BİR PNÖMATİK MOTOR KONTROL SİSTEMİNİN TEORİK VE DENEYSEL ANALİZİ Haluk GÜNEŞ ...

229 Pages·2012·9.27 MB·Turkish

BİR PNÖMATİK MOTOR KONTROL SİSTEMİNİN TEORİK VE
DENEYSEL ANALİZİ

Haluk GÜNEŞ

DOKTORA TEZİ
MAKİNE EĞİTİMİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ŞUBAT 2012
ANKARA
Haluk GÜNEŞ tarafından hazırlanan “BİR PNÖMATİK MOTOR KONTROL
SİSTEMİNİN TEORİK VE DENEYSEL ANALİZİ” adlı bu tezin Doktora tezi
olarak uygun olduğunu onaylarım.

Prof. Dr. Atilla KOCA ………………………….
Tez Danışmanı, Otomotiv Mühendisliği

Doç. Dr. Ramazan Bayındır ………………………….
Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Mühendisliği

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında
Doktora tezi olarak kabul edilmiştir.

Prof. Dr. Veli ÇELİK ………………………….
Makine Mühendisliği, Kırıkkale Üniversitesi

Prof. Dr. Atilla KOCA ………………………….
Otomotiv Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Prof. Dr. H. Serdar YÜCESU ………………………….
Otomotiv Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Doç. Dr. Metin U. SALAMCI ………………………….
Makine Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Doç. Dr. Yakup SEKMEN ………………………….
Makine Mühendisliği, Karabük Üniversitesi

Tarih: 24/02/2012
Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini
onamıştır.

Prof. Dr. Bilal TOKLU ………………………….
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
TEZ BİLDİRİMİ
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde
edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu
çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf
yapıldığını bildiririm.

Haluk GÜNEŞ
iv
BİR PNÖMATİK MOTOR KONTROL SİSTEMİNİN TEORİK VE
DENEYSEL ANALİZİ
(Doktora Tezi)
Haluk GÜNEŞ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Şubat 2012
ÖZET
Bu çalışmada tek silindirli 2 zamanlı benzinli bir motor basınçlı hava motoruna
dönüştürülmüş ve emme supabının istenilen zamanda açılıp kapanabilmesi için
eksenel çalışan elektromanyetik bir supap mekanizması hazırlanmış ve
prototipi yapılmıştır. Motorun çalışmasının yönetilmesi için Atmega8
mikroişlemcili bir elektronik devre imal edilmiş ve en uygun emme supap
(Emaks 40°, Emaks 50°, Emaks 60° ve Emaks 70°) zamanlaması belirlenerek
performans deneyleri yapılmıştır. Deneyler sabit kelebek açıklığı ve farklı
çalışma basınçlarında (8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 ve 22 bar) yapılmıştır. Deney
sonuçlarına göre en yüksek doldurma verimine sahip olması sebebiyle, bütün
çalışma basınçları için en uygun emme supap zamanlaması Emaks 60º
belirlenmiştir. Emme supap zamanlaması Emaks 60º, 20 bar çalışma basıncı,
1000 1/min motor hızında motor verimi %22,16 motor momenti 2,92 Nm ve
motor gücü 306 W olarak elde edilmiştir.
v
Deneylerden elde edilen motor perfomans değerleri kullanılarak motor
momenti ve hava tüketim debisinin tahmini için MATLAB programı
kullanılarak, R2 değeri 0,99858 olan YSA ile modellemesi yapılmıştır. Elde
edilen sonuçlar incelendiğinde kurulan YSA’nın yüksek doğrulukta tahminler
yaptığı gözlemlenmiştir.

Bilim Kodu : 708.3.026
AnahtarKelimeler : Basınçlı hava motoru, Elektromanyetik supap
Sayfa Adedi : 204
Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Atilla KOCA
vi
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF A
PNEUMATIC ENGINE CONTROL SYSTEM
(Ph.D. Thesis)
Haluk GÜNEŞ
GAZİ UNIVERSITY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
February 2012
ABSTRACT
In this study a single-cylinder two stroke gasolin engine has been converted to a
compressed air engine and axial running electromagnetic valve mechanism and
a prototype were prepared to open and close the intake valve at the desired
time. An electronic circuit having Atmega8 microprocessor was produced to
manage the work of the engine and the performance experiments were
performed by determining the timing of the most appropriate intake valve
(Emaks 40º, Emaks 50º, Emaks 60º and Emaks 70º). The experiments were
performed at the constant throttle and different working pressures (8, 10, 12,
14, 16, 18, 20 and 22 bar). According to the experiment result, Emaks 60 was
decided to be the most suitable intake valve timing for all the working pressure
due to the fact that it has the highest volumetric effiency. Engine efficiency was
found to be at intake valve timing Emaks 60º, 20 bar working pressure, 1000
1/min engine speed 22,16 % and its engine moment, 2.92 Nm and engine power
306 W.
vii
By using the engine performance values obtained from experiments and
MATLAB program, an ANN which has R2 value is 0.99858 was modelled for
engine torque and the estimation of air consumption flow rate. The predictions
with high accuracy by the ANN were observed when the result obtained were
analyzed.

Science Code : 708.3.026
Key Words : Compressed air engine, Electromangetic valve
Page Number : 204
Adviser : Prof. Dr. Atilla KOCA
viii
TEŞEKKÜR
Çalışmalarım süresince her konuda yakın ilgi ve desteğini esirgemeyip, kıymetli bilgi
ve tecrübeleri ile bana yol gösteren değerli hocam Prof. Dr. Atilla KOCA’ya
teşekkürü borç bilirim.
Çalışmalarım sırasında beni yönlendiren değerli katkıları ve rehberliklerinden
faydalandığım Prof. Dr. Veli ÇELİK, Doç. Dr. Metin U. SALAMCI ve Doç. Dr.
Ramazan BAYINDIR hocalarıma teşekkür ederim.
Ayrıca, yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Melih OKUR’a, Öğr. Gör. Dr. M.
Akif KUNT’a, Arş. Gör. Dr. Özer CAN’a, Selçuk SAKAR’a, Şeref
ŞEREFOĞLUN’a ve Yrd. Doç. Dr. Fatih ŞAHİN’e katkılarından dolayı
minnetlerimi sunarım.
Çalışmalarım boyunca zor günlerimde manevi desteklerini esirgemeyen ve beni
yalnız bırakmayan aileme ve sevgili eşime teşekkürü borç bilirim.
ix
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ................................................................................................................ iv
ABSTRACT ............................................................................................................ vi
TEŞEKKÜR ......................................................................................................... viii
İÇİNDEKİLER ........................................................................................................ ix
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ................................................................................... xiii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ......................................................................................... xiv
RESİMLERİN LİSTESİ ........................................................................................ xix
SİMGELER VE KISALTMALAR ......................................................................... xx
1. GİRİŞ ................................................................................................................ 1
2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI .......................................................................... 8
3. BASINÇLI HAVA MOTORLARI ................................................................... 28
3.1. Basınçlı Hava Motorlarının Uygulama Alanları ...................................... 30
3.2. Çevrimlerine Göre Basınçlı Hava Motorları ............................................ 31
3.3 Basınçlı Hava Tankı ................................................................................ 34
3.4. Basınçlı Hava Motorlarının Termodinamik Analizi ................................. 36
3.5. Teorik Net İş ve Motor Verimin Hesaplanması ....................................... 41
3.6. Hava Sarfiyatı ve Kullanılan Boru Çapının Hesaplanması ....................... 43
3.7. Basınçlı Hava Motorunun Supap Zamanlamalarının Belirlenmesi ........... 44
3.8. Basınçlı Hava Motorlarının Ekserji Analizi ............................................. 46
3.8.1. Ölü hal ve sınırlı ölü hal ............................................................ 47
4. ELEKTROMANYETİK SUPAP MEKANİZMASINDA KULLANILAN
MANYETİK MALZEMELER VE ELEKTROMANYETİZMA ...................... 52
4.1. Malzemelerin Sınıflandırılması ................................................................. 53
x
Sayfa
4.2. Histeresis Olayı ve Isı Kayıpları ................................................................ 55
4.3. Girdap Akımı Kayıpları ............................................................................. 57
4.4. Manyetik Geçirgenlik ................................................................................ 58
4.5. Endüktans ................................................................................................. 59
4.6. Manyetik Enerji......................................................................................... 60
4.7. Manyetik Devreler..................................................................................... 61
4.8. Çekme Kuvveti ......................................................................................... 62
5. ELEKTROMANYETİK SUPAP MEKANİZMASININ TASARIMI ............... 63
5.1. Supap Mekanizmasının Tasarımı ............................................................ 64
5.2. Elektromanyetik Eyleyicinin Tasarımı .................................................... 67
5.2.1. Elektromanyetik eyleyicinin analitik ve nümerik hesaplamaları . 67
5.2.2. Elektromanyetik eyleyicinin endüktansı .................................... 70
6. PNÖMATİK MOTORUN KONTROL ÜNİTESİNİN TASARIMI .................. 76
6.1. Atmega8 Mikrodenetleyicisi ................................................................... 78
6.2. CNY70 Optik Sensör .............................................................................. 80
6.3. LM35 Sıcaklık Sensörü ........................................................................... 81
6.4. Likit Kristal Ekran .................................................................................. 82
6.5. Sürücü Devre .......................................................................................... 83
6.6. Sistemin Çalışması .................................................................................. 84
6.7. Yazılım ................................................................................................... 85
6.8. Elektromanyetik Supabın Çalıştırılması ve Testler .................................. 87
7. MATERYAL VE METOT ............................................................................... 89
7.1. Materyal ................................................................................................. 89
7.1.1. Basınçlı hava tüpü ..................................................................... 89