Günümüzün premium sınıf ve motor sporları içten yanmalı motorlarının bileşenleri, çalışma sırasında yüksek ve tekrarlayan yüklere maruz kalır. Pistonlar ve bağlantı elemanları gibi üretilen hafif bileşenlerin kalitesini doğrulamak, uzun hizmet ömrü sağlamak için çok önemlidir. Mühendisler, laboratuvarda çekme-basma test makinelerinde ve gerçek motor uygulamalarında test tezgahlarında yoğun testler gerçekleştirir. Pankl Racing Systems’ın Test Departmanı, ayrıntılı analiz için Dewesoft içten yanmalı motor analizörü (CEA) teknolojisinin günlük kullanımına ilişkin bilgiler sunar.
Pankl Racing Systems‘ın genel merkezi, Avusturya’nın güneydoğu-orta kesiminde, Mürz ve Thörlbach nehirlerinin birleştiği noktada bulunan küçük sanayi kenti Kapfenberg’dedir.
Pankl High-Performance bölümü, motor, şasi ve şanzıman sistemi bileşenlerinin geliştirilmesi ve üretimi konusunda uzmanlaşmış birinci sınıf bir tedarikçidir. Müşterileri arasında otomotiv endüstrisi, çeşitli motor sporları takımları ve havacılık sektörü bulunmaktadır.
Pankl, aşırı mekanik yükler için tasarlanmış yüksek kaliteli, yenilikçi malzemelerden üretilen hafif bileşenlerle bu niş pazarlarda öne çıkmaktadır.
Şekil 1. Pankl Motor Sistemleri Departmanı test tesislerinde.
BİLEŞEN TESTİ
Motor Sistemleri Departmanı, tek tek bileşenler veya komple sistemler olarak sunulan bağlantı çubukları, pistonlar ve krank milleri konusunda uzmanlaşmıştır. Departman, ilk tasarımdan tüm sistemin FEM hesaplamasına kadar bileşen tasarımını kendi bünyesinde gerçekleştirir.
Diplom-Ingenieur (DI) Elias Hillebold, motor test tezgahından sorumludur.Yarışlar için bağlantı elemanları, Pankl’ın üretim stratejilerini geliştirdiği yüksek mukavemetli çelik ve titanyum alaşımlarından üretilir. Mühendisler, yarışlardan edindikleri deneyimi yüksek performanslı araçların seri üretimine de uygular.
Mühendisler seri üretim ürünlerinden numuneler alır, bunları test numunelerine dönüştürür ve düz bir şekilde taşlar. Ardından yüzey dokusu elektron taramalı mikroskop kullanılarak analiz edilir. Ayrıca, gelen ürünlerin denetimi için mevcut ve yeni malzemeleri test ederler; ofisin her yerinde metal yüzeylerin büyük boyutlu, renkli görüntüleri asılıdır.
Çekme-basma test makinelerine ek olarak, burada bir yorulma mukavemeti test tezgahı da mevcuttur. Operatörler, üzerine gerinim ölçerler uyguladıkları bir bağlantı aparatını sıkıştırmaktadırlar. Rezonans darbesi uyarımı, sabit izleme altında tanımlanmış sayıda döngü veya yorulma için bir frekans ve genlik profili çalıştırır.
MOTOR TEST TEZGAHI VE TEST MOTORU
Pankl Racing, üretilen motor bileşenlerini gerçek çalışma koşullarında test etmek için kendi tek silindirli içten yanmalı motorunu geliştirmiştir. Bu düzenek, şirketin dış test merkezlerine olan bağımlılığını azaltır ve daha ayrıntılı testler yapılmasına olanak tanır.
Geliştirme sürecinde her şey her zaman plana göre gitmez, bu nedenle örneğin bu yüksek motor hızlarında tehlikeli vuruntuları derhal tespit etmek ve hasarı en aza indirmek için ortadan kaldırmak çok önemlidir.
Bu nedenle Pankl Racing’in iki ana hedefi vardır: içten yanmalı motorların sürekli geliştirilmesi ve bileşenlerinin şirket içinde test edilmesi.
Şekil 2. Test Tezgahındaki Motor
Şekil 3. KS Tornado test tezgahı, Dewesoft CEA yanmalı motor analiz cihazına bağlanır.
KULLANILAN EKİPMAN VE YAZILIM
Yüksek hızlı 1 MHz versiyonundaki evrensel Dewesoft SIRIUS ölçüm sistemi, en yüksek açısal çözünürlük gereksinimleri için idealdir.
- SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ – yüksek hızlı SIRIUS ölçüm sistemi, kanal başına 1 MHz, charge/IEPE/gerilim için sekiz analog giriş + 2x hızlı dijital açı sensörü girişi
- DewesoftX CEA-BASE ve CEA-ADVANCED – DewesoftX veri toplama ve sinyal işleme yazılımında yanma ölçümleri ve yanma parametrelerinin hesaplanması (ör. termodinamik) için yazılım seçenekleri
- DewesoftX OPT-CAN (SIRIUS ile birlikte verilir, cihazın arkasındaki CAN bağlantı noktası) – kontrol ünitesi ile iletişim için yazılım seçeneği (CAN veriyolu verilerini alma ve gönderme)
- L1B7m-3xBNC-BOX – krank açısı sensörü için bağlantı boyunca kablonun karakteristik empedansını korumak üzere tasarlanmış bir bağlantı kutusu (Bayonet Neill-Concelman) (3x BNC – 100 MHz SIRIUS sayaç girişi)
- DewesoftX PLUGIN-CA-TESTBED – KS Engineers’ın test tezgahı ile Ethernet iletişimi için yazılım seçeneği
Şekil 4. Dewesoft SIRIUS ölçüm amplifikatörü kontrol kabininde bulunur ve krank açısı sensörü (A ve Z sinyalleri) için 3x BNC bağlantı kutusu sol tarafta yer alır.
ÖLÇÜMLER VE SONUÇLAR
Formula 1 düzenlemeleri yakıt tüketimini yaklaşık 100 kg’a düşürdüğünden, günümüzün içten yanmalı motorları çok daha zayıf bir hava/yakıt karışımıyla çalışmak zorundadır. Bu da ateşleme sistemi bujileri gibi tek tek bileşenlerin sürekli olarak özelleştirilmesi ve motora uyarlanması gerektiği anlamına gelir.
Ön yanma odası ateşleme prensibi 100 yıldan fazla bir süredir bilinmektedir. Mühendisler bu prensibi ilk olarak erken dönem dizel motorlarda uygulamışlardır ve günümüzde de gaz motorlarında ve büyük güç jeneratörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, bu prensip Formula 1’de de yeniden uygulama alanı bulmuştur ve ateşleme sistemi olarak işlev görmektedir.
Bu prensip, buji ateşlemeli motorların zayıf hava-yakıt koşullarında çalışmasını sağlayarak yakıt verimliliğini artırır, yaklaşık %20 yakıt tasarrufu sağlar ve emisyonları azaltır. Bu prensip, ön yanma odasına daha az miktarda yakıt enjekte edilip geleneksel buji ile ateşlenmesi şeklinde çalışır.
Son derece sıcak alev jeti, mini nozullardan odadan dışarı fışkırarak her yöne yıldız şekli oluşturur ve karışımın geri kalanını geleneksel bujiden daha kısa sürede ve tamamen ateşler. Ana yanma odasının ateşlenmesi, OT noktasından çok kısa bir süre önce gerçekleşir.
Şekil 5. Pankl tarafından üretilen ön yanma odalı bujiler
Geliştirme sürecindeki zorluk, tüm değişken motor koşullarında doğru bir şekilde çalışması gereken küçük bir odacıkta enjeksiyonu hassas bir şekilde kontrol etmektir. Mühendisler, daha derin bir yaklaşım elde etmek için çok sayıda CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) simülasyonu gerçekleştirir. Diğer bir sorun ise ön yanma odacığının içindeki çok yüksek sıcaklıktır.
Bileşen değişikliklerinin performans artışını değerlendirmek için, şu anda müşteri için en ilgi çekici CEA parametreleri hangileridir?
- Kütle dönüşüm noktaları – MFB (Kütle Fraksiyonu Yanma) – %10, %50 ve %90’da ana ilgi odağıdır,” diye açıklıyor Elias Hillebold. ”Bu MFB noktaları, motorun yanma hızı hakkında bilgi verir. En yüksek motor verimliliğine ulaşmak için eğri mümkün olduğunca dik olmalıdır.”
Şekil 6. DewesoftX yazılımındaki tipik ölçüm arayüzleri arasında açı tabanlı silindir basınç eğrileri, pV diyagramları, analog hız, %10, %50 ve %90 MFB ayarlarına sahip dijital ekranlar ve kaydedicideki tüm sinyallerin zaman eğilimleri bulunur.
Şekil 7. Ayrıntı: 9840 rpm’de, sıkıştırmadan 130° önce, birden fazla döngü üst üste bindirilmiş olarak kapanma işlemi sırasında valf teması.
Şekil 8. Yanma öncesi dönem: egzoz valfinin kapanması (mavi) ve emme valfinin açılması (kırmızı).
- Bu vaka çalışması için ölçüm verilerini incelerken, tesadüfen CEA Scope widget’ında gaz değişim eğrisi seçeneğini keşfettik. Bu ayarı çok kullanışlı bulduk; daha önce bu ekrana erişmek için verileri MATLAB’a aktarmak zorundaydık.
Elias Hillebold, mühendis
Mühendisler, egzoz sisteminin yanmaya nasıl etki ettiğini belirlemek için gaz değişim eğrisini kullanır. Egzoz borusunda bir emme etkisi meydana gelir ve bu da emme tarafında bir basınç dalgasına neden olur. Tunerlar, daha fazla güç elde etmek için bu etkiyi kasıtlı olarak kullanır.
SONUÇ – MODÜL GENİŞ BİR UYGULAMA ALANINA SAHİPTİR
Pankl Racing, başlangıçta SIRIUS ölçüm modülünü ve CEA yazılım eklentisini yalnızca yanma ölçümü, yani silindir basınçlarının ve krank açılarının kaydedilmesi ve değerlendirilmesi için satın aldı. Mühendisler verileri topladı ve modeli kalibre ederek CFD hesaplamasıyla karşılaştırma yapmayı mümkün kıldı.
Kısa bir süre sonra Pankl Racing Systems, ölçüm verilerinin Kristl Seibt Tornado test tezgahına doğrudan ve canlı olarak aktarılmasını sağlayan Testbed Plugin’i de satın aldı. Eklenti, erken vuruntuları tespit etmek ve iletmek için gereklidir.
O zamandan beri, uygulama alanı birçok ek ölçüm kanalını da içerecek şekilde genişledi. Mühendisler ECU verilerini doğrular (parametre doğrulama), akım penseleri kullanarak enjektör akımını kaydeder ve gecikme sürelerini ölçer. Yük hücresinden eşzamanlı kayıt sayesinde daha fazla bilgi sağlar. Testbed Eklentisi ve CEA modülü, tüm etkileyen faktörleri belirlemek ve ECU parametrelerini optimize etmek için birleştirilebilir.