makale
YAY ENERJÝSÝNÝN ELEKTROMEKANÝK SUPAP
MEKANÝZMALARININ PERFORMANSINA KATKISI
Zeliha KAMIÞ, Ýbrahim YÜKSEL *Elektromekanik supap mekanizmalarý, elektromekanik deðiþken zamanlamalý supap mekanizmasý olarak da bilinmekte olup motorun hýzýna ve çalýþma þartlarýna baðlý olarak supaplarýn uygun zamanda açýlýp kapanmasýný saðlar.
Bu çalýþmada, elektromekanik supap mekanizmalarýnda kullanýlan yaylarýn sistemin dinamik davranýþý üzerindeki etkileri incelenmiþtir. Supap hareketinde yay enerjisinden yararlanýlmayan iki model ve yay enerjisinden yararlanýlan bir model ele alýnmýþ ve bu modeller birbiri ile karþýlaþtýrýlmýþtýr. Yay enerjisinden yararlanýlan modelde sistemin dinamik performansýnýn ve enerji tüketiminin daha iyi olduðu görülmüþtür. Üç model için sistemin statik ve dinamik karakteristikleri MATLAB/Simulink programý yardýmýyla elde edilmiþtir.
Anahtar sözcükler : Elektromekanik supap mekanizmasý, yay enerjisi, statik ve dinamik karakteristikler.
The electromagnetic valve actuation (EMVA) system is known as an electromechanical variable valve train and it provides opening and closing of the valves at the appropriate times depending on the speed and the working conditions of the engine.
In this study, the effects of springs on the design and dynamic behavior of the EMVA system are investigated. Three models are considered and compared with each other. The spring energy is only used in one of the models. Dynamic performance and energy consumption of the model taken the advantage of spring energy are better than the others. Static and dynamic characteristics of the system are obtained with a MATLAB/Simulink program for three different models.
Keywords : Electromagnetic valve actuator, spring energy, static and dynamic characteristics.
* Uludað Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlýk Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü
G
GÝRÝÞ
eçmiþte otomobillerde pek çok iþlev mekanik baðlantýlarla gerçekleþtirilirken, günümüzde bunlarýn yerini elektronik kumandalý donanýmlar almýþtýr. Elektronik denetimli sistemlerin mekanik sistemlerin yerine geçmesi ile motor performansý arttýrýlmýþ, yakýt tüketimi ve çevreye atýlan kirletici oranlarý azaltýlmýþtýr.
Günümüzdeki otomobil motorlarýnda mekanik denetimli olarak sadece kam milinden tahrikli supap mekanizmasý kalmýþtýr. Kam milinden tahrikli supap mekanizmalarýnda supap zamanlamasýnýn deðiþtirilmesi çok sýnýrlýdýr ve motorun çalýþmasý sýrasýndaki devrine baðlý olarak deðiþmez. Dolayýsýyla bu tip mekanizmalarda supap zamanlamasý motor hýzýnýn bir fonksiyonu deðildir. Bu sistemde supap zamanlamasý kam mili tasarýmý ile deðiþik çalýþma þartlarýnda birbiriyle çeliþen durumlarý optimize edecek þekilde belirlenir.
Motor performansý supap zamanlamasýnýn denetimi ile önemli oranda iyileþtirilebilir. Motorlarda düþük motor yükleri ve hýzlarýna uygun supap hareket profili ile maksimum güç ve hýza uygun supap hareket profili arasýnda belirgin bir fark vardýr. Optimum supap zamanlamasý motor hýzýnýn bir fonksiyonudur. Motor devri deðiþtikçe piston hýzý, piston hýzýna baðlý olarak içeri alýnan taze dolgunun hýzý ve kinetik enerjisi sürekli deðiþeceðinden iyi bir motor performansý için supap zamanlamasýnýn da sürekli deðiþmesi gerekir. Supap zamanlamasý deðiþken zamanlamalý supap mekanizmalarý ile ayarlanabilir. Deðiþken zamanlamalý supap mekanizmalarý mekanik, hidrolik ve elektromekanik türde olmakla birlikte, bu sistemler arasýnda elektromekanik supap mekanizmalarý nispeten daha basit bir yapýya sahiptir ve mevcut motor tasarýmlarýna uyumu daha kolaydýr. Bu sistemde kam mili devre dýþý kaldýðý için sürtünmeye neden olan hareketli parçalarýn sayýsý azaltýlmakta ve motorun tüm çalýþma þartlarýnda supap hareketi motor devrinden baðýmsýz olarak denetlenebilmektedir. Bunun sonucunda yakýt tüketimi %10-15 oranýnda azalýrken, yüksek çýkýþ torku ve motor gücünde artýþ,
makale
Þekilden görüldüðü gibi motorun devir hýzý yükseldikçe supabýn açýlýp kapanmasý kritik hale gelmektedir.
Bu çalýþmada elektromekanik supap mekanizmalarýnda kullanýlabilecek üç farklý model ele alýnmýþtýr. Karþýlaþtýrma açýsýndan bu modellerin birinde yay kullanýlmamýþ, buna karþýlýk diðer modellerde ise sistemin dinamik yapýsýna uygun yaylar kullanýlmýþtýr (Þekil 2). Her üç model için elektromekanik eyleyici olarak disk tipi mýknatýs devresi kullanýlmýþtýr.
Model 1: Yaysýz Sistem
Bu model, elektromekanik supap mekanizmasý açma ve kapama olmak üzere iki adet mýknatýs devresi, bir adet hareketli eleman ve supaptan ibaret tasarlanmýþtýr (Þekil 2a). Hareketli eleman iki mýknatýs devresi arasýnda gidip gelme hareketi yaparak supabý açýk veya kapalý konuma getirir. Sistemin periyodik hareketi, açma ve kapama mýknatýs devrelerine sýrasýyla elektrik gerilimi uygulanarak saðlanýr. Motor durdurulduðunda her iki mýknatýs devresindeki gerilim sýfýrlanýr ve aðýrlýk kuvveti yardýmýyla supap açýk konumda kalýr.
rölanti kararlýlýðýnda iyileþme ve çevreye atýlan kirleticilerde azalma olabileceði gösterilmiþtir [2,12].
Elektromekanik supap mekanizmalarý üzerine özellikle son yýllarda çok yönlü çalýþmalar yürütülmektedir. Yapýlan bu çalýþmalar genellikle elektromekanik supap mekanizmalarýnýn tasarýmý [1,3,4,5,6,7,9,11] ve tasarýma etki eden parametrelerin incelenmesi [6,9,10,11], sistemin modellenmesi ve denetimi [14,15,17,18,19] þeklinde sýnýflandýrýlabilir.
Bu çalýþmada elektromekanik supap mekanizmalarýnda kullanýlan yayýn sistemin tasarýmý ve dinamik davranýþý üzerindeki etkisi incelenmiþtir.
ELEKTROMEKANÝK SUPAP MEKANÝZMASI
Elektromekanik supap mekanizmalarýnýn temel prensibi elektronik denetim biriminden gönderilen denetim sinyaline baðlý olarak supaplarýn uygun zamanda açýlýp kapanmasýný saðlamaktýr. Diðer deðiþken zamanlamalý supap mekanizmalarý ile karþýlaþtýrýldýðýnda daha esnek supap zamanlamasý saðladýðý görülür.
Elektromekanik supap mekanizmalarýnda sistemin cevap hýzý (açma-kapama zamaný) kamlý mekanik supap mekanizmalarýndan farklý olarak motor hýzý ve yüküne baðlý olmayýp, elektromekanik sistemin mekanik parametrelerine ve belli oranda da kullanýlan elektromýknatýsýn dinamiðine baðlýdýr. Yüksek motor hýzlarýnda elektromekanik supap mekanizmasýnýn yeterli performansý gösterebilmesi için sistemin cevap hýzý çok yüksek olmalý, supap çok kýsa sürede açýlýp kapanabilmelidir.
Þekil 1'de sabit supap hareket açýsý için farklý motor hýzlarýnda supabýn hareketine baðlý olarak elektromýknatýs bobinlerindeki akým deðiþimleri verilmiþtir. Elektromekanik sistemin dinamik performansý, supabýn yüksek motor hýzlarýnda motor hareketlerini izleyebileceði kadar iyi olmasý gerekir.
0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36 0.42 0.48 0 2 4 6 8 Zaman (s) A kým (A ) 0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36 0.42 0.48 0 2 4 6 8 A kým (A ) 0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36 0.42 0.48 0 2 4 6 8 A kým (A ) N=3000d/dk N=2000d/dk N=1000d/dk 0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.3 0.36 0.42 0.48 0 2 4 6 8 A kým (A ) N=6000d/dk Tutma akýmý Çekme akýmý
Þekil 1. Motor Devrine Baðlý Olarak Mýknatýs Devresindeki Akým Deðiþimleri
makale
Model 2: Bir Adet Yay Kullanan Sistem
Bu model, elektromekanik supap mekanizmasý supabý açmak için kullanýlan bir adet mýknatýs devresi, bir adet yay, bir adet hareketli eleman ve supaptan ibaret tasarlanmýþtýr (Þekil 2b). Elektronik denetim biriminden gönderilen denetim sinyaline baðlý olarak mýknatýs devresine uygulanan elektrik gerilimi maksimum, minimum veya sýfýr olabilir. Mýknatýs devresi bobinine akým uygulandýðýnda açma mýknatýs devresi hareketli elemaný çekerek supabý açýk konuma geçirirken, bobindeki akým sýfýrlandýðýnda yayda depolanan potansiyel enerji supabý kapalý konuma geçirir. Motor durdurulduðunda yay kuvveti yardýmýyla supap kapalý konumda kalýr.
Model 3: Ýki Adet Yay Kullanan Sistem
Bu model, elektromekanik supap mekanizmasý, açma ve kapama olmak üzere iki adet mýknatýs devresi, iki adet yay, bir adet hareketli eleman ve supaptan ibaret tasarlanmýþtýr (Þekil 2c). Hareketli eleman iki mýknatýs devresi arasýnda gidip gelme hareketi yaparak supabý açýk
veya kapalý konuma geçirir. Bu modelde hareketli eleman hareketinin büyük bir kýsmý yaylarýn depoladýðý potansiyel enerji ile saðlanýr. Mýknatýs devresi hareketin tamamlanma aþamasýnda devreye girerek supabý açýk veya kapalý konuma sokar. Sistemdeki mýknatýs devrelerinin her ikisinin de enerjisi kesildiðinde yaylar hareketli elemanýn merkezi konumda dengeye gelmesini saðlar. Dolayýsýyla motor durdurulduðunda supap yarý açýk konumda kalýr.
DÝSK TÝPÝ MIKNATIS DEVRESÝ
Her üç modelin tasarýmýnda disk tipi mýknatýs devresi kullanýlmýþ olup, disk þeklindeki hareketli eleman ve içinde sargý devresi bulunan hareketsiz kutuptan ibarettir (Þekil 3). Disk ve hareketsiz kutup ferromýknatýs malzemeden yapýlmýþ olup sargýdan akan elektrik akýmýnýn oluþturduðu mýknatýs kuvveti diski sabit kutba doðru harekete zorlar. Böylece diskin baðlý olduðu supabýn açýlmasýný ya da kapanmasýný saðlar.
Disk tipi mýknatýs devresi mýknatýssal olarak seri, mekanik olarak paralel baðlý iki çalýþma aralýðýna sahiptir.
HAREKETLÝ ELEMAN SUPAP YAYI KAPAMA MIKNATISI VE BOBÝNÝ EYLEYÝCÝ YAYI SUPAP AÇMA MIKNATISI VE BOBÝNÝ HAREKETLÝ ELEMAN KAPAMA YAYI SUPAP AÇMA MIKNATISI VE BOBÝNÝ HAREKETLÝ ELEMAN KAPAMA MIKNATISI VE BOBÝNÝ SUPAP AÇMA MIKNATISI VE BOBÝNÝ a b c
makale
Bu yapýya baðlý olarak küçük hava aralýklarýnda aþýrý yüksek çekme kuvvetleri elde edilirken, hava aralýðý artýþý ile beraber çekme kuvvetleri aþýrý bir düþüþ gösterir [13,20].
Þekil 4' te görüldüðü gibi elektromekanik supap mekanizmasý elektriksel, mýknatýs ve mekaniksel alt sistemlerinden ibaret ele alýnabilir.
Bir mýknatýs devresinin bobinine uygulanan elektrik gerilimine karþýlýk oluþan akým deðiþimi sonucu devrede bir mýknatýs akýsý deðiþimi oluþur. Kirchoff yasasýna göre bu ifadenin matematiksel baðýntýsý
R L d (t) e(t) e e Ri(t) N dt φ = + = + (1)
þeklindedir [13]. Burada; e(t): sisteme uygulanan giriþ
gerilimi (V), R: bobin direnci (Ω ), N: bobin sarým sayýsý,
i(t): bobindeki akým deðiþimi (A) ve f(t): mýknatýs akýsý (Wb) olup hem akým, i(t) hem de konum deðiþiminin, x(t) bir fonksiyonudur.
Uygulanan elektrik enerjisi giriþine karþýlýk mýknatýs devresinin saðladýðý çekim kuvveti bobin ile hareketli eleman arasýnda kalan hava aralýðý ile denetlenmektedir. Hareketli eleman üzerine mýknatýs devresinin uyguladýðý mýknatýs çekim kuvveti, hava aralýðýndaki mýknatýs akýsý
yoðunluðu, Bh (Wb/m2) deðiþimine baðlý olarak
2 h m B A z F 2 = µ (2)
biçiminde tanýmlanabildiði gibi bobine uygulanan akýmýn, i(A) ve hareketli elemanýn hareket mesafesi, x(t) deðiþimine baðlý olarak da
2 m 2 h A(Ni) F 2z(x x) µ = − (3)
þeklinde tanýmlanabilir [13]. Burada; z: hava aralýðý sayýsý (z=2), A: etkin kesit alaný (m2), x
h: toplam hareket mesafesi
(m), N: sarým sayýsý, m: hava aralýðý geçirgenliðidir (4p10-7).
(2) nolu denklemde mýknatýssal doyma hesaba katýlýrken (3) nolu denklemde bu durum açýk olarak görülmez. Gerçekte hava aralýðýndaki aký yoðunluðu deðiþimi de hava aralýðý mesafesinin deðiþimine baðlýdýr. Sonuç olarak, (3) nolu denklemde, mýknatýs çekim kuvveti üzerinde mýknatýs devresine uygulanan elektrik gerilimi ve hava aralýðý deðiþiminin etkisi daha açýk biçimde görülmektedir.
Mýknatýs kuvvetinin etkisi ile hareket eden hareketli elemana Newton' un II. Hareket yasasý uygulanýrsa
2 m 2 yay b d x(t) dx(t) F (t) m B F F dt dt = + + + (4)
elde edilir. Burada; Fb: silindir içi basýnç kuvveti (N), Fm
mýknatýs kuvveti (N) olup hem konum deðiþiminin, x(t)
hem de elektrik akýmýnýn, i(t) bir fonksiyonudur. Fyay ise
yaylarýn hareketli eleman üzerine uyguladýðý yay kuvvetidir Ortalama mýknatýs akýsý yolu r0 r1 r2 r3 r4 r5 xh r51 xt ly ld lk
Þekil 3. Disk Tipi Mýknatýs Devresi Geometrisi
Denetim Sinyali
ELEKTRÝK
ALT SÝSTEMÝ ALT SÝSTEMÝ MIKNATIS
MEKANÝK ALT SÝSTEMÝ i λ(Nφ) x Fb
makale
(N). Yay kuvveti Model 1' de sýfýr, Model 2' de ise
harekete karþý yönde bir kuvvettir ( F =kxyay ).Burada;
k: Model 2' de bir adet yayýn yay sabitidir. Model 3' te durum biraz daha farklý olup yay kuvveti hareketin orta noktasýna kadar harekete yardýmcý, orta noktadan sonra ise karþý kuvvettir ( F =-K xyay
(
h 2 -x)
). Burada; K: Model3' te kullanýlana iki adet yayýn bileþke yay sabitidir.
ELEKTROMEKANÝK SUPAP MEKANÝZMASI TASARIMI
Elektromekanik supap mekanizmalarýnda, mýknatýs çekim kuvveti yay kuvveti ve diðer karþý kuvvetleri yenebilecek büyüklükte olmalýdýr. Gerekli mýknatýs çekim kuvvetini saðlayabilecek bir mýknatýs devresinin ön tasarýmýnda esas olan hareketli elemanýn kesit alanýný belirlemektir.
Özellikle egzoz supabý için elektromekanik supap mekanizmasý tasarýmýnda silindir içi basýnç kuvvetinin etkisi çok büyüktür. Silindir içi basýnç kuvveti supap harekete baþlayana kadar supap üzerinde harekete karþý yönde kuvvet uygular. Ancak supabýn harekete baþlamasýyla birlikte egzoz gazlarý silindiri terk etmeye baþlayacaðýndan supap üzerine etki eden basýnç kuvvetinin hýzlý bir düþüþ göstermesi beklenir. Dolayýsýyla supabýn açýlmasý supap üzerine etki eden basýnç kuvvetlerinin yenilmesi ile mümkün olur.
Otomobil motorlarýnda kullanýlan supaplarýn toplam hareket mesafesi (strok) 7-8 mm civarýndadýr. Bu mesafe supap açýldýðýnda yeterli yakýt-hava karýþýmýný saðlayacak þekilde belirlenmiþtir. Supap mekanizmalarýnda kullanýlabilecek boyutlarda bir elektromýknatýs için bu hareket mesafesi oldukça büyük kalmaktadýr. 8 mm gibi bir mesafede saðlanabilen mýknatýs çekim kuvveti çok düþük kalmaktadýr.
Model 1 ve 2 için mýknatýs devresinin 8 mm gibi bir mesafede silindir içi basýnç kuvvetini yenmesi
gerekmektedir. Egzoz supaplarýnda egzoz aþamasýnda oluþan gaz basýncý supap üzerinde oldukça büyük kuvvetler (@350-400 N gibi) oluþturur. Bu kuvvetin 8 mm' lik bir mesafeden mýknatýs devresinin saðladýðý kuvvet yardýmý ile yenilmesi için mýknatýs devresi boyutlarý oldukça büyük olmalýdýr. Model 2'de silindir içi basýnç kuvvetine ilave olarak karþý yay kuvveti de söz konusudur. Bu nedenle Model 2'de mýknatýs devresinin boyutlarý Model 1'e oranla daha büyük olmasý gerekir.
Model 3'te mýknatýs kuvvetinin yetmediði durumda yay enerjisinden yararlanýlmaktadýr. Burada yay enerjisi, sistemdeki hareketli kütlelerin ivmelenmesini saðlamak ve yüksek cevap hýzlarý elde etmek amacý ile kullanýlmaktadýr. Buna karþýlýk mýknatýs devresi ise daha çok hareketin tamamlanmasýna yardýmcý olmak ve supabý açýk veya kapalý konumda tutmak için kullanýlýr. Teorik olarak, sürtünmelerin yok sayýldýðý, supabýn açýk veya kapalý olduðu durumda yaylarýn depoladýðý potansiyel enerji maksimum olup hareketin orta konumuna kadar harcanýr ve bu harcanan enerji kütle elemaný tarafýndan kinetik enerji olarak depolanýr. Bu durumda yay enerjisi sýfýrlanmýþ ve kütlenin kinetik enerjisi maksimum olmuþtur. Hareketin orta konumundan sonraki durumunda yay kuvvetleri harekete ters yönde olup bu yönde hareketi sürdüren kütle elemanýnda depolanan kinetik enerjidir. Depolanan kinetik enerji yaylarýn sýkýþtýrýlmasýna yeterli olacaðýndan teorik olarak hareketin tamamlanmasýný saðlayabilecektir. Yalnýz hareketin tamamlanmasý aþamasýnda kütlenin kinetik enerjisi sýfýrlanýrken yaylarýn depoladýðý enerji tekrar maksimum olacaktýr. Bu aþamada, hareketli elemaný ve dolayýsýyla supabý istenen konumda tutabilmek için ilave bir kuvvete gerek vardýr. Ayrýca gerçek bir sistemde hareket sýrasýnda sürtünmeden dolayý ortaya çýkan enerji kayýplarýnýn da karþýlanmasý gerekir. Bu durumda gerekli enerji ve kuvvet mýknatýs devresi yolu ile saðlanmaktadýr.
makale
mekanizmasý boyutlarý motorlarda kullanýlabilmek için uygundur (Model 3). Boyutlarýn yaný sýra elektromekanik supap mekanizmalarýnýn motorlarda kullanýlabilmesi için yüksek motor hýzlarýnda yeterli performansý göstermesi gerekir. Model 3'te mýknatýs kuvvetinin etkili olmadýðý durumda bir kütle-yay sistemine eþdeðer supap mekanizmasýnýn açma veya kapama süresi
K m
tc =π (5)
biçiminde ifade edilebilir. Burada; m: hareketli eleman, hareketli elemana baðlý baðlantý kollarý ve supaptan oluþan toplam hareketli kütle (kg) ve K: sistemdeki yaylarýn bileþke yay sabitidir (N/m).
(5) nolu ifadeden görüldüðü gibi Model 3'te supabýn hareket süresinin kýsa olmasý için hareketli kütlenin azaltýlmasý ve/veya yay sabitinin arttýrýlmasý gerekir. Þekil 5'te hareketli kütle ve bileþke yay sabitine baðlý olarak
supabýn hareket süresinin deðiþimi verilmiþtir. Bu modelde yay seçimi kritik bir parametredir ve yaylar karþý yükleri yenebilecek büyüklükte olmalýdýr. Þekil 5'ten görüldüðü gibi hareketli kütle sabit olduðunda yay katsayýsýnýn artmasý cevap hýzýný arttýrýr. Yay katsayýsýnýn artmasý diðer taraftan da mýknatýs devresi boyutlarýný ve dolayýsýyla da hareketli kütleyi arttýracaðýndan optimum deðerin belirlenmesi gerekir. Yay katsayýsýndaki artýþ sistemin cevap hýzýnda bir artýþ getirmekle beraber çok sert yay kullanýlmasý halinde bu yay kuvvetini yenecek mýknatýs devresinin boyutlarý arttýrýlmalýdýr. Bu durumda yay ve mýknatýs devresi boyutlarý optimize edilmelidir. Model 3 için elektromekanik supap mekanizmalarýnda cevap hýzýný arttýrmanýn en iyi yolu belli bir yay katsayýsý için boyutlarý belirlenen mýknatýs devresine göre kütleyi azaltma yoluna gitmektir.
Üç model için gerekli mýknatýs devresi boyutlarý Tablo I'de verildiði gibi hesaplanmýþtýr [13]. Model 2'de 20 N/mm'lik yay sabiti supabý kapalý konuma geçirebilmektedir. Model 3'te optimum yay sabiti 65 N/mm olarak belirlenmiþ ve mýknatýs devresi boyutlarý bu deðere göre hesaplanmýþtýr.
Tablo I'den görüldüðü gibi Model 1 ve 2'nin boyutlarý çok büyük olduðundan hantal yapýdadýrlar. Bunlarýn motorun silindir kafasýna yerleþtirilmesi olanaklý deðildir. Her bir supap için silindir kafasýna yerleþtirilemeyecekleri gibi yerleþtirilseler bile aðýrlýk problemi ortaya çýkacaktýr. Üç model boyutlarý açýsýndan karþýlaþtýrýldýðýnda Model 3'ün elektromekanik supap mekanizmalarý için uygun bir yapý olduðu görülür.
60 80 100 120 140 160 180 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Hareketli Kütle H arek er S üres i ( m s) 140 100 90 80 70 60 K (N/mm) 110 120 130 200 Þekil 5. Toplam Hareketli Kütle ve Bileþke Yay Sabitinin Hareket Süresi Üzerindeki Etkisi
Model No r1 (mm) r2 (mm) r3 (mm) r4 (mm) r5 (mm) r51 (mm) N (sarým) R (Ω) m (kg) Model 1 30 39 49 34 15 11 210 1.230 0.68 Model 2 34 44 56 38 17 13 272 1.802 1.02 Model 3 16 21 26 19 7.5 6 156 1.652 0.18
makale
ARAÞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIÞMAStatik Karakteristikler
Herhangi bir sistemin tasarýmý ve analizinde irdelenmesi gereken en önemli konulardan birisi sistemin statik karakteristiklerinin belirlenmesidir.
Elektromekanik supap mekanizmalarýnda statik karakteristikler belli bir hava aralýðýna karþýlýk magnetomotor kuvveti mýknatýs akýsý yoðunluðu ve belli bir akýma karþýlýk kuvvet yerdeðiþtirme eðrilerini kapsar. Boyutlandýrýlmasý yapýlan mýknatýs devrelerinin çeþitli hareket mesafelerinde saðlayacaðý mýknatýs çekim kuvvetlerinin belirlenmesi gerekir. Statik karakteristikler boyutlandýrýlmasý tamamlanan mýknatýs devrelerine ait mýknatýs akýsý geçirgenlik formüllerini malzemenin mýknatýslanma (B-H) eðrisi deðerleri ile birlikte çözmek suretiyle yeterli bir yaklaþýklýkta elde edilmiþtir. Bu yöntemde aký yolu boyutlarý belirlenen mýknatýs devrelerinin, farklý kýsýmlarýndaki geçirgenlik deðerleri belirlenir ve böylece devredeki aký daðýlýmý da hesaplanýr. Mýknatýs devrelerinin matematiksel baðýntýlarý oldukça karmaþýk olup bunlarýn çözümünde kullanýlmak üzere bir MATLAB programý geliþtirilmiþtir. [6,7,8,16]. Bu program malzemenin mýknatýslanma deðerlerini (B-H) kullanarak belli bir akým deðerine karþýlýk gelen çeþitli karakteristik deðerleri hesaplar. Bu karakteristikler mýknatýs akýsý yoðunluðu-magnetomotor kuvveti ve kuvvet-yerdeðiþtirme eðrileridir. Mýknatýs devresinin önemli bir karakteristiði uygulanan akým deðerine veya magnetomotor kuvvetine baðlý olarak mýknatýssal doymadýr. Üç model için belli hava aralýklarýnda toplam magnetomotor kuvvetine karþýlýk elde edilen mýknatýs akýsý yoðunluðunun deðiþimleri Þekil 6'da gösterilmiþtir. Özellikle yakýn mesafelerde mýknatýs devresinin giriþi olan akým deðerine karþýlýk gelen mýknatýs
akýsý yoðunluðu, Bh baþlangýçta doðrusal olarak artýþ
gösterirken belli bir akým (veya magnetomotor kuvveti) deðerinden sonra artýþý yavaþlamakta ve sonuna doðru da deðiþimi durmaktadýr. Burada eðrinin büküm noktasý
önemli olup bu noktadan sonraki akým (veya NI) artýþýnda,
çok fazla mýknatýs akýsý yoðunluðu, Bh ve dolayýsýyla da
mýknatýs kuvveti artýþý saðlanamayacaðý söylenebilir. Mýknatýs devresi, eðrinin büküm noktasýndan sonraki akýmlarda zorlanýrsa, bir taraftan mýknatýs verimi düþerken diðer taraftan da kayýplardan dolayý ýsý artýþý ortaya çýkar. Aþýrý sýcaklýk artýþlarý ise bir taraftan bobin telinin direncini arttýrarak çekeceði akýmý ve dolayýsýyla çekim kuvvetini düþürürken diðer taraftan da bobin telinin yalýtkanlýðýna zarar verebilir. Pratikte düþük hareket mesafeleri mýknatýsýn hareketli elemaný tuttuðu duruma karþýlýk gelir. Bu durumda akým gerekli tutma kuvvetine yetecek seviyeye düþürülebilir. Þekil 6' da her üç modele ait mýknatýslanma eðrilerinden görüldüðü gibi hareket mesafesi yaklaþýk 0.5 mm' ye ve altýna düþtüðünde mýknatýs doymasý oluþmaktadýr. Mýknatýs doymasý en erken Model 3'te, en geç Model 1' de baþlamaktadýr. Buna karþýlýk, eðrilerden görüldüðü gibi yüksek hareket mesafelerinde doyma hemen gerçeklenmemektedir. Pratikte bu durum hareketli elemanýn harekete baþlama ve hareketinin devam ettiði zamanlara karþýlýk gelir. Buna göre ilk harekete akým aþýrý yüksek tutularak baþlanýrsa yüksek bir cevap hýzý elde etmek mümkün olabilir. Tutma gerçekleþtikten sonra ise bu akým deðeri uygun bir deðere düþürülebilir. Böylece mýknatýs devresi için uygun çalýþma koþullarý belirlenmiþ olur.
Üç model için elde edilen sayýsal çözümler, kuvvet-yerdeðiþtirme eðrileri olarak düzenlenmiþ ve Þekil 7' de verilmiþtir. Þekil 7' de verilen eðrilerden görüldüðü gibi eðrilerin yapýsý yaklaþýk hiperbolik olup, yakýn mesafelerde çok yüksek çekim kuvvetleri oluþmasýna karþýlýk uzun mesafelerde kuvvetlerde aþýrý düþüþ gözlenmektedir.
(2) ve (3) nolu denklemlerden görüldüðü gibi etkin kesit alaný arttýkça mýknatýs devresinin ürettiði mýknatýs çekim kuvveti de artmaktadýr. Model 1 ve 2' nin boyutlarý Model 3'e oranla çok büyük olduðundan bu modellerdeki mýknatýs çekim kuvvetleri çok yüksek deðerlere çýkmaktadýr (Þekil 7). Bunun yaný sýra Model 2 ve 3'te karþý kuvvetleri yenebilmek için çok yüksek
makale
akýmlara ihtiyaç vardýr. Aksi halde mýknatýs devresi hareketli elemaný ve dolayýsýyla supabý çekemez.
Þekil 6. Üç Model Ýçin Mýknatýs Akýsý Yoðunluðu Akým Deðiþimi
Þekil 2' den de görüldüðü gibi etkin kesit alaný en büyük olan model Model 2' dir. Bu nedenle bu modelde elde edilen mýknatýs çekim kuvvetleri diðer modellere nazaran oldukça büyüktür.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 Yerdeðiþtirme ( ) 5 A 10 A 15 A 20 A 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Yerdeðþtirme (mm) 5 A 10 A 15 A 20 A 0 0.5 1.5 2 2.5 3 0 400 800 1200 1600 2000 2400 Yerdeðiþtirme ( ) 5 A 10 A 15 A 20 A a (Model 1) b (Model 2) c (Model 3) KUVVE T ( N ) KUVVE T ( N ) KUVVE T ( N )
Þekil 7. Üç Model Ýçin Kuvvet-Yerdeðiþtirme Karakteristikleri
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 Mýk na týs A kýs ý Y oð unl uð u ( W b/ m 2) xh=0.5+xt xh=1+xt xh=2+xt xh=4+x xh=xt Akým (A) Mýk na týs A kýs ý Y oð unl uð u ( W b/ m 2) 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 xh=0.5+xt xh=1+xt xh=2+xt xh=4+xt xh=8+xt xh=xt Akým (A) 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 Mýk na týs A kýs ý Y oð unl uð u ( W b/ m 2) xh=0.5+xt xh=1+xt xh=2+xt xh=4+x xh=8+xt xh=xt a (Model 1) b (Model 2) AKIM (A) c (Model 3)
makale
Model 3'te hareket süresince mýknatýs çekim kuvveti doðrusal olmayan biçimde artarken yay kuvveti doðrusal olarak artar. Mýknatýs çekim kuvveti ancak belli bir mesafeden sonra yay kuvvetini yenebilir. Bu noktaya kadar hareket yaylarýn kütle üzerinde kazandýrmýþ olduðu kinetik enerji yardýmýyla sürdürülür. Bu nedenle Model 3' te daha düþük akýmlarda elde edilen mýknatýs kuvveti hareketli elemaný çekebilir.
Model 1 ve 2'de 15 A'dan sonra mýknatýssal doyma baþlamaktadýr. 15 A için Model 1'de mýknatýssal doyma yaklaþýk 1 mm'de Model 2'de yaklaþýk 1.5 mm'de gerçekleþmektedir. Model 3'te ise boyutlar ve bobin tel çapý daha küçük olduðundan mýknatýssal doyma 10 A'dan sonra baþlamaktadýr. Bunun anlamý özellikle yakýn mesafelerde mýknatýssal doyma baþladýktan sonra akým ne kadar arttýrýlýrsa arttýrýlsýn mýknatýs kuvvetinin artmayacaðýdýr. Bu durumda mýknatýs devresine yüksek akým uygulamak mýknatýs kuvvetini arttýrmayacaðý gibi enerji kaybýna ve bobinin ýsýnma problemine neden olur. Bunun yaný sýra sistem yüksek akýmlarda çalýþtýðýnda sürücü devredeki elektronik anahtarlama elemanlarýnýn eþik deðerlerinin daha yüksek seçilmesi gerekir ki bu da sisteme ilave bir maliyet getirir.
Dinamik Karakteristikler
Elektromekanik supap mekanizmalarýnýn dinamik karakteristikleri elektrik, mekanik ve mýknatýs alt sistemlerine ait (1)-(4) denklemlerinin çözümünden elde edilir. Bu denklemlerin tam bir analitik çözümü bulunmamakla birlikte sayýsal çözümlerini elde etmek mümkündür. Bunun için MATLAB/Simulink'te bir program hazýrlanmýþtýr [6,16]. Ele alýnan programda mýknatýs devresine ait geçirgenlik denklemleri ile birlikte malzemenin gerçek B-H eðrisi deðerleri kullanýlmýþtýr. Bu þekilde malzemenin mýknatýssal doymasý göz önünde bulundurulmuþ ve ayrýca sýzýntý kayýplarý ile saçaklanma akýlarý hesaba katýlmýþtýr. Histerisiz kayýplarý ise ihmal
edilmiþtir. Böylece sistemin dinamik davranýþý hakkýnda gerçeðe yakýn sonuçlar elde edilmeye çalýþýlmýþtýr. Dinamik karakteristikler hareket süresince mýknatýs devresine 42 V gerilim uygulayarak ve hareket tamamlandýktan sonra bu deðer 4 V'a düþürülerek elde edilmiþ ve egzoz supabý referans alýnarak yapýlmýþtýr. Enerjiden kesilen bobindeki kalýntý mýknatýslanmanýn geciktirici etkisi dikkate alýnmamýþtýr.
Þekil 8'de üç model için dinamik davranýþ eðrileri gösterilmektedir. Bu þekillerden görüldüðü gibi baþlangýçta sürekli bir artýþ gösteren akým belli bir noktada maksimum deðere ulaþtýktan sonra düþüþe geçmektedir. Düþüþe geçen akým eðrisi belli bir noktada minimum deðere ulaþtýktan sonra tekrar yükseliþe geçmektedir. Akým deðiþimindeki bu karakteristik yapý hareketli elemanýn hareketine baðlý olarak hava aralýðýnýn küçülmesiyle indüktans deðerinin artmasýndan kaynaklanýr. Ýndüktans artýþý ise L/R olarak ifade edilebilen elektriksel zaman gecikmesinde artýþa neden olacaktýr. Akým deðiþimi ile oluþan mýknatýs kuvveti artýþý doðrudan hareket deðiþimine neden olurken diðer taraftan hareket deðiþimi de ters yönde akým deðiþimine etki etmektedir. Sonuçta akým deðiþimi elektromekanik sistemdeki karþýlýklý etkileþimin bir ifadesidir. Üç modelde de akým eðrilerinin minimum yaptýðý noktada konum ve akým deðiþim eðrileri karþýlaþtýrýlacak olursa bu noktada hareketin tamamlandýðý görülür.
Model 1 ve 2'de mýknatýs devresinin karþý kuvvetleri yenmesi gerektiði için uzun bir ölü zaman söz konusudur. Supabýn açýlmasý ile birlikte silindir içi basýnç kuvveti düþeceðinden supap nispeten kýsa bir zamanda hareketini tamamlar.
Model 1'de supap açýlana kadar geçen ölü zaman gecikmesi 49 ms iken hareket süresi 4.5 ms'dir. Supap kapanýrken silindir içi basýnç kuvvetleri çok küçük olduðundan ölü zaman yok denecek kadar azdýr. Ancak
makale
bu durumda da akým nispeten düþük seviyelerde kaldýðýndan hareket süresi daha uzundur (15 ms).
Model 2'de supap açýlana kadar geçen ölü zaman 66 ms iken hareket süresi 6 ms' dir. Mýknatýs devresi enerjiden kesildiðinde supap yay enerjisi yardýmýyla yaklaþýk 13 ms' de kapanmaktadýr. Bu modelde yay katsayýsýnýn artmasý supabýn kapanma zamanýný kýsaltýrken, karþý kuvvetleri de arttýracaðýndan supabýn açýlma zamanýný da arttýrýr.
Model 3'te mýknatýs devresi enerjiden kesildiðinde sistemde mevcut olan yay kuvvetleri karþý kuvvetleri yenebilecek büyüklüktedir. Bu nedenle mýknatýs devresindeki akým sýfýrlandýðý anda supap hareketine baþlar. Dolayýsýyla bu modelde supabýn açýlmasý ve kapanmasý sýrasýnda herhangi bir ölü zaman gecikmesi söz konusu deðildir. Supap yaklaþýk 3.6 ms'de açýlmakta ve yine 3.6 ms' de kapanmaktadýr.
Üç model karþýlaþtýrýldýðýnda Model 1 ve 2'nin hantal yapýlarý yanýnda yüksek ölü zaman gecikmelerinden dolayý cevap hýzlarýnýn çok düþük olmasý ve hareket süresince çok yüksek akýmlara ihtiyaç duyulmasý nedeniyle de elektromekanik supap mekanizmalarý için uygun olmadýðý görülür.
Model 3, boyutlarýnýn oldukça küçük, cevap hýzýnýn yeteri kadar yüksek olmasý ve hareket sýrasýnda akýmýn daha düþük seviyelerde kalmasý nedeniyle elektromekanik supap mekanizmalarý için uygun olan tasarým yapýsýdýr.
Enerji Tüketimi
Þekil 9' da üç model için akým deðiþim eðrileri tek bir grafik üzerinde gösterilmektedir. Bu þekilden de görüldüðü gibi Model 1'de akým yaklaþýk 28 A'e, Model 2'de yaklaþýk 19 A'e ve Model 3'te yaklaþýk 7 A' e kadar yükselmektedir. Model 1 ve 2'de akýmýn çok yüksek deðerlere çýkmasý enerji kaybýný arttýracaðý gibi bobinin çok fazla ýsýnmasýna ve hatta yanmasýna neden olabilir. Ayrýca bobinlerin yüksek akýmlarda sürülmesi sistemin ömrünü de azaltýr.
0 3 6 9 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Zaman (s) 10 20 30 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 Zaman (s) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0 3 6 9 0.2 Zaman (s) 16 24 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 8 Zaman (s) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 3 6 9 Zaman (s) Zaman (s) 0 0 3 6 9 a (Model 1) b (Model 2) c (Model 3) Ak ým (A ) K o n u m ( m m ) Ak ým (A ) K o n u m ( m m ) Ak ým (A ) K o n u m ( m m ) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Çekme Akýmý Tutma Akýmý
Çekme Akýmý
Çekme Akýmý Tutma Akýmý
Tutma Akýmý
Çekme Akýmý
Tutma Akýmý
Þekil 8. Üç Model Ýçin Elektromekanik Supap Mekanizmasýnýn Dinamik Karakteristikleri
makale
Supabýn açýlma hareketi süresince enerji tüketimi Þekil 9'da üç model için akým eðrilerinin altýnda kalan alan yardýmýyla hesaplanabilir (8). Buna göre üç model için enerji tüketimi Tablo II'de gösterilmektedir. Üç model için enerji tüketimleri karþýlaþtýrýldýðýnda Model 1 ve 2'nin enerji tüketiminin Model 3'ün yaklaþýk altmýþ katý olduðu görülür. Model 1 ve 2 enerji tüketimi açýsýndan da elektromekanik supap mekanizmalarý için uygun deðildir.
SONUÇ
Bu çalýþmada üç farklý model ele alýnmýþ ve bu modellerin elektromekanik supap mekanizmalarýnda uygulanabilirliði araþtýrýlmýþtýr. Model 1 ve 2'de yay enerjisinden yararlanýlmamýþ, Model 3'te ise yay enerjisinden yararlanýlmýþtýr. Model 2'de bulunan yay sadece supabý kapalý konuma geçirmek için kullanýlmýþtýr. Þekil 9. Bobinlerdeki Akým Deðiþimleri
Model No Enerji Tüketimi (J)
Model 1 365.22 Model 2 336.84
Model 3 6.16
Tablo 2. Supabýn Açýlma Hareketi Süresince Sistemdeki Enerji Tüketimleri
Üç model için sistemin tasarýmý yapýlmýþ ve sistemde yay enerjisinden yararlanýlmadýðýnda boyutlarýn aþýrý derecede büyüdüðü görülmüþtür. Ayrýca Model 1 ve 2'de silindir içi basýnç kuvvetinin mýknatýs kuvveti ile yenilmesi gerektiðinden akýmýn çok yüksek deðerlere çýkmasý ve cevap süresinin çok uzun olmasý söz konusudur.
Model 3 için yay seçimi kritik bir parametredir. Bu modelde karþý kuvvetleri karþýlayabilecek büyüklükte seçilen yaylarla hareketli kütlenin aðýrlýðý da düþük tutulduðunda iyi bir dinamik davranýþ karakteristiði elde edilebilmektedir. Diðer taraftan Model 3'te yay çok sert seçilecek olursa bunu karþýlayacak mýknatýs devresi hantallaþmakta ve hareketli kütle miktarý artmaktadýr. Dolayýsýyla supap için istenilen hareket süresi ve motorun maksimum çalýþma devri göz önünde bulundurularak yay sabiti ve hareketli kütlenin optimum deðerlerde tutulabileceði bir mýknatýs devresi tasarlanmalýdýr.
Bu çalýþmada elektromekanik supap mekanizmalarýnda ele alýnan üç model için statik ve dinamik karakteristikler elde edilmiþtir. Elde edilen ve dinamik karakteristiklere baðlý olarak supabýn hareketi süresince sistemdeki enerji tüketimi hesaplanmýþtýr.
Yapýlan incelemelerin sonucunda elektromekanik supap mekanizmalarýnda yay enerjisinden yararlanmanýn zorunlu olduðu görülmüþ ve bu prensip ile çalýþan Model 3' ün boyutlar, dinamik davranýþ ve enerji tüketimi açýsýndan elektromekanik supap mekanizmalarý için uygun bir yapý olduðu belirlenmiþtir.
KAYNAKÇA
1. Giglio, V. B. Iorio, G. Police, A. di Gaeta., 2001. "Preliminary Experiences in the Design of an Electromechanical Valve Actuator". Internal Combustion Engine 2001 Congress. Italy.
2. Giglio, V., B. Iorio, G. Police, A. di Gaeta., 2002. "Analysis of Advantages and of Problems of
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 5 10 15 20 25 30 Zaman (s) Ak ým (A ) Model 1 Model 2 Model 3
makale
Electromechanical Valve Actuators". Variable Valve Actuation 2002. SAE 2002-01-1105.
3. Gottschalk, M., 1993. ''Electromagnetic Valve Actuator Drives Variable Valve Train". Design News 49 (21). 4. http://www.fev.com/f_index.html
5. Kamýþ, Z., Ý. Yüksel, E. E. Topçu., 2002. "Bir Elektromekanik Supap Mekanizmasý Tasarýmý". OTEKON'02. s. 300-307.
6. Kamýþ Z., Ý. Yüksel., 2003. "Elektromekanik Supap Mekanizmasý Tasarýmý ve Tasarýma Etki Eden Parametrelerin Araþtýrýlmasý". Mühendis ve Makina. ISSN 1300-3402. Sayý 523. s. 14-27.
7. Kamýþ, Z., Ý. Yüksel., 2004. "Elektromekanik Supap Mekanizmalarý Ýçin Farklý Tasarým Yapýlarýnýn Ýncelenmesi". OTEKON'04. s.359-368.
8. Kamýþ, Z., Ý. Yüksel., 2004. "An Investigation of Effect of Applied Electrical Voltage on System Dynamic Behavior and Energy Consumption of an Electromechanical Valve Actuator". G. U. Journal of Science. ISSN 1303-9709. 17 (3). p. 161-177. 9. Park, S. H., J. Lee, J. Yoo, D. Kim, K. Park, Y. Cho., 2001. " A Developing Process of Newly Developed Electromagnetic Valve Actuator - Effect of Design and Operating Parameters". SAE. 02FFL-93.
10. Park, S. H., J. Lee, J. Yoo, D. Kim, K. Park., 2003. "Effects of Design and Operating Parameters on the Static and Dynamic Performance of an Electromagnetic Valve Actuator". Journal of Automobile Engineering. Vol.217. p. 193-201.
11. Park, S. H., J. Lee, J. Yoo, D. Kim., 2003. "A study on the Design of Electromagnetic Valve Actuator for VVT Engine". KSME International Journal. Vol. 17. p. 357-369.
12. Pischinger, M. W. Salber, F. V. D. Staay, H. Baumgarten, H. Kemper., 2000. "Benefits of the Electromechanical Valve Train in Vehicle Operation". Variable Valve Actuation 2000. SAE. 2000-01-1223. p. 43-53.
13. Roters, H. C., 1941. "Electromagnetic Devices". John Wiley & Sons. Inc., 561s.
14. Straky, H., R. Isermann, R. Ortmann, H. P. Schöner, B. Wagner., 2001. "Modellgestützter Entwurf Einer Robusten Aktoregelung Für Einen Vollvariablen Elektromechanischen
Ventiltrieb". 3. Symposium Steuerungssysteme für den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen. Berlin.
15. Stubbs, A., 2000. "Modeling and Controller Design of an Electromagnetic Engine Valve". M.Sc. Thesis. University of Illinois at Urbana-Champaign. 68 p.
16. Þefkat, G., 2002. "Bir Elektromekanik Aygýtýn Statik ve Dinamik Karakteristiðinin Araþtýrýlmasý". Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Bilimleri Dergisi. ISSN 1300-7009. Cilt 8. Sayý 3. s. 273-282.
17. Tai, C., A. Stubbs, T. C. Tsao., 2001. "Modeling and Controller Design of an Electromagnetic Engine Valve". Proceedings of the American Control Conference. Arlington, VA June 25-27. p. 2890-2894.
18. Wang, Y., A. Stefanopoulou, M. Haghgooie, I. Kolmanovsky, M. Hammoud., 2000. "Modeling of an Electromechanical Valve Actuator for a Camless Engine". Proceedings AVEC 2000. 5 th Int. Symposium on Advanced Vehicle Control. No 93.
19. Wang, Y., T. Megli, M. Haghgooie, K. S. Peterson, A. G. Stefanopoulou., 2002. "Modeling and Control of Electromechanical Valve Actuator". Variable Valve Actuation 2002. SAE. 2002-01-1106.
20. Yüksel, Ý., 1981. "An Investigation of Electro-hydraulic Floating Disc Switching Valves". Ph.D. Thesis, University of Surrey.
