BUJ ATE LEMEL MOTORLARDA S L ND R Ç BASINÇ DE M N N MATLAB GUI KULLANILARAK MODELLENMES

Transkript

1 BUJ ATE LEMEL MOTORLARDA S L ND R Ç BASINÇ DE M N N MATLAB GUI KULLANILARAK MODELLENMES Ayden Sehhat IGDIR 1, M. Akif CEV Z 1, Abdussamet SUBA I 2 1 Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisli i Bölümü, Telefon: (442) , Faks: (442) , e-posta: aceviz@atauni.edu.tr, aydensehhat@yahoo.com, 2 Yalova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisli i Bölümü, Telefon: (226) / 5575, Faks: (226) , e-posta: asubasi@yalova.edu.tr ÖZET Yanma odası içerisindeki basınç ile krank mili açısı de i iminin elde edilmesiyle ara tırmacılar birçok parametre hakkında rahatlıkla bilgi üretebilirler. Bu veriler deneysel yöntemler dı ında iki farklı termodinamik analiz yöntemi ile üretilebilir; tek bölgeli ve iki bölgeli termodinamik modeller. Tek bölgeli modellerde yanmı ve yanmamı gazlar tek bölge gibi dü ünülür. Bu modeller nispeten daha basittir ve yanma odası sıcaklı ı ve yanma odasında yanma prosesi boyunca açı a çıkan kimyasal enerji hesaplanabilir. Silindir içi basıncın bir di er kullanım alanı ise e itim faaliyetleridir. Lisans veya lisansüstü seviyede çten Yanmalı Motorlar derslerinde, silindir içi basıncın, motor çalı ma ve yapısal parametreleri ile de i imi konusunun izahı ö retim üyelerini zorlayan bir ba lıktır. Bu çalı mada, tek bölgeli termodinamik buji ate lemeli motor çevrimi modeli kullanılmı tır. Diferansiyel denklemler MATLAB kullanılarak çözülmü tür. Ardından, bazı parametrelerin motor basınç çevrimi üzerindeki etkilerinin ö retiminde kullanılmak üzere kullanımı kolayla tırmak ve interaktif hale getirmek için MATLAB in Grafiksel Kullanıcı Arayüzü kullanılarak bir program hazırlanmı tır. Son olarak, olu turulan program ile sıkı tırma oranının silindir içi basınç ve indike verim üzerindeki etkileri incelenmi tir. Anahtar Kelimeler: çten yanmalı motorlar, Çevrim modeli, Matlab, Grafiksel kullanıcı arayüzü (GUI) ABSTRACT From getting the pressure-crank angle history in the combustion chamber in an internal combustion engine, the researchers are capable of achieving information of a variety of parameters. This information can be achieved in two different ways except for experimental methods, namely one-zone and two-zone thermodynamic models. In the one-zone models, the burned and unburned gases are treated as one. This type of models is relatively simple and from one-zone models one can drive information about the bulk temperature and the chemical energy released by the combustion processes in the combustion chamber. Another using area of in-cylinder pressure is educational activities. In under graduate or graduate level Internal Combustion Engine courses, the variation of in-cylinder pressure with engine operating or structural parameters is a very important subject that it can be challenging for instructors. In this study a one-zone thermodynamic SI engine cycle model was used. The differential equations were solved using by MATLAB. Then, a user friendly Graphical User Interface (GUI) program was developed for teaching the effects of some parameters on engine pressure cycle. Lastly, the effects of compression ratio on in-cylinder pressure and indicated efficiency were examined by GUI program. Keywords: Internal Combustion Engines, Cycle model, Matlab, Graphical user interface (GUI) 1. G R Efektif güç, ortalama efektif basınç ve özgül yakıt tüketimi gibi motor performans karakteristiklerini belirlemek ve çalı ma parametrelerinin bu 896

2 karakteristikler üzerindeki etkilerini incelemek için iki tür yöntem bulunmaktadır. 1. Motor deneyleri: Üzerinde çalı ılacak motor dinamometreye ba lanır. Gerekli ölçümler yapılarak motor performans karakteristikleri hesaplanır. 2. Yakıt-hava çevrimi analizi: Motor çevrimi; emme, sıkı tırma, yanma, geni leme ve egzoz gibi proseslere ayrılır. Dönü üm denklemleri, fiziksel olaylarla ilgili ampirik e itlikler ve yanma ile ilgili denklemler kullanılarak bu prosesler modellenir ve birle tirilerek motor performans karakteristiklerinin hesaplanması için tam bir motor çevrimi simülasyonu elde edilir. çten yanmalı motor performans karakteristikleri üzerinde farklı çalı ma parametrelerinin etkilerini incelemek amacıyla yapılan deneylerde kullanılan deney düzeneklerinin ve deneylerin maliyeti oldukça yüksektir. Ayrıca, bazı parametrelerin ölçümünün neredeyse imkânsız olu u, deneylerin do ruluk testlerinin zor olması ve her bir parametrenin etkisinin ayrı ayrı incelenmesi için oldukça detaylı çalı malar yapılması gereklidir. Bu yüzden, deneysel çalı maların olumsuzluklarını kar ılayabilecek teorik çalı maların esas alınmasının daha yararlı olaca ı görülmektedir. Günümüzde dünyanın birçok yerinde ara tırmacılar ve üretici firmalar kendi modellerini kullanarak motor ve motor sistemlerinin performans testlerini, daha üretime geçmeden yaparak zaman ve maliyet açısından avantaj elde etmektedirler. Teknolojilerindeki hızlı geli im ile beraber karma ık simülasyon tekniklerinin kullanımına olanak sa layan bilgisayarlar, motor sistemlerindeki temel proseslerin etkilerini ayrıntılı olarak inceleme imkanı vermi tir. Bu geli melerin, günümüz otomotiv motorlarında sa lanan yeniliklerin gerçekle mesindeki payı büyüktür. çten yanmalı buji ate lemeli motorların performansı, yanma odası ve piston ba ı arasında meydana gelen olaylardan büyük oranda etkilenmektedir; ancak bu etkile im birçok faktöre ba lıdır. Bu faktörler arasında; yanma odası ve silindir ba ı konfigürasyonu, silindire giren taze dolgunun akı özellikleri (emme hattı ve emme supaplarının boyut, ekil, yerle im, dönme ve zamanlaması), ate leme zamanı ve buji pozisyonu, sıkı tırma oranı, yakıt özellikleri, karı ım hazırlama yöntemleri, egzoz gaz resirkülasyonu, yanma odası duvarları ve pistonların so utulma dereceleri, gibi parametreler sayılabilir. Bilgisayar teknolojisindeki hızlı geli im, motorlarda meydana gelen proseslerin modellenerek yukarıda verilen faktörlerin etkilerinin ayrıntılı bir ekilde incelenmesine olanak tanımı tır. Ortaya konulan model ile deney yapmadan motor performansı belirlenebilmekte ve deneysel olarak ölçülmesi zor olan parametrelerin de erleri hesaplanabilmektedir. çten yanmalı motorlar için kurulan matematiksel modeller termodinamik ve boyutlu modeller olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Termodinamik modeller tek ve çok alanlı, boyutlu modeller ise tek ve çok boyutlu modeller olmak üzere kendi içlerinde iki gruba ayrılabilir. Bu çalı mada, buji ate lemeli bir motor için tek bölgeli termodinamik esaslı matematiksel basınç çevrimi modeli olu turulmu tur. Bu modele ait diferansiyel denklemler, MATLAB* ortamında çözülmü tür. Ardından MATLAB Graphical User Interface (GUI) kullanılarak, motor çalı ma parametrelerinin farklı de erleri için silindir içi basınç de i imi ve farklı motor çalı ma parametreleri için motor performans karakteristiklerinin de i imi grafikler üzerinden incelenmi tir. Olu turulan kullanıcı arayüzü sayesinde özellikle lisans e itimi esnasında, çalı ma parametrelerinin motor performans karakteristiklerine etkileri çok daha kolaylıkla ve hızla anlatılabilecektir. * MATLAB, The MathWorks, Inc. nın tescilli bir ürünüdür. 2. ÇEVR M MODEL deal gaz hal denklemi a a ıdaki ekilde yazılabilir: (1) E.(1) de her iki tarafın logaritması alınır ve ardından krank mili açısına göre diferansiyeli alınırsa E.(2) elde edilir. (2) Sabit özgül ısı artıyla ideal gazlar için diferansiyel formda termodinami in birinci kanunu, (3) eklinde ifade edilebilir. E.(3) ün sol tarafı ye sa tarafı ise ye bölüp yeniden düzenledi inde E.(4) elde edilir. 897

3 (4) E.(4) te, özgül ısılar oranını göstermektedir. E.(3) ile E.(4) birle tirilip dönü ümü yapı ırsa E.(5) elde edilir. (5) E.(5) te, krank miline ba lı olarak kütlesel yanma oranını göstermektedir ve literatürde ço unlukla Wiebe fonksiyonu (E.(6)) ile ifade edilmektedir. (6) E.(6) da Burada, yanma ba langıcını (ate leme avansını),, ise toplam yanma sürtesini göstermektedir. a ve m parametreleri ise ço unlukla sırayla 5 ve 2 olarak alınmaktadır (Heywood, 1988). Sistem tarafından yapılan i E.(7) ile hesaplanabilir. (7) E.(7) de krank mili açısı ve silindir hacmi E. (8) deki ifade ile hesaplanabilir. (8) E.(8) de D silindir çapını, S stro u, C sıkı tırma oranını, R krank yarıçapını, L biyel kolu uzunlu unu göstermektedir (Abd Alla, 2002). Silindir içi basıncın farklı motor parametreleri ile de i imini görebilmek ve ardından i i hesaplayabilmek için E.(5) ve E.(7) MATLAB in ode23 fonksiyonu kullanılarak krank mili açısına göre çözdürülmü tür. 3. MATLAB ve GUI MATLAB, bilim insanları ve mühendislerin, matrislere dayalı problemleri program yazmaksızın çözebilmelerini sa lamak amacıyla tasarlanmı bir sayısal çözümleme programıdır. smi, MATris LABoratuarı kelimelerinin ilk hecelerinin birle tirilmesiyle olu mu tur. MATLAB bir yorumlayıcıdır; yani, daha ziyade el tipi hesap makinalarına benzer bir tarzda, program çalı tırılırken ekranda da aynı anda sonuçları görmek mümkündür. Neticede di er dillerde oldu u gibi derlemeye ihtiyaç yoktur. Fakat MATLAB ın programlamaya da izin vermesi, yüksek düzeyde bir programlama dili olarak da kullanılabilmesine yol açmı tır. MATLAB ın gücü, yalnızca etkile imli bir ara yüze sahip olmasından de il, aynı zamanda yüksek performanslı bilimsel/matematiksel alt programlar koleksiyonuna ve güvenilir bir algoritmik temele sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, MATLAB kullanıcılara bir grafiksel kullanıcı ara yüzü ve grafik animasyon kabiliyeti de sunmaktadır. MATLAB, Optimization Toolbox (Optimizasyon Control System Toolbox (Denetim Sistem Neural Network Toolbox (Yapay Sinir A ı Fuzzy Logic Toolbox (Bulanık Mantık gibi giderek artan sayıda özelle mi araç kutularını içeren ve hâlâ geli mekte olan bir paket programdır. Bu araç kutuları, kullanıcılara uzmanlık alanlarındaki uygulamalarının her birinde geni imkânlar sa lamaktadır (Gündo du vd, 2003). MATLAB Grafiksel Kullanıcı Arayüzü, di er bir söylemi ile MATLAB GUI, MATLAB programcısı tarafından hazırlanan grafik tabanlı uygulamaların, son kullanıcıya fare ve klavye arabirimi ile interaktif olarak hitap etmesini sa layan bir platformdur. MATLAB GUI uygulamalarının gereklili inin temel sebeplerinin ba ında, günümüzde hazırlanan uygulamaların grafik tabanlı olu u ve bu uygulamaların son kullanıcı tarafından kullanım kolaylı ına sahip olması gelmektedir. Bunun yanı sıra MATLAB GUI, m-dosya ve m- fonksiyon hazırlayabilen herkes tarafından olu turulacak kadar kolay bir esnekli e sahiptir. MATLAB GUI altında i yapan komut yapısı ile daha önceden bilinen komut yapıları arasında bir fark yoktur (Uzuno lu vd, 2003). 4. OLU TURULAN ARAYÜZ ekil 1 de MATLAB GUI de olu turulan GUI figür yüzeyi görülmektedir. Olu turulan figür, üç farklı motor konfigürasyonu için girdi parametrelerinin yazılaca ı statik ve edit text ler, iki adet grafi in çizdirilece i axes ler ve hesaplama yaptırabilmek için gerekli olan bir adet pushbutton dan olu maktadır. 898

4 5. SAYISAL SONUÇLAR Bu bölümde, olu turulan bu GUI ile sıkı tırma oranının silindir içi basıncı ve motor termal berimi üzerindeki etkileri incelenmi tir. ekil 1. MATLAB GUI figür yüzeyi ekil 1 deki arayüz olu turulup, arayüzde yar alan her bir gui objesine i levsellik kazandırmak için gerekli kodlar yazılıp arayüz çalı tırıldıktan sonra ekil 2 de görülen pencere açılmaktadır. Girdi parametreleri olarak; ate leme avansı, yanma süresi, özgül ısılar oranı ve sıkı tırma oranı parametreleri bu ekrandan, üç farklı motor için girilebilmektedir. stenen de erler kar ılık gelen bo luklara yazıldıktan sonra Calculate butonu tıklandı ında MATLAB ilgili fonksiyonlar ile diferansiyel denklem takımlarını çözmekte ve her bir motora ait indike verim de erlerini kar ılık gelen bo luklara yazmaktadır. Ardından arayüzün en altına bulunan iki adet grafik çizdirilmektedir. Bu grafiklerden birincisi silindir içi basınç-krank mili açısı de i imini, ikincisi ise indike i -krank mili açısı de i imini göstermektedir. Bu iki grafik sayesinde girdi parametrelerinin tüm zamanlar boyunca silindir içinde nasıl de i iklere neden oldu u rahatlıkla görülebilmektedir. Ayrıca her bir motora ait veriler üst üste çizdirildi i için motorlar arasında rahatlıkla kar ıla tırma yapılabilmektedir larda buji ate lemeli motorlarda 5:1 veya 6:1 de erinde sıkı tırma oranı kullanılırken günümüz konvansiyonel motorlarında bu de er 10:1 e kadar çıkarılmı tır (Abd Alla, 2002). Gerçek motor çevrimlerinde motor performansı ve veriminin sıkı tırma oranı ile arttı ı bilinmektedir. Ancak, geometrik sıkı tırma oranı (maksimum silindir hacminin minimum silindir hacmine oranı) rahatlıkla tanımlanırken gerçek sıkı tırma ve geni leme prosesleri, supap zamanlamasına ve supapların açılma ve kapanması esnasındaki akı proseslerine ba ımlıdır. Ayrıca, sıkı tırma oranı artı ı yakıtın oktan kalitesi ve vuruntu ile de sınırlanmaktadır (Heywood, 1988). Sıkı tırma oranının motor karakteristiklerine etkisini incelemek için üç farklı sıkı tırma oranı de eri (9, 10, 11) program çalı tırılarak sonuçlar gözlenmi tir. ekil 3 de farklı sıkı tırma oranı de erleri için basınç-krank mili açısı ve indike i krank mili açısı de i imleri görülmektedir. Bu hesaplamalar için ate leme avansı 20ºKMA (ÜÖN dan önce), yanma süresi 40ºKMA ve özgül ısılar oranı1.4 olarak alınmı tır. Sıkı tırma oranının 9, 10 ve 11 olması durumları için indike motor verimi sırayla , ve olarak hesaplanmı tır. Bu durum artan sıkı tırma oranının motor termal verimini de artıraca ını göstermektedir. Ayrıca silindir içi basıncı ve indike i de i imlerinin verildi i grafikler incelendi inde sıkı tırma oranı arttıkça silindir içi basıncın ve yanma zamanının sonunda indike i in arttı ı görülmektedir. Ancak ilgili grafik detaylıca incelendi inde sıkı tırma oranının artması durumunda sıkı tırma i inin de arttı ı görülebilir. 6. SONUÇLAR ve ÖNER LER ekil 2. MATLAB GUI kullanıcı arayüzü 1. Olu turulan kullanıcı arayüzü, lisans ve lisansüstü seviyede içten yanmalı motorlar derslerinde, farklı motor parametrelerinin etkilerinin anlatılmasında rahatlıkla kullanılabilir. 2. Ancak, silindir çapı, strok, biyel kolu uzunlu u gibi birçok konstüktif parametre ve devir sayısı, hava fazlalık katsayısı gibi birçok çalı ma parametresi de eklenerek program geli tirilebilir. 3. Kullanılan matematiksel model çok alanlı hale getirilerek yanmı -yanmamı bölgelerdeki de i imler incelenebilir. 899

5 4. gazı olarak sadece hava de il, ilgili yanma denklemleri de çözdürülerek yakıt hava karı ımı kullanılabilir. 5. Bu çalı mada buji ate lemeli motor çevrimi kullanılmı tır. Benzer ekilde dizel motorları için de matematiksel modeller kurularak çalı malar yapılabilir. 7. KAYNAKLAR Abd Alla G.H., Computer simulation of a four strokes park ignition engine, Energy Conversion and Management, 43, , Gündo du Ö., Kopmaz O., Ceviz.M.A.,Mühendislik ve Fen Uygulamalarıyla MATLAB, Paradigma Akademi, Heywood J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Co., Uzuno lu M., Kızıl A., Onar Ö.Ç., Her Yönü ile MATLAB, Türkmen Kitabevi, ekil 3. Farklı sıkı tırma oranı de erleri için sonuçlar 900