Hava Soğutmalı Motorlarda Soğutucu Fanın Kontrolü

Hava Soğutmalı Motorlarda Soğutucu Fanın Kontrolü

EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE
Hava Soğutmalı Motorlarda Soğutucu Fanın Kontrolü: Elektromanyetik
Kavrama Modeli
Hakan Emre BAYDAN1
123
1
Ahmet BOĞREK2
Harun SÜMBÜL3
Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Yeşilyurt Demir Çelik MYO, Samsun
[email protected]
2
[email protected]
3
[email protected]
İçten yanmalı motorlarda (İYM) yakıt enerjisinin büyük bir
kısmının ısıya dönüştüğü bilinmekte ve bu ısı yükü soğutma
sistemleri sayesinde çalışma şartlarına dönüştürülmektedir
[1]. Motor soğuk olduğunda, motor bileşenleri daha hızlı
aşınır/eskir, motor verimi düşer ve daha fazla hava kirliliği
meydana gelir. Soğutma sisteminin yapısı motoru
olabildiğince çabuk ısınmasına imkân tanımalı ve daha sonra
Özet
İçten yanmalı motorlarda çalışma verimliliğini etkileyen
parametrelerden birisi de soğutma sistemi performansıdır.
Hava soğutmalı motorlarda kullanılan soğutma sistemleri
herhangi bir denetim mekanizması olmaksızın sürekli
çalışmakta ve soğutma ihtiyacı gözetilmeksizin devrede
kalmaktadır. Gereğinden fazla soğutma, motorda yağlama
kapasitesinin azalmasına yol açarak sürtünme kayıplarının
artmasına, yanma veriminin düşerek emisyonların
kötüleşmesine sebep olmaktadır.
sabit sıcaklıkta tutmalıdır [2]. Motor parçalarının düzgün
çalışması için en önemli etkenlerden biri uygun soğutma
performansının elde edilmesidir [3]. Motorlarda kullanılan
soğutma sistemleri sıvı soğutmalı ve hava soğutmalı olarak
ikiye ayrılmaktadır. Motor gücü ve ekonomisinde soğutma
sisteminin performansı; motorun ayarlama karakteristikleri
olarak değerlendirilmekte ve motorun en avantajlı durumunu
ve ayarlama kalitesini belirlemek için gerekmektedir [4].
Hava soğutmalı motorlarda ısı transferi miktarı; silindir
üzerindeki kanatçıklar arasından akan hava debisine,
kanatçıkların yüzey alanına ve kanatçıkların termal
iletkenliğine bağlıdır [1]. Bu motorlarda hava akışı, taşıtın
kendi hızı ile veya zorlanmış akışkan ile sağlanmaktadır.
Hava soğutmalı motorlarda; zorlanmış akış sistemine sahip
motorlar soğutma havasını krank milinden kayış-kasnak
mekanizması ile hareket alan bir fan ile (Şekil 1-a)
sağlamaktadır. Öte yandan motorlu taşıtın hareketinden
oluşan hava akışıyla da soğutma yapılabilir (Şekil 1c) [2].
Ayrıca zorlanmış akış ile soğutma yapan diğer bir tip motor
ise volanı üzerindeki kanatçıklar sayesinde (Şekil 1-b)
soğutma yapar [5]. Zorlanmış akış ile soğutma yapan
sistemde; soğutma fanı, motorun ilk hareketi ile devreye
girdiğinden dolayı motorun çalışma sıcaklıklarına ulaşması
gecikmekte ve verimlilik düşmektedir.
Bu çalışmada hava soğutmalı motorların soğutma sistemleri
için; elektromanyetik kavrama kullanılarak soğutma
ihtiyacına göre soğutma yapan bir deney seti tasarlanmıştır.
Ayrıca elektromanyetik kavrama üzerine bir deney düzeneği
hazırlanmış ve önemli birtakım parametreler ölçülmüştür.
Ölçülen bu parametreler, sonuçlar kısmında paylaşılmıştır
buna göre motorun soğutma ihtiyacına göre yapılan soğutma
işlemi, motorun yakıt verimliliğini arttırmakta, emisyon
değerlerinin iyileşmesine yardımcı olmakta ve motorun
mevcut potansiyelinin iyileştirilmesine yardımcı olmaktadır.
Soğutma sistemleri geliştirilerek daha verimli bir çalışma
olanağına ulaşan bu motorların milli ekonomiye katkısı
olumlu yönde olacaktır. Yedek parça üretimi yerli hale
gelerek, ülkemiz için önemli bir ihraç kalemi elde edilecektir.
1. Giriş
Günümüzde otomotiv sektöründe büyük teknolojik
gelişmeler yaşanmakta ve çok hassas özellikli ürünler
tasarlanmaktadır. Tasarlanan ürünlerin getirdiği yenilikler;
çevreye daha az emisyon yayma, yüksek çalışma verimi,
daha hafif ve daha az maliyetli olma gibi özelliklerdir.
Firmalar teknolojik gelişmelerde bu önceliklerle hareket
ederek Ar-Ge çalışmalarını hızlandırmaktadırlar. Araçlardaki
soğutma sistemlerinin iyileştirilmesi, mevcut motorun
potansiyelinden daha fazla yararlanabilme imkânı
sunmaktadır.
304
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE
(a)
Şekil
(b)
fanı ilk anda devrede olduğundan dolayı motor geç ısınır ve
termal verim düşmesine, kötü yağlama yapmaya, motor
performansının düşmesine ve emisyonları artmasına sebep
olmaktadır. Bu sebeple motorun soğutmaya ihtiyaç duyduğu
zamanlar bir sıcaklık sensörü ile tespit ederek klima
sisteminde olduğu gibi soğutucu fan kasnağı sıcaklığa bağlı
olarak kumanda edecek şekilde elektromanyetik kavramalı
bir sistem geliştirilmesi gerekmektedir.
(c)
1: Hava soğutmalı motor tipleri
Tasarımı ve işletme şartları iyileştirilmiş soğutma sistemleri,
yakıt verimliliği sağlamakta ve emisyonları iyileştirmektedir.
Bunun yanı sıra motor ömrünü uzatmaktadır [6].
2.1. Soğutma Sistemi Tasarımı
Buna göre hava soğutmalı bir motorun elektromanyetik
kavrama ile kumanda edilen soğutma sistemine ait tasarım
Genel olarak hava soğutmalı motorlar sıvı soğutmalı
motorlardan daha hafiftirler. Bu motorlar çalışma sıcaklığına
daha erken ulaşırlar. Su soğutmalı motorlara göre daha
yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler. Sistemde sızıntı problemi
yoktur ve bakım gerektirmezler. Soğuk hava şartlarında
soğutma sisteminin donma tehlikesi yoktur. Bunun yanı sıra,
fan gürültülü çalışır ve motordan aşırı miktarda güç emer.
Zorlu şartlar altında aşırı ısınma eğilimindedirler. Mekanik
motor gürültüsü kanatçıklar nedeniyle daha da yükselir [7].
şekil 2’de görüldüğü gibidir.
Ayrıca hava soğutmalı mobil jeneratörler, aşırı sıcak
iklimlerde sıvı soğutmalı sisteme sahip motorların soğutma
yetersizliği nedeniyle daha çok tercih edilmektedir. Soğuk
iklim şartlarına daha uygun olan hava soğutmalı motorlar, ilk
çalışma süresince soğutmaya başladığından motorun işletme
şartlarına ulaşmasını geciktirmektedir. Bu süreçte motordan
yük çekerek, verimlilikte düşüşe sebep olabilmektedir.
Ayrıca çok soğuk iklim şartlarında soğutma ihtiyacına
bakılmaksızın çalışan bir fan, çalışma veriminin düşmesine
sebep olmaktadır. Diğer taraftan dizel motorlarında
hidrokarbonlar (HC) ve karbon monoksit (CO)
emisyonlarının büyük kısmı, motorun ısınma periyodunda
üretilmektedir[8].
Şekil
2: Soğutma sistemi parçaları.
Soğutma fanı kasnağı (2) ile motor krank mili kasnağı (13)
bağlantısı kayış (9) ile sağlanmaktadır. Soğutma fanı
üzerindeki manyetik tutucu (1) bobin (3) üzerine verilen akım
sayesinde fan kasnağı (2) ile fan mili (5) arasındaki bağlantıyı
sağlamaktadır. Manyetik tutucu (1) ortamda oluşan manyetik
alanın etkisi ile fan kasnağına doğru hareket ederek kasnağa
aksiyal yönde baskı uygular ve kenetlenmesi sağlanır. Bobin
(3) üzerindeki akım sıfıra indiğinde, ortamda manyetik etki
de sıfıra ineceğinden, manyetik tutucu bünyesinde bulunan
geri getirme yayı, manyetik tutucu (1) ile fan kasnağı (2)
arasındaki bağlantıyı keser. Bu sayede motordan gelen
hareket, manyetik kavrama ile kumanda edilmiş olur.
Hava soğutmalı motorlarda, soğutma ihtiyacına göre
elektromanyetik kavrama ile kontrol edilen soğutma fanı;
yakıt ekonomisi sağlayacağı ve gerekmediği sürece
çalışmayarak motor performansının gereksiz yere düşmesini
engelleyeceği düşünülmektedir.
Bobine akım verilip fan kasnağı ile manyetik tutucu
kenetlendiğinde, krank milinden gelen hareket, fanı (6)
çevirir ve dış ortamdaki havayı kabini (8) içerisine emer.
Kabin basıncı yükselerek içerde sıkışan hava, hava çıkışına
doğru yönlenerek motor (11) kanatçıkları arasından dış
ortama atılır. Bu süreçte motor sıcaklığı kapalı çevrim kontrol
2. Materyal ve Metot
Günümüzde
A/C
kliması
olan
taşıtlarda
klima
çalıştırıldığında bekleme konumunda olan klima kasnağı
devreye girmektedir. Hava soğutmalı motorlarda ise soğutma
305
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE
sistemi (7) ile sürekli olarak izlenerek motorun optimum
sıcaklıkta çalışması sağlanır.
Tasarlanan soğutma modelinin montajlanmış hali şekil 3’te
verilmiştir.
Şekil
4: Kapalı çevrim kontrol sistemi blok diyagramı.
Blok şema üzerindeki işaret tanımlamaları aşağıdaki gibidir;
r(t) ; giriş referans değeri,
e(t) ; hata işareti,
Hava Çıkışı
Şekil
h(t) ; geri besleme işareti,
3: Soğutma sistemi montajlı hali.
u(t) ; işlenmiş kontrol işareti,
Hava Girişi
v(t) ; etkiyen işaret,
2.2. Kontrol Sistemi
c(t) ; çıkış işareti,
Buna göre motor üzerindeki sıcaklık, geri besleme elemanı
ile sürekli olarak izlenmektedir (h(t) işareti). Geri besleme
algılayıcısından ölçülen sıcaklı değeri, sistemin kabul edeceği
referans giriş değerinden farklı ise bu sefer hata fark işareti
(e(t) ) oluşmaktadır. e(t)’nin değeri aşağıdaki gibi belirlenir;
Kontrol sistemleri, kendisi veya bir başka sistemi insan
müdahalesi gerektirmeksizin kumanda etmek üzere uygun bir
biçimde bağlanmış fiziksel elemanlar topluluğudur. Kontrol
edilen sistemin özelliklerine göre tek girişli tek çıkışlı kontrol
sistemleri olduğu gibi, çok girişli çok çıkışlı kontrol
sistemleri de bulunmaktadır.
Kumanda tarzına göre 2 çeşit kontrol sistemi mevcuttur;
e(t) = r(t) ± h(t)
Açık Çevrim Kontrol Sistemi: Bu tip kontrol sistemlerinde
çıkıştan girişe herhangi bir geri besleme yapılmamakta ve
sistemin mevcut durumuyla alakalı herhangi bir bilgi
denetleyiciye gelmemektedir.
(1)
mikrodenetleyici, hata sinyalini alır almaz sürücü fanı tetikler
ve motorun soğutularak motor sıcaklığının istenilen değere
getirilmesini sağlayacak işlenmiş kontrol işaretini u(t)
gönderir. Fanın çalışması ile motor sıcaklığı düşer ve hata
sinyali, geri besleme sinyaline eşit olduğunda (e(t) =0) sistem
optimum çalışmaya başlamış demektir. Bu şekilde çıkış
işareti sürekli izlenmiş ve motor sıcaklığının olması gereken
değerde tutulması sağlanmıştır.
Kapalı Çevrim (Geri beslemeli) Kontrol Sistemi: Bu tip
kontrol sistemlerinde ise çıkış sürekli izlenir ve denetleyiciye,
algılayıcılar üzerinden sistemin mevcut durumu hakkında
bilgi akışı olmaktadır. Denetleyici çıkıştaki hataya bağlı
olarak girişi sürekli düzeltmektedir[9].
Kapalı
çevrim
sistemlerde
bir geri
besleme
(feedback) mekanizması mevcuttur. Gerçekleştirilen sistemde
kullanılan kontrol sistemi, geri beslemeli kapalı çevrim (close
loop) kontrol sistemidir. Bununla alakalı literatürde birçok
bilgi mevcuttur [10]. Geliştirilen kontrol sistemine ait blok
şema şekil 4’te görülmektedir.
Kontrol sisteminde denetleyici olarak ATmega2560
mikrodenetleyicisi
içeren
Arduino
Mega
2560
mikrodenetleyicisi tercih edilmiştir. Arduino Mega 2560 'ta
54 tane dijital giriş / çıkış pini vardır. Bunlardan 15 tanesi
PWM çıkışı olarak kullanılabilir. Ayrıca 16 adet analog
girişi, 4 UART (donanım seri port), bir adet 16 MHz kristal
osilatörü, USB bağlantısı, power jakı (2.1mm), ICSP başlığı
ve reset butonu bulunmaktadır. Arduino Mega 2560 bir
mikrodenetleyiciyi desteklemek için gerekli bileşenlerin
306
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE
hepsini içerir. Arduino Mega 2560 bir bilgisayara bağlanarak,
bir adaptör ile ya da pil ile çalıştırılabilir[11]. Tüm bu
özelliklerinden ve Arduino Uno 'dan sonra en çok tercih
edilen Arduino kartı olmasından dolayı bu çalışmada bu
denetleyici tercih edilmiştir.
Kontrol sistemine ait devre şekil 6’da görülmektedir;
3. Deneysel Çalışma
Şekil 6: Kontrol Sistemi
Şekil -2’deki soğutma sisteminde kullanılacak olan manyetik
kavrama modelinin deneysel olarak incelene bilmesi ve
çalışma parametrelerinin elde edilebilmesi amacıyla şekil 5’te
görülen deney düzeneği tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir.
Kontrol sisteminde, blok şemadan da anlaşılacağı üzere
sürücü sistem olarak soğutucu fan kullanılmıştır. Kontrol
edilen sistem ise hava soğutmalı motordur. Örnek
düzenekte hava soğutmalı motor yerine 12v redüktörlü
DC motor tercih edilmiştir. Geri besleme elemanı olarak
ise sıcaklık etkisiyle direnç değeri değişebilen bir
termistör olan NTC (Negative Temperature Coefficient)
kullanılmıştır.
4. Sonuçlar
Şekil 5’teki deney düzeneği üzerinden sistemin çalışması
esnasında ölçülen parametreler aşağıdaki tablolarda
verilmiştir.
Şekil 5: Deney düzeneği
Tablo 1: Sensöre ait ölçüm parametreleri
Isınma Öncesi
Deney düzeneğinde 12VDC motora bağlı disk, hava
soğutmalı motorun krank kasnağını temsil etmektedir. Tam
karşısında ise manyetik tutucu disk yerleştirilmiştir. Diskin
bir ucu selenoid bobine bağlı iken diğer uç, fan mili
üzerinden fana bağlantılıdır. Kontrol sistemi devresi, toz vb.
maddelerden olumsuz etkilenmemesi kapalı bir kutu içerisine
yerleştirilmiştir. Kutu üzerinde bobini enerjilendirme
anahtarı, motoru çalıştırma anahtarı ve geri besleme
elemanının
hassaslığı
ayarlanan
potansiyometre
bulunmaktadır. Geri besleme elemanı olarak NTC-103-R
termistörü kullanılmıştır. Sistem bu haliyle açık çevrim gibi
durmasına rağmen temsili olarak NTC ısıtıldığında çok kısa
bir sürede (2sn) selenoid bobinin enerjilendiği ve mile bağlı
bulunan diski ileri doğru iterek elektromanyetik kavramanın
gerçekleştirildiği izlenmiştir. NTC üzerindeki sıcaklık,
referans değerinden fazla olduğu sürece fan miline bağlı disk,
motor diski ile birlikte dönmekte ve dolayısı ile fan milinin
diğer tarafında bulunan soğutma fanı hareket etmektedir.
NTC soğuduğu anda ise miktodenetleyici kontrolü ile bobinin
enerjisi kesilmekte ve diskler birbirinden ayrılmaktadır.
Dolayısı ile soğutma fanı da artık dönmeyecektir.
Isınma Sonrası
V(v)
I(µA)
R
V(v)
I(mA)
R
0.725
0,946
0.752MΩ
0.058
1.812
32Ω
Tablo 2: Motora ait ölçüm parametreleri
Kavrama Öncesi
Kavrama Sonrası
V(v)
I(mA)
R(Ω)
Q(dev/dk)
V(v)
I(mA)
R(Ω)
Q(dev/dk)
12.62
0.05
252.4
194
12.52
0.07
178.8
198
Şekil 7’de görüldüğü üzere kavrama gecikme süresi 2sn
olarak ölçülmüştür. Yani NTC ısınmaya başladıktan 2sn
sonra selenoid bobinde manyetik alan oluşmakta ve fanı
devreye sokmaktadır. Kavramada kalma süresi ise 35sn
olarak ölçülmüştür. Kavrama sisteminin devreye girmesi için
sensör üzerine bir sıcaklık kaynağı ile sıcaklık uygulanmıştır.
307
EEB 2016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, 11-13 Mayıs 2016, Tokat TÜRKİYE
Sıcaklık değeri 10°C’ye ulaştığında kavrama devreye
girmekte, 40°C’ye ulaştığında ise devreden çıkmaktadır.
[4] Çetinkaya S., Taşıt Mekaniği Kitabı, Nobel Yayın
Dağıtım, 2015
[5] http://www.faqs.org/patents/imgfull/20120097119_03.
Son erişim: 25.01.2016, 10.21.
[6] Pang HH., Brace C.,”Review of engine cooling
technologies for modern engines”, proceedıngs of the
ınstıtutıon of mechanıcal engıneers part d journal of
automobıle engıneerıng 218(11):1209-1215, 2004.
[7] Hillier V.A.W., Coombes P., “Hillier's Fundamentals of
Motor Vehicle Technology”, Nelson Thomas Ltd, 2004.
[8] Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt:4,
Sayı:4, 2014,15-26.
[9] https://tr.wikipedia.org/wiki/Otomatik_kontrol,
son
erişim: 21.01.2016, 17:57.
[10] Sümbül, H. Coşkun A., Taşdemir M., (2011), The
Control of An Automatic Door Using Fuzzy Logic,
International Symposium on Innovations in Intelligent
Systems and Applications, INISTA2011, 978-1-61284922-5/11/$26.00@2011 IEEE, pp:432-435, 15-18 Haz
2011, İstanbul, TÜRKİYE.
[11] http://www.robotiksistem.com/arduino_mega_2560_oze
llikleri.html. Son erişim: 01.01.2016, 15:52.
Şekil 7: Kavrama Grafiği
Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre sıcaklık değişiminin
hissedilmesi ve elektromanyetik kavramanın devreye girmesi
süreci değerlendirildiğinde, sistemin otomotiv motorlarında
kullanılabileceği kanısına varılmıştır. Sıcaklık şartları gerçek
motorların
çalışma
parametrelerine
uygun
olarak
düzenlenerek hava soğutmalı bir motorun soğutma ihtiyacına
göre
soğutma
sistemi
kumanda
edilebileceği
öngörülmektedir.
Teşekkür
Bu çalışma T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı,
Teknogirişim sermayesi desteği projesi kapsamında
‘0381.TGSD.2015-2’ proje numarası ile desteklenmiştir.
Desteklerinden dolayı teşekkür ederiz.
5. Kaynaklar
[1] Prudhvi G, Vinay G, Babu DS, “ Cooling Systems in
Automobiles & Cars”, International Journal of
Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN:
2249 – 8958, Volume-2, Issue-4, 2013
[2] İçten Yanmalı Motorlarda Aşınma, Yağlama ve
Soğutma, Kaleli. H., Yıldız Teknik Ünv.Ders Notları,
2015
[3] Diesel Otobüs Motorlarında Soğutma Sisteminin
Modellenmesi, Dizaynı ve Ekonomik Optimizasyonu,
KUYUMCU A. M., Doktora Tezi, 2014
308