SAYI 45 MAYIS 2013 OTOMOTİV TEKNOLOJİLERİ ARAŞTIRMA GELİŞTİRME A.Ş. İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ VAKFI D eğerli Dostlarımız, OTAM ekibi olarak aylık bültenimizin 45. sayısını hazırlarken, başlangıç hedeflerimizden olan, Ulusal Otomotiv Ar-Ge sinin konu, alt yapı ve eleman envanteri çalışmasına katkı sağlamak üzere, otomotiv Ar-Ge kurum ve kuruluşlarının tanıtım yazılarının yayınlanmasını büyük ölçüde tamamlamış ve değerli platformumuz OTEP kanalıyla 2011 yılında birinci ve 2013 başında genişletilmiş ikinci baskılarını yapma ve sizlerle paylaşma olanağı da bulmuş olduğumuzu hatırlatmak isteriz. Bültenimizde bundan sonra OTAM daki gelişmeler ve Otomotiv Ar-Ge si ile ilgili önemli başlıklar konularındaki yazılara öncelik vermeyi planlıyoruz. Yine sizlerden gelecek istekler doğrultusunda Ar-Ge Kurum ve Kuruluş tanıtımlarına da, doğal olarak yer verilecektir. Ancak ağırlıklı olarak otomotiv çalışma konuları işlenecek olup bu sayımızda, konvansiyonel içten yanmalı motorlar açısından olduğu kadar yarının elektrikli araç uy- OTOMOTİV SANAYİİ DERNEĞİ TAŞIT ARAÇLARI YAN SANAYİCİLERİ DERNEĞİ OTOMOTİV ENDÜSTRİSİ İHRACATÇILAR BİRLİĞİ İÇİNDEKİLER TAŞIT AKUSTİĞİ SEMİNERİ Enerji Ekonomisi ve Çevre İçin Seyir Çevrimlerinin Önemi 1 2 gulamaları açısından da son derece büyük önem taşıyan, Enerji Ekonomisi ve Çevre İçin Seyir Çevrimlerinin Önemi konulu yazımızı sizlerle paylaşıyoruz. Değerli Hocamız Sayın Prof.Dr. Metin ERGENEMAN ın hazırladığı yazı, bültenlerimizde birkaç bölüm halinde sunulacaktır. Saygılarımızla, OTAM Ekibi
Prof.Dr. Metin ERGENEMAN (*) O tomotiv teknolojilerinde, özellikle küresel ısınmaya karşı önlem olarak senelerdir gündemin en ön sıralarında olan karbon ekonomisi ile ilgili büyük gelişmeler yaşanmaktadır. Bütün zararlı egzoz gazı emisyonlarının yanında sera gazlarının en önemlisi olan karbondioksitin salımının da azaltılması doğrudan enerji tüketiminin düşürülmesine bağlıdır. Bu açıdan bakınca küresel ısınma gerçeğinin, beklenenden önce gündeme getirdiği hibrid ve özellikle elektrikli araçlarda da enerji ekonomisi, üzerinde en yoğun çalışılan başlıklardan biri olmuştur. Bunlara paralel olarak, aracın kullanım biçimini ifade eden ve gerek tüketilen enerji, gerekse salınan zararlı egzoz gazlarının miktarları ile birinci dereceden ilgili olan Seyir Çevrimleri konusundaki araştırmaların önemi de giderek artmaktadır. Bu yazıda seyir çevrimleri ele alınarak, niçin ve nasıl kullanıldıkları, ne gibi eksikleri barındırdıkları ve yarın için enerji tüketimini azaltmak üzere nasıl bir rol oynayabilecekleri irdelenmektedir. Niçin seyir çevrimleri Trafik Taşıtlar içinde seyir şartları en düzensiz olanı (hatta bazen hiç öngörülebilir olmayanları) karayolu araçlarıdır. Gerek taşıma rotalarının çeşitliliği, gerekse bu rotalar üzerindeki seyir şartlarının dinamikliği dikkate alındığında bu araçların seyir parametrelerinin (güç ihtiyacı, yakıt tüketimi, emisyonlar vb.) analizi ve bu analizlere dayanılarak bir değerlendirme etüdü, bir yandan zahmetli, diğer yandan ise yüksek hatalı hale gelmektedir. Hele binek taşıtlarının, otomobillerin şehir içindeki hareketleri ve buna bağlı olarak seyir şartlarının doğru olarak önceden hesaplanabilmesi, en gelişmiş analiz metotları kullanılsa bile, hemen hemen imkansızdır. Burada özellikle sürücü davranışlarının çeşitliliği ve insan davranışı olarak tahmin edilemezliği, en büyük rolü oynamaktadır. İnsan davranışları yoğun olmayan bir trafikte olayları toptan değiştirecek kadar etkili olmamakla birlikte, sınır şartlarına yaklaşan trafikte tam bir kaos ortamı yaratacak etki boyutuna ulaşmaktadır. Hatta bu durumlarda bilinen kaos teorileri bile olayı matematiksel olarak anlamayı sağlayamamaktadır. Bu zorluğu bir miktar olsun yenmenin yolu seyir olayını basitleştirerek belli kalıplara sokmak ve daha sonra analizleri bu seyir modelini kullanarak yapmaktır. Burada seyir modelinin oluşturulması, analizi istenen hususlara bağlı olarak bazı incelikler gerektirecektir. Aksi takdirde, hemen her parametrenin birlikte analizini imkânlı kılan seyir modelinin, gerçek durumu yansıtmadaki doğruluğu tehlikeye girecektir.. Güç ihtiyacı Karayolu taşıtının seyir sırasında karşılaştığı direnç kuvvetleri ve bu direnç kuvvetlerini yenmek için gerekli tahrik kuvvetleri aşağıdaki şekildeki gibidir. Taşıta etkili seyir dirençleri ve tahrik kuvvetleri Bu kuvvetlerin dengesi taşıtı hızlandıracak veya yavaşlatacak net kuvveti verecektir. Kuvvetler Dengesi: Net Kuvvet = toplam tahrik kuvveti toplam direnç kuvveti Toplam direnç kuvveti: = atalet direncini yenecek kuvvet = aerodinamik direnç + yuvarlanma direnci + yokuş direnci 2
Burada: a [kg/m 3 ] Havanın yoğunluğu c w [-] Aracın aerodinamik direnç katsayısı A [m 2 ] Aracın enine kesit alanı V [m/s] Hız m [kg] Kütle f [-] Yuvarlanma direnci katsayısı [ o ] Yokuş eğim açısı Direnç kuvvetlerinin yukarıda görüldüğü gibi matematiksel olarak hesaplanması mümkün olmakla birlikte, bu kuvvetleri karşılayacak olan tahrik kuvveti için böyle analitik bir yaklaşım mümkün değildir. Tahrik kuvvetinde, motor moment karakteristiğinden hareketle teker kuvvetinin adım adım numerik olarak hesaplanması gereklidir. azaltmalar doğrudan harcanan gücü ve dolayısıyla tüketimi pozitif etkilemektedir. Taşıtın ivmesi ve yokuş eğimi güç ihtiyacına benzer biçimde hızla çarpılarak etki etmektedir. Tüketim Toplam yakıt tüketimi bir yandan seyir gücüne diğer taraftan güç başına birim zamanda tüketilen yakıt miktarına (özgül yakıt tüketimi g/kw saat-) bağlıdır. B e : Toplam yakıt tüketimi [l/100 km] b e : Özgül yakıt tüketimi [g/kwsaat] Kuvvetler dengesi halinde oluşan stabil çalışma noktaları Stabil çalışma noktaları, kullanılan dişli çevrim oranlarına (vites kademeleri) bağlı olarak tahrik ve direnç kuvvetlerinin dengesi ile belirlenecektir. Bu sıradaki güç [kw] ihtiyacı ise, F t teker kuvveti ile hızın çarpımı olmak üzere, bağıntısı ile hesaplanabilmektedir. Ekonomiklik ve seyir çevrimleri açısından bu bağıntıdan yola çıkarak ifade edilebilecek hususlar: Hız doğrudan güç ihtiyacını belirleyen bir faktör olarak tüketimde çok önemli bir unsurdur. Aerodinamik direnci yenmek için gerekli güç hızın 3. kuvveti ile artmaktadır (yüksek hızla seyretmek yakıt ekonomisini kötü etkilemektedir). Örneğin 120 km/saat sabit hızla sereden bir binek aracının tüketimi 6,3 l/100 km (bunun %79 i aerodinamik direnç nedeniyle) iken, aynı taşıt 150 km/saat hızda 11/l 100 km (bunun %87 si aerodinamik direnç nedeniyle), %75 daha fazla yakıt tüketmektedir. Aerodinamik direnç dışındaki kuvvetler taşıt kütlesi ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla taşıt ağırlığında yapılacak İçten yanmalı motorun yakıt tüketimi haritası Gerek özgül yakıt tüketiminin motorun çalışma noktasına (dönme sayısı, moment) bağlılığı gerekse güç ihtiyacının seyir şartlarına bağlılığı tüketimi lineer olmayan bir bağımlı değişken haline getirmektedir. Emisyonlar Yakıt tüketimine benzer şekilde özgül emisyonlar da (g-co/ kwsaat, g-hc/kwsaat, g-no x /kwsaat, g-pm/kwsaat) motorun çalışma şartlarına ve seyir şartlarına bağlıdır. Şekilde bir motorun CO, HC ve NO x haritaları örnekleri verilmiş olup, emisyon dağılımlarının formları, analitik yaklaşımın mümkün olmadığını açıkça göstermektedir. Bu nedenle doğru miktar ancak taşıtın seyri boyunca yapılacak adım adım integrasyonla bulunabilir. Yakıt tüketiminde olduğu gibi burada da probleme hakimiyet bir ölçüde belli kalıplara sokulmuş seyir modelleri (seyir çevrimleri) ile mümkün olabilmektedir. 3
İçten yanmalı motorun örnek emisyon haritaları Çevrim tipleri Basit ve kompleks çevrimler: Seyir çevrimleri genel olarak kullanım amacına göre iki tipe ayrılmaktadır; Üretimlerin tip onayı alabilmeleri için yakıt tüketimi ve emisyonların standart ve dolayısıyla karşılaştırılabilir ölçütlerle belirlenmesi için kullanılan standart (yasal) çevrimler ve ülkeler, şehirler veya taşıt tipleri (şehir içi yolcu, yük vb. taşımacılığı) özelinde, standart olmayan ve yakıt tüketimi ve kirletici emisyonlar veya hibrid uygulamaları için araştırma ve geliştirme amaçlı kullanılan çevrimler. Birinci gruba örnek Yeni Avrupa Seyir Çevrimi (New European Driving Cycle), Amerikan Test Çevrimi (Federal Test Procedure FTP 75-), 10-15 modlu Japon çevrimi vb. verilebilir. Yeni Avrupa Seyir Çevrimi (NEDC) Amerikan Test Çevrimi (FTP 75) İstanbul Seyir Çevrimi (İTÜ Otomotiv Grubu 2009)[1], [2] İkinci gruba örnekler ise, Braunschweig, Hong Kong, Sidney, İstanbul vb. şehir çevrimlerdir. Yapay ve Transient çevrimler: Sınıflamada bir diğer çeşit ise çevrimlerin oluşturulma metotları ile ilgidir. Bazı çevrimler (Yeni Avrupa Seyir Çevrimi gibi) çeşitli seyir modlarının (hızlanma, sabit hız, yavaşlama, durma vb. gibi) belli bir seçimle arka arkaya eklenmesi ile oluşturulurlar. Tabi bu modlar istatistiksek verilerin değerlendirilmesi ile oluşturulmuştur. Ama hızlanmalar ve yavaşlamalar genellikle lineerdir ve çeşitli seviyelerde olmakla birlikte belli süreler içinde hızlar sabittir. Bu tür çevrimler gerçek dünyada karşılaşılan sert hızlanma veya yavaşlamaları içermezler. İkinci grup çevrimler ise, değişken hızlar, hızlanma ve yavaşlamalardan oluşan ve gerçek seyir şartlarını nispeten gerçekçi olarak yansıtan dinamik (transient) çevrimlerdir (FTP 75, İstanbul Şehir Çevrimi vb. gibi). Bunların oluşturulması daha çok istatistiksel veriye ve daha zahmetli bir prosedüre ihtiyaç gösterse de, gerçek seyir şartlarını daha iyi yansıtmakta, yer yer daha agresif hızlanma ve yavaşlamaları içermekte ve gerek yakıt tüketiminde, gerekse emisyonlarda daha doğru sonuçlar vermektedir [1]. Belli bir şehre özgü çevrimlerin önemi Enerji, emisyon ve motor kalibrasyonu optimizasyonu ve Tip onaylarında kullanılmak üzere oluşturulan ve standart testlerin yapılmasında kullanılan çevrimler daha ziyade karşılaştırma amacıyla kullanıldıkları için gerçek seyir şartlarını, 4
Bir motor haritasına taşınmış muhtelif çevrim çalışma noktaları. dolayısıyla gerçek tüketim ve emisyonları yansıtıp yansıtmaması o kadar da önemli olmayabilir. Ancak ülkelerin ve şehirlerin gerçek emisyon yükünü (CO 2 emisyonu, dolayısıyla yakıt tüketimi dahil) belirlenmesi söz konusu olduğunda bu çevrimlerin yetersiz kalacağı açıktır. Bu nedenle ister genel trafik şartlarını isterse şehir veya şehir bölgesi bazında seyir şartlarını yansıtabilen çevrimlere ihtiyaç vardır. Örneğin Edinburg Şehir Çevriminde hızlanma ve yavaşlama süreleri tüm çevrimin %60 ını bulurken bu süre Avrupa seyir çevriminde sadece %30 kadardır [2]. Benzer şekilde Atina seyir çevriminin Azot Oksitler açısından Avrupa çevrimine göre %300 daha fazla emisyon ürettiği belirlenmiştir [3]. Gerçek yol şartlarının doğuracağı emisyonların ve yakıt tüketiminin standart seyir çevrimleri ile simule edilemeyeceğine dair bir diğer örnek de, yolda yapılan ölçümlerin (2000 yılında Belçika ve İspanya da), Avrupa çevrimine göre, 10 misline kadar daha yüksek CO ve NOx üretilmekte olduğunu göstermesidir [4]. Yakıt tüketiminde ise fark %10-20 arasındadır. Bu çevrimler aynı zamanda araç tipine (otobüs, hafif ticari araç, dağıtım ve servis araçları vb) göre de farklıdır. Eğer gerçek bir optimizasyon yapılacaksa bölge ve araç bazında seyir (motor çalışma) şartlarının bilinmesine gerek vardır. Aşağıda, şehir ve taşıt cinsi bazında araştırma ve optimizasyon amaçlı kullanılabilecek çevrimlere (motor haritasına taşınmış çalışma noktalarına) örnekler verilmiştir. Bir motor haritasına taşınmış muhtelif çevrim çalışma noktaları. Bu resme bakılarak yapılabilecek bir ilk yorum, örneğin, otobüslerin yoğunluklu olarak yüksek yük ve düşük tüketim bölgesinde çalıştığı, dolayısıyla bunlarda seri hibrid uygulamasının daha uygun olacağı yönündedir. KAYNAKÇA: [[1] Ergeneman, M., Soruşbay, C. and Göktan, A.G., Estimation of Greenhouse Gas Emissions Related to Urban Driving Patterns, ICAT 2010, Int Conference on Energy and Automotive Technologies, Four Seasons Hotel, Istanbul, 5th November 2010. [2] Dinç, C., Soruşbay, C., Ergeneman, M., Göktan, A.G., Development of a Driving Cycle for the Estimation of Vehicle Emissions, OTEKON 2012, 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Bursa, 4 5 Haziran 2012. [3] Ergeneman M., Sorusbay C., Goktan A., Development Of a Driving Cycle From Road Traffic Measurements For The Prediction Of Pollutant Emissions and Fuel Consumption, Int Journal of Vehicle Design, Vol. 18, No. 3/4,1997. [4] Booth-Esteves A., Muneer T., Kirby J., Kubie J., Hunter J., The measurement of vehicular driving cycle within the city of Edinburgh, Transportation Research Part D 6 (2001) 209-220 [5] Tzirakisi E., Pitsas K., Zannikos F., Stournasi S., Vehicle emissions and driving cycles: Comparison of the Athens driving cycle (ADC) with ECE-15 and European Driving Cycle (EDC), Global NEST Journal, Vol 8, No 3 (2006), 282-290 [6] Pelkmans L., Debal P., Comparison of on-road emissions with emissions measured on chassis dynamometer test cycles, Transportation Research Part D 11 (2006) 233 241 (*) ergene@itu.edu.tr Makalenin ikinci bölümü bir sonraki bültenimizde yayınlanacaktır. İletişim Bilgileri : İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Yerleşkesi, Motorlar ve Taşıtlar Laboratuarı, OTAM A.Ş. 34396 Maslak / İstanbul Tel: 0212 276 16 12 Eposta: info@otam.com.tr Faks: 0212 276 16 13 Web: www.otam.com.tr 5