Transformation of a unit pump equipped single cylinder diesel engine to a plc controlled high pressu

Abstract

Keywords: Diesel engine; lombardini; injection; advance; plc.

1. Gi̇ri̇ş

Dizel motorlarında karışımın teşkili; yakıtın zerrelere ayrılarak, silindirdeki hava ile iyi bir yanma sağlayacak şekilde karışması ile sağlanmaktadır.[1]. Motorlarda hava yakıt karışım oluşumu yakıt tüketimini, egzoz gaz kompozisyonunu ve yanma gürültüsünü direkt olarak etkilemektedir. Bu bağlamda, yakıt püskürtme sistemleri karışım oluşumunda önemli rol oynamaktadır. Bununla birlikte, püskürtmenin başlangıcı-bitişi, püskürtme süresi, püskürtme basıncı, püskürtme demeti sayısı gibi püskürtme sistemi parametreleri yanma prosesini ve karışım oluşumunu etkilemektedir[2,3]. Yakıt püskürtme süresi krank açısı olarak yanmanın başlama süresini belirler. Yakıt püskürtme süresi içeri alınan havanın durumunun değişimini ve tutuşma gecikmesi süresinin değişimini etkilemektedir. Dizel motorlarında mekanik püskürtme pompasına göre, ortak hat püskürtme sistemleri yakıt püskürtme miktarını ve püskürtme zamanını daha etkili biçimde kontrol etmektedir. Ortak hat püskürtme sistemlerinde kullanılan motor kontrol ünitesi, çeşitli sensörlerden gelen verileri işleyerek, enjektörlere uygulanacak olan akımın süresi ile zamanını kontrol eder ve en uygun püskürtme işlemini ve bu işlemin zamanlamasını oluşturur. Püskürtme miktarı ayarında temel kontrol parametreleri, motor hızı ve gaz pedalı konumudur. Püskürtme miktarı, gaz pedalı stroku arttığında(gaza basıldığında) ve motor hızı sabit kaldığında yükselmektedir [4]. Yüksek basınç yakıt püskürtme uygulaması ile krank açısı başına püskürtme miktarı artarken, tutuşma gecikmesi süresi kısalmaktadır. Ancak bu değer belirli bir değerin altına düşememektedir. Bunun sonucunda, tutuşma başlangıcına kadar ki sürede enjekte edilen yakıt miktarı artmaktadır. Bu yüksek yakıt sevki tutuşma gecikmesi süresinde yanmaya katılan yakıt miktarında artışa neden olmaktadır. Bu durum hem NOx oranını hem de gürültüyü arttırmaktadır. Bu nedenle, ortak hat püskürtme sistemlerinde daha az yakıt sevkinin gerçekleştirildiği ön püskürtme yapılmaktadır. Bu ön püskürtme motor gürültüsünü ve NOx seviyesi azaltmaktadır [4,5,6]. Bununla birlikte yüksek basınçlı püskürtme, özgül yakıt tüketiminde iyileşme ve partikül emisyonunda azalma sağlamaktadır[7]. Dizel motorlarında kontrol stratejisinin temeli, egzoz ve gürültü emisyonu standartlarının öngördüğü sınırlar dahilinde gereken torkun minimum özgül yakıt sarfiyatı değerinde elde edilmesine dayanır. Egzoz emisyonu sınır değerlerinin her geçen gün düşürülmesi, optimum püskürtme koşulları, aşırı doldurma ve EGR sistemleri gibi emisyon düşürülmesine yönelik çalışmaların yapılmasını gerektirmiştir. Kontrol açısından bakıldığında bu gereksinimler yakıt sevk parametreleri, dolgu basıncı ve EGR kontrolünü gündeme getirmektedir. Bu bağlamda dizel motorunda yakıt sevk kontrolünün hıza bağlı değişimi, tork, motor hızı ve egzoz emisyonlarını etkilemektedir. Dolayısıyla, yakıt sevki ile bu parametrelerin değişimi kapalı döngü şeklinde olmaktadır. Kontrol stratejisinde temel parametre motor hızıdır. Hız kontrolüne etki eden girdiler ise püskürtme başlangıcı, püskürtme süresi ve basıncıdır.[7]. Yeni nesil araçlarda kullanılan ortak hat püskürtme sistemleri ile püskürtme avansı, basıncı, süresi ve faz sayısına müdahale edilebilmesi, optimum çalışma noktalarının yakalanabilmesine olanak sağlamaktadır. Klasik dizel püskürtme sistemleri ile karşılaştırıldığında aşırı doldurma ile birlikte yapılan fazlı yüksek basınçlı püskürtme, başta motor hızı artışı olmak üzere torkta da ciddi artış sağlamaktadır. Bu bağlamda, alternatif yakıt çalışmaları ile yanmaya dayalı optimizasyon çalışmalarında tek silindirli bir dizel motorunun, çalışma parametrelerinin elektronik kontrolü gerekmektedir. Yapılan araştırmada bu tip Ar-Ge amaçlı tek silindirli bir dizel motorunun bu alanda üretim yapan uluslar arası firmalara tarafından minimum donanım ile satış bedelinin 350.000 Є olduğu belirlenmiştir. Mevcut durumda, aynı işlevleri yerine getiren ve donanımının büyük oranda yerli kaynaklardan sağlandığı bir sistemin kurulması çalışmanın önemini artırmaktadır.

2. PLC Kontrollu Yakit Püskürtme Si̇stemi̇ Tasarimi

Tek silindirli dizel motorunun mevcut mekanik yakıt püskürtme sistemi püskürtme avansı ve basıncı gibi parametrelerin değişimine ve bu parametrelerin değişiminin etkisinin gözlenmesine imkan vermemektedir. Bu amaçla, motorun püskürtme başlangıcı ve püskürtme süresinin kontrolü gerekmektedir. Bunu sağlamak için bir elektromanyetik enjektörün motorun çalışma parametrelerine ( motor hızı, gaz konumu vb.) bağlı kontrol edilmesi gerekmektedir. Yapılan araştırmada bu tip bir sistemin programlanabilir lojik kontroller kullanılarak kontrol edilebileceği belirlenmiştir. Bu noktada PLC’nin görevi, tarafımızdan yazılan programa uygun olarak belirlenmiş çalışma şartında enjektör püskürtme sinyalini oluşturmaktır. PLC seçimi için yapılan araştırmada, Siemens S7–200 tipi 14 dijital girişli, 10 dijital çıkışlı bir işlemci ünitesi ile 4 adet analog girişi olan ek bir modülün (gaz konumu vb analog girişlerin sisteme girilebilmesi için) yeterli olacağı belirlenmiştir. [8]. Şekil–1 de tasarlanan deney düzeneğinde kullanılan PLC sistemi görülmektedir. Motorun hızının ve pistonun konumunun belirlenebilmesi için IVO marka devir başına 360 puls üreten bir artımsal kodlayıcı düzeneğe monte edilmiştir. Montajda piston üst ölü noktada iken kodlayıcı sıfır konum sinyali noktasına getirilerek bağlantı gerçekleştirilmiştir. Bu konumlandırma dizel motorunda önem arz eden püskürtme sinyalinin, avansının ve süresinin krank açısına bağlı belirlenmesine olanak sağlamıştır. Ortak hat püskürtme sisteminde gerekli yüksek basıncı elde edebilmek için, 3 radyal pistonlu bir yüksek basınç pompası kullanılmaktadır. Bu pompa mevcut deney düzeneğinde kullanılmak amacıyla dışarıdan 3 BG lik bir elektrik motoru ile şekil-3’te görüldüğü gibi tahrik edilmiştir. Yüksek basınç pompasının giriş hattı için gerekli olan minimum 0,5 bar’lık , 0,5 l/dk debili yakıt akışını sağlayabilmek için yakıt tankının içine otomobillerde kullanılan standart elektrikli bir yakıt pompası yerleştirilmiştir[9,10].

Şekil 1. Siemens S7-200 CPU-224 işlemci EM-231 analog modül ile TD200 ekranı

3. Kontrol Programinin Hazirlanmasi

Mekanik pompa ile yakıt sevk sisteminin, ortak hat püskürtme sistemine dönüştürülebilmesi için, mekanik yakıt sevki ile çalışan dizel motorunda çalışma şartlarına bağlı yakıt tüketim değerlerinin değişimleri gözlenmelidir. Elektronik kontrollü sistem, mekanik kontrollü sisteme göre daha hassas yakıt sevki gerçekleştirdiğinden bu gözlenen noktalar, farklı motor yüklerinde izin verilen maksimum yakıt püskürtme miktarlarını ifade etmektedir. Bu bağlamda elektronik sisteme geçilmeden önce, mekanik sistemin kullanıldığı deneylerle motorun, moment(tork), hız ve belirli bir miktar yakıtı tüketim süresi ölçülmeli, güç(Ne) ve özgül yakıt tüketim(be) değerleri hesaplanmalıdır. Ölçülen bu değerler ile elde edilen performans eğrilerinin elektronik kontrollü sistem ile de sağlanabilmesi için, çevrim başına püskürttüğü yakıt miktarı ölçülen bir enjektörün açık kalma süresinin elektronik olarak kontrolü gerekmektedir. Bununla birlikte, her hız kademesi için püskürtülmesi gereken maksimum yakıt miktarının tespitinde temel parametre ise is oluşumu başlangıcıdır. Bu bağlamda her hız şartı için bu noktanın tespiti gerekmektedir.

4. Sonuç

Dizel motorlarında yapılacak yanmaya dayalı optimizasyon ve farklı yakıt çalışmalarında motorda kullanılan yakıtın çevrim başına püskürtme süresi, faz adedi, zamanlaması ve basıncı, optimum sonuçların hedeflendiği araştırmalarda önem taşımaktadır. Petrol fiyatlarının hızla artış gösterdiği dikkate alındığında, günümüzde ve gelecekte alternatif yakıt çalışmalarının daha da önem kazanacağı üzerinde önemle durulması gereken bir konudur. Yeni nesil araçlarda kullanılan ortak hat püskürtme sistemnin, tek silindirli motora uygulanmış yapısının deneyseti şeması şekil-5’te ve genel görüntüsü şekil-6’da görülmektedir. Uzun bir ar-ge ve uygulama dönemini takiben, Lombardini LDA 450 tipi klasik dizel püskürtme sistemli bir motor, farklı yakıtların optimum çalışma noktalarının belirlenmesi olanak sağlayacak, püskürtme avansı, süresi, faz adedi ve basıncı (600–1600 bar) değiştirilebilen bir ar-ge motoruna dönüştürülmüştür. Enjektörün çalışma şartı(900–1300 bar) için kalibre edilmesi ile daha önce sitemde yer alan manüel yakıt debisi ölçüm sistemi ortadan kalkmıştır. Püskürtme süresi ve basıncına bağlı olarak çevrim başına püskürtülen yakıt hesaplanabilmektedir. Kurulan test düzeneğine, aşırı doldurma, EGR vb. donanımların eklenmesi ile dolgu basıncı ve art gaz miktarının etkilerinin de incelenmesi mümkün olacaktır. Bu tip Ar-Ge amaçlı tek silindirli bir dizel motorunun bu alanda üretim yapan uluslar arası firmalara tarafından minimum donanım ile satış bedelinin 350.000 Є olduğu göz önünde bulundurulduğunda, aynı işlevleri yerine getiren ve donanımının büyük oranda yerli kaynaklardan sağlandığı bir sistemin 30.000 Є mertebesinde bir maliyetle kurulmuş olması, çalışmanın önemini yansıtan diğer bir husustur.

Şekil 5. PLC kontrollü yüksek basınç püskürtmeli Lombardini LDA450 tipi dizel motor seti

Şekil 6. PLC kontrollü Lombardini LDA450 tipi dizel motor seti resmi

Yavaşlıol İ., “İçten Yanmalı Motorlar” Eğitim Yayınları A.Ş. 1988. Bauer H., (1999) “Diesel-engine managment”Robert Bosch Gmbh, Stuttgart. Bauer H., (1999) "Diesel Accumulaor fuel-injection system Common Rail”, Robert Bosch Gmbh, Stuttgart. Denso Corporation, "Opel 4EE2 tipi motor için Commonrail sistemi", İstanbul, 2003. Desantes J.M., Benajes J., (2004) Molina S., C.A. Gonzalez., ‘’The modification of the fuel injection rate in heavy-duty diesel engines’’ Part 1: Effects on engine performance and emissions, Applied Thermal Engineering, 2701–2714. Heywood JB (1988) Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, Newyork. Guzella L., Amstutz., (1998)., “Control of Diesel Engines” IEEE,0272-1708/98 :53-71. Siemens Simatic S7-200 Programmable Controller System Manual, 2005. Buruk S.,Özçelik U., “Common Rail enjeksiyon sistemi” http://www. obitet.gazi.edu.tr/obitet /comman_rail/cdi2.htm İleri, E. ve Atay C., (2006) “Commonrail Püskürtme Sistemi Simülatörünün Kurulması”, Bitirme Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü. http://www.mekatronikkulubu.org/eklenti/active/0/picmotordevresi3.jpg Adler, U., “Automotive Handbook”, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 406-407, 1996.

Ekler

ηk : Kasnak verimi n: Motor devri (d/d) ρ : Özgül ağırlık (g/cm3) T: Süre (sn) ηe : Termik verim

Md( τ ):döndürme momenti (N.m) V: Hacim (cm3) P: Güç (kW) Hu: Alt ısıl değer (MJ/kg)

Share and Cite