İçten Yanmalı Motorlarda Aşırı Doldurma

Günümüzde araç kullanıcıları, performansa önem göstermekle birlikte yakıt ekonomisini de dikkate almaktadırlar. Kullanıcıların daha bilinçli kesimi ise bunların beraberinde, doğayı kirletmemek adına güzel ve önemli tedbirler peşindedirler. Bu hususa çözüm olarak günümüzde içten yanmalı motorlarda aşırı doldurma örneklerini görebiliriz.

İçten yanmalı motorlarda aşırı doldurma sistemleri, aracın verimini arttırmaya yönelik çalışırlar.  Bu sistemler, yakıtın, yanma odasında daha yüksek oranlarda yanmasını, böylece dışarı atılan yanmamış yakıt miktarının azalmasını sağlar. Yani 1 birim akaryakıttan alınan enerji artar ve istenen enerji için gereken birim akaryakıt miktarı azalır.

içten yanmalı motorlarda aşırı doldurma uygulamalarının en yaygın örnekleri, turbosarj ve süpersarjdır. Basit olarak, bu sistemlerin çalışma prensibi yanma odasına basınçlı(sıkıştırılmış) hava basarak yanma verimini arttırmaktır.

Turbosarj, esas olarak egzoz gazının basıncıyla tahriklenir ve aynı mil üzerine monte edilmiş iki adet türbin çarkından oluşur. Bunlardan birisi egzoz manifoltundan çıkan gazlar ile beslenerek ana mili döndürür. Milden hareket elde eden diğer çark, yanma odasına hava basarak işlemin gerçekleşmesini sağlar. Basit ve etkili bir sistemdir. Fakat bu sistem yeterli egzoz gazı basıncını elde edilemediği takdirde çalışamaz. Bu demektir ki sistemin devreye girebilmesi için belli bir motor devri gereklidir. Bu devir ortalama olarak 2500rpm dir. Sistem devreye girene kadar araç normal performans seyrinde çalışır ve sıfır rpm den set değerine kadar olan aralık  ‘turbo boşluğu’ olarak anılır. Çalışmalar, sadece turbo sistemli bir araçta bu boşluğu mümkün oldukça düşük devirlerde setlemek yönündedir. Turbosarj sistemleri yaygın olarak dizel araçlarda kullanılsa da günümüzde benzinli araçlarda da rastlanılan örnekleri mevcuttur.

Süpersarj, direk krank milinden tahrik alan bir kompresördür. Krank mili devrine başladığından itibaren süpersarj devreye girer ve yanma odasına hava basmaya başlar. Bu sistemin boşluğu yoktur ve bu büyük bir avantajdır. Kompresörün krank milinden tahrik alıyor olması motoru bir miktar zorladığından, süpersarj sisteminin başlı başına sağladı yakıt tasarrufunu bir miktar düşürür. Bu sebeple günümüzde süpersarj ve turbosarjın birlikte kullanıldığı motorlar mevcuttur. Bahsettiğimiz turbo boşluğu boyunca süpersarj devrededir ve turbo yeterli basınca ulaşınca kendisi devreye girer. Bu sistem çok kullanışlı olup, aracın sürekli yüksek performans ve düşük yakıtta kullanabilirliğini sağlar.

Bu sistemlere, yardımcı bir sistem olarak intercooler sisteminden bahsedebiliriz. Intercooler turbo ile yanma odası arasında bulunan bir ünitedir. Basıncı artmış hava intercooler’a girer ve burada bir miktar soğutularak yanma odasına gönderilir. Bunun sebebi ideal gaz denklemi ve yoğunluk eşitliği ile açıklanabilir. Basıncı artan havanın sıcaklığı da artar ve ısınan hava genleşir. Hacim artışından dolayı ise yoğunluk azalır. Böylece yanma odasında, birim hacim başına düşen hava miktarı da azalmış olur. Intercooler havayı sabit basınçta soğutarak hacmi bir bir miktar düşürmüş olur ve yoğunluğu artırır.

Intercooler havayı sabit basınçta soğutarak hacmi bir bir miktar düşürmüş olur ve yoğunluğu artırır.
Günümüzde araç alımı konusunda çok fazla çeşit ve alternatif mevcuttur. Dış görünüşten daha çok teknik detaylara önem verilmesi daha mantıklı olacaktır. Yeni bir araç alırken, aracın yakıt ekonomisi ve çevreye verdiği zararın minimum olması, atlanmaması gereken bir parametredir. Bu konuya teknolojinin getirdiği çözümler göz ardı edilmemelidir.

Robotik Sistemlerde Dişli Kavramı

Hiçbir iyi robot dişli kullanılmaksızın inşa edilemez. Tork ve hız gibi parametrelerin dişlilere nasıl etki yaptığını iyi anlamak çok önemlidir. İlk olarak dişlilerden temel bir giriş yapacağız ve basit denklemler ile nasıl uygun bir şekilde kullanabileceğimizi anlatacağız.

Mekanik Avantajı, Açısal Hız ve Tork

Dişliler mekanik kazanç ilkesine göre çalışır. Bunun anlamı, farklı dişli çapı oranları kullanarak, açısal (veya öteleme) hızları ve tork arasındaki değişimin yapılabileceği anlamına gelir.

Tüm motorlarda olduğu gibi motor datasheet’lerine bakarak motorun çıkış hızını ve torkunu bulabilirsiniz. Ama ne yazık ki robotlar için, piyasada mevcut motorlar genellikle tork oranı için arzu edilen hızlara sahip değil. (İstisna olarak servolar ve yüksek tork motorları dişli kutusuyla beraber yapılırlar). Örneğin, robot tekerlekleri düşük torklu 10.000 rpm’de (bir dakikadaki tur sayısı) döndürmek mi daha mantıklıdır? Yoksa yine aynı devirde ama daha torklu olarak dönmesi mi daha ideal olandır? Robotik için konuşuyorsak eğer tork kavramı, hızından daha önemlidir…

Yaptığımız olay basitçe dişliler sayesinde, yüksek hızları daha iyi bir tork ile değiştirmek olacak. Bu değişimi siz de çok basit bir denklemle hesaplayabilirsiniz:

                                     Eski Tork × Eski Hız = Yeni Tork × Yeni Hız

Eski tork ile eski hız değerlerini motorumuzun datasheet’ine bakarak kolayca bulabilirsiniz. Sonrasında yapmanız gereken denklemin sağ tarafında istenen tork veya hız değerlerini koymanız. İleriki konularımızda Statik ve Dinamik hesaplar ile robotlar için nasıl makul tork ve/veya hız değerlerine karar verilir onları inceleyeceğiz. Ancak şimdilik dişli konusunu iyi kavramaya çalışalım.

Örneğin bir katalogdan motor çıkış Torkunu 3 kg-cm ve devrini ise 2000 rpm olarak okuduğumuzu varsayalım. Sizin istediğiniz ise dakikada sadece 300 tur dönmesi olsun. Yukarıdaki denklem ile bunu kolayca çözümlersek:

3 kg/cm × 2000 devir/dakika = Yeni Torkumuz × 300 devir/dakika

=> Yeni Torkumuz = 20 kg/cm olarak karşımıza çıkmaktadır

Şimdi yine aynı motoru düşünün ancak bu sefer 5 kg/cm tork ihtiyacımız olsun. Bu defa en düşük 1500 rpm devirde çalışmamız gereken bir proje yapıyoruz.  Motorun bunu yapıp yapamayacağını nasıl mı bileceğiz? Kolay…

5 Kg/cm × 2000 rpm = 5 Kg/cm × Yeni Hızımız

Yeni Hızımız = 1200 rpm olarak karşımıza çıkmaktadır. Ancak bu istediğimiz değerin çok altında kaldığını görebiliyoruz. Basit eşitlikleri kullanarak daha projeye başlamadan motor seçiminde zamandan kazanç sağlayabilirsiniz. Robot tasarımlarında ve önceden hesapladığınız basit denklemler sayesinde paradan kaybınız da en az olacaktır.

Dişli Oranı

Denklemleri çözdük ama mekaniksel olarak tork ve hız değişiminin nasıl yapılacağı sorusunun cevabını henüz vermemiştik. Bunu belirli bir dişli oranına sahip iki dişli ile (bazen daha fazla sayıda) farklı çaplarda kullanarak yapabiliriz. Dişlilerden büyük çapa sahip olan daha yavaş hareket edecek ancak çok daha fazla tork ile bu hareketi gerçekleştirmiş olacak. Böylece, dişli oranları sayesinde hız ve tork değerlerini değiştirmemiz mümkün olmaktadır. Yine, bu konuda kullanabileceğimiz çok basit bir denklem vardır. Bunu bir örnekle açıklarsak Eski Torkumuz = 10 kg/cm, Eski Hızımız = 100 rpm olsun. Bu durumda;



Dişli oranı = 2/3 ise,
Yeni Torkumuz = Eski Tork × 2/3 = 6.7 kg/cm
Yeni Hızımız = Eski Hızımız × 3/2 = 150 rpm olacaktır.

Belirli Dişli Oranlarının Elde Edilmesi

Basitçe 2:1 şeklinde bir dişli oranı isteseydik, iki dişli kullanarak bunu artık çok kolay hesaplayıp yapabiliriz. Kullandığınız dişli çapını ölçerek elle bu oranını anlayabileceğimizi anladık.

Bunun dışında dişli oranını çok daha doğru ve kesin bir şekilde hesaplamak istiyorsak, bu sefer dişlilerin üzerindeki diş sayılarının oranının hesaplanması gerekli olacaktır. İlk dişli için 28 adet diş sayısı ve diğeri için 13 diş sayısı olduğunu varsayalım. Bu durumda dişli oranı (28/13 = 2.15 veya 13/28 = 0.46) olacaktır. Daha sonraki yazımızda, sonsuz dişliler gibi yüksek dişli oranlarına sahip sistemler için bunlar bize gerekli olacak. Sonsuz dişlilerde daima tek bir diş diğer çoklu dişlerle temas halinde olacağından büyük dişli oranlarının olacağından emin olabilirsiniz.

Dişli Verimi

Ne yazık ki, dişlileri kullanmanız çıkış gücünde verimliliğin azalmasına neden olmaktadır. Bunlar sürtünme, yağlama, dişlilerin birbirlerine olan tepkileri ve açısal momentum vb sebeplerden dolayı olmaktadır. Farklı dişli kurulumları, dişlilerin farklı türleri, farklı dişli malzemeleri gibi birçok etkenden dolayı da dişliler arasında değişik verimlilikler olacaktır. Olası kombinasyonları listelemek çok zor, bu yüzden aşağıda bazı önemli dişli türleri için tahmini verim değerlerini vereceğim. Ayrıca kullandığınız dişlinin datasheet değerlerine bakarak çok daha kesin verimlilik değerlerini bulabileceğinizi unutmayın

Verimlilik konusu neden bizim için önemlidir ve ne işe yarar bunu bir örnek ile anlatmak istiyorum. İki düz dişli kullanacağımızı varsayalım. Düz dişlilerin verimliliği ~%90 civarındadır. Bir önceki örnekte kullandığımız değerler üzerinde gidelim tekrardan. Dişli oranını 2/3 seçmiştik ve Yeni Tork değerini 6.7 kg/cm ve Hız değerimizi ise 150 rpm olarak bulmuştuk. Ancak bu bulduklarımız teorik veya mükemmel koşullar için geçerli olacaktır. Dişlinin az önce söz ettiğimiz sürtünme ve diğer koşullardan dolayı hesapladığımız gücü belli oranda düşürerek bize çıkış verecektir. Yani bu durumda dişlilerden veya redüktörden alacağımız son tork ve hız değerleri;

Kesin Son Torkumuz = 6.7 kg/cm × 0.90 = 6 kg/cm
Kesin Son Hızımız = 150 × 0.9 = 135 rpm olacaktır.

Motor seçimi yaparken redüktör verimliliğini de dikkate almamızın neden çok önemli olduğunu bu örnekle umarım daha iyi farkını vardık. Özellikle Torkdaki bu düşüş, hesapladığımız değerin altında kalmamıza neden olabilir ve tekrardan daha güçlü motor seçimi veya redüktör oranı ayarlamamız gerekebilir. Zamandan kazanmamız için basit hesapları göz önünde bulundurmamız da her zaman fayda var!

Dişli Zincirleri (2 Dişli ve Daha Fazlası)

30 Adet dişli kullandığımızı var varsayalım, her birisi yukarıdaki gibi olsun. Bu durumda nasıl mı hesap yapacağız? Kolay… İlk ve son dişli arasındaki tüm dişlileri geçiyoruz. İlk dişli çapı 2 cm ve son dişli çapı da 1 cm ise elinizde bir 2:1 oran bulunmaktadır. Arasındaki dişlilerin bir önemi yok. Verimliliğimiz şimdi ne olacak?

            Toplam Verimlilik = Dişli Türümüzün verimlilik Değeri^(Diş Sayısı-1)

Bu formüle göre yine düz dişli kullandığımızı kabul edersek;

Toplam verimlilik = 0.9^(29) = %4.7 olacaktır.

Yine aynı şekilde 5 dişli kullanmış olaydık toplam verimlilik = 0.9^(4) = % 65.6 olacak.

Birleşik Dişliler

Aynı mil üzerine sabitlenmiş 2 dişlinin bulunduğu sisteme birleşik dişli denir.

   Aynı mil üzerinde olduğunuzdan hız (saniyedeki dönme) her ikisinde de aynı olacaktır. Burada moment kolumuz aslında yarıçap (radius) olmaktadır.

          İlk Dişli Yarıçapı × İlk Dişli Torku = İkinci Dişli Yarıçapı × İkinci Dişli Torku

Bu örnekte bir ağırlığın yukarı çekilebilmesi için gerekecek minimum tork ne olmalı sorusunu cevaplayacağız.

Denklemleri aşağıdaki gibi yazarsak:
Motorun Torku × 1.Dişli Yarıçapı = 2.Dişli Torku × 2.Dişli Yarıçapı
2.Dişli Torku × 2.Dişli Yarıçapı = 3.Dişli Torku × 3.Dişli Yarıçapı
3.Dişli Torku × 3.Dişli Yarıçapı = Ağırlık × 3.Dişli Yarıçapı

Bu eşitliklere göre basitçe: Motorun Torku × 1.Dişli Yarıçapı = Ağırlık × 3.Dişli Yarıçapı

Bu sebepten dolayı gerekli olacak minimum Motor Torku:

                Motorun Torku = (Ağırlık × 3.Dişli Yarıçapı)/1.Dişli Yarıçapı olur.

Şimdi ağırlığımızı 2 m/s hızla yukarı çekmek istediğimizi varsayalım. Bu durumda saniyedeki dönme miktarımız kaç olması gereklidir?

Denklemleri aşağıdaki gibi yazarsak:
Motorun rps × 1.Dişlinin Yarıçapı = 2.Motor rps × 2.Dişlinin Yarıçapı
2.Dişli rps = 3.Dişli rps (Aynı milde olduğundan devirleri eşit)
3.Dişli rps × 2 × π × 3.Dişlinin Yarıçapı = Ağırlığın Hızı

Bu eşitliklere göre basitçe:
Motor rps × 1.Dişlinin Yarıçapı = 3.Dişli rps × 2.Dişli Yarıçapı
Motor rps × 1.Dişlinin Yarıçapı = Ağırlığın Hızı / (2×Π×3.Dişlinin Yarıçapı) × 2.Dişlinin Yarıçapı

Bu sebepten dolayı gerekli Motor Devri:

Motor rps = 2 m/s × 2.Dişli Yarıçapı / (2×Π×3.Dişlinin Yarıçapı × 1.Dişlinin Yarıçapı) olur.