliştirilmiştir. Bu yazılımla motora ait ölçümler her an görülmekte ve veri alış-veriş kartının ölçüm hızı kullanıcı tarafından ayarlanabilmektedir. Bu yazılımın ana penceresi Şekil 4 de verilmiştir. İYM un yük altında çalışması için kademeli yük artışı motora yük olarak bağlı dinamometrenin uyartım geriliminin değiştirilmesi ile sağlanmaktadır. Uyartım gerilimi veri alış-veriş kartının analog çıkışından temin edilmekte ve motor yükünün istenilen değere ayarlanması mümkün olmaktadır. Kullanıcı test standını manüel veya bilgisayar ile kontrol edebilmektedir. Manüel seçeneğinde kullanıcı kendisi kontrol ünitesindeki tuşlar yardımıyla İYM u çalıştırır, yükleyebilir ve sürtünme gücünü ölçmek için değişik hızlarda çevirebilir. Yazılımın ana penceresindeki Standı Çalıştır bölümündeki Start düğmesine basılmadığı sürece stand manüel

7 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı olarak kumanda edilebilir. Standın bilgisayarla kontrol edilmesi istenirse, kullanıcı öncelikle ana pencerede Marşa İzin Ver bölümünde Kapat düğmesine basar. Daha sonra dinamometrenin bir marş motoru gibi çalışmasını sağlayan Standı Çalıştır bölümündeki Start düğmesine fare ile basar ve İYM a marş yaptırır. İYM un gaz kelebeği bir adım motoru ile istenilen açıklığa getirilebilmektedir. İYM çalıştıktan sonra Stop düğmesine basılarak marş yaptırma işlemine son verilir. İYM un çalışma sıcaklığına gelmesi beklenir. İYM a yük uygulamak için önce Çalışma Türünü Seç bölümündeki Generatör düğmesine basılır. Daha sonra Yük Ayarı bölümündeki + düğmesine basılarak yük kademeli olarak artırılır. Bu işlemi yaparken motorun gaz kelebek açıklığı da artırılır. İstenilen gaz kelebek açıklığı ve motor hızı elde edildiğinde motorun bir müddet bu konumda çalışması beklenir. İYM kararlı çalışırken Verileri Oku düğmesine basılarak ölçümler gerçekleştirilir. Analog girişleri okuma penceresi açıldığında veri alış-veriş kartının analog girişlerine bağlı algılayıcıların ne ölçtüğü ve hangi giriş terminaline bağlı olduğu görülmektedir (Şekil 5). Bu pencereden verilerin hangi sıklıkla ölçüleceği kayan sürgü ile ayarlanabilmektedir. Yapılan ölçümlerin kaydedilmesi isteniyorsa Kaydet düğmesine basılmalıdır. Bu veriler deneyin yapıldığı zamana bağlı olarak Excel dosyasına kaydedilmektedir. Bu ölçüm sonuçları görülmek istenirse, Kayıtları Gör düğmesine basılarak veriler kontrol edilir (Şekil 6). Verilerin adedi yeterli ise Verileri Gör penceresindeki Kaydı Durdur düğmesine basılarak veri kaydı durdurulabilir. Ancak veri alış-veriş kartı veri okumaya devam eder. İYM un sürtünme gücünü ölçmek istenirse, Çalışma Türünü Seç bölümündeki Motor düğmesine basılır ve Yük Ayarı bölümündeki + ve düğmeleri yardımıyla İYM istenilen hızda döndürülür. Bu işlem esnasında İYM çalışmamaktadır ve yakıtı kesilmiştir. Yazılımın ana penceresinde bulunan Acil Durumlarda Kullan bölümündeki düğmeler yardımıyla kullanıcı yangın vb. gibi acil hallerde İYM u durdurabilmektedir. Şekil 3. İmal edilen test standının genel görünümü.

8 138 Bilgisayar Destekli Motor Test Standının Tasarımı ve İmalatı Şekil 4. Motor test standı için geliştirilen kullanıcı ara yüz yazılımı ana penceresi. Şekil 5. Veri alış-veriş kartının analog girişleri okuma penceresi.

9 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı Standın Test Edilmesi Şekil 6. Kaydedilen verilerin görülmesini sağlayan pencere. Standın verimliliğini test etmek için Çizelge 2 de özellikleri verilen 4 silindirli Fiat marka deney motoru, tam gaz kelebek açıklığında değişik hızlarda test edilmiştir. Testlerde motorun istenilen yük ve hız konumunda yüklenebildiği görülmüştür. Deney sonuçlarına ait veriler istenilen zaman aralıklarında bilgisayara aktarılmış ve kaydedilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda elde edilen veriler Çizelge 3 de verilmiştir. Deney verileri kullanılarak motor hızına bağımlı olarak moment, güç, özgül yakıt tüketimi, yakıt tüketimi, hava/yakıt oranı, efektif verim vb. parametrelerin değişim grafikleri çizilerek performans ile ilgili değerlendirme ve analizler yapılabilmektedir. Çizelge 2. Deney motorunun teknik özellikleri (17). Marka Tipi Silindir çapı Kurs Fiat 1.6 L 4 zamanlı, 4 silindirli 86 mm 67 mm Sıkıştırma oranı 9.2/1 Güç 62 kw/5750 d/d 4. Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada eğitim ve araştırma amaçlı kullanılmak üzere bilgisayar destekli bir motor test standının tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Bu stand ile içten yanmalı bir motorun farklı çalışma şartlarında kontrollü biçimde yüklenmesi ve deneysel verilerin eş zamanlı olarak bilgisayar ortamına aktarılabilmesi sağlanmıştır. Bu sistem sayesinde bilgisayar yardımıyla motora marş yaptırılması, motorun istenilen yükte yüklenmesi ve sürtünme gücünün ölçülmesi sağlanmıştır. İmalatı yapılan sistem 2004 yılı fiyatlarıyla yaklaşık YTL ye mal edilmiştir. Bu harcamalar standı oluşturan DA makinesi, DA makinesi kontrol sistemi, algılayıcılar, veri alış-veriş kartı, röle kontrol kartı, içten yanmalı motor ve bilgisayar alımı için yapılmıştır. Test sisteminin mekanik ve elektronik ünitelerinin montajı ile veri aktarım ve kontrol sistemi yazılımı çalışma kapsamında gerçekleştirilmiştir. Bu maliyet aynı özellikteki standların fiyatlarına göre çok ucuz olarak değerlendirilebilir. Test standı ile dinamometrenin üç kademede çalıştırılması ve kontrolü, kontrol ünitesi üzerindeki tuşlar yardımıyla manüel olarak hem de

10 140 Bilgisayar Destekli Motor Test Standının Tasarımı ve İmalatı bilgisayar üzerinden gerçekleştirilebilmektedir. İYM un bilgisayar ile denetimi ve çalışmasının bilgisayar ekranından izlenebilmesi için bir yazılım geliştirilmiştir. Program kullanıcı ara yüz yazılımı olduğundan çok rahat bir kullanım kolaylığı sağlamaktadır. Ölçülen veriler ile İYM un çalışma durumları ve motor performansı değişimleri aynı anda izlenebilmektedir. Test standı otomotiv eğitimi yapan kurumlarda, hassas ölçüm gerektiren araştırma laboratuarlarında ve tamir bakım atölyelerinde verimli biçimde kullanılabilir. Ayrıca çok sayıda parametrenin ölçülmesi sayesinde sistem motor arızalarının teşhis edilmesinde de kullanılabilir. Sistemin bilgisayar tarafından kontrolü deney yapan kişiye kolaylık sağlamakta ve gerektiğinde motor testleri bir kişi ile yapılabilmektedir. Deneysel verilerin eş zamanlı olarak bilgisayara aktarılması ve depolanması sayesinde deney için harcanan zaman kısaltılmış olmaktadır. Deney operatörünün deney sırasında olabilecek yangın vb. gibi durumları tespit etmesi ve zamanında müdahale etmesi için test standı bilgisayar ekranından kamera ile izlenebilmektedir. Operatör acil durumlarda bilgisayardan İYM u durdurabilmektedir. Çizelge 3. Deneyler sonucunda elde edilen ölçülen ve hesaplanan bazı değerler. Bilgisayar Destekli Motor Test Standı Deneyin Adı : Değişik Hız Testi Havanın Yoğunluğu : 1,149 kg/m3 Operatör : - Havametre Orifis Çapı : 67,8 mm Tarih : 14 / 09 / 2006 Dinamometre Moment Kolu : 0,4 m Deney Motoru tipi : Benzinli, 4 Zamanlı Silindir Sayısı : 4 Test Şartları Motor Hacmi : 1581 cc Ortam Sıcaklığı : 18 C Kullanılan Yakıt : Süper Benzin Basınç : 960 mbar Yakıt Yoğunluğu : 0,76 g / cm3 Nem : %75 Deney Sonuçları Sno Motor Hızı (1/min) Gaz Keleb. Açk. (%) Motor Mom. (Nm) Motor Gücü (kw) Özgül Yakıt Tük. (g/kwh) Yakıt Tük. (kg/h ) Hava Tük. (kg/h) Hava/ Yakıt Oranı Motor Sıcakl. ( C) Egzoz Sıcakl. ( C) Hava Giriş Sıcakl. ( C) Yağ Sıcakl. ( C) Yakıt Sıcakl. ( C) ,2 9,54 465,3 4,44 55,98 12,61 91,23 570,35 19,53 92,52 16, ,3 25,08 305,6 7,66 101,50 13,25 90,52 635,36 20,66 93,23 16, ,4 39,05 271,2 10,59 155,88 14,72 90,24 701,23 20,32 93,35 16, ,5 50,18 291,3 14,62 208,91 14,29 89,83 667,57 20,72 92,26 16, ,3 57,66 312,5 18,02 249,93 13,87 90,51 688,12 20,36 92,42 16,83 Test standının verimliliğini artırmak için bu sisteme silindir basıncı, titreşim ve gürültü ölçüm üniteleri ilave edilebilir. Gelecek çalışmalarda ara yüzlü yazılım ağ ortamına alınarak aynı anda birden fazla öğrencinin veya kullanıcının deneyi takip etmesi sağlanabilir. Ayrıca isteyen kullanıcı (yöneticinin onay vermesi durumunda) kendisi de deney yapabilir. Böylece üretimi yapılan bu standın daha verimli kullanılması sağlanabilir. Geliştirilecek bir yazılımla test standı otomatik olarak programlanabilir. Bu sayede kurulan sistem testleri yapar ve sonuçları kaydeder. Teşekkür Bu çalışma Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığınca desteklenmiştir. Ayrıca bilgi ve desteklerinden dolayı Prof. Dr. İbrahim KADI, Prof. Dr. Selim ÇETİNKAYA ve Prof. Dr. Sahir SALMAN a teşekkür ederiz. Kaynaklar 1. Öz, İ. H., Borat, O., Sürmen, A., İçten Yanmalı Motorlar, Birsen Yayınevi, İstanbul Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Society of Automotive Engineers, Inc., Warrendale, U.S.A., 1999.

11 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı Plint, M., Martyr, A., Engine Testing, Theory and Practice, Butterworth, Oxford, Krebl, W.H., Engine Test Beds-Yesterday- Today- Tomorrow, SAE Technical Paper, , Çetinkaya, S., İçten Yanmalı Motorlar Laboratuarı Ders Notları, G.Ü. Tek. Eğt. Fak., Ankara, Gallacher, A. M., Dynamic Engine Testing: Why?, SAE Technical Paper, , Borat, O., Sürmen, A., Balcı, M., İçten Yanmalı Motorlar, TEV Yayınları, Ankara, Cooling, J.E., Information Technology in Engine Test Systems, Int. J. Of Vehicle Design, 6, 4, , Babbitt, G.Y., Bonomo, L. R., Moskwa J.J., Design of an Integrated Control and Data Acquisition System for a High-Bandwidth, Hydrostatic, Transient Engine Dynamometer, Proceedings of the American Control Conference, New Mexico, , Figueroa, F., Solano, W., Thurman, C., Schmalzel, J., A Future Vision of Data Acquisition: Distributed Sensing, Processing and Health Monitoring, IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Budapest, Hungary, 1, , Gubeli, M., Dorey, R.E, Real Time Power Train Simulation for Dynamic Engine Testing Using a Hydrostatic Dynamometer, Colloquium on Power Train Control, London, Engl., n 79, 9p, Bunker, B.J., Franchek, M.A., Thomason, B. E., Robust Multivariable Control of an Engine- Dynamometer System, IEEE Transaction on Control Systems Technology, 5, 2, , Pfeiffer K., Isermann R., Automatic Control of Vehicle Startup for Emission Tests on Engine Dynamometers, Proceedings of the American Control Conference, Seattle,Washington, 4, , Kawarabayash, S., Fujii, T., Design of Optimal Servo-Systems for Engine Test Bed by Ilq Method, Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control, 3, , Zedda, M., Singh, R., Neural-Network-Based Sensor Validation for Gas Turbine Test Bed Analysis, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 215, 1, 47-56, Campbell, T., Galbraith, J., Development of a Low Cost Microcomputer System for Data Acquisition and Control of a Diesel Engine Test Bed Facility, Int. J. of Vehicle Design, 6, 4, Fiat-Tempra Servis Katalogu, Kaya Yayıncılık, İstanbul,1995. Özgeçmişler M. Bahattin ÇELİK, 1963 yılında Tokat Reşadiye de doğdu. İlk, orta ve lise tahsilini Sivas ta tamamladı.1981 yılında G.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Otomotiv Anabilim Dalı nda yüksek öğrenimine başladı yılında mezun oldu yılında MEB Ankara Yapı Meslek Lisesi İş Makineleri Bölümü ne öğretmen olarak atandı yılında Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Bölümü nde yüksek lisansa başladı yılında yüksek lisansı tamamladı ve aynı üniversitede doktora eğitimine başlayarak 1999 yılında mezun oldu. Halen Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Karabük Teknik Eğitim Fakültesinde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. (mbcelik@gmail.com) Raif BAYIR, 1973 yılında Karabük te doğdu. Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümünden 1995 yılında mezun oldu. Yüksek lisansını Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalında, 1998 yılında tamamladı. Doktorasını aynı Enstitüde 2005 yılında tamamladı. Halen Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümünde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. (rbayir@karaelmas.edu.tr, rbayir@hotmail.com) Bülent ÖZDALYAN, 1966 yılında Ankara Polatlıda doğdu. İlk ve orta öğretimini Polatlıda tamamladı. Liseyi yılları arasında Polatlı Endüstri Meslek Lisesinde tamamladıktan sonra üniversiteyi yılları arasında Gazi Üni. Tek. Eğt. Fak. Makine Eğitimi bölümünde tamamladı. Mezuniyetten sonra öğretmenlik mesleğine Malatya da 1988 yılında başladı yılları arasında Gazi Üniversitesinde Yüksek Lisans yaparken aynı zamanda da Polatlı Endüstri Meslek Lisesinde öğretmenliğe devam etti. YÖK ün açmış olduğu Yurtdışında Yüksek Lisans Doktora programını, Karabük Teknik Eğtim Fakültesi adına kazandı yılları arasında İngiltere nin Coventry de ilinde bulunan Coventry University School of Engineering bölümünde Otomotiv Mühendisliği Dizaynı ve Üretimi alanında 6 aylık bir İngilizce kursundan sonra Yüksek Lisans ve Doktorasını tamamlayıp Karabük e döndü. Halen Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümünde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. (ozdalyan@hotmail.com)