OTOMATİK VE SÜREKLİ DEĞİŞKEN TRANSMİSYONLU ARAÇLARIN PERFORMANS VE YAKIT SARFİYATLARININ KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 OTOMATİK VE SÜREKLİ DEĞİŞKEN TRANSMİSYONLU ARAÇLARIN PERFORMANS VE YAKIT SARFİYATLARININ KARŞILAŞTIRILMASI Serkan GÜVEY Y. Samim ÜNLÜSOY Makina Mühendisliği Bölümü Ortadoğu Teknik Üniversitesi ANKARA İrtibat Kurulacak Yazar : Y. Samim ÜNLÜSOY Makina Mühendisliği Bölümü Ortadoğu Teknik Üniversitesi ANKARA Tel. : (312) Faks : (312) unlusoy@metu.edu.tr

2 OTOMATİK VE SÜREKLİ DEĞİŞKEN TRANSMİSYONLU ARAÇLARIN PERFORMANS VE YAKIT SARFİYATLARININ KARŞILAŞTIRILMASI Serkan Güvey, Y. Samim ÜNLÜSOY Makina Mühendisliği Bölümü Ortadoğu Teknik Üniversitesi ANKARA ÖZET Bu çalışmada, ikisi farklı sürekli değişken transmisyon (CVT) ve biri otomatik transmisyon ile donatılmış araçların performans ve yakıt sarfiyatlarının simülasyonuna yönelik Simulink modelleri hazırlanmıştır. Gerçekleştirilen simulasyonlarla araçlar, km/saat ivmelenme performansı, maksimum hız, ECE ve EUDC çevrimleri için gerekli yakıt sarfiyatı açısından karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler : Sürekli Değişken Transmisyon (CVT), simulasyon, yakıt sarfiyatı, performans COMPARISON OF PERFORMANCE AND FUEL CONSUMPTION OF VEHICLES WITH AUTOMATIC AND CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSIONS ABSTRACT In this study, Simulink models of three vehicles, two with continuously variable transmissions of different type and configuration and one with an automatic transmission are prepared for the purpose of investigating their performance and fuel consumption characteristics. Simulation studies are used to compare these vehicles with respect to their 0 to 100 km/h acceleration performance, maximum vehicle speed, and fuel consumptions for the ECE and EUDC driving cycles. Key Words : Continuously Variable Transmission (CVT), simulation, fuel consumption, performance 1. GİRİŞ Sürekli değişken transmisyonlar (CVT), aracın güç kaynağı ve tekerlekleri arasında kesintisiz olarak değişen bir hız oranı sağlamaktadırlar. Geleneksel bir CVT de dişli grupları yerine, sürekli değişen hız oranını sağlayan kayış veya zincir sistemi kullanılır. Bu oran, motor hızı performans veya ekonomi amacına uygun olan optimum çalışma noktasında sabit tutulacak şekilde belirlenir. Bu nedenle, sürekli değişken transmisyonun en önemli avantajı motorun seçilen kritere göre en verimli olduğu noktada çalışmasını sağlaması ve bunu sürücüyü vites değişiklikleriyle rahatsız etmeden yapmasıdır. Son yıllara kadar, CVT nin düşük verim, kısıtlı tork kapasitesi, dar oran aralığı gibi dezavantajlarından dolayı, üretici firmalar tarafından otomatik transmisyonlar CVTlere tercih edilmekteydi. Ancak, otomobillerin yakıt sarfiyatları ve emisyonlarıyla ilgili yeni yasal düzenlemeler, tasarımcıları CVT sistemlerine ve dolayısıyla sözü edilen dezavantajların azaltılması veya yokedilmesi için yeni çalışmalara yöneltmiştir. CVT nin dezavantajlarından biri kısıtlı tork aktarabilme kapasitesidir. Bu sorunu çözmenin yollarından biri bir tork dönüştürücü (torque converter) kullanmaktır [1]. Ayrıca tork dönüştürücülü sistemler, geleneksel CVT lerle karşılaştırıldığında, kalkıştaki ivmelenme performansında iyileşme sağlamaktadır. Tork dönüştürücülerle, göreceli olarak yüksek tork değerlerine çıkılabilmesine karşın, daha da yüksek değerlere olan gereksinim nedeniyle, zincir ve değiştirici (variator) sisteminden oluşan yeni bir CVT geliştirilmiştir [2]. Böylece daha yüksek güç ve tork değerlerine sahip motorlu araçlarda da CVT lerin kullanılmasına olanağı sağlanmıştır. 1

3 Sınırlı tork ve güç aktarımı kısıtının aşılabilmesi için bir diğer çözüm ise gücün bölünüp bir kısmının CVT üzerinden diğer kısmınınsa bir planet dişli sistemi kullanılarak iletilmesidir [3]. Yüksek tork değerlerine gereksinim duyulduğunda, motordan gelen güç planet dişli sistemine yönlendirilir. İstenilen veya daha önceden belirlenen hıza ulaşıldığında, güç CVT ye aktarılır. Gücün dağılması sayesinde kayış kapasitesinin sistemin maksimum tork kapasitesini kısıtlaması engellenmiş olur. Sürüş sırasında CVT oranı sürücünün isteklerine uygun olarak belirlenmek zorundadır. Gerekli oranı sağlayabilmek için de bir kontrol stratejisi belirlenmelidir. Sürüş sırasında CVT oranının kontrol edilmesi üzerine değişik çalışmalar bulunmaktadır [4]. Bunlar genel olarak üç başlık altında toplanabilir. a) Tek yol stratejisi (Single Track) b) Hız zarfı stratejisi (Speed Envelope) c) Belirgin yoldan sapma stratejisi (Off the Beaten Track) Tek yol stratejisindeki amaç, CVT oranını kontrol ederek motorun hızını veya torkunu en yüksek verim noktasında tutmaktır. Bu stratejide, maksimum verim eğrisi veya optimum çalışma çizgisine (OÇÇ) uygun olarak bir hız oranı haritası belirlenir. Gaz pedalının konumu olarak belirlenen sürücü girdisi, sistem tarafından belli bir gaz kelebeği açıklık oranına çevrilir, motorun OÇÇ veya maksimum verim eğrisi tarafından belirlenen çizgide çalışabilmesi için gerekli motor hızını sağlıyacak CVT oranı elde edilir. Belirgin yoldan sapma stratejisi ise tek yol stratejisinin bir varyasyonudur. Diğer taraftan tek yol stratejisinden daha çok uygulaması bulunan hız zarfı stratejisi, bugünün CVT ile donatılmış araçların çoğunda kullanılan denetimin özü olarak düşünülebilir. Bu stratejide, araç hızının motor hızına bağlı olarak ifade edildiği iki eğriden oluşan bir çalışma alanı bulunur. Bu eğriler, bir hız zarfı oluşturur ve CVT, aktarma organın tepkilerini bu zarfa bağlı olarak düzenler. 2. ARAÇ MODELİ Simulink [5] kullanılarak hazırlanan simulasyon modelinde tüm sistem, aracın ağırlık merkezinde toplanmış tek bir kütle olarak alınmıştır. 2.1 Çekiş Kuvveti Tekerleklere iletilen torkun lastikler ile yol arasında oluşturduğu çekiş kuvveti bir taraftan aracın hareketine karşı oluşan dirençleri yenmekte kullanılırken, artan kısmı da aracın ivmelenmesini sağlar. Motor torku, gaz kelebeği açıklığı ve motor hızına bağlı bir fonksiyondur. Şekil 1 de tipik bir motor için tork, hız ve kelebek açıklığı karakteristikleri gösterilmiştir [6]. Şekil 1. Tipik bir motor karakteristiği 2.2. Hareket Dirençleri Bir aracın hareketini engellemeye yönelik dirençler arasında en etkin olanları yuvarlanma, hava ve yokuş dirençleridir Yuvarlanma Direnci Yuvarlanma direnci genelde araç hızı, lastik basıncı, lastikler üzerindeki yük ve yol yüzeyine bağlı olarak değişmektedir. R r = f r.w (1) Yuvarlanma direnci katsayısı, f r, denklem (2) de gösterildiği şekilde hesaplanabilir. f r = a + bv n (2) Bu eşitliklerde R r = Yuvarlanma direnci f r = Yuvarlanma direnci katsayısı W = Aracın toplam ağırlığı a, b = Katsayılar V = Araç hızı n = katsayı (bu çalışmada 1) olarak alınmıştır Hava Direnci Aracın içinden geçtiği hava ile etkileşimi sonucu, araca etkiyen kuvvet ve momentler oluşmaktadır. İvmelenme simulasyonu için bu kuvvetlerden en önemlisi aracın hareketi yönünde oluşan kuvvet olup, bu kuvvet aracın göreli hızına bağlı olarak hesaplanabilir. R 2 a = KCDAfV r (3) Denklem 3 te ρ havanın yoğunluğunu, V r aracın göreli hızını, C D hava direnci katsayısını ve A f aracın kesit alanını ifade etmektedir. 2

4 Yokuş Direnci Araç eğimli bir yokuşu tırmanırken araç ağırlığının yola paralel olan bileşeni, aracın hareketine karşı bir direnç oluşturur. Araç yokuş aşağı doğru inerken aynı kuvvet aracın ivmelenmesine yardımcı olur. R g = Wsinθ (4) 2.3. Tork Dönüştürücülü CVT Sisteminin İvmelenme Simulasyonu Hazırlanan model motor, tork dönüştürücü, CVT ve araç modelinden oluşmaktadır. Sayılan alt sistemlerin birbirleri arasındaki etkileşimi Şekil 2 de gösterilmiştir Motor Motor denklemi (5) teki gibidir. d J e t e T e T ac T i (5) d Tork Dönüştürücü Tork dönüştürücünün ana görevi, motor ve transmisyon arasında güç aktarmak ve gerektiğinde torkun yükseltilmesini sağlamaktır. Bu çalışmada tork dönüştürücü sürekli rejim karakteristikleri kullanılarak modellenmiştir. Modelleme için öncelikle CVT nin dönüştürücüye bağlı kasnağının hızının motor hızına oranı olarak tanımlanan bir hız oranı, SR, belirlenir. Ayrıca deneysel olarak belirlenen tork oranı Cr ve kapasite faktörü K nin hız oranına göre değişimlerinin girilmesi gereklidir. Şekil 4 te bu parametrelerin hız oranına bağlı tipik değişimleri görünmektedir [6]. Hız ve tork arasındaki ilişki denklem (7) de gösterilmiştir. 2 e T i (7) K 2 Çıkış torku, giriş torkunun tork oranıyla çarpılmasıyla elde edilir. T o C r T i (8) Şekil 5 te tork dönüştürücünün simulink modeli gösterilmiştir. Şekil 2. Alt sistemlerin birbiriyle etkileşimleri Bu eşitlikte Je motorun dönen kütlelerinin atalet momentini göstermektedir. Motor torku T e verilen kelebek açıklığı ve motor hızı ω e için şekil 1 den interpolasyonla bulunur. T i tork dönüştürücü tarafından emilen torktur. Motor kayıp torkları T ac motor hızının doğrusal fonksiyonu olacak şekilde hesaplanabilir [6]. Şekil 4. Tork oranı ve kapasitefaktörünün hız oranına bağlı değişim grafikleri T ac a 0 a 1 e (6) Şekil 3 te motorun simulink modeli görülmektedir. Şekil 5. Tork dönüştürücü modelinin Simulink blok diyagramı CVT Modeli Şekil 3. Motor modelinin Simulink bloğu Sürekli değişken transmisyon, iki kasnak ve aralarındaki zincirden oluşur. İlk kasnak tork dönüştürücüye bağlanırken, ikinci kasnak ara tahrik dişli takımına bağlıdır. CVT oranı, ilk kasnak hızının ikinci kasnak hızına bölünmesiyle elde edilir. 3

5 p i (9) s Sistem fiziksel olarak kasnak çapları ve zincir uzunluğu tarafından sınırlandırılmıştır. i min i i max Kayışın kaymadığı ve enerjinin korunduğu varsayımından yola çıkarak ikinci kasnak üzerindeki torkun birinci kasnak üzerindeki torka bölümünden elde edilen oran da aynıdır. T s i (10) T p CVT oranı seçilen sürüş moduna uygun olarak belirlenir. CVT oranı motor hızını seçilen moda uygun olan optimum çalışma noktalarında çalışacak şekilde ayarlanır. Bu optimum çalışma noktaları birleştirilerek optimum çalışma çizgisi (OÇÇ) elde edilir. Ekonomi modu için bu çizgi, her bir kelebek açıklığına karşılık gelen minimum yakıt sarfiyatının olduğu noktaların birleştirilmesi ile oluşturulurken, performans modu için maksimum güç noktalarının birleştirilmesi ile elde edilir. Bu modelde tek yol kontrol stratejisi uygulanmıştır. CVT oranı değişim süreci iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada CVT oranı olabilecek en yüksek değerde sabit tutulmaktadır. Bu aşamada, motor hızı o kelebek açıklığında gerekli motor hızıyla karşılaştırılır ve oran motor hızı gerekli olan hıza ulaşana kadar sabit tutulur. İkinci aşamada motor hızı istenilen değerde sabit tutulurken CVT oranı küçültülmekte, böylece ikinci kasnağın hızı ve buna bağlı olarak aracın hızı artmaya devam etmektedir. CVT modelinin Simulink blok diyagramı şekil 6 da gösterilmiştir. Denklem 2.5 in sabit motor hızına uygun olarak modifiye edilmesinin sonucunda tork dönüştürücünün emdiği tork hesaplanabilir. Bu tork ve kapasite faktörü grafikleri beraber kullanılarak motor hızının sabit tutulabildiği tork dönüştürücü hız oranı hesaplanır. Tork dönüştürücü hız oranı denklem (11) deki gibi hesaplanır. p SR (11) e CVT oranı ve dönüştücü hız oranı birleştirilerek toplam transmisyon oranı denklemi elde edilir. e SR i (12) s İkinci kasnak hızı, araç model bloğunda elde edilen transmisyon çıkış hızına eşittir. CVT nin verimi değiştirici oranı, CVT giriş hızı ve giriş torkuna bağlı olarak hesaplanır [7]. Şekil 6. CVT modelinin simulink blok diyagramı Araç Modeli Araç, Newton formülü kullanılarak modellenebilir. Bu formülde, araç hızı V, çekiş kuvvet F T ve direnç kuvveti R T olarak gösterilmiştir. dv M eff. = FT -RT dt (13) M eff aracın etken kütlesi olup tekerleklerin, diferansiyelin ve CVT nin ataletini de içermektedir. Araç modelinin Simulink blok diyagramı şekil 7 de gösterilmiştir. Şekil 7. Araç ve direnç kuvvetleri modelinin Simulink blok diyagramı 2.4. Sürekli Değişken Güç Dağılımlı Transmisyonun (CVPST) İvmelenme Simulasyonu Bu konfigürasyonda, yüksek tork gerektiren düşük hızlarda güç dişli takımı üzerinden tekerleklere iletilmektedir. Şekil 8 de CVPST ile donatılmış bir aracın motordan tekerleklere kadar olan temel elemanları gösterilmiştir. Şekil 8. CVPST ile donatılmış bir aracın temel elemanları Şekil 9 da görüldüğü gibi motor mili direk olarak CVT nin birinci kasnağına ve planet dişli sisteminin güneş dişlisine bağlanmaktadır [8]. Motorun hareket denklemi: J e J p d t e T e T ac d T in (14) 4

6 J p ve T in sırasıyla ilk CVT kasnağının atalet momenti ve CVT ile dişli takımına aktarılan torktur. Denklem (13) kullanılarak transmisyon çıkış hızı bulunabilir. Motor torkunun hesaplanabilmesi için motor hızına ihtiyaç olduğundan dolayı hızı hesaplamak için cebirsel bir döngü kurulması gerekmektedir. Motor hızı: e i t out (15) ω out transmisyon çıkış hızıdır ve i t denklem 2.17 de tanımlandığı gibi toplam transmisyon oranıdır. i t i cvpst i step (16) Şekil 9. CVPST ve iki kademeli bir yükseltme dişli kutusundan oluşan bir transmisyon sistemi Ayrıca CVT oranını (i cvt ) hesaplamak içinde motor hızı gerekir. Bu nedenle şekil 10 da gösterildiği gibi bir döngü kurulması gerekir. i g ve i cg, sırasıyla karşı mil ve kontrol dişli oranlarıdır. Bu iki oran CVPST nin tasarımı sırasında belirlenir. Transmisyon oranı bloğu daha önceki modele çok benzer şekilde çalışır ve iki aşamadan oluşur. Önceki modelden farkı ikinci aşamadaki CVPST oranın hesaplanmasında ortaya çıkar. Bu oran denklem (18) deki gibi hesaplanır. req_e i cvpst (18) out_cvpst CVT oranın hesaplanışı ise denklem (19) da verilmiştir. i cg i cvpst i cvt (19) 1 i g i cvpst i g CVT nin oran aralığı yeterince geniş olmadığından iki farklı yükseltme dişlisi kullanılmıştır. İlk aşamada, büyük oranlı dişli kullanılır. İkinci aşmada, CVT oranı ilk dişli ile oluşabilecek en düşük orana kadar iner ve bu andan itibaren ilk dişli ayrılır ve ikinci yükseltme dişlisi devreye girer. Bu anda CVT oranı dişli değişiminden önceki oranı verecek şekilde tekrar ayarlanır. CVPST sisteminin verimi düzenlenme şekline göre değişiklik gösterir. Modelde kullanılmış olan düzenlemenin verimi değiştirici oranına bağlı olarak değişir. Verim eğrisi, şekil 11 de gösterilmiş ve bu eğriyi tanımlayan denklemler (20) de verilmiştir [9]. 2 t i cvt i cvt i cvt i cvt 2 t i cvt i cvt (20) Şekil 10. CVPST modelinin simulink blok diyagramı CVPST Modeli Sürekli değişken güç dağılımlı transmisyonun sabit ve değişken olmak üzere iki farklı oranın birleşiminden oluşur. Bu iki oran, aracın hareketi sırasında motoru optimum çalışma noktasında çalıştırabilmek için çok iyi bir şekilde ayarlanmalıdır. Kontrol stratejisi bir önceki modelle aynıdır. Toplam transmisyon oranı, iki farklı oranın fonksiyonu olarak denklem (17) deki gibi yazılabilir [8]. in i cvt 1 i g i cvpst (17) out i cvt i g i cg Şekil 11. CVPST nin verim eğrisi 2.5. Otomatik Vitesli Aracın Simülasyon Modeli Bu çalışmada CVT ler dışında karşılaştırma yapabilmek için otomatik vitesli bir araç ta modellenmiştir. Bu modelde, tork dönüştürücülü CVT modelinin bir benzeri kullanılmaktadır. Otomatik vitesli araç modelinde CVT yerine sabit oranlara sahip bir planet dişli transmisyon bulunmaktadır. Kullanılacak olan vites, geçerlikteki vites, gaz kelebeği girdisi ve çıkış mili hızı bilgisine dayanarak vites değiştirme şablonu kullanılarak belirlenir. Tipik bir aracın vites değiştirme şablonu şekil 12 de gösterilmiştir [6]. 5

7 Tork Dönüştürücülü CVT Sistem Modelinin Detayları Bu modelde önemli olan gerekli motor hızını sağlayacak olan CVT oranı ve tork dönüştürücünün hız oranını tam olarak belirleyebilmektir. Ana problem motor hızı ve torkunu aynı anda sağlayabilmektir zira tork dönüştürücünün kapasite faktörü ve motor hızı tarafından belirlenen bir tork kapasitesi vardır. Gereken motor hızını ve torku sağlayacak OÇÇ ye en yakın çalışma noktasını belirliyebilmek için modelde koşul döngüsü kurmak gerekmektedir. Döngünün çalışma prensibi, OÇÇ ye en yakın noktayı sağlayabilecek CVT oranını bulabilmek için bütün oran aralığının denenmesidir. Şekil 12. Otomatik vites değiştirme şablonu 2.6. Yakıt Sarfiyatı Modelleri Bu modellerde, girdi olarak seçilen bir araç hızı profili kullanılmaktadır. Yakıt sarfiyatının hesaplanabilmesi için deneysel olarak elde edilen ve motor torku ve hızına bağlı olarak sabit özgül yakıt sarfiyatı çizgilerinden oluşan haritaya gereksinim vardır. Yakıt sarfiyatı modeli için OÇÇ minimum yakıt sarfiyatı noktalarından geçmektedir. Simülatörün akış diagramı Şekil 13 te gösterilmiştir. Sürüş profili, direnç ve aks mili modeli için girdidir. İlk olarak bu girdi kullanılarak gerekli motor gücü elde edilir. Bu gücün üretetileceği optimum motor hızı, OÇÇ si tarafından oluşturulan veri tablosu kullanılarak bulunur. Bu modellerde, sürücünün gaz pedalına gerektiği kadar bastığı varsayılmaktadır. Motor hızı ve tekerlek hızları kullanılarak CVT oranı bulunur. Gerekli motor torku ve hızı ile özgül yakıt sarfiyatı haritasından bu çalışma noktasındaki özgül yakıt sarfiyatı elde edilir. 100 km. de kullanılan yakıt miktarını hesaplamak için motor gücü ve özgül yakıt sarfiyatını denklem (21) de yerine koymak gerekmektedir. bsfc.pe Yakıt Sarfiyatı [l/100km] = (21) ρ f.v Şekil 13. Çevrim simülasyonu CVPST Model Detayları Bu modelde, amaç optimum çalışma noktalarını takip edecek CVPST oranını hesaplamaktır. OÇÇ den bulunan motor hızı gerekli transmisyon çıkış hızına oranlanılarak CVPST oranı bulunur ve bu oranın sınırlar içerisinden olup olmadığı kontrol edilir Otomatik Vites Modeli Detayları Gerekli transmisyon hızı ve torku, motor tork ve hızını hesaplamada kullanılır. Gereken transmisyon çıkış hızı, vites değiştirme şablonu kullanılarak gereken vites oranı belirlenir. Bu oran, gerekli motor hızı ve torku kullanılarak gaz kelebeği açıklığı hesaplanır ve bulunmuş olan vitesin bu değeri sağlayıp sağlamadığı kontrol edilir. 3. SİMÜLASYON SONUÇLARI VE ANALİZİ Modellemede Matlab ın dinamik sistem simülatörü Simulink kullanılarak fiziksel sistemlerin matematiksel ifadeleri olarak çözülmüş ve araç hızı, ivmesi, yakıt sarfiyatı gibi veriler grafik formatında veya veri dosyaları olarak elde edilmiştir. Üç ayrı sistem için gerekli transmisyon oranları ve gerekli CVPST parametreleri Tablo 1 de verilmektedir. Vites Tablo 1. Simülasyonun transmisyon oranları Otomatik Vites Oranı CVPST Oran CVT Kontrol/Karşı- Mil Güneş / Halka CVPST Yükseltme Tork Dön. ve CVT Oran

8 Yakıt sarfiyatı simülasyonu için, Avrupa Birliği şehiriçi çevrimi (ECE) ve yoğun şehiriçi trafik çevrimi (EUDC) seçilmiştir. Simülasyon süresince vites oranında değişmelerin anlık gerçekleştiği varsayımı yapılmıştır. CVT sistemlerin transmisyon oranı kasnak çaplarının, hidrolik pistonlar tarafından ayarlanmasıyla oluşur ve bu oranın değişme hızı hidrolik akışkanın akış hızına bağlıdır. Değişme oranının mümkün olan limit değerlerini geçmediği varsayılmıştır. İvmelenme simülasyonlarında girdi değeri olarak tam açık kelebek konumu alınmıştır. Tekerlekler ve yol arasında kayma ihmal edilmiştir. Şekil 14 ten 25 e simülasyon sonuçları gösterilmiştir. Her üç sistemin simülasyon sonuçları Tablo 2 de özetlenmiştir. Tablo incelendiğinde tork dönüştürücü kullanılmış olan CVT sisteminin 100 km/s hıza diğer iki sistemden daha hızlı çıktığı görülmektedir km/s ivmelenme performansı açısından otomatik vites CVT sistemlere göre kötü bir performans göstermektedir. Şekil 16. Zamana bağlı alınan yol grafiği (Otomatik) Şekil 17. Zamana bağlı ivmelenme grafiği (Otomatik) Şekil 14. Zamana bağlı hız grafiği (Otomatik) Şekil 18. Zamana bağlı hız grafiği (CVT) Şekil 15. Zamana bağlı vites oranı grafiği (Otomatik) 7

9 Şekil 19. Zamana bağlı vites oranı grafiği (CVT) Şekil 22. Zamana bağlı hız grafiği (CVPST) Şekil 20. Zamana bağlı alınan yol grafiği (CVT) Şekil 23. Zamana bağlı vites oranı grafiği (CVPST) Şekil 21. Zamana bağlı ivmelenme grafiği (CVT) Şekil 24. Zamana bağlı alınan yol grafiği (CVPST) 8

10 Tablo 3 incelendiğinde CVT sistemlerinin otomatik viteslere üstünlüğü açıkça görülmektedir. Özellikle ECE çevriminde CVPST sisteminin yakıt sarfiyatındaki iyileşme % 37 civarındadır. Şekil 26, 27 ve 28 incelendiğinde CVPST sisteminin OÇÇ ni diğer iki sisteme oranla daha iyi takip ettiği görülmektedir. Şekil 25. Zamana bağlı ivmelenme grafiği (CVPST) CVT li araçların karşılaştırılması yapıldığında, tork dönüştürücülü CVT sisteminin CVPST sisteminden daha iyi olduğu görülmektedir. Tork dönüştürücü kullanılması kalkıştaki ivmelenme performansı iyileştirdiği için böyle bir sonuç ortaya çıkmaktadır. Maksimum ivme açısından bakıldığında 3.5 m/s 2 lik değerle CVPST nin en düşük değere sahip olduğu, fakat simülasyon süresince ortalama ivme değerlerine bakıldığında CVPST nin otomatik vitese oranla daha iyi olmasının sebebinin bu ortalama olduğu görülmektedir. Şekil 26. Otomatik vites çalışma noktaları (ECE) Tablo 2. İvmelenme Performansı Simülasyon Sonuçları Otomatik Tork Dön.CVT CVPST km/s için gereken zaman (s.) km/s de alınan yol (m) Maks. Hız(km/s) Maks. Hız için gereken süre (s.) Maks. Hıza varmak için alınan yol (m.) Şekil 27. CVPST Çalışma noktaları (ECE) Verimi %100 ve transmisyon oran aralığı sonsuz genişlikte ideal bir aracın, üç transmisyon sistemi için ortalama yakıt sarfiyatı Tablo 3 te verilmiştir. Şekil 26 dan 31 e, kullanılan 95 kw lık motorun çalışma noktaları ve optimum çalışma çizgileri, kullanılan yakıt sarfiyatı haritasında gösterilmiştir. Tablo 3. Yakıt Sarfiyatı Simülasyonun Sonuçları Transmisyon Tipi Yakıt Sarfiyatı (l/100 km) Ideal Araç 5.5 (ECE) 5.8 (EUDC) Otomatik 11.6 (ECE) 10.5 (EUDC) CVT 11.3 (ECE) 10.7 (EUDC) CVPST 7.3 (ECE) 9.0 (EUDC) Şekil 28. Tork dönüştürücülü CVT çalışma noktaları (ECE) 9

11 EUDC çevriminde de CVPST sistemi % 14.5 luk yakıt tasarrufu ile en ekonomik sistemdir. Verim açısından bakıldığında, diğer sistemlerde değişme olmazken tork dönüştürücülü CVT sisteminin veriminin % 87.7 ye çıktığı görülmektedir. Fakat bu artış, bu sistemin diğer iki sisteme göre daha dar oran aralığına sahip olmasından dolayı sonuçlara yansımamaktdır. 4. SONUÇ Şekil 29. Otomatik vites çalışma noktaları (EUDC) Şekil 30. CVPST Çalışma noktaları (EUDC) Şekil 31. Tork dönüştürücülü CVT çalışma noktaları (EUDC) Sistemlerin verimleri incelendiğinde, tork dönüştürücülü CVT sisteminin % 78.8 civarında olan düşük veriminin, CVPST e oranla daha düşük oranda iyileşme sağlamasındaki ana neden olduğu görülmektedir. CVPST sistemin % 92.8 olan veriminin, % 96 olan otomatik vitesin veriminden daha düşük olmasında rağmen, OÇÇ ni takip edebilme yeteneği sayesinde yakıt tasarrufu sağlayabilmektedir. İki farklı düzenlemeden oluşan CVT sistemi ve bir otomatik vitesle donatılmış üç farklı aracın ivmelenme ve yakıt sarfiyatı performanslarının incelenmesi için bu sistemlerin simülasyon modelleri hazırlanmıştır. İvmelenme simülasyonu sonuçları incelendiğinde, CVT sistemlerinin sürekli değişken bir transmisyon oranı sağlamasının araç ivmelenmesinde de bir sürekliliğe yol açtığı görülmektedir. Bunun sonucu olarak otomatik vitesli araçlarda vites değişimleri sırasında ivme değerlerindeki değişim nedeniyle oluşan ve sürücü ve yolcuları rahatsız eden sarsıntılar ortadan kalkmaktadır. Ayrıca ivmelenme ve yakıt performansı açısından da CVT sistemleri otomatik vitese oranla daha iyi sonuçlar vermektedir. KAYNAKLAR [1] Kurosawa, M., Kobayashi, M. ve Tominaga, M., Development Of A High Torque Capacity Belt-Drive CVT With A Torque Converter, Society of Automotive Engineers of Japan, JSAE , [2] Birch, S., Audi Takes CVT From 15th Century To 21st Century, Automotive Engineering International, January [3] Lu, Z., Thompson, G.J., Mucino, V.H. ve Smith, J.E., Simulation of a Continuously Variable Power Split Transmission, SAE Technical Paper No , [4] Liu, S. ve Paden, B., A Survey of Today s CVT Controls, Proc. of the 36th IEEE Conference on Decision and Control, pp , [5] Simulink, Matlab v (R 12.1), The Math Works, Inc [6] Salaani, M.K. ve Heydinger, G.J., Powertrain And Brake Modeling Of The 1994 Ford Taurus For The National Advanced Driving Simulator, SAE Technical Papers No , [7] Singh, T. ve Nair, S.S., A Mathematical Review and Comparison of Continuously Variable Transmissions, SAE Technical Papers No , [8] Lu, Z., Mucino, V.H., Smith, J.E, Kimcikiewicz, M. ve Cowan, B., Design of Continuously Variable Power Split Transmission Systems For Automotive Applications, Proc. Instn. Mech. Engrs, Vol. 215 Part D: Journal of Automobile Eng., pp , [9] Mantriota, G., Infinitely Variable Transmissions With Automatic Regulation, Proc. Instn. Mech. Engrs, Vol. 215 Part D: Journal of Automobile Eng., pp ,