| |
|
Özel Röportaj
FIA, Ricardo ve Yakıt Akış Kontrolü
 |
11.07.2007
FIA, Ricardo ve Yakıt Akış Kontrolü
|
Daha verimli Formula 1 otomobilleri! Daha az yakıt yakan Formula 1 otomobilleri! Yakıt akışı kontrol edilen Formula 1 otomobilleri! Peki nasıl?
Bu röportajımızda, önümüzdeki yıllarda Formula 1’de uygulanması muhtemel olan yakıt akış kontrol sistemini ve alternatifleri üzerine, FIA’nın teknik danışmanlığını yürüten mühendislik firması Ricardo Engineering’den Roland Ermers ile sizin için kısa bir sohbet gerçekleştirdik. Zevkle okuyacağınız ümidi ile.
Orkun ÖZENER: Roland, Ricardo Engineering olarak FIA’ya yakıt akış sınırlaması için türbinli tip bir yakıt akış metre sistemini önerdiğinizi biliyoruz. Ancak, 2004’te yine sizin tarafınızdan ve senin de hazırlayıcılarından biri olduğun, EEMS (Energy Efficient Motor Sports ) raporunda yakıt debisi kontrolü için en net kontrolün standart bir yazılım, kalibre edilmiş enjektörlerin kullanımı ve enjektör açık kalma zamanının monitörize (kaydedilmesi) olarak ifade etmiştiniz. Peki bugünkü önerinizde, bu daha hassas ve net ölçüm yöntemini önermemenizin nedeni nedir?
Roland ERMERS: Yakıt akışının kontrolü için kalibre edilmiş enjektörlerin kullanımı 2004’teki raporda da belirttiğimiz gibi, gerçekten ilgi çekici bir yaklaşım. Ancak, bu yaklaşımı Formula 1 ekseninde değerlendirdiğinizde ortaya aşılması oldukça güç birkaç sorun çıkmaktadır.
2004’teki EEMS fizibilite çalışmasında bizim ana olarak amacımız, Ralli, Touring Car, GT, LeMans gibi çeşitli serilerdeki uygulamalarda kullanabileceğimiz bir yakıt akış kontrol konsepti geliştirmekti. Bu çalışmada ana hedef, benzin, dizel ve gaz yakıtlarının akış kontrolü idi.
Kalibre edilmiş enjektör kullanan bir konseptte, karşılaşılması muhtemel en büyük sorun enjektör sinyal genişliğinin kontrolü olacaktır.
NOT: Türbinli tip akışmetre, basit olarak yakıt hattının ortasında dönen bir pervane (türbin kanadı), türbinin devrini okuyan bir sistem ve yakıt sıcaklık ölçerlerden oluşmaktadır. Yakıt üzerinden geçerken türbini döndürmekte ve türbinin devir sayısına göre yakıt debisi belirlenmektedir.
OÖ: Bu sorunu bizim için biraz açabilir misin?
RE: Tabii ki. Basit bir analizle açıklamaya çalışayım. Dakikada 9000 devir çeviren bir motor, bir saniyede 150 devir çevirmektedir. Yani motor bir devrini 1/150 = 0,00666 saniyede tamamlamaktadır.
4 stroklu olan ve direk enjeksiyonlu olmayan bir motorda, her bir çevrim için motorun 2 devri boyunca yakıt püskürtülebilir. Motorun 2 devri içinse gerekli olan süre 0,01333 saniyedir. Motorun tam yükte çalıştığını düşünerek, enjektörün bu iki devrin % 80’lik zaman dilimi boyunca devrede kaldığını düşünelim. Yani 0,8 x 0,01333= 0,0107 sn. (enjektörün püskürtme boyunca açık kaldığı zaman).
Enjektörün açık kalma zamanını %1 hata ile kontrol etmek istediğimizi düşünürsek, bu %0,5’lik bir hata dilimini enjektör kalkış zamanı için, diğer %0,5’lik dilimi ise enjektör kapanış zamanı için dikkate almamız gerekmektedir. Analizimizi tamamlamak istersek, kısaca 0,0107 saniyelik zaman dilimini, %0,5’lik (0,005) bir hassasiyetle kontrol etmek ve bu veriyi kaydetmemiz gerekiyor (yarış sonrası kontrol için).
Bunu matematiğe dökersek; 0,005x 0,0107=0,0000535 saniye => yani 1/0,000035 =18692 Hz’lik bir frekans karşımıza çıkar. Açık olmak gerekirse şu anda bu veri toplama hızında çalışabilecek olan bir data logger olduğunu sanmıyorum. Örnek olarak; Pİ Research’ün Formula 1 uygulamaları için özel olarak üretmiş olduğu data logger’ın maksimum kayıt hızı bile 1000 Hz olarak karşımıza çıkmakta. Bizim ana olarak bu opsiyonu tercih etmememizin asıl nedeni de bu.
Analizi biraz daha ilerletecek olursak; bir çok yarış serisi %1’lik bir hatayı kabul etmemektedir. Kabul edilebilir hata oranı genel olarak %0,1 civarındadır. Yani bu kayıt faktörünü 10’la çarpmanız demektir (186920 Hz). Ayrıca dizel motorları daha küçük enjektör açık kalma zamanına sahiptirler. Bu da kayıt frekansının daha artmasına neden olacaktır (Formula 1’deki motor devri skalasının 20000’lerde olduğunu düşünürseniz, kayıt frekansının oldukça yüksek değerlere ulaşacağı açıktır).
Buna ek olarak, çok hassas olarak yakıt hattındaki basıncı, motor devrini devamlı olarak çok hassas bir biçimde kontrol etmeniz gerekmektedir. Ayrıca tüm enjektörlerin hassas bir biçimde kalibre edilmesi gerekmektedir. Çünkü tüm bu faktörlerdeki hata oranı toplam hata oranınızı belirlemektedir.
OÖ: Roland, konuyu Formula 1 özelinde biraz açabilir misin?
RE: Tabii ki. Formula 1’deki durum biraz daha farklı. 2008 itibariyle tüm takımlar, özellikleri FIA tarafından belirlenecek olan bir ECU (Engine Control Unit- Motor Kontrol Ünitesi) kullanmak zorundalar. Teoride baktığınızda ECU’nun üzerindeki kodun içerisine maksimum enjektör sinyal genişliğini girmeniz mümkün. Böylece enjektör sinyalini harici bir veri kaydediciyle kaydetmek zorunda kalmazsınız. Ancak, anladığım kadarıyla takımların bazıları (ya da tamamı) pintle tip enjektör (aç-kapa) yerine, sürekli enjeksiyon tipinde enjektörleri kullanmaktalar. Bu enjektörler yakıtı emme boğazına püskürtmekte ve enjektörün içinde bulunan bir valf, enjektörün ne kadar zaman açık kalacağını ve ne kadar yakıt püskürteceğini ayarlamakta. Sizde hak verirsiniz ki bu tip enjektörleri kalibre etmek ve kurallara uygunluğunu kontrol etmek oldukça zor olacaktır.
OÖ: Yani Ricardo olarak sizin akış metre sistemini önermenizin ana nedeni, bu sistemin daha basit ve uygulanabilir olması değil mi?
RE: Evet, tüm bu nedenlerden ötürü, yakıt akış metresi kullanımını çok daha pratik bir çözüm olarak önermekteyiz. Formula 1 araçları ana bir yakıt tankına sahiptir ve bu sistemin içerisinde yüksek basınç pompasını besleyen bir akümülatör ve kolektör bulunmaktadır. Yakıt hattına giden yakıtın bir kısmı, yeniden kolektöre doğru beslenmektedir. Eğer biz akümülatör ve kolektör arasına bir yakıt akış metresi yerleştirirsek, motora ana olarak giden yakıt miktarını belirlemiş oluruz. Böylece herhangi bir şekilde geri dönen yakıt miktarını da ölçmemize gerek kalmaz. Aynı şekilde kolektör ve yakıt hattı arasına bir akış metre, geri dönüş hattına bir akış metre koyabiliriz. Bu sefer net yakıt akışı, iki değerin farkı olacaktır.
OÖ: Peki, bu akış metrenin hassasiyeti konusunu biraz açabilir misin? Örneğin; yakıt sıcaklığının herhangi bir etkisi var mı?
RE: Geri dönüş hattındaki yakıtın sıcaklığı az da olsa, motor devrinden etkilenir, ancak bu küçük düzeyde bir etkidir ve çeşitli yarış araçları üzerinde yapmış olduğumuz yakıt sıcaklığı ölçümlerinin çoğunda bu etkinin ihmal edilebilir olduğunu tespit ettik. Ancak Formula 1’deki devir bandı oldukça yüksek. Bu durumda da çok hassas bir biçimde yakıt sıcaklığını ölçebileceğimizi ve düzeltme faktörünü devreye sokabileceğimizi düşünüyorum. Yakıt akış metresinin ise tepki zamanı oldukça yüksek (10 milisaniyeden düşük).
OÖ: Tüm bu konsepti genel olarak değerlendirirsen, sonuç olarak Formula 1 araçlarının nasıl etkilenebileceği hakkındaki analizlerin nelerdir?
RE: Öncelikle, bu uygulama ile kolaylıkla motorun tüm devir bandı boyunca, ölçülmüş olan yakıt akışı ve motor devrini kullanarak yakıt akışını sınırlayabileceğimizi düşünüyoruz. Ancak motor sporları ile ilgilenen bir çok kişi bunu oldukça katı bir kısıtlama olarak görüyor. Çünkü bu uygulama, motorun tork eğrisine direkt olarak etki etmekte ve doğal olarak motor gelişimini sınırlandırmaktadır. Ancak özellikle şunun altını çizmek istiyorum ki, şu anda bütün bu fikirler halen geliştirme ve tartışma aşamasında. Ve henüz ne FIA, ne de başka bir kurum bu yöntemlerden birisinin uygulanmasına karar vermiş durumda değil.
OÖ: Peki, son olarak FIA’nın 2009 yılında uygulamaya koymayı düşündüğü enerji geri kazanım sistemleri hakkındaki görüşlerin nelerdir?
RE: 2009’da uygulamaya konulacak olan kurallar ile birlikte, “Kinetik Enerji Depolama Sistemleri” devreye girecek. Bu sistemler frenleme anında belirli bir enerjiyi emerek pilotun isteklerine göre yeniden yarış içerisinde kullanmasına izin verilecek. 2011 ve sonrasında ise daha ileri düzeyde depolama sistemlerinin kullanılması gündemde. Egzost sisteminden atılan enerji, bu konseptte ana hedeflerden birisi olabilir. Bilindiği gibi turbo şarj da diğer alternatifler arasında.
OÖ: Roland teşekkürler.
RE: Ben teşekkür ederim.
Orkun ÖZENER, ©Padokf1.com, 2007
* * *
NOT: Bir enjektör nasıl çalışır? Enjektör sinyali ne anlama gelir? Sinyali kaydetmedeki sorun nerden kaynaklanıyor?
Roland’ın açıklamalarını ve konuyu daha anlaşılabilir kılmak için, bir enjektörün nasıl çalıştığına, siz Padokf1 okuyucuları için kısaca bir bakalım istedik. Aşağıda, McLaren Electronics tarafından üretilen bir pintle tip (aç/kapa) enjektör görülmektedir.
Yakıt pompası tarafından enjektöre gönderilen yakıt, enjektör iğnesinin yukarı doğru hareketi ile (resimde sağa doğru ) enjektörün ucundan dışarıya çıkar ve yanma odasının içerisine girer. İğnenin ucundaki konik profilde yakıtın yanma odasının içerisinde (silindirde) hangi açıyla dağılacağını belirler.
Peki Roland’ın da bahsettiği enjektör sinyali nedir? Günümüz modern araçlarında artık bildiğiniz gibi karbüratörlü sistemler kullanılmıyor. Onun yerine araç arkalarında da E ve İ harfleri ile belirtilen “electronic injection-elektronik enjeksiyon” sistemleri kullanılmakta. Peki bu sistem nasıl çalışıyor? Aracın ECU’su (Motor Kontrol Ünitesi) yukarıdaki resimde de görülen solenoid bobine bir elektronik sinyal gönderiyor. Bu sinyalin sonucunda bobinde oluşan elektromanyetik kuvvet bir anda enjektörün iğnesini yukarı doğru kaldırıyor. Enjektörün iğnesi de yukarı doğru kalktığında, açılan uçtan yakıt silindirin içerisine doğru püskürüyor.
Peki ne kadar yakıt püskürteceğimi nasıl biliyorum? Ne kadar yakıt püskürteceğiniz, tamamen ECU’nun üzerinde kodlanmış olan yazılım ile ilgili. ECU, o anda araç sensörlerindeki bütün parametreleri toplar ve o anda püskürtülecek olan yakıt miktarını belirler. Diyelim ki ECU’muz o anda 1 gr yakıt püskürtülmesine karar verdi. O anda ECU yine üzerindeki yazılıma döner ve daha önceden üzerine girilmiş olan enjektör kalibrasyon haritasına bakar. 1 gr yakıt için enjektöre kaç milisaniye boyunca sinyal göndermeliyim sorusunun cevabını arar. Enjektör kalibrasyonları daha önceden her bir süre için binlerce kez açma kapama işlemi yapılarak belirlenir. Yani enjektöre gönderilen sinyalin uzunluğu ve püskürtülen yakıt miktarı ilişkisi daha önceden bilinmektedir.
Örneğin;
10msn sinyal genişliği = 1 gr
20 msn sinyal genişliği = 2gr
30 msn sinyal genişliği = 3 gr
(Burada diğer bir önemli bir not da, bu kalibrasyonun her zaman lineer olmayabileceğidir. Yani 10 msn= 1 gr iken, 20 msn=2gr olmayabilir).
Bu örnekte de enjektörümüz haritadan 1 gr için 10 mili saniye değerini okumuş olsun. Bu andan sonra ECU’muz 10 milisaniye boyunca enjektöre sinyal göndererek, 1 gr yakıtın o anda silindire püskürtülmesini sağlar.
İsterseniz şimdi bu olayı grafiğe dökelim;
Bu grafiğin üst bölümünde enjektör iğnesinin konumuna bağlı olarak püskürtülen yakıt miktarı eğrisi görülmekte. Alt kısımda ise enjektörü kumanda eden elektronik sinyal görülmekte. Dikkat ederseniz, sinyal bir kare dalga şeklinde. Ancak kırmızı çizgi ile sınırlandırılmış ilk bölgeye baktığınızda, sinyalin enjektöre gittiği halde enjektör iğnesinin henüz tamamen geriye çekilmemesinden dolayı (1-4 noktaları arası) püskürtülen yakıt miktarı yavaş yavaş artmakta. Daha sonra püskürtülen yakıt miktarı her birim zaman başına sabit kalmakta. Enjektör kapanırken de (kırmızı çizgilerle sınırlandırılmış ikinci bölge) iğnenin kesite yavaş yavaş oturması ile birlikte, yine yavaş yavaş azalan bir püskürtme görülmekte.
1 ve 4 noktaları arasında enjektörün durumunu grafiğe dökersek;
Şekilde de görüldüğü gibi; 1 noktasında enjektör kapalı konumda ve elektronik sinyal ilk olarak bu noktada enjektöre ulaşmakta. Sinyalin gelmesi ile birlikte enjektör iğnesi yavaş yavaş yukarı doğru kalkmaya başladığı an ise 2 nolu konumda görmektesiniz. Enjektör iğnesi 4 nolu konuma geldiğinde ise tam olarak açık konuma doğru gelmiş olmakta. Bu durumun aynısının enjektör kapanırken de geçerli olduğunu unutmamalıyız.
İsterseniz şimdi de Roland’ın bahsetmiş olduğu %0,5’lik hassasiyet konusuna dönelim. Yukarıda da bahsetmiş olduğumuz gibi, enjektöre giden elektronik sinyalin karakteristiğini bildiğimiz ölçüde püskürtülen yakıt miktarı hakkında fakir sahibi oluyoruz. O nedenle, eğer bir kişi ne kadar yakıt püskürtüldüğünü bilmek istiyorsa, enjektöre gönderilmiş olan sinyali kaydedip, kalibrasyon tablosu yardımıyla o anda silindir içerisine ne kadar yakıt gönderildiğini hesaplayabilir. Kısacası; yarış teknik kontrol grubu araç üzerinde kaydedilmiş olan bu sinyalleri inceleyerek, aracın belirlenenden daha fazla yakıt kullanıp kullanmadığını saptayabilir (bu konudaki bir teknik yetersizliğe ileride değineceğiz).
Ancak burada en önemli nokta, motor sporları gibi yüksek hızların ve uç noktalardaki performansların sergilendiği serilerde, bu sinyalin karakteristiğinin çok hassas bir biçimde belirlenmesi gerekiyor. Bunun için de Roland’ın iyimser analizinde belirttiği kayıt hassasiyeti, bu 0,0107 saniyelik sürenin her binde beşlik bir zaman diliminde sinyalin değerini okumayı gerektiriyor. Ya da diğer bir ifadeyle 0,0000535 saniyede (bir saniyenin yirmi binde birlik bir zaman diliminde) sinyalin değerini (volt cinsinden) okuyup bir kaydedici (data logger) üzerine kayıt etmek gerekiyor.
Sonuca dönersek; Roland’ın da bahsettiği gibi, 1 saniye içerisinde 18692 adet veri değerini (18692 Hertz) okuyup bunu kaydetmek gerekiyor. Ve bu işlemi bir buçuk saat boyunca 8 enjektör için yapmanız gerekiyor.
Ancak sorun burada ortaya çıkıyor, çünkü Pİ Research’ün Formula 1 uygulamaları için özel olarak üretmiş olduğu datalogger’ın maksimum kayıt hızı bile 1000 Hz, yani bir saniye içerisinde 1000 veri toplayabilecek olan bir teknik kapasiteye sahip olarak karşımıza çıkmakta. Buradaki teknik yetersizlikteki ana sorununun veriyi okuma değil, veri kaydedici (datalogger) hafızası üzerine yazmakta kaybedilen zamandır. Çünkü veri kaydetme zamanı bu kadar yüksek hızlarda şu anki teknoloji ile bu bahsetmiş olduğumuz uygulama için yetersiz kalmaktadır.
Kaynaklar - Enjektör resmi ve enjektör iğnesi kalkış grafiği: McLaren Electronics.com |
 |
 |
|
| Diğer Özel Röportaj |
|
|
|
|
|
|
|
 |
