Modeling and simulation of variable displacement vane pump in diesel engine lubrication system
Dizel motor yağlama sisteminde değişken debili paletli pompa modellemesi ve simulasyonu
- Tez No: 335860
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. PINAR BOYRAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Günümüzde insan sayısının ve makinlerin artmasına paralel olarak enerji ihtiyacı da hızla artmaktadır. Bütün mühendislik sistemlerinde harcanan enerjinin azaltılması ile sistemlerin daha az enerji ile aynı işi yapabilmesi bir çok araştırmacı ve mühendisin önemli bir çalışma alanını oluşturmaktadır. Bu mühendislik sistemlerinden bir tanesi de dünya üzerinde bir çok araçta kullanılan dizel motorlardır. Yeni nesil motorlar üzerinde daha az yakıt tüketimi sağlamak üzere çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Ancak dizel motorların performansları da çok önemli olduğu için yakıt tasarrufunda yapılan geliştirmelerin motor performansına olumsuz yönde etkilememesi gerekmektedir. Dizel motorlarının yağlama sistemi de yakıt tüketimi açısından geliştirilmesi gereken bir alt sistemdir. Geleneksel sabit debi veren yağ pompaları çok fazla yakıt tüketimine sebep olmaktadır. Diğer taraftan değişken debi verebilen yağ pompaları hem sistemin gerektirdiği yağ debisini sağlayabilmekte hem de daha az enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Ancak değişken debili pompalar geleneksel sabit debili pompalara göre daha kompleks geometrilere sahip olduğu için tasarımı çok daha zordur. Hem ilk tasarım aşamasında hem de daha sonra ki tasarım değişiklikleri sırsanında pompanın karakteristğini öncenden kestirebilmek zordur bu nedenle de system tanılama yapılmaktadır. Bu tezin konusu olan değişken debili paletli pompaların karakteristiği kullanılan yayların yay sabiti, yağ özellikleri gibi önemsiz görünebilecek parametrelerden etkilenerek tamamen değişmektedir. Yapılan her değişikliğin veya yeni bir tasarımda sistem parametrelerinin performansa etkisini görmek için test yapmak çok maliyetlidir ve neredeyse imkansızdır. Birçok mühendislik sisteminde olduğu gibi üç boyutlu analiz programları değiken debili pompaların akışkan analizlerinde de kullanılmaktadır. Ancak üç boyutlu analiz programlarından çıkacak sonuçların kalitesi yapılan ağlama kalitesine bağlıdır. Paletli pompalar karmaşık geometriye sahip olduklarından iyi ağlama (meshing) yapılabilmesi büyük uğraşlar gerektirmektedir. Bu tezde değişken debili bir paletli pompanın tek boyutta MATLAB/SIMULINK programı kullanılarak modellemesi konusu ele alınmıştır. Pompanın karakteristiğini etkileyen fiziksel parametreleri ve operasyon hızı modelin girişine beslenmektedir. Sisteme girilen fiziksel paramatreler öncelikle sistemde oluşan yağ debisini hesaplama bloğuna girmektedir. Bu blokta pompanın geometrik boyutlarına ve dönme hızına bağlı olarak oluşan debi hesaplanmaktadır. Bunun yanında bu bloğa kontrol halkasının konumu (ekzantrikliği) de geri beslenmektedir. Ancak ilk çalışma anında geri besleme henüz olmadığı için pompa maksimum ekzantrisitede çalışmaya başlamaktadır. Bütün hidrolik sistemlerde olduğu gibi pompanın ürettiği debi miktarına sistemde bir basınç oluşmaktadır. Motorun anagalerisinde oluşan basınç karakteristiği yağın ana galeriden sonraki motor alt sistemleri üzerindeki basınç düşümüne eşittir. Sistemde sistemin basınç karakteristiği yapılan yağlama sistemi deneyi ile modellenmiştir. Buna göre pompa belirli hızlarda çalıştırılarak sisteme gönderilen debi ve ana galeride ölçülen basınç ölçülmüştür. Ölçülen basınç değerleri hacimsel debi ile ilişkilendirilerek, modelin ilk bloğunda hesaplanan hacimsel debi ile motor anagaleride oluşan yağ basıncı modellenmiştir. Ayrıca yağ pompadan çıktıktan sonra ana galeriye gelmeden önce soğutulup filitrelenmektedir. Bu nedenle pompanın çıkışındaki basıncın hesaplanabilmesi için pompanın ürettiği akışın soğutucu ve filitre üzerindeki oluşturduğu basınç düşümü de modelde ayrı bir blok içerisinde modellenmiştir. Soğutucu ve filitre üzerinde oluşan basınç düşümünü modellemek için öncelikle soğutucu ve filtre modülü üzerinde basınç ve debi ölçerler ile enstrumante edilmiş test sistemine entegre edilmiştir ve üzerinden değişik debilerde yağ geçirilerek modül üzerinde oluşan basınç değerleri kaydedilmiştir. Pompanın ürettiği akış kontrol halkasının iki tarafına iletilerek kontrol halkası üzerinde kuvvet dengesi sağlanmaktadır. Ana galerideki akış pompaya bir boru yardımı ile geri beslenmektedir. Geri beslenen akış pompa içerisindeki valfe basınç uygulamaktadır. Basınç değeri belli bir değeri geçtiğinde valf ve kısıtlayıcı üzerinden akış geçmektedir. Yağın pompa çıkışından valfe çıkışına doğru akışı sırasında kısıtlayıcı üzerinde basınç düşümü oluşmaktadır. Kısıtlayıcı üzerinde oluşan basınç düşümü kontrol halkası üzerindeki kuvvet dengesini değiştirmektedir. Ancak pompanın çıkışından valf çıkışına kadar olan kanalda hem kısıtlayıcı hem de valf çıkışı üzerinde basınç düşümü oluşmaktadır.Valf çıkışı üzerinde oluşan basınç düşümü valfin hareketine bağlı olarak değişmektedir. Valf açıklığının artması ile valf üzerindeki basınç düşümü de azalmaktadır. Dolayısı ile kısıtlayıcı üzerindeki basınç düşümü ile valf çıkışı üzerindeki basınç düşümleri ters orantılı bir ilişkiye sahiptir. Kısıtlayıcı üzerindeki basınç düşümünü hesaplamak için pompa çıkışındaki basınç kısıtlayıcı ve valf çıkışı üzerindeki basınç toplamına eşit kabul edilmiştir. Her iki alt sistemden geçen akış miktarı aynı olduğu için akış denklemlerine göre basınçlar modellenmiştir. Hesap edilen kısıtlayıcı üzerindeki basınç düşümü kontrol halkası üzerindeki kuvvet dengesinde kullanılmak üzere çıkış alınmıştır. Belirtildiği gibi valfin konumu valf çıkışı üzerinde oluşan basıncın değişimine etkilemektedir. Valfin tamamen kapalı olması durumunda valf üzerinde akış oluşmamaktadır. Kısıtlayıcı üzerinde oluşan basıncın hesap edilebilmesi için valfin konumunu bilmek ve yukarıda bahsedilen bloğun girişine beslenmesi gerekmektedir. Bunun için valf hareketi ikinci derecede kütle-yay-damper ile modellenmiştir ve elde edilen valf konumu kısıtlayıcı üzerindeki basınç düşümünü hesap edildiği bloğa beslenmiştir. Kısıtlayıcı üzerindeki basınç düşümü pompa çıkış basıncıncan düşürülerek kontrol halkasının her iki tarafında oluşan yağ basınç kuvvetleri belirlenmiştir. Bunun yanında kontrol halkasına yağ sönümleme ve yay kuvvetleri etkilemektedir. Bu nedenle kontrol halkasının pozisyonu ikinci dereceden kütle yay-damper ile modellenmiştir. İkinci dereceden sistemin çözümlemesi yapılarak her bir noktada kontrol halkasının pozisyonu yani ekzantirikliği belirlenmiştir. Hesap edilen ekzantiriklik değeri pompanın ürettiği yağ akışı miktarı için çok kritik bir öneme sahiptir. Pompanın ekzantirikliği arttıkça sisteme gönderdiği (sabit hızda) akış debisi yükselmektedir ancak ekzantiriklik azaldıkça yani konsantirikliğe yaklaştıkça pompa daha düşük kapasiteli bir pompa gibi çalışmakta ve sisteme daha düşük debide akış göndermektedir. Ekzantiriklik değeri akış debisi hesaplaması yapılan modelin girişine gönderilerek doğru şekilde anlık olarak debi hesabı yapılması sağlanmaktadır. Geliştirilen modele öncelikle lineer değişken bir hız profili uygulanmıştır. Başka bir deyişle sistemin girişine uygulanan hız profili sabit bir ivme ile artmaktadır. Sabit debili (geleneksel) bir pompa lineer hız profili ile çevrildiğinde pompanın verdiği debi pompanın deplasmanın her koşulda eşit olduğu için hız ile lineer değişim göstermesi beklenmektedir. Ancak değişken debili pompa belli bir basınç değerine kadar sabit debili pompa gibi lineer artarken bu basınç değerine ulaştığında pompanın geri besleme aldığı noktadaki basıncın değişmemesi beklenmektedir. Modele uygulanan lineer değişken hız profiline modelin verdiği basınç değerinin öngörülere uygun şekilde olduğu tespit edilmiştir. Bunun dışında sistemin bütün alt parçalarının karakteristiği geleneksel değişken debili pompa karakteristiğine uygun olduğu tespit edilmiştir. Oluşturulan sistemin gerçeklenmesi için motor dinamometre testinden alınan veriler kullanılmıştır. Bu testte motor rolanti hızından 4000 rpm hızları arasında belirli yüklerde gezerek motorun dayanıklılığı test edilmektedir. Bu test sırasında motorun gerekli görülen alt sistemleri de enstrumante edilmektedir. Bu tesste motor yağlama sistemi ana galeri basınç, karter sıcaklık sensörleri ile enstrumante edilerek test süresi boyunca alınan veriler kaydedilmiştir ve on dakika boyunca alınan veriler modelin gerçeklemesinde kullanılmıştır. Gerçekleme için öncelikle testin on dakika boyunca ziyaret ettiği hız değerleri modele beslenmiştir. Sistemin girişine uygulanan hız değerine karşı sistemden ana galeri basıncı, pompanın ürettiği yağ akış hacimsel debisi, valf hareketi (konumu), kontrol halkası pozisyonu(ekzantrikliği) hesaplanmış ve zamana göre değişimi çizdirilmiştir. Ana galeride oluşan basınç değeri testte ölçülen değerle karşılaştrılıp modelin gerçek değerle uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Ancak düşük hızlarda hesaplanan ve ölçülen değer arasındaki var yüksek devirlere göre daha yüksektir. Bu da pompa içerisindeki boşluklardan ve palet ile kontrol halkası arasından pompa girişine kaçan yağların belirli bir hacimsel debi kaybına neden olmasıdır. Bu çalışmada hacimsel kayıplar modellenmediğinden değişken debili pompanın lineer olarak çalıştığı bölgede yani hızın düşük olduğu bölgelerde gerçek değerden sapma daha yüksektir. geryağlama sistemi ana galerisi basınç sensörleri takılmıştır ve basınç ile motor hız değerleri kaydedilmiştir. Testte elde edilen hız profili modele uygulanarak ana galeri basınçları gerçek veriler ile karşılaştırılarak sistem doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
In global life the energy consumption is rising up rapidly due to the remarkable increase in the number of people and machines. In today?s world reducing energy consumption in all engineering systems is an important field of study. Following this trend one of the main researches on diesel engines is covering the reduction of fuel consumption. This can be achieved by improving the engine subsystems performance. One of these sub-system is the engine lubrication system that can be greatly improved. Recent studies have shown that conventional oil pump has a great influence on fuel consumption. It is found that especially using variable displacement oil pump (VDOP) contributes to the decrease on fuel consumption. However variable displacement oil pumps have more complex geometries and operation principle therefore design of a VDOP is quite difficult. Both in design and in modification stages it is not easy to understand the pump characteristics without performing experiments. In vane pump, even the smallest designing parameters i.e. spring stiffness have great influence on the pump?s performance. Performing the tests for every design parameter is not possible or practical. Like the most of the engineering systems, the computational methods and/or modelling provides a better understanding of the system performance in a faster and more flexible manner. 3D CAE tools offer a good solution in achieving comparable results with real world performance; however, modelling of the pump in 3D CAE tools is not quite fast in obtaining simulation results. In addition too long simulation times and effort in 3D modelling, precision of results obtained from 3D tools mostly dependent on the meshing quality. On the other hand 1D analysis is being widely used as it supports engineering systems with quicker and reasonably precise results. Sub-parts of the VDOP can be listed as followings: Hydraulic set with control ring and rotor, restrictor, spool valve system with regulation spring. This thesis basically consists of one dimensional modelling of all sub-parts of the VDOP. The VDOP has been modelled using MATLAB/ SIMULINK. The basic parameters of the pump and operating speed is fed to the system and pump response including intermediate variables of sub-components such as pump outlet pressure, flow rate etc. can be taken as output of the model. The developed model has been verified with a conventional linear speed input. The system firstly fed with a speed profile which increases linearly. Consistent results have been obtained from all of the sub-components with the conventional VDOP characteristics. Moreover an engine dynamometer test has been run and main gallery pressure data which is the main output and system response of the VDOP has been recorded for 600 seconds with a determined speed profile. The same inputs have been given to the model and results have been validated with the test data.
Benzer Tezler
- Genelleştirilmiş takım geometrisi ile frezeleme mekaniğinin ve dinamiğinin incelenmesi
Mechanics and dynamics of milling with generalized geometry
ŞERAFETTİN ENGİN
- Modeling, simulation and experimental verification of a hydraulic fan drive system
Hidrolik tahrikli fan sisteminin modellenmesi, simülasyonu ve deneysel yöntemle doğrulanması
ERSEN TORAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAİF TUNA BALKAN
- Nanoteknolojide yerel olmayan çubuk teorisinin statik ve dinamik problemleri
Static and dynamic problems of nonlocal beam theory in nanotechnology
OLCAY OLDAÇ
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Komple ray bağlantı sisteminin deneysel gerilme analizi
Experimental stress analysis of complete rail fastening systems
SÜHAN ATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
- Fırçasız doğru akım motorlarının simülasyonu
Digital simulation of brushless DC motor
BÜLENT SAVUR
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. EMİN TACER