OTEKON 2012 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 04 05 Haziran 2012, BURSA AĞIR TĐCARĐ ARAÇLARDA EGZOZ FRENĐ KONTROL UYGULAMASI Uğur M. Yavaş *, Ertuğrul D. Akbay *, Ziya Caba *, Kazi N. Adil *, Ozan Nalcıoğlu * *Ford Otomotiv Sanayi, Ürün Geliştirme, Kalibrasyon ve Kontrol Mühendisliği, Gebze, Đzmit ÖZET Günümüzde ağır hizmet sektöründe kullanılan dizel motorlarının büyük çoğunluğu turboşarjlı hale gelmiştir. Motorun giriş manifolduna daha fazla hava emebilmek için kullanılan turboşarj ünitesi, egzoz gazlarının çevirdiği türbinin enerjisi ile, türbine paralel kompresörün giriş havasını sıkıştırmasını sağlar. Böylelikle silindirlere daha çok hava alınarak silindir hacmi değiştirilmeden motorun gücü arttırılır. Ağır hizmet sektöründe kullanılan araçların yüksek tork ve güç değerlerinden dolayı, binek araçlarda kullanılan frenlere ek olarak diğer frenleme metodları kullanılır. Bu metodlardan bir tanesi turboşarjlı araçlarda yaygınlıkla kullanılan egzoz freni sistemidir.bu çalışmada, Ford Cargo ağır hizmet araçlarında mekanik olarak çalışan bu fren mekanizmasının EKÜ ( Elektronik Kontrol Ünitesi) ile kontrol edilerek nasıl daha verimli kullanılacağı incelenmiştir. Egzoz freni, turboşarj türbin çıkışına konulan bir kelebek vananın kapatılarak, egzoz hattında oluşturulan ters-basınç ile önce türbin devrinin düşürülmesi ve buna bağlı olarak turbo basıncının düşmesi ile motor devrinin düşürülmesi prensibi ile çalışır. Bu noktada turboşarjın dayanabileceği maksimum ters basınç egzoz freninin kullanılacağı üst limiti belirler. Çalışmada, öncelikle Ford Cargo nun mevcut egzoz fren sisteminin hem araç hem de dinamometre testleri yapılarak; frenleme gücünün, motor devrine göre değişimi ve maksimum ters basınç dayanımı elde edilmiş, bu değerler doğrultusunda kontrol algoritması geliştirilmiş ve Dspace Micro Autobox ile araca uygulanmıştır. Anahtar kelimeler: Egzoz freni, ters basınç, microautobox EXHAUST BRAKE CONTROL METHOD IN HEAVY DUTY VEHICLES ABSTRACT In today s world, most of the heavy duty trucks are being turbocharged. Turbochargers help engine to suck more air to the same volume by compressing the intake air with the aid of exhaust flow which actuates turbocharger turbine at the exhaust path. Hence, having the same cylinder size, it becomes possible to gain more power. Due to high power and torque values of heavy duty trucks, in addition to service brakes used in passenger cars, there are other braking algorithms. Exhaust brakes are widely used with the turbocharged engines. In Ford Cargo, control of exhaust brake is mechanically conducted by the driver but this study suggests new method that controls exhaust brake by ECU ( Electronic Control Unit) while increasing the braking efficiency. Exhaust brakes consist of a butterfly valve located inside turbocharger turbine outlet and a compressor which is supplied with air. When exhaust brake is activated, there is a decrease at turbine speed, turbocharger compression ratio, boost pressure and finally engine speed. Exhaust backpressure is the main design and usage limit of the exhaust brakes. Hence, in this study, both vehcile and dyanmometer testing is done to find out best operating points then control model is developed and its implemented via Dspace Micro Autobox. Keywords: Exhaust brake, backpressure, microautobox 1
1. GĐRĐŞ Endüstride ağır ticari araçları binek araçlardan ayıran farklı fren sistemleri bulunur. Egzoz freni turboşarjlı dizel araçlarda sıklıklıkla kullanılan bir frenleme sistemidir. Pnömatik prensibi ile çalışan egzoz freninin, kompresörü basınçlandırılmış hava ile tahrik edilerek kelebek vana kapanır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta vananın aç/kapa prensibi ile çalışması ve kapandığı zaman egzoz hattını tamamiyle kapamasıdır. Bu sırada egzoz gazları sadece kelebek vanının içinde bulunan x mm çaplı deliklerden akarken, egzoz hattındaki bu sıkışma turboşarj türbin basıncının yükselmesine sebep olur. Türbinin çıkışında yükselen bu basınç türbin hızını, düşen türbin hızı, turbo kompresörünün emilen havayı sıkıştırma oranını düşürerek turbo basıncının da düşmesine sebep olur. Böylece motor devri düşürelerek frenleme yapılır. Egzoz freni aktif hale geldiğinde, sürüş güvenliğinin sağlanması adına, enjektörlerden motora yakıt püskürtülmemesi gerekmektedir. Zira enjektörlerin, egzoz freni devredeyken yakıt püskürtmesi durumunda, egzoz gaz akışında, egzoz hattı sıcaklıklarındaki artma turbo ünitesinin parçalanmasına yol açabilir. Egzoz freni aktivasyonunda genelde gaz pedalı gibi kritik durumların kontrolü otomatik yapılırken, bugün birçok araçda egzoz freninin kullanımı sürcünün insiyatifine bırakılır. Bu durum ağır ticari araçların taşıdığı yük ve tork göz önünde bulundurulduğunda tehlike teşkil eder. Zira egzoz frenini kullanmayı tercih etmeyen sürücü, fren balatalarının aşırı ısınmasına yol açarak ayak frenlerinin çabuk yıpranmasına yol açabilir. Bu durum göz önünde bulunduralarak bu çalışmada egzoz freninin, uygun koşullarda ayak freni ile birlikte otomatik olarak devreye girmesi önerilmektedir. Böylelikle, fren balatalarının ömrü uzayacak ve aracın frenleme kuvveti artırılacaktır. Şekil 1. Egzoz Freni 2. ARAÇ TESTLERĐ Egzoz fren kullanımnı sınırlayan temel etken, turboşarj türbin çıkışında oluşan geri-basınçtır. Her turboşarj ünitesinin farklı basınç dayanımı olmakla beraber; Ford Cargo ağır ticari araçlarda yüksek devirlerde maksimum ters-basınç değerlerine ulaşmak için enstürmantasyonu yapılmış araçlarla çeşitli testler koşulmuştur. Türbin çıkışının yanısıra, egzoz manifoldundaki, türbin giriş basınçları damontajı yapılan sensörlerle ölçülmüştür. Test profili olarak, araç yokuş aşağı giderken, gaz pedalı pozisyonu sıfırda iken yüksek motor devirlerinde egzoz freni aktive edilerek hem frenleme gücü hem de kritik basınç değerleri ölçülmüştür. Test sonuçları irdelendiğinde 2000 üstü motor devirlerinde, turboşarj ünitesinin dayanabileceği maksimum ters basınç değeri olan 4 bar a yaklaşılmaktadır. Test verileri incelendikten sonra, araç testinde elde edilen sonuçların hava şartları, yol koşulları, sürücü profili gibi birçok dış etkenden etklilenmesi de göz önünde bulundurularak motor dinamometresinde çalışmalara devam edilmesi kararlaştırılmıştır. 3. DĐNAMOMETRE TESTLERĐ Egzoz freni dinamo testleri ĐTÜ Otam AŞ motor dinamometresinde gerçekleştirilmiştir. Ford Cargo nun kullandığı 9 litre, direk enjeksiyonlu, turboşarjlı, euro 5 emisyon seviyesindeki Ecotorq motoru, Otam daki test bencine yerleştirilmiş. Araçlarda kullanılan egzoz freni protipi turbo dirseğine enstürmante edilmiş ve ardından fren kuvvetini ve kritik basınç değerlerini hesaplamak için çeşitli testler koşulmuştur. Đlk koşulan testte egzoz freni aktif değilken, motorun çalışma noktaları 600-2400 rpm arasındaki noktalarda, sıfır gaz pedalı pozisyonunda tarama yapılmıştır. Ardından egzoz freni aktive edilmiş, egzoz hattındaki vana kapatılmış, test tekrarlanmıştır. Bu şekilde her devirdeki basınç değişimleri ölçülmüştür. Şekil üçte görüldüğü gibi egzoz freninin kullanılması ile birlikte basınç değerleri büyük ölçüde artmaktadır ve bu durum yüksek devirlerde daha etkindir. Basınç değerleri incelendiğinde, araç testlerindeki değerlere yaklaşılsa da yine 2400 rpm de türbin çıkışı kritik değer 4 bar ın altında kalmıştır. Öte yandan motor dinamometresinde egzoz sisteminin tamamıyla çalışılmamakta, sustrucu sistemde bulunmamatadır. Dinamoda çıkan değerler araca uyarlandığında ters-basıncın susturucu gibi komponentlerden gelen basınçla 70 80 mbar artacağı düşünülerek, egzoz freni çalışma noktalarında maksimum devir 2400 olarak belirlenmiştir. 2
Şekil 4. Autobox genel şema Şekil 2. Türbin giriş ve çıkış basınçları egzoz freni aktifken ( kırmız-siyah), aktif değilken ( yeşil-mavi) Motor dinamometresinde koşulan diğer bir test te ise her motor devrine gidilerek bu noktada ani frenleme yapılmış, böylelikle egzoz freninin frenleme gücü ve torku ortaya çıkmıştır. Şekil 4 te dikkat edilmesi gereken nokta yüksek devirlerdeki yüksek frenleme performansıdır. Autobox ile araç üzerinde çalışmadan, kurulan model çeşitli test süreçlerinden geçirilmiştir. Her ne kadar kullanılan metodlar basite indirgenmiş olsa da, bugün otomotiv sektöründe kullanılan SIL ( Software in Loop) ve HIL ( Hardware in Loop) yapısını taşımaktır. Tasarlanan model, uygun test sinyalleri oluşturularak önce Simulink platformunda sadece yazılımsal olarak, ardından model autobox kontrolörüne yüklenerek ve autobox EKÜ bağlantısı yapılarak masaüstünde CAN hattı gibi donanımsal unsurlarla beraber test edilmiştir. Böylelikle araçta ilgili tesisat çalışmaları yapılırken, eş zamanlı yazılım testine imkan sağlanmıştır. Şekil 3. Motor devri, tork zaman ekseninde 4. MATLAB&SĐMULĐNK MODELĐ VE AUTOBOX UYGULAMASI Araç ve dinamometre testlerinin ardından egzoz freni kontrol modeli geliştirilmiştir. Buna göre egzoz freninin aktivasyon şartları değerlendirelecek, uygun koşullar sağlandığında sürücünün ayak frenine basmasıyla yada retarder kolunu indirmesi ile egzoz freni devreye girecektir. Aktivasyon koşulları ise motor devrinin ve araç hızının belirlenen alt ve üst limitler arasında olması, debriyaja basılmaması, gaz pedalına belirli bir oranın altında basılması ve ABS nin devrede olmamasıdır. Koşullardan herhangi birisi sağlanmadığında egzoz freni devreye girmeyecek, eğer zaten aktif ise de devreden çıkacaktır. Simulink te blok diyagramlarla model oluşturulmuş ardından araç üzerinde test yapabilmek için Dspace firmasının micro autobox ürünü kullanılmıştır. Micro autobox gerekli yazılımlar yüklendikten sonra Simulink ile uyumlu hale gelir. Simulink kütüphanesine eklenen özel bloklar ile dijital, analog veri alış verişi ve CAN hattına / hattından veri transferi gerçekleştirilebilir. 3 Şekil 5. Egzoz freni kontrol mekanizması Simulink modeli Araçta yapılan düzenlemelerde, önceden manuel olarak topukta bulunan butonla tetiklenen fren tesisatı değiştirilmiş, EKÜ den çıkacak kontrol sinyali ile bir röle sürülerek bu rölenin çıkış sinyali ile fren aktive edilmiştir. Ayrıca araç içersindeki panele, egzoz freni aktifleştiğinde yanacak bir LED ve basıldığında egzoz frenini ayak freninden ayıran, tekrar basıldığın birleştiren bir buton eklenmiştir. Ayrıca, retarder kol seviyesi de giriş olarak ECU ya beslenmiştir. Micro Autobox ile çalışılırken, direk autobox hafızasına bağlanılarak Simulink modelindeki bütün noktaların değerleri okunabilir ve kaydı alınabilir. Bunun yanında Dspace Control Desk programının kullanımın temel amacı veri kaydı değildir ve veri kayıt yetenekleri çok yüksek değildir. Bu nedenden ötürü modelde akışı etkileyen kritik parametreler CAN hattına yollanmıştır. Cargo araçlarında, SAE J1939 regülasyonuna uygun bir şekilde
CAN hattı kullanılır. Bu noktada modelin kullandığı hız bilgisi, motor devri gibi bilgiler zaten CAN veri tabanında bulunmaktadır ve veri tabanı dosyası ile herhangi bir CAN üzerinden veri kaydı yapan program ile ( INCA, ATI, VBOX...) bu parametreler takip edilebilir. Öte yandan, Simulink modelinde oluşturulan ve test esnasında takip edilmesi gereken parametreler, CAN veri tabanında kullanılmayan parametrelerin yerine kullanılmıştır. 5. SONUÇ Autobox bağlantısı yapılmış test aracı ile sürüşe çıkılmıştır. Bu sırada model parametreleri Dspace Control Desk ile takip edilmiş, EKÜ üzerindeki ve CAN hattındaki ilgili parametrelerin de Etas INCA programı ile kaydı alınmıştır. Bu noktada egzoz freninin durumunu CAN veri tabanındaki APKickDownSwitch, ve egzoz frenini ayak frenine bağlayan veya ayıran düğmenin basılma durumu CruiseControlOff parametresine yazılmıştr. Şekil 7 de görülmekte olduğu gibi, ayak frenine basıldığında, egzoz freni de ayak freni ile birlikte devreye girmektedir. Ortadaki değişken aktif olduğunda, egzoz freni ayak freninden ayrılmıştır ve görüldüğü gibi burada devreye alınmamaktadır. APKickdownSwitch\CAN-Monitoring: Şekil 8 de egzoz freninin pnömatik zaman sabitinden dolayı ayak freninden kısa bir süre sonra devreye girdiği görülmektedir. Ayrıca iki fren birlikte aktifken araç hızının düşüşü 1.2 saniyede yaklaşık 12 km/h olarak görülmüştür. Yapılan çalışmayı özetlemek istenirse, egzoz freninin etkili çalışma aralığı ve araçtaki diğer donanımların fiziksel dayanıklılık seviyleri araç ve dinamometre testlerinde belirlenmiş, egzoz freninin frenleme gücünü artırmak için belirli koşullarda ayak freni ile birlikte devreye girmesi önerilmiştir. Bu doğrultuda Simulink modeli hazırlanmış ve autobox ile araç üzerinde test edilebilir hale getirilmiştir. Yapılan araç testlerinde ise modelin tasarlandığı biçimde çalıştığı ve egzoz frenini arzulanan biçimde otomatik olarak devreye alıp, devreden çıkardığı gözlemlenmiştir.ayak freni ve egzoz freni birlikte devreye girdiğinde elde edilen arttırılmış frenleme gücü Ford Cargo ya daha uzun ömürlü fren tesisatı ve daha güvenli sürüş imkanı sunacaktır. CruiseControlOff\CAN-Monitoring: 1,2 0,6 1,2 BrakeSwitch\CAN-Monitoring:1 0,9 0,6 0,3 1130 1140 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1290 time [s] Şekil 7. Yukarıdan aşağıya egzoz freni, fren ayırma tuşu ve ayak freninin değişimi APKickdownSwitch\CAN-Monitoring: 2,5 2,0 tim e WheelBasedVehicleSpeed\CAN-Monit APKickdownSwitch\CAN-Monitoring: BrakeSwitch\CAN-Monitoring:1 s km /h 628,456 62,438 629,716 5 1,260-11,438 00 00 2,5 2,0 BrakeSwitch\CAN-Monitoring:1 120 WheelBasedVehicleSpeed\CAN-Monit [km/h] 90 60 30 0 627,0 627,5 628,0 628,5 629,0 629,5 63 63 63 63 632,0 time [s] Şekil 8. Egzoz freni ve ayak freninin araç hızına etkisi 4
5