II. ULAŞIM VE TRAFİK KONGRESİ - SERGİSİ I. OTURUM 02 EKİM OTURUM BAŞKANI Ali PERİ MMO Gaziantep Şube Bşk. BİLDİRİLER

Transkript

1 I. OTURUM 02 EKİM 1999 OTURUM BAŞKANI Ali PERİ MMO Gaziantep Şube Bşk. BİLDİRİLER 1. Karayolu Taşıtlarında Kullanılan Teknik Donanımın Trafik Kazalarını Önlemedeki Rolü Doç. Dr. Duran ALTIPARMAK 2. Motorlu Taşıtlarda Alternatif Yakıt Kullanımı Prof. Dr. Hüseyin ÖĞÜT Araş. Gör. Recai KUŞ 3. Motorlu Araçlar İçin Alternatif Bir Yakıt: LPG Inş. Yük. Müh. Sinan DOĞANER 4. Sorular ve Tartışmalar

2

3

4 li. ULAŞIM VE TRAFİK KONGRESİ - SERGİSİ KARAYOLU TAŞITLARINDA KULLANILAN TEKNİK DONANIMIN TRAFİK KAZALARINI ÖNLEMEDEKİ ROLÜ * Doç. Dr. Duran ALTIPARMAK ÖZET Günümüzün taşıtlarında lüks ve konforun yanısıra sürüş güvenliği de ön planda yer almaktadır. Otomotiv teknolojisindeki hızlı gelişmelere paralel olarak, taşıtlarda "Aktif Güvenlik Sistemlerimin kullanımı yaygınlaşmaktadır. Kazaların oluşumunu mümkün olduğunca önlemeye yönelik olan bu donanımların başlıca fonksiyonları; taşıtlarda kararlı hareket, emniyetli manevra kabiliyeti ve emniyetli frenleme olarak sıralanabilir. Bu makalede, ticari taşıtlarla başlayan ve binek otomobillerinde de yaygınlaştırman tekerlek kilitlenmesini önleyen ABS (Anti-lock Brake System), patinajı önleyen, optimum tutunmayı sağlayan ASR (Automatic Spin Regulation) veya TCS (Traction Control System) gibi sistemlerle çeşitli yavaşlatıcıların (Retarders) fonksiyonları ve taşıt hareketi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Özellikle kaygan ve ıslak yol şartlarında etkili bir yavaşlama, ivmelenme ve durma çok büyük önem taşımaktadır. İnsan dikkat ve refleksinin her zaman mükemmel olmadığı gerçeği düşünüldüğünde, sözkonusu donanımların hayati önemi daha iyi anlaşılmaktadır. Anahtar kelimeler : Taşıt, ABS/ASR, Yavaşlatıcılar, Fren performansı, Taşıt kararlılığı 1.GİRİŞ Her türlü yol ve sürüş şartlarında, hareket halindeki bir taşıtın fren sistemi ve yardımcı güvenlik sistemlerinde aranan üç özellik, a- Aracın kararlı, düzgün hareketi (doğrusal harekette veya dönüş sırasında) b- Direksiyon kontrolü, c- Frenlemeden sonra kısa mesafede duruş, d- Düşük tutunma şartlarında bile en yüksek hareket torku, e- Lastik tekerlek aşıntısının en aza indirilmesi, olarak sıralanabilir. Bu özelliklerin sağlanabilmesi, frenleme veya yavaşlama anında tekerleklerin kilitlenmemesine, ivmelenme sırasında ise patinajın önlenmesine bağlıdır. Taşıtın fren sistemi, özellikle kaygan yol şartlarında mümkün olduğunca kısa bir mesafede durmasını sağlamalıdır. Durma mesafesi, fren performansının en önemli göstergesidir ve ABS uygulamalarından sonra araştırmacıların yoğun olarak ilgisini çekmiştir (14). 1970'li yıllarda üzerinde çalışılan antilock sistemler, yıllarında elektronik devre ve sinyal işlemcilerin geliştirilmesiyle 1984'de kompakt hale getirilmiştir (2). Taşıtın kaygan zeminlerde ivmelenmesi sırasında da kararlılığını muhafaza etmesi gerekir. Bu amaçla, ticari taşıtlarda kullanılan ABS sistemlerine ilave bir donanım ve yazılımla çekiş veya patinaj kontrolü sağlayan bir sistem (ASR) de geliştirilmiştir (4). ABS/ASR birleştiril- * Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi-ANKARA 139

5 miş sistemleri, 1987 yılından beri ticari taşıtlar için gelişririlmeye devam etmektedir (11). Bu birleşik sistemle,-değişik sürüş ve zemin şartlarında optimum çekiş ve kararlılık sağlamak ve tekerlek aşıntısını en aza indirmek mümkün olabilmektedir. Ayrıca bu sistem, patinaj halinde motor gücünü de kontrol etmektedir. Çeşitli yol-zemin şartlarında ABS kullanan taşıtlarla ABS'siz taşıtların fren durma mesafelerinin ve kararlılığının karşılaştırılması, fren performansları için önemli bir kriter olmaktadır. Bu nedenle değişik tip ABS ve fren sistemleri kullanan taşıtların durma mesafelerini karşılaştırma çalışmaları ilgi çekmiştir. Bununla ilgili kapsamlı deneysel çalışmalar mevcuttur (10). 1980'li yıllarda başlıca iki tip ABS kullanılmaktaydı. Bunlardan biri sadece arka tekerlekleri kontrol eden sistem, diğeri ise dört tekerleği ayrı ayrı kontrol eden sistemdi. Sadece arka tekerlekleri kontrol eden sistem, her ne kadar araç kararlılığını ve direksiyon kontrolünü büyük ölçüde geliştirse de, ön tekerleklerin kilitlenmesi durumunda ortaya çıkabilecek direksiyon kontrolü riskini tamamen ortadan kaldıramamıştır. Dört tekerleğin kontrol edildiği antilock fren sistemi, panik frenleme sırasında taşıta kararlılık ve direksiyon hakimiyeti sağlaması bakımından etkili bir emniyet sistemi olarak kabul edilmektedir (13). Çeşitli ABS tasarımları ve kontrol teknikleri üzerinde de ciddi araştırmalar yapılmış, taşıtların kararlılığı ve durma mesafelerine bu değişik sistemlerin etkileri üzerinde durulmuştur. Bu amaçla geliştirilen tekerlek kontrol yönteminde ön ve arka tekerlekleri aynı anda kontrol etme özelliğine sahip olan basitleştirilmiş bir teknik denenmiştir. Bu kontrol tekniği, ön tekerleklerden alınan en az kayma sinyali ve arka tekerleklerden alınan en yüksek kayma sinyali ile ön ve arka tekerleklerin kontrolünü esas almaktadır. Dört tekerleğin ayrı ayrı kontrol edildiği tekniğin kullanılmasıyla panik frenleme süresince bile araç kararlılığının ve direksiyon hakimiyetinin korunduğu gözlenmiştir. Ancak, pürüzlü (kaba yüzeyli) yollarda ve bazı şartlarda bütün ABS sistemleri, ABS kullanmayan taşıtlara göre daha uzun durma mesafesi verebilmektedir. ABS ve ASR sistemlerinin asıl fonksiyonu, ıslak zeminlerde, karlı ve buzlu yollarda ortaya çıkmaktadır. Çünkü tekerlek ile yol arasındaki sürtünme katsayısı (adhesion), kilitlenmeye ve patinaja etki eden ve dolayısıyla durma mesafesini ve savrulmayı belirleyen bir özelliktir (3). Böyle yollarda yeterli direksiyon kontrolü, panik frenleme durumunda daha da önemlidir. Çünkü, kaygan yollarda panik frenleme, ABS'siz bir taşıt için daha uzun durma mesafesine neden olduğu gibi, direksiyon kontrolünü da tamamen ortadan kaldırabilir. 2. ABS ÇALIŞMA ŞARTLARI Taşıtlarda tekerlek blokajını önleyen sistem (ABS), normal fren sistemine ilave edilen elektronik kontrol ünitesi, tekerlek hız sensörleri ve içerisinde valfler bulunan hidrolik (veya pnömatik) modülatörden oluşmaktadır. Sistem, hız sensörleri vasıtasıyla her bir tekerleğin hızını sürekli olarak algılar ve elektronik kontrol ünitesinde ortalama taşıt hızı hesaplanır. Frenleme esnasında, her tekerleğin hızı ile ortalama taşıt hızı karşılaştırılarak hesaplanan kayma oranı, referans değere ulaştığında kilitlenme eğilimi gösteren tekerleğin hidrolik veya pnömatik fren basıncı düşürülerek blokaj önlenir. Ancak, sadece tekerlek kayma oranına bağlı olarak yapılan ABS kontrolü eksik kalmaktadır. Frenleme esnasında bütün tekerleklerin aynı anda ve aynı derecede kilitlenme eğilimi göstermesi durumunda taşıt hızının ve buna bağlı olarak da kayma oranının gerektiği gibi hesaplanması mümkün olmayacaktır (6). Özellikle arka ve ön aksın her ikisinin hareket verdiği taşıtlarda (dört çekerli), buzlu yollarda bütün tekerleklerin aynı anda bloke olması mümkündür. Bu durumda, hız sensörlerinden gelen bilgi ile taşıt 140

6 hızının belirlenmesi imkansız olacaktır. Bu nedenle, günümüzde kullanılan ABS kontrolleri sadece kaymaya bağlı değil, aynı zamanda tekerlek çevresel ivmesine bağlı olarak yapılmaktadır. Bu amaçla geliştirilen sensörler vasıtasıyla taşıt hızının doğrudan ölçülmesi mümkün olabilmektedir (12). ABS ve ASR sistemlerinde tekerlek kayma hesabı aşağıdaki gibi yapılır : ^ABS = 1-(V a /V t ) ^ABS = 1 - (V t /V a ) Bu eşitliklerde; X ABS = ABS için tekerlek kayma oranı (%) X ASH = ASR için tekerlek kayma oranı (%) V t = Tekerlek çevresel hızı (m/s) V a = Taşıt hızı (m/s) olarak ifade edilmektedir. ABS'nin devreye girmesi, belirlenmiş referans kayma oranına göre olmaktadır. ABS'nin çalışma şartı aşağıda gösterildiği gibidir : ^ ABS > ^0 a t <a 0 Burada, X Q = Referans standart koyma oranı a t = Tekerlek çevresel ivmesi (m/s 2 ) a 0 = Referans standart tekerlek çevresel ivmesi (m/s 2 ) Referans standartlar, genellikle aşağıdaki değerlerdedir: Ao = %10 a o = 9.8~ 15 m/s 2 Tekerleklerdeki kızaklama veya kaymanın kontrol edilmesi, çeşitli kontrol teknikleri ile gerçekleştirilmektedir. Bu tekniklerden biri, her bir tekerleğin fren basıncının ayrı ayrı kontrol edilmesi esasına dayanır. Diğer tekniklerde ise tekerleklerden birinin kayma oranı referans alınarak aynı anda diğer tekerleğin kontrol edilmesi prensibi vardır. Ancak, ABS'nin etkinliğini artırmak amacıyla, ön aks tekerleklerinde yüksek tutunma katsayısına göre (select-high), arka aks tekerleklerinde ise düşük tutunma katsayısına göre (select-low) frenleme torklarının kontrolü benimsenmiştir. Yüksek duyarlı kontrol tekniğinin kullanıldığı bir taşıtta eğer yol yüzeyi sürtünme katsayısı (m tutunma katsayısı) diğer tarafa göre daha düşük ise m'nün düşük olduğu tarafın geçici olarak kilitlenmesine neden olabilir. Dönüşlerde ise iç tekerlek üzerine gelen yükün azalması dolayısıyla yol yüzeyi homojen sürtünme katsayısına sahip olsa bile bu tekerleklerde kilitlenme görülebilir. Bu tekniğin uygulanmasında taşıt kararlılığı ve direksiyon kontrolü az da olsa olumsuz yönde etkilenmekte; buna karşılık durma mesafesi, özellikle pürüzlü yollarda daha kısa olmaktadır (13). 141

7 3. FRENLEME VE DURMA MESAFESİ 3.1 Fren Basıncı Dağılımı Pratikte dört tekerlekli bir otomobilin bütün tekerleklerinin aynı ölçüde tutunma/sürtünme değerine ulaşması ve eşit olarak optimum frenleme sağlaması mümkün değildir. Çünkü aracın frenlemesi esnasında aracın yükünün ön tarafa kayması nedeniyle ön tekerleklere daha yüksek, arka tekerleklere ise daha düşük fren basıncı gereklidir. Ancak fren merkez silindirinden ayak pedalı vasıtasıyla ön ve arka tekerleklere iletilen fren basıncı eşit olmaktadır. Bunun yanısıra her tekerleğin aynı tutunma-zemin şartlarında bulunması nadiren rastlanan bir durumdur. Bütün düşük tutunma katsayılı frenlemelerde ön tekerlekler, yüksek tutunma katsayılı frenlemelerde ise arka tekerlekler diğerlerinden daha önce kilitlenme eğilimi göstermektedir. Optimum frenleme performansını gerçekleştirmek için taşıtların yüklü ve yüksüz şartlarına uygun olan ideal fren basınç dağılımına ihtiyaç vardır. Çeşitli frenleme yönergeleri, arka tekerleklerin çeşitli yavaşlama ivmelerinde kilitlenmesini yasaklamıştır. Bu nedenle, fren basınç dağılımını ideal şartlara yaklaştırmak için arka aks tekerlekleri fren basıncını sınırlayan limitörler kullanılır. Ancak limitörler, panik frenlemelerde tekerlek blokajından dolayı taşıtın tehlikeli bir şekilde savrulmasını önlemede ABS kadar etkili değildir. 3.2 Durma Mesafesi Belirli bir hızla hareket eden taşıtın gerek panik frenleme, gerekse normal frenleme anından duruncaya kadar aldığı yol, durma mesafesi olarak tanımlanabilir. Frenlemeden sonra taşıtın durma ve yavaşlama sürecinde etkili bir faktör olan toplam frenleme süresi; reaksiyon süresi, aktif frenleme süresi ve serbest bırakma süresi olarak üç aşamadan oluşmaktadır. Bunlardan reaksiyon süresi, başlangıç intikal süresi ile fren basıncının oluşması süresinin toplamı olarak değerlendirilebilir. Reaksiyon süresinin kısaltılmasına yönelik yapılan incelemelerde, yavaşlama ivmesinin ve dolayısıyla durma mesafesinin nasıl kısalacağı gösterilmiştir (10). (V) İlk hızı ile hareket eden bir taşıt için durma mesafesi aşağıdaki gibi formülize edilebilir: S d = av + bv 2 Burada S d durma mesafesi, V taşıt ilk hızı, a ve b sabitlerdir. Eşitlikteki ilk terim reaksiyon süresi ile ilgilidir. Durma mesafesini etkileyen bu terim, sürücünün belirli bir zamanda pedal kuvvetini uygulama kabiliyetine ve fren sisteminin bu kuvvete cevap vermesine bağlıdır. Ancak aynı veya benzer tip araçların karşılaştırılmasında reaksiyon süresi dikkate alınacak kadar önemli olmayabilir. İkinci terim bv 2 ise yavaşlama ivmesi ile ilgili terimdir. Teorik olarak en kısa durma mesafesi, maksimum yavaşlama ivmesi ile mümkündür. Ancak tekerleklerden biri veya birkaçının kilitlenmesi durumunda maksimum yavaşlama ivmesi elde edilemeyebilir. Tekerleklerin kilitlenmesi ve buna bağlı olarak durma mesafesinin değişmesi, tekerlek-yol arasındaki sürtünme katsayısına (adhesion) ve frenleme kuvveti dağılımına bağlıdır. Optimum durma mesafesinin değişik yol ve zemin şartlarında analiz edilebilmesi için frenlenen lastik tekerlek üzerinde meydana gelen kuvvetlerin ve yol-tekerlek arasındaki sürtünme veya 142

8 tutunma karakteristiklerinin anlaşılması gerekir (1). Şekil 1'de tekerlek kayma oranı ile yanal kuvvet katsayısı ve frenleme kuvveti katsayısı arasındaki ilişki gösterilmektedir. Grafikte görüldüğü gibi, frenleme başladığında frenleme kuvvetini oluşturan fren basıncı artar ve taşıt hızı azalır. Taşıt hızı ile tekerlek hızı arasındaki fark (brake slip) maksimum sürtünme katsayısı/kayma değerine ulaşıncaya kadar artar. Bu da kararlı ve kararsız bölge arasındaki limiti gösterir. Bu maksimum frenleme kuvvetinden sonra frenleme basıncı artsa bile yol ile tekerlek arasında meydana gelen frenleme kuvvetinde bir artış olmaz. Kaymanın (0) olduğu yerde tekerlek yanal kuvveti optimum değerde, maksimum frenleme kuvvetinin meydana geldiği yerde ise yeterli değerdedir. Ancak % 100 kayma anında, yani tekerleğin tam olarak kilitlendiği sırada yanal kuvvet ihmal edilecek kadar azdır. Bu durum, ön tekerleğin kilitlenmesi halinde direksiyon hakimiyetinin; arka tekerleğin kilitlenmesi halinde ise taşıtın doğrusal kararlı hareketinin kaybolacağını göstermektedir. Kilitlenme anındaki tutunma (adhesion), maksimum frenleme kuvvetinin meydana geldiği tutunma değerinden daha düşüktür. İyi bir ABS, frenleme kuvvetini sürekli olarak maksimum tutunma civarında muhafaza eden sistemdir. Şekil 1. Frenleme kuvveti/kayma karakteristiği [Oppenheimer, P.] Fren performansını belirlemek amacıyla yapılan çeşitli karşılaştırmalar için değişik fren durma mesafeleri de tanımlanmıştır. Bunlar ; a- Sürücüye bağlı durma mesafesi, b- Tekerlekleri bloke olmuş taşıt için durma mesafesi, c- ABS'li taşıt için durma mesafesi olarak ifade edilebilir. Durma mesafesi karşılaştırmaları için eşit şartların sağlanması gerekir. Her bir durma mesafesi için esas olan, optimum frenleme kuvveti ve kısa reaksiyon süresinin sağlanmasıdır. 143

9 Durma mesafelerinin ABS'li ve ABS'siz araçlar için karşılaştırıldığı testlerde, sürücünün becerisi özellikle kaygan yollarda çok önemlidir. Sürücüye bağlı durma mesafesinin tesbiti, standartlara ve yönergelere uygunluğun tesbiti için de kullanılmaktadır. ABS'nin araç durma mesafesini kısaltmadaki etkinliği, frenleme kuvveti dağılımına, yol-tekerlek tutunma karakteristiğine ve ABS verimine bağlıdır. 3.3 Durma Mesafesine Etki Eden Faktörler Durma mesafesine etki eden birçok faktör vardır. Bunlardan bazıları; a- Fren sistemi ile ilgili faktörler, b- Tekerlek/Yol-zemin şartları ve çevre şartları ile ilgili faktörler, c- Sürücü ile ilgili faktörler olarak sıralanabilir. Ön ve arka tekerleklerin kontrol yöntemlerindeki değişikliğin ve yol-zemin şartlarının durma mesafesi ve taşıt kararlılığına etkileri yapılan deneylerle açıkça ortaya konulmuştur. Denemelerde kullanılan üç değişik taşıtın özellikleri: a- N-ABS : ABS kullanılmayan taşıt, b- H-ABS: Select-high tekniğinin ön tekerleklerde, select-low tekniğinin arka tekerleklerde uygulanması, c- I-ABS : Select-low tekniğinin arka tekerleklerde, bağımsız tekniğin ön tekerleklerde uygulanması. Bu taşıtta ön tekerlekler biribirinden bağımsız olarak kontrol edilmektedir (13). Bu üç tekniğin kullanıldığı taşıt için değişik yol şartlarında alınan durma mesafeleri, Şekil 2'de verilmiştir. Şekil 2. ABS'li ve ABS'siz taşıtlar için bulunan durma mesafeleri (13) Şekil 2'de görüldüğü gibi, kuru asfalt yolda yapılan deneyde I-ABS ve H-ABS kullanan taşıtların durma mesafeleri biribirine çok yakın ve N-ABS'ye göre daha kısadır. Islak beton yol- 144

10 da 80 km/h ilk hızda H-ABS, l-abs'ye göre daha uzun mesafede durmaktadır. Buna karşılık, ABS'siz bir taşıta göre de % 10 kadar daha kısa durma mesafesine sahiptir. Pürüzlü yol şartlarında I-ABS ve H-ABS'nin N-ABS'ye göre daha uzun mesafede durdukları gözlenmektedir. Burada H-ABS'nin l-abs'ye göre durma mesafesi yönünden avantajlı görünmesinin sebebi, ön tekerleklerde yüksek duyarlı (select-high) kontrol tekniğinin kullanılması ve bu tekniğin pürüzlü yollarda daha etkili olmasıdır. Pürüzlü yollarda ABS kullanan bir taşıtın normal fren sistemi kullanan taşıta göre az farkla da olsa daha uzun mesafede durmasının başlıca iki nedeni vardır : a. Normal, düzgün yüzeyli bir yolun aksine pürüzlü bir yolda yol ile lastik tekerlek arasındaki sürtünme (tutunma) katsayısı çok yüksek olduğundan, kilitleme anındaki tekerlek en yüksek tutunma katsayısı ile yüzeye sürtünürken, aracın daha kısa mesafede durmasını sağlayarak ABS ile kontrol edilen tekerleklere göre daha etkili bir frenleme ortaya koymaktadır. b. ABS'nin pürüzlü yüzeylerde tekerlekleri kontrol etmesi sırasında, sürekli değiştirilen tekerlek devri, yani zaman zaman azaltılan frenleme kuvveti dolayısıyla durma mesafesi daha uzun olmaktadır. Ancak, "yüksek duyarlı" olarak bilinen ve her iki taraftaki tekerleği kilitlemeden sonra kontrol eden teknikle daha kısa duruma mesafesi sağlanabilir. Maksimum frenleme kuvvetini ve buna bağlı olarak durma mesafesini etkileyen diğer önemli faktör, yol yüzey kalitesidir. Değişik yol yüzeyleri, Şekil 1'de gösterilen frenleme kuvvet katsayısının değişmesine neden olmaktadır. Yol-tekerlek tutunma değerlerini ve buna bağlı durma mesafelerini etkileyen diğer şartlar, tekerleklere gelen düşey yükler, tekerlek diş derinliği, zemindeki su seviyesi gibi faktörlerdir. 3.4 ABS Performansını Değerlendirme Esasları ABS kullanan bir taşıt ile ABS kullanmayan taşıtın frenleme performansını karşılaştırmak için başlıca iki yöntem kullanılır : a. Aynı taşıt üzerinde ABS'li ve ABS'siz yapılan testler : Değişik yol şartlarında ve taşıt hızlarında yapılan bu testlerde karşılaştırma yapabilmek için iki önemli parametre dikkate alınmalıdır. Bunlardan birincisi, ABS'siz taşıtta sürücüye bağlı olarak değişen frenleme kuvveti dağılımı; ikinci parametre ise ABS verimidir. Eğer ABS performansı ABS'siz taşıta göre çok yüksek görünüyorsa bu durum, ABS'siz taşıtta gerçek frenleme kuvveti dağılımının iyi olmadığını gösterir. Bunun tersi gerçekleştiğinde ise ABS'siz taşıtta frenleme kuvveti dağılımının iyi olduğu söylenebilir. Ancak bu, ABS veriminin düşük olduğu anlamına gelmez. Sağlıklı bir değerlendirme için değişik yol şartlarında değişik test ve ölçümlere ihtiyaç duyulabilir (10). b. Değişik taşıtlar ve yol-yüzey şartlarında yapılan testler : Bu tür testlerde ABS'li ve ABS'siz taşıtların karşılaştırılması için yine iki parametre dikkate alınır. Bunlarda ilki, tekerlekle yol yüzeyi arasında oluşan en yüksek tutunma faktörü/kilitlenmiş tekerlekte oluşan tutunma faktörü oranıdır. Diğer parametre ise ABS verimidir. Test sonuçları, ABS kullanan taşıtın ABS'siz taşıta göre daha uzun mesafede durduğunu gösteriyorsa, bunun iki nedeni olabilir : 1- ABS verimi düşüktür, 2- ABS'siz taşıtta kilitlenmiş tekerlekler ile yol arasındaki tutunma faktörü çok yüksektir. Bu, çok pürüzlü yollarda görülebilecek bir sonuçtur. 145

11 Genellikle en yüksek/kilitlenmiş tekerlek tutunma katsayısı oranı 1/1 ile 2/1 arasında değişmektedir. Eğer ABS'siz taşıtta belirli bir yüzeyde kilitlenmiş tekerleğin tutunma faktörü ABS'li taşıt tekerleğinde meydana gelen tutunma faktörüne eşit veya daha yüksekse ABS'siz taşıt daha kısa bir mesafede durabilecektir. Bu tür deneylerin, tecrübeli sürücülerle ve durma mesafesi ölçme standartlarına uygun olarak hazırlanmış taşıtlarla yapılması gerekmektedir. Ancak bu şekilde fren performansının bir göstergesi olan fren durma mesafesi hakkında anlamlı sonuçlar elde edilebilir. 4. TAŞIT KARARLILIĞI 4.1 Taşıt Kararlılığını Etkileyen Faktörler 1970'li yılların başında, bazı avrupa ülkelerinde ticari taşıtlar için ABS kullanma mecburiyeti getirilmiştir. Ağır taşıtların kararlılığını sağlamak amacıyla, 4 ve 6 kanallı ABS sistemleri, havalı fren sistemine sahip kamyon, otobüs ve çekicilerde 1981'den beri kullanılmaktadır (9). Daha etkili kararlılık sağlamak için Wabco firmasının geliştirdiği ASR sistemi de ABS ile birlikte uygulanmıştır. Tek tekerleğin patinajını önlemenin yanısıra, hareket veren tekerleklerin beraberce patinaj yapması halinde motor gücünün düşürülmesine de ihtiyaç vardır. Bu anlamda ASR'nin fonksiyonu, kaygan yollarda etkili bir kararlılık için çok önemlidir (11). Ağır ticari taşıtlarda, yüklü ve yüksüz şartlardaki büyük farklılıklar nedeniyle ABS/ASR sistemlerinin beraberce uygulanması taşıt emniyeti açısından büyük önem taşımaktadır (5). Taşıt kararlılığını optimum seviyede tutmak amacıyla, ABS'ye ilave olarak aynı anda kullanılan ASR sistemlerinin frenleme ve ivmelenme anındaki frenleme kuvvet katsayısı-yanal kuvvet katsayısının kayma oranına göre değişim eğrileri Şekil 3'de verilmiştir (4). Kilitlenmiş Neg. kayma sei best tekerlek Poz. kayma. - Patinaj yapan tekerlek " tekerlek Şekil 3. Frenleme-Tutunma ve yanal kuvvet katsayılarının kaymaya göre değişimi Değişik sürtünme katsayılarında ikiye ayrılmış yolda frenleme yapan taşıtın yön değiştirmesi veya yalpalaması kaçınılmazdır. Sürekli bir frenleme operasyonunda sürtünme katsayısının büyük olduğu tarafa doğru (araç düşey ekseni etrafında oluşan moment dolayısıyla) savrulma veya çekme meydana gelecektir. Bu yön değiştirme veya yalpa momentini kısmen ortadan kaldırmak için, sürtünme kuvvetinin yüksek olduğu tekerlek fren basıncını kontrol eden bir teknik geliştirilmiştir. Bosh firması tarafından ilk defa 1984'de uygulanan bu tekniğin 146

12 taşıt kararlılığı üzerinde etkili olduğu gözlenmiştir (8). Böyle bir kontrolün olmadığı ABS'li bir taşıtta meydana gelen yalpa momenti ve yön değiştirme Şekil 4'de gösterilmiştir. Burada değişik yol sürtünme katsayılarında (m=0.8 ve m=0.1) ikiye ayrılmış olan yolda, V taşıt hızında tekerleklerde meydana gelen frenleme kuvvetleri B, yanal kuvvetler S ve sol tarafa doğru oluşan yalpa momentine (ML) karşılık taşıtı tekrar kararlı pozisyona getirmeye çalışan moment (MR) gösterilmiştir. Şekil 4. Değişik yüzey kalitesindeki yolda frenleme etkisi (8) ABS'li ve ABS'siz taşıtların kullanıldığı yol denemelerinden elde edilen sonuçlar farklı zemin şartlarının taşıtın savrulmasına etkisini ortaya koymaktadır. Bir tarafı pürüzlü yüzey, diğer tarafı kuru asfalt olarak bölünmüş bir yolda 50 km./h hızda, tam frenleme ve direksiyonun düz durumda kilitlenmesi ile yapılan deneylerde ABS'siz taşıtın ABS'li taşıta göre 10 derece civarında fazla savrulduğu görülmüştür. Bu savrulma, bir tarafı kuru asfalt, diğer tarafı ıslak zemin olan yolda daha da fazla olacaktır (13). Ticari taşıtlarda kullanılmak üzere ABS/ASR sistemlerine ilave olarak; devre basıncını düzenlemek, fren sisteminde çeşitli kontrolları sağlamak amacıyla elektronik kontrol sistemi geliştirilmiştir. Yol ve trafik emniyeti için önem taşıyan bu sisteme ilave bazı alt sistemler eklenebilmektedir. Mesela, retarder, römorklar için kaplin-tork kontrolü, fren balatası kontrolü gibi ilave fonksiyonlar sağlanabilmektedir (15). Günümüzde yaygın olarak kullanılan yavaşlatıcılar, büyük ticari taşıtların önemli bir aktif güvenlik sistemidir. Egzoz freni, elektrikli yavaşlatıcıların yanısıra en yaygın olarak kullanılan yavaşlatıcı türü, hidrolik yavaşlatıcılardır (Voith). Özellikle ağır yük taşıtlarının servis frenini aşırı frenlemeye karşı koruduğu gibi, daha düzgün, kararlı ve etkili bir yavaşlama sağlamaktadır. Dolayısıyla, bu sistem, ABS/ASR sistemleri ile beraber kazaları önlemede etkili donanımlar olarak görülmektedir. 147

13 5. SONUÇ ve ÖNERİLER Taşıtlarda kullanılan ABS, ASR, yavaşlatıcı ve pnömatik süspansiyon gibi elektronik kontrollü donanımlar, trafik kazalarını önlemeye yönelik aktif güvenlik sistemleri olarak görülmektedir. Bu donanımların amaç ve fonksiyonları, özellikle kaygan yol şartlarında kısa durma mesafesi, taşıt kararlılığını bozmadan ve savrulmadan emniyetli manevra kabiliyeti sağlamasıdır. Bu özellikler, panik frenleme dolayısıyla arkadan çarpma, savrulma nedeniyle zincirleme kazaları önlemede önemli rol oynamaktadır. Taşıt kararlılığı ve durma mesafesi, büyük ticari taşıtlarda daha büyük önem taşımaktadır. ABS/ASR sistemlerinin yanısıra, ilave elektronik kontrol sistemleri, bu tür taşıtlarda daha etkili ve olumlu sonuçlar vermektedir. Günümüz binek taşıtlarında kullanımı yaygınlaşan ABS sistemlerine küçük bir ilave donanım ve yazılımla taşıt kararlılığında daha etkili bir sonuç almak mümkündür. ABS/ASR sistemlerinin beraberce ele alınması, frenleme ve ivmelenme sırasında taşıta uygun bir durma mesafesi sağlamanın yanısıra, kararlılık ve çekiş şartlarının optimum hale getirilmesi avantajını da sağlar. Taşıtın aktif kontrolünü sağlayan bu sistemlerin maliyeti taşıt fiyatının % 5 veya % 10'u kadardır (7). Taşıtlarda ABS kullanımının kazaları azaltma oranı % 5 dolayındadır. Bu oran bile bu donanımın kullanılması için yeterli sebep olarak düşünülmelidir. Yukarıda belirtilen hususlar gözönünde bulundurulduğunda, yeni teknoloji ürünü olan teknik donanımların taşıtlarda yer alması, periyodik bakım ve kontrollerinin mutlaka yapılması gerekmektedir. Ancak, unutulmamalıdır ki, bu sistemlerin, aşırı taşıt hızı ve tehlikeli sürücü hatalarının etkilerini tamamen ortadan kaldırması mümkün değildir. KAYNAKLAR 1. Automotive Handbook, Robert Bosh GmbH, Second Edition, BLECKMANN, H.W., BURGDORF, J., VON GRUNBERG, H.E., TIMKNER, K., WEISE, L, "The First Compact 4- Wheel Anti-Skid System with Integral Hydraulic Booster", SAE Paper No: DECKER, H., EMIG, R., GRAUEL, I., ENGFER, O., "State of the Art and Future Prospects of Braking Control in Europe", SAE Paper No: GERSTENMEIER, J., "Traction Control (ASR)-An Extension of the Anti-Lock Braking System (ABS)", SAE Paper No: GOHRING, E., "Electronic Traction Control System ASR and its Integration in the Anti-Lock Braking Systems ABS to form a Safety System "ABS/ASR" for Commercial Vehicles", SAE Paper No: GÖKTAN, A.G., GÜNEY, A., EREKE, M., Taşıt Frenleri, I.T.Ü. Makina Fakültesi, Otomotiv Anabilim Dalı, İstanbul, HATTWIG, P., "Cost-Benefit Analysis of Simplified ABS", SAE Paper No: JONNER, W., CZINCEL, A., "Upgrade Levels of the Bosch ABS", SAE Paper No: KRAMER, D., ROPER, D., TRACHMAN, E., "Drive Axle Antilock for Heavy Vehicle Stability", SAE Paper No: OPPENHEIMER, P., "Comparing Stopping Capability of Cars with and without Antilock Braking Systems (ABS)", SAE Paper No: PETERSEN, E., REINECKE, E., LIERMANN, P., "Anti-Lock Braking System (ABS) with Integrated Drive Slip Control (ASR) for Commercial Vehicles", SAE Paper No: SAITO, H., SASAKI, N., NAKAURA, T., KUME, M., TANAKA, H., NISHIKAWA, M., "Acceleration Sensor for ABS", SAE Paper No: SATOH, M., SHIRAISHI, S., "Performance of Antilock Brakes with Simplified Control Technique", SAE Paper No: STURM, R., "Brakes and ABS on Four Wheel Drive Vehicles", SAE Paper No: WREDE, J., DECKER, H., "Brake by Wire for Commercial Vehicles", SAE Paper No:

14 MOTORLU TAŞITLARDA ALTERNATİF YAKIT KULLANIMI * Prof. Dr. Hüseyin ÖĞÜT, * Öğr. Gör. Recai KUŞ ÖZET Ekonomi ve kalkınmanın en önemli etkenlerinden biri olan enerji ihtiyacı tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de artarak devam etmektedir. Ülkemizde ticari enerji ihtiyacının büyük kısmı petrolden karşılanmaktadır. Petrolün önemli bir kısmı ise motorlu taşıtlarda yakıt olarak kullanılmaktadır. Dünya petrol rezervleri aşırı kullanım sonucu hızla tükenmektedir. Buna paralel olarak hava kirliliğinin en önemli sebeplerinden biri olan egzoz emisyonlarının artması, araştırmacıları alternatif yakıt arayışına itmiştir. Motorlu taşıtlarda kullanılabilen alternatif yakıtlar; alkoller (metanol, etanol), doğal gaz (CNG), sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), hidrojen ve bitkisel yağlardır. Alternatif yakıt olarak benzinli motorda; - Alkol benzin karışımı - Alkol - Metan - Sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) - Hidrojen Dizel motorlarda ise; - Alkol dizel yakıtı karışımı - Bitkisel yağ dizel yakıtı karışımı - Bitkisel yağlar - Sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) - Sıvılaştırılmış petrol gazı kullanılabilmektedir. Önceleri sabit tesis motorlarında kullanılan sıvılaştırılmış petrol gazı ve doğal gaz, günümüzde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Gaz yakıtlar, karışımın oluşturulması, dağıtımı, ateşlenmesi, yanmanın kontrolüne en az zorluk göstermeleri ve emisyon değerlerinin düşük olması sebebi ile ideal yakıt olarak bilinmektedirler. Diğerleri ise maliyetlerinin yüksek olması, depolama güçlükleri ve temininin zor olması nedeniyle tercih edilmemektedir. Alternatif yakıt kullanan taşıtlarda, performans, emisyon değerleri, işletme maliyeti, yakıt ekonomisi ve periyodik bakım süresi göz önünde tutulmalıdır. Bu çalışrnada ağırlıklı olarak LPG ve CNG üzerinde durulmuştur. 1. GİRİŞ Dünya enerji ihtiyacının büyük bir kısmı, petrol, kömür ve doğal gaz kaynaklarından karşılanmakta ayrıca nükleer ve hidrolik enerjiden de yaralanılmaktadır. Ekonomik ve toplumsal kalkınmanın en önemli etkenlerden olan enerji, nüfus artışı ve teknolojik gelişmelere paralel olarak, tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde artarak devam etmektedir. Dünya enerji kaynaklarını iki grupta toplamak mümkündür. * Selçuk Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Selçuklu - Konya / TÜRKİYE. 149

15 - Yenilemeyen enerji kaynakları; Kömür, petrol, doğal gaz gibi fosil kaynaklı enerji kaynaklarıdır; - Yenilenebilir enerji kaynakları; Güneş, rüzgar, nükleer, dalga jeotermal, hidrolik, hidrojen ve biokütle kaynaklarıdır (14). Dünya enerji kaynağının %50'den fazlasını petrolün oluşturması ve tahmini olarak yılları arasında tükenecek olması, çok fazla kullanılmayan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını gündeme getirecektir (6). Ülkemiz enerji ihtiyacının büyük bir kısmını petrolden karşılamakta, petrolün önemli bir kısmı ise motorlu taşıtlarda yakıt olarak kullanılmaktadır. Dünya petrol rezervleri aşırı kullanım sonucu hızla tükenmekte bunun yanı sıra sıvı ve katı yakıtların yanmasından kaynaklanan toplam kirletici emisyon kütlesindeki artış, dünya ekolojik dengesinde geri dönülemeyecek bozukluklara neden olmaktadır (7). Petrole bağımlılığın azaltılması ve ekolojik dengelerin korunması için mevcut enerji kaynaklarının etkin ve verimli kullanılması gerekmektedir. Bu olumsuzlukların en aza indirilmesine yönelik olarak araştırmacılar alternatif yakıtlar üzerinde çalışmalarını sürdürmektedirler Araştırmacıların yaptıkları çalışmalarda motorlu taşıtlarda alternatif yakıt olarak, alkol (metanol, etanol) hidrojen, bitkisel yağlar, doğalgaz ve sıvılaştırılmış petrol gazı belirtilmektedir (4). Belirtilen alternatif yakıtların tercih edilebilmeleri için, birim fiyatlarının ucuz olması ve yakıt donanımlarında en az değişiklikle ve motorda köklü değişikliğe gerek göstermeyecek ve performansta önemli düşüklük yapmayacak nitelikte olmalıdır. Önceleri sabit tesis motorlarında kullanılan sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG-Liquified Petroleum Gas) ve doğal gaz (CNG-Compressed Natural Gas) motorlu taşıtlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Gaz yakıtlar karışımın oluşturulması, dağıtımı, ateşlenmesi, yanmanın kontrolünde en az zorluk göstermeleri ve emisyon değerlerinin düşük olması nedeniyle ideal alternatif yakıt olarak bilinmektedir. Diğer yakıtların maliyetlerinin yüksek olması, depolama güçlükleri ve emisyon değerlerinin yüksek olması nedeniyle tercih edilmemektedir. Bu çalışmada, motorlu taşıtlarda alternatif yakıt olarak bilinen, alkol, hidrojen, bitkisel yağlar ve yaygın olarak kullanılan LPG ve CNG incelenmiştir. 2. YAYGIN OLARAK KULLANILMAYAN ALTERNATİF YAKITLAR 2.1. Alkol (Metanoi, Etanol) Alternatif yakıtlar içerisinde değerlendirilen alkol ve karışımları birçqk ülkede dikkate değer bir kullanım düzeyine ulaşmıştır/alkol tarım ürünlerinden ve kömürden üretilebilmektedir. Ülkemiz tarım ülkesi olması ve zengin linyit rezervlerinin bulunması ve petrol ithal eden ülkelerin başında gelmesi alkolün ülkemiz için önemli bir enerji kaynağı olabileceğini göstermektedir (9). Alkollerin motor yakıtlarına alternatif olma nedenlerinden biriside emisyonları düşük olmasıdır (14). Alkol esaslı yakıtları iki grupta incelemek mümkündür, metanol, etanol benzinli motorlarda saf olarak veya değişik oranlarda karıştırılarak kullanılabilmektedir. Kimyasal formülü CH 3 - OH olan metanol çok hafif hissedilebilen, renksiz, kokusuz zehirli bir alkol çeşididir. Metanol benzine ve motorine göre daha geniş tutuşma aralığına sahiptir. Bu sebeple depodaki doymuş buhar, çevre sıcaklıklarında patlayıcı olabilmektedir. Ağırlığının 150

16 I. ULAŞIM VE TRAFİK KONGRESİ - SERGİSİ %49.9'unu yakıcı özelliği bulunan oksijen oluşturur. Stokiyometrik karışımda gerekli olan kütlesel hava miktarı 6.44 kg'dır. Bu özelliği egzoz emisyonları yönünden bir avantaj olmakla beraber alt ısıl değerinin benzine göre 2.2 kat daha düşük olması bir dezavantajdır. Gizli buharlaşma ısısı çok yüksek olan metanol emme manifoldunda buhar fazına geçerek benzine göre 4 kat daha fazla ısı çekmektedir. Bu durum volümetrik verimi artırıcı yönde emme manifolduna dışarıdan ısı verilmiyorsa karbüratörden çıkışta buharlaşmak için yeterli ısıyı bulamayan metanol silindir içerisine sıvı fazda gireceğinden HC emisyonlarını artırır. Bununla beraber sıvı yakıtın silindir cidarlarındaki yağ filmini bozacağı, kartere inen sıvı metanolün motor yağını da bozacağı aşikardır. Etanol renksiz, saydam hafif kokulu bir sıvıdır. Kimyasal formülü C 2 H 5 - OH olan etanol motor özellikleri açısından hemen hemen metanolle aynı sayılabilir. Buharlaşma gizli ısısı metanoldan 1.3 kat daha azdır. Buharlaşma esnasında emme manifoldundan daha az ısı çekmesi soğukta ilk hareket kolaylığı sağlamaktadır. Enerji yoğunluğunun metanole göre daha yüksek olması motorlu araçlarda daha küçük boyutlarda yakıt deposunun kullanılmasına imkan tanımaktadır Alkol yakıtlasın avantaj ve dezavantajları Alkol kullanımının yaygınlaşmasını engelleyen temel faktörler ise; Dünya petrol üretiminin henüz talebi karşılayamayacak düzeye çıkmamış olmasının yanı sıra alkollerin birim kütlesinin ısı değerinin düşük, dolayısıyla birim kütle başına maliyetinin benzine göre yüksek olmasıdır. Alkollerin motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılmasının avantaj ve dezavantajlarını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür (15). - Alkoller ham petrolden elde edilen yakıtların yerine geçebilirler, - Ham petrol yataklarına sahip olmayan ülkeler enerji ihtiyaçlarını petrole bağımlı olmadan karşılayabilirler, - Alkol üretimi (özellikle etil alkol), zirai imkanları geniş olan ülkelerin çiftçileri için iyi bir gelir kaynağı oluşturabilir, - Alkoller oktan sayısı olan benzin ile karıştırıldığında, 110 gibi yüksek oktan sayısına sahiptir ki; bu durumda motorlarda yüksek sıkıştırma oranlarına çıkılarak, motor performansı arttırılabilir. Başka bir deyişle daha küçük hacime sahip motorlardan daha büyük güçler alınabilir, - Yakıt olarak saf metanol kullanılan bir motorun performansında aynı motorun benzinle çalıştırmasına göre %10 daha fazla güç artışı görülmüştür, - Alkoller benzinlere göre daha fakir karışımlarda çalışabilirler, - Alkoller benzinle karıştırıldığında karışımın oktan sayısını arttırıcı etki gösterirler. %10 metanol, %90 benzin karışımının oktan sayısı 95'dir. - Alkoller özelliklerinden dolayı, benzinden alkole dönüştürülmüş olan yakıt sisteminin filtrelerinde tıkanmaya sebebiyet verebilirler, - Eğer alkol - benzin karışımları içerisine az miktarda da olsa su karışmış ise, durumunda özellikle soğuk havalarda faz ayrışması oluşur. Faz ayrışması daha çok metanollü karışımlarda ortaya çıkar, - Bazı benzin yakıt sistemi parçaları alkole uyumlu değildir. Özellikle kalay-kurşun alaşımı ile kaplı tanklarda bu durum öne çıkar. Küçük miktardaki etanol-benzin karışımları için önemli olmakla beraber saf metanol yakıt sistemleri önemli hasarlara neden olur, - İlk hareket zorluğu olabilmekte bunu önlemek için, Alkoller uçucu maddeler ile karıştırılırlar. Yardımcı çalıştırma yakıtları kullanılır (eter, benzin, hidrojen vs.), - Elektrikli yakıt buharlaştırıcılar kullanılır. 151

17 - Karbüratörden daha etkin olarak yakıtı buharlaştıracak püskürtme sistemi kullanılır, - Alkollerin yüksek gizli buharlaşmalarından dolayı aracın trafikteki seyri esnasında oluşacak güç düşmesi problemleri önlemek için emme manifoldu ısısını devamlı yüksek tutmak gerekmektedir, - Alkoller atmosferden nem kapma özelliğine sahiptirler. Bu nedenle alkol yakıt tanklarındaki yakıt filtreleri yenilenmelidir edilmelidir. Yakıt tankı ve karbüratörün atmosfere açık olmasının oluşturacağı alkolün nemlenmesi probleminin önüne geçilmelidir, - Eğer alkoller benzin yerini alacak olursa, yeni alkol üretim ve dağıtım istasyonları çok büyük mali sıkıntılara sebebiyet verecektir, - Alkollerin nem tutma özellikleri dolayısıyla taşımaları ve dağıtımı esnasında dikkat gerekmektedir Hidrojen Hidrojen buji ile ateşlemeli motorlar için oldukça ilgi çekici bir yakıttır. Hidrojen, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan, güneş enerjisi ve nükleer enerjiden, su gibi sonsuz bir kaynaktan elde edilebilir. Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında, yanma ürünü olarak su buharı açığa çıkarması nedeni ile çevreye hiç bir zararı yoktur. Sınırsız kaynaklara sahip olan ve havayı kirletmesi açısından içten yanmalı motorlarda kullanılan diğer alternatif yakıtlara göre daha iyi durumda olan hidrojenin, içten yanmalı motorlarda kullanımı çalışmalarına 1900'lü yılların başlarında başlanmıştır ve 1970'den sonra çalışmalar yoğunlaştırılmıştır (18). Hidrojenin motorlarda yakıt olarak kullanılması durumunda petrol kökenli motor yakıtlarına oranla birçok önemli avantaja sahip bulunmaktadır. Yüksek alev hızı ve tutuşma yeteneği, düşük ateşleme enerjisi gerektirmesi, geniş tutuşma ve yanma sınırları, yüksek ısıl değer ve termik verim, kirletici egzoz gazı emisyonlarının azlığı ve sahip olduğu yüksek oktan sayısı nedeni ile vuruntuya karşı dirençli olması hidrojeni çekici kılmaktadır. Ayrıca benzin ve mazotla birlikte çeşitli karışım oranlarında çift yakıtlı motor olarak çalışabilme olanağına sahip olması, geçiş döneminde mevcut motorlarda önemli değişiklikler yapılmadan hidrojen kullanımı imkan tanıyacaktır. Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında yarar sağlayacak en önemli özellikler den birisi, hidrojenin çok fakir karışımlardan, çok zengin karışımlara kadar uzanan geniş hava/yakıt karışım oranı aralığı içerisinde tutuşabilir olmasıdır. Hava fazlalık katsayının değerleri arasında tutuşma sağlanabilmektedir. Hidrojen hava karışımlarını ateşlemek için gerekli minimum enerji miktarı da diğer yakıtlara oranla daha düşüktür. Bu durum Otto prensibi ile çalışan motorlarda tutuşma garantisi yönünden bir avantaj gibi gözükse de, erken tutuşma ve geri tutuşma gibi sorunlara da neden olmaktadır. Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığının oldukça yüksek olması (1 atm. basınçta C) ve oktan sayısının yüksek olması Otto motorlarında kullanımında avantaj teşkil etmektedir (18, 5). Hidrojen/hava karışımlarının geniş tutuşma sınırlarına sahip olması ve kolay tutuşabilmesi emniyet sorunlarını arttırmaktadır. Ancak diğer bütün yakıtlar gibi hidrojende bilinçli olarak ele alındığında, günümüz teknolojisi içerisinde güvenli olarak kullanılabilecektir. Hidrojenin kaza ile yanması ise çevreye radyasyon yolu ile olan ısı iletimi, çıkan duman ve zehirli gazların miktarı da diğer yakıtlara göre daha azdır (5) Bitkisel Yağlar Bitkisel yağların alternatif dizel yakıtı olarak kullanılabilmesi ile ilgili çalışmalar 1920'lerden bu yana devam etmektedir. Fakat yoğun olarak 1920'li yıllardaki enerji krizlerinden dolayı yeni alternatif yakıt arayışları hızlanmıştır. Bu arayışların sonucu olarak bitkisel yağların yenile- 152

18 nebilir olması, kolay esterleşmeleri ısıl değerlerinin yüksek olması fiziksel ve kimyasal özelliklerinin, dizel yakıtına yakın olması ve çevreye zarar vermemesi çevre bilincinin geliştiği günümüzde önemli bir motor yakıtı olarak incelenmesine sebep olmuştur (3). Genellikle üzerinde çalışılan bitkisel yağlar ve esterleri %100 veya değişik oranlarda dizel yakıtı ile karıştırılarak yapılmış viskoziteden de kaynaklanan problemler aşıldığı taktirde iyi bir alternatif yakıt olabileceği belirtilmektedir. Yapılan çalışmalarda bitkisel yağ tabanlı yakıtların dizel motorlarda kullanımındaki temel husus dayanıklılıktır. Birikinti ve dayanıklılıkla ile ilgili diğer hususlar motor tasarım şekillerine göre değiştiğinden sonuca varmadan önce saatler süren bir dizi test uygulamak gerekmektedir. Yapılan deney sonuçlarına göre bitkisel yağların kısa süreli performans emisyon testlerinde petrol bazlı dizel yakıtlar gibi sonuçlar verdiği görülmüştür (2). Araştırmalarda; motor, performansı ve egzoz emisyonları bakımından, bitkisel yağlar ile bitkisel metil esterlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin dizel yakıtına çok yakın olması nedeniyle alternatif yakıt olarak dizel motorlarında kullanılabileceği, uzun sureli uygulamalarda ise metil esterlerin bitkisel yağlara göre çok daha iyi olduğu belirtilmektedir. Bitkisel yağ kullanımında yanma odasında birikintiler olduğu vurgulanmakta ve bunun bitkisel yağların yüksek viskozitelerinden kaynaklandığı belirtilmektedir. Ham yağların olumsuz özelliklerinin esterleşme ile giderilebileceği belirtilmektedir, bitkisel yağların dizel motorlarda doğrudan kullanımıyla bu yağların yüksek viskozitesi ve yoğunluğundan dolayı çok iyi atomize olamamasından kaynaklanan bir takım yanma problemlerini tespit etmişlerdir. Yapılan çalışmalarda motor performansı ve yanma parametreleri değerlendirilerek dizel yakıtı ile mukayese edilmiştir, termik verimin dizel yakıtına göre biraz düşük olmasına karşın, efektif güç değerlerinin birbirlerine çok yakın olduğu belirtilmiştir (2). 3. YAYGIN OLARAK KULLANILAN ALTENATİF YAKITLAR 3.1. Doğal Gaz (Compressed Natural Gas-CNG) Doğalgazın dünyadaki yaygın olarak kullanımı, 1973 petrol krizinden sonra gerçekleşmiştir. Doğalgaz yerli kaynaklara yönelme ve enerjiyi daha verimli kullanma yönündeki çalışmalar sırasında petrolün yerini alabilecek en önemli enerji kaynağı olarak görülmektedir. Bu sebeple hükümetler gaz kullanımını teşvik etmiş ve yoğun bir şekilde doğalgaz yatırımlarına yönelmişlerdir (19). İçerisinde büyük oranda bulunan metan (CH 4 ) ve metana göre daha az oranda olmak üzere, etan(c 2 H 6 ), propan (C 3 H 8 ), azot (N 2 ), karbondioksit (CO 2 ), hidrojen sülfür ile helyum (He) gazlarından meydana gelen renksiz, kokusuz, bir gazdır. Doğalgazın yapısından dolayı kullanımda bir çok avantajları vardır. Bunlar; - Doğalgaz motorunun yakıt sisteminin kontrol edilmesi kolaydır, - Dağıtımı kullanım yerine kadar borularla yapılmaktadır, - Yakıt kullanım için yardımcı elmanları elimine eder, - İşgücü maliyetinden tasarruf eder, - Çevre kirliliği oluşturmaz. Doğalgaz taşıtta yüksek basınçlı tüpler içinde gaz veya sıvı olarak depolanır. Depolamanın gaz veya sıvı olarak yapılması motor açısından bir değişiklik göstermez. Günümüzde yaygın olarak sıkıştırılmış doğalgaz kullanılır. Daha yüksek basınçlı tüpler olmasına rağmen kul- 153

19 lanılan tüplerin basıncı genelde 200 bar'dır (16). Gaz yakıtlarının dizel motorlarında kullanımı, dizel çevriminin özelliği nedeniyle, beraberinde çözümü gerektiren bazı problemleri getirmektedir. Bunların başında gaz yakıtlarının tutuşma meyillerinin az oluşu, sıkıştırma zamanı sonunda silindire sokulmalarının güçlüğü ve yüksek sıkıştırma oranlarındaki (16-17) vuruntu (benzin motorlarındaki) tehlikesi gelmektedir. Gaz yakıtın emme zamanı sırasında, emme havası ile birlikte silindire alınması kolayca sağlanabilmektedir. Bu durumda yakıtın tutuşmaya hazırlık süresi uzadığından vuruntu tehlikesi de artmaktadır. Ancak doğalgazın oktan sayısının yüksek oluşu, uygun bir tutuşma ortamı sağlandığından, dizel çalışması sırasında vuruntudan kaçınılabilme olanağını da sağlamaktadır. Pilot püskürtme, dizel motorunun orijinal enjektörü ile yapılırsa, bu enjektör deliği pilot püskürtme debileri için göreceli olarak büyük kaldığından demetin kalitesi kötü olacaktır (demet derinliği, damlacık çapları büyük). Yanma odası içine oldukça homojen dağılmış olan gaz-hava karışımı, bazı noktalarda tam olarak yanamaz. Bu durumda zararlı egzoz gazı emisyonlarında ve yakıt tüketiminde artış görülmektedir. Ancak orijinal püskürtme enjektörü kullanmanın en büyük avantajı, motorun çalışması sırasında doğal gaza veya dizel yakıtına geçişe olanak vermesidir. Araştırmacıların yaptıkları çalışmalarda normal emişli 4 değişik, doğal gazla çalışan fakir karışım yakan dizel motorunda yaptıkları araştırmada, motor performanslarını ve egsoz gaz emisyonlarını incelemişlerdir. Kullanılan iki motorun emme manifoldundan türbülanslı, yüksek alev hızlı ve diğer iki motorun türbülanssız yanma odasına sahip olduğu, türbilanssız yanma odasında, yanma süresinin uzadığını ve bunun da motor performansını olumsuz yönde etkilediğini belirtmişlerdir. HC emisyonlarının tam yüklerde hafif yüklerden daha fazla olduğu belirtilmektedir, özellikle kısmi yüklerde HC emisyonlarının minimum seviyede tutulabilmesi için hava yakıt oranının doğru ayarlanması, emme ve egsoz supaplarının kurslarının düşük tutulması gerektirdiği için ve bunun için de özel kam mili geliştirildiği belirtilmiştir. Tam yüklerde NOx miktarının en fazla olduğu, fakir karışımla çalışmada ise NOx miktarının yanan karışımın sıcaklığına bağlı olduğunu belirtmişlerdir (13). Hava yakıt oranını stokiyometrik çalışma noktası içerisinde bulunduğu iki nokta arasında tutulduğu ve bu sınırlar içerisinde, egsoz emisyon değerlerinin optimum olduğu belirtilmiştir. Hava fazlalık katsayısı 1.05'in altına düştüğü zaman Nox emisyonları hızla artmaktadır. Hava fazlalık katsayısı 0.85'in üzerine çıktığı zamanda HC ve CO emisyonları artmaktadır. Emisyon değerindeki değişimler ve optimum çalışma bölgesi Şekil 1'de gösterilmiştir (13). Şekil 1. Hava fazlalık katsayısına bağlı olarak egsoz emisyonundaki değişmeler ve optimum çalışma bölgesi. 154

20 Buji ile ateşlemeli motorlarda doğalgaz kullanımının motorlarda ilk harekete geçişte büyük kolaylık sağladığı, doğal gazın fiyat yönünden benzine göre avantaj sağladığı belirtilmiştir. Doğalgazın yanma hızının benzine göre daha düşük olduğu, yanma hızının artırılması için özel yanma odası geliştirilmiştir. Gaz yakıtlar silindire alınırken gaz halinde olduklarından emme havasının kapasitesini azaltırlar. Bu da motorun gücünün düşmesine sebep olur. Bundan başka ateşleme avansı yeniden ayarlanmazsa, doğalgazın düşük yanma hızından dolayı daha büyük yanma sonu silindir basıncı ortaya çıkar. Bu da motor torkunun azalmasına sebep olur. Volümetrik verimin ve güç çıkışını artması için soğutma sisteminin yeniden ayarlanması gerekir. Benzin ile çalışmada kullanılan termostatın açılma sıcaklığından 10 C ya da 15 C daha düşük sıcaklıkta açılan termostat kullanılmalıdır (2). Partikül emisyonlarında ise alternatif yakıt kullanan motorların hepsinde önemli azalmalar görülmüştür. Yakıt fiyatları göz önüne alındığında L.P.G. ve doğal gazın önemli avantaj sağladığı araştırmacılar tarafından belirtilmiştir. Doğal gazın motorlu araçlar için temiz bir yakıt olduğunu belirtmiştir. Doğal gaz ile çalışan motorların genellikle HC, CO ve partikül emisyonları çok düşüktür fakat NOx emisyonları yüksek olabilir. NOx emisyonları üç yollu katalist kullanılarak ve hava yakıt oranı tam doğru ayarlanarak "fakir yanma ya da hızlı yanma" motorlarında alev sıcaklıkları düşürülerek azaltılır. Hava yakıt oranının doğru olarak ayarlanması, güç çıkışı ve verimin artırılması yanı sıra egsoz emisyonlarının düşürülmesinde de oldukça önemlidir. Fakir çalışmada doğal gazın yanması için kıvılcım enerjisinin yüksek olması gerekmektedir. Ateşleme zamanı yakıt ekonomisi ve emisyonlarda önemli etkiye sahiptir (19) LPG ve Özellikleri Sıvılaştırılmış petrol gazı ve doğal gaz gibi, normal atmosferik koşullarda gaz halinde bulunan yakıtlara gaz yakıtlar denilmektedir. Gaz yakıtlar, doğal veya üretilen gaz yakıtlar olmak üzere de sınıflandırılmaktadır. Doğal gaz yakıtlardan en önemlisi doğal gaz, üretilen gaz yakıtlardan en önemlisi ise sıvılaştırılmış petrol gazıdır. Gaz yakıtlar, depolama hacmini küçültmek amacıyla, orta ve yüksek basınçlarda ( bar) sıkıştırılarak sıvılaştırmaktadırlar (LPG ve LNG veya CNG gibi). Sıvılaştırılmış petrol gazı, genellikle propan, bütan, izobütan ve az miktarlardaki propilen ve bütilenden oluşan bir karışımdır En yaygın ürünler, propan, bütan veya bunların belirli oranlardaki karışımıdır LPG, genellikle doğal gazdan veya ham petrol, kuyulardan çıkarılması ve rafinerilerde tasfiye edilmesi sırasına ham petrolden ayrıştırılarak elde edilen ve kolayca sıvılaştırılabılen propan ve bütan gazlarının, basınç altında sıvılaştırılmış halidir. Bu gazlar sıvılaştmldıklarında, hacimce 230 ila 267 kat küçülmektedirler. Sıvılaştırılmış petrol gazı, dolum tesislerinde tüplere doldurularak doğrudan tüketiciye sunulmakta, doğal gaz şebekesine bağlı olmayan evlerde, endüstriyel tesislerde ve taşıtlarda kullanılmaktadır TabJo 1. LPG' nin fiziksel ve kimyasal özellikleri (17) Yakıtın Özellikleri 15 "C'de yoğunluk Buhar basıncı (bar C'de) Kaynama noktası (0C) Alt ısıl değeri (kj/m 3 ) Üst ısıl değeri (kj/m 3 ) Stokiyometrik oran Karışım alt ısıl değeri (kj/m 3 ) Propan Bütan Benzin Dizel

21 Yukarıda verilerden de görüleceği gibi benzin ve dizel yakıtlar oda sıcaklığı üzerinde kaynama noktası değerleri vardır, LPG ise daha düşük ısılarda kaynar. Benzin ve dizel yakıtların atmosferik basınç da sıvı halde tanklarda saklanabilirken, LPG'nin belirli bir basınçta bulundurma zorunluluğunu gösterir. Teorik olarak benzinin kaynama noktası.oda sıcaklığı üzerinde olmasına rağmen buharlaşmaya aynı derecede duyarlıdır. Bu nedenle modern araçlarda basınçlı yakıt tanklarında bulundurulurlar. LPG benzine kıyasla çok daha üstün antidetonasyon özelliğe sahiptir. Dizel yakıt ve benzine göre LPG nin daha iyi kalorifik gücü vardır. Araç yakıt tüketimi (kg.-yahut ağırlığı) dizel ve benzin için LPG den daha azdır; fakat hacim olarak karşılaştırma yapıldığında özgül ağırlıklarından dolayı tam tersi geçerlidir. Yapılan çalışmalarda LPG motorları,benzinle kullanılan motorlara kıyasla %8 daha iyi performans vermektedir.bu da teorik rakamlara kıyasla LPG nin eşdeğerlik rakamı %8 oranın da düşüş göstermiştir. LPG gaz olduğundan küçük damlacıklar halinde kalan benzine kıyasla havada daha iyi homojen bir karışım gösterirler. Bu gaz karışımı; dolayısıyla karbüratörden daha kolay geçer ve motorun performansını arttıracaktır (17). Propan ve bütan karışımının oranlarının değişmesi basınç üzerinde belirgin farklılıklara neden olur: Isı arttıkça basınç artar ve LPG'nin sıvı halindeki hacminde büyük değişikliklere neden olur; böylece, sıvı halindeki LPG ile dolu olan bir ortamda ısı arttıkça basıncında artmasına neden olur ve içinde bulunduğu tankın patlamasına neden olur. Hiç bir zaman bir tank LPG ile tamamen doldurulmamalıdır. Bütan ve Propan'ın belirleyici temel özelliklerinden biri buhar basıncıdır.yani sıvının kapalı hacimdeki, buhar ile dengede olduğu basınç bütan ve propan arasındaki diğer ayırıcı özellik ise onların kaynama noktasıdır.yani sıvı fazdan gaz faza geçtikleri derece: Propanın -43 C'de gaz faza geçmesi durup, sıvı fazda kalırken bu bütanda 0 C'da görülür; Özellikle soğuk havalarda daha yüksek oranlarda propan gerektiren karışımların gereksinimini ortaya çıkarır, böylece gaz fazına dönüşüm kolaylaştı rı I ir. Türkiye de hava ısısı bölgeden bölgeye değişeceğinden motorlu araçlarda kullanılan LPG karışımının da tüm koşullar da uygun olacak şekilde ayarlanması gerekmektedir (12). Şekil 2. Buhar basınç eğrisi LPG nin bir özelliği de yağ ve boyayı eritebilmesidir. Ayrıca doğal lastiği de deforme eder: Bu yüzdendir ki motorlu araçlarda kullanılan esnek borular uygun kalitede sentetik malzemeden yapılmaktadır. 156