otam aylık bülten

SAYI 45
MAYIS 2013
OTAM AYLIK BÜLTEN
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
MAYIS 2013
OTAM AYLIK BÜLTEN
Enerji Ekonomisi ve Çevre İçin Seyir Çevrimlerinin Önemi (birinci bölüm)
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..
Prof.Dr. Metin ERGENEMAN (*)
Güç ihtiyacı
Karayolu taşıtının seyir sırasında karşılaştığı direnç kuvvetleri ve bu direnç kuvvetlerini yenmek için gerekli tahrik kuvvetleri aşağıdaki şekildeki gibidir.
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
Taşıta etkili seyir dirençleri ve tahrik kuvvetleri
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
Bu kuvvetlerin dengesi taşıtı hızlandıracak veya yavaşlatacak net kuvveti verecektir.
Kuvvetler Dengesi:
Net Kuvvet = toplam tahrik kuvveti – toplam direnç kuvveti
= atalet direncini yenecek kuvvet
Toplam direnç kuvveti:
= aerodinamik direnç + yuvarlanma direnci + yokuş direnci
2
MAYIS 2013
OTAM AYLIK BÜLTEN
Enerji Ekonomisi ve Çevre İçin Seyir Çevrimlerinin Önemi (birinci bölüm)
Burada:
a [kg/m3]
cw [-]
A [m2]
V [m/s]
m [kg]
f [-]
[o ]
azaltmalar doğrudan harcanan gücü ve dolayısıyla tüketimi pozitif etkilemektedir.
 Taşıtın ivmesi ve yokuş eğimi güç ihtiyacına benzer biçimde hızla çarpılarak etki etmektedir.
Havanın yoğunluğu
Aracın aerodinamik direnç katsayısı
Aracın enine kesit alanı
Hız
Kütle
Yuvarlanma direnci katsayısı
Yokuş eğim açısı
Tüketim
Toplam yakıt tüketimi bir yandan seyir gücüne diğer taraftan güç başına birim zamanda tüketilen yakıt miktarına
(özgül yakıt tüketimi –g/kW saat-) bağlıdır.
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.
Be : Toplam yakıt tüketimi [l/100 km]
be : 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,
Ft teker kuvveti ile hızın çarpımı olmak üzere,
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.
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
Emisyonlar
Yakıt tüketimine benzer şekilde özgül emisyonlar da (g-CO/
kWsaat, g-HC/kWsaat, g-NOx/kWsaat, g-PM/kWsaat) motorun çalışma şartlarına ve seyir şartlarına bağlıdır. Şekilde bir
motorun CO, HC ve NOx 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
MAYIS 2013
OTAM AYLIK BÜLTEN
Enerji Ekonomisi ve Çevre İçin Seyir Çevrimlerinin Önemi (birinci bölüm)
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.
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.
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.
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].
Yeni Avrupa Seyir Çevrimi (NEDC)
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,
Amerikan Test Çevrimi (FTP 75)
4
MAYIS 2013
OTAM AYLIK BÜLTEN
Enerji Ekonomisi ve Çevre İçin Seyir Çevrimlerinin Önemi (birinci bölüm)
Bir motor haritasına taşınmış muhtelif çevrim çalışma noktaları.
KAYNAKÇA:
dolayısıyla gerçek tüketim ve emisyonları yansıtıp yansıtmaması o kadar da önemli olmayabilir. Ancak ülkelerin ve şehirlerin gerçek emisyon yükünü (CO2 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.
[[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.
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].
[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.
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.
[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
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.
[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
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.
[email protected]
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:
[email protected]
Faks: 0212 276 16 13
Web:
www.otam.com.tr
5