LPG Dönüşümlü Motorlu Taşıtlar için Güvenlik ve Kontrol Sisteminin Tasarımı ve Prototipinin İmalatı

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 11, No: 1, 2014 (23-30) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 11, No: 1, 2014 (23-30) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) LPG Dönüşümlü Motorlu Taşıtlar için Güvenlik ve Kontrol Sisteminin Tasarımı ve Prototipinin İmalatı Habib GÜRBÜZ, Mevlüt KAYA, Hami KESERCİ Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü Özet Bu çalışmada, LPG yakıtı ile çalışan motorlu taşıtlar için güvenlik ve kontrol sistemi tasarlanarak prototip imalatı gerçekleştirilmiştir. Sistem, olası LPG sızıntısı durumunda tanktan motora giden yakıt akışını otomatik olarak kesebilmekte ve LPG sızıntısı sonrası oluşabilecek yangını kısa süre içerisinde söndürebilmektedir. Bu güvenlik sistemi; LPG tankının bulunduğu bagaj bölmesi ve motor kabini içerisinde olası gaz sızıntısının algılandığı iki adet LPG sızıntı sensörüne sahiptir. Sızıntı durumunda tanktan yakıt akışının kesildiği bir selenoid valf bu sensörler tarafından kontrol edilir. Sistemde, gaz sızıntısından dolayı gerçekleşebilecek yangının algılandığı bir optik alev sensörü bulunmaktadır. LPG sızıntısı sonrası oluşacak yangının kontrol edildiği söndürme sistemi bu alev sensörü tarafından kontrol edilmektedir. Sistemin elektronik kontrolü, bir elektronik kart ve ARDUİNO yazılımı ile sağlanmaktadır. Yapılan testler sonucunda, herhangi bir LPG sızıntısı durumunda tankından motora giden yakıt akışının otomatik olarak kesildiği ve sızıntı sonucu oluşabilecek herhangi bir yanma durumunda, yangın söndürme sisteminin yaklaşık 4 saniye gibi bir kısa süre içerisinde devreye girerek alevi kontrol edebildiği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: LPG, Sızıntı, Yangın, Güvenlik ve kontrol Security and Control System Design and Prototype Manufacturing for Engine Vehicles with LPG Abstract In this study, LPG security and control system was designed and manufactured of prototype for motor vehicles powered with LPG. The system automatically was cuts fuel flow in from the LPG tank to the engine when LPG leak was detected and the fire that may occur after LPG leak was extinguished within a short time. This security system has two LPG leakage sensors which in placed luggage and engine compartment. Solenoid valves which will cut from the tank to the fuel flow in case of leakage are controlled by these sensors. The system has an optical flame sensor that can detect to flame may occur due to a gas leak. Fire extinguishing system that is controlling of flame can occur after LPG leak are controlled by this sensor. The electronic control of system is provided with an electronic card and ARDUİNO software. Result of tests, it was found that LPG security and control system automatically cut of fuel flow in from the LPG tank to the engine in case of LPG leakage. Fire to may occur in case of LPG leakage was controlled by fire extinguishing system in such a short time of about four seconds. Keywords: LPG, Leak, Fire, Security and control Bu makaleye atıf yapmak için Gürbüz H., Kaya M., Keserci H., Zırh Tasarımında Kullanılan Kompozit Malzemelerin Deformasyon Karakteristiğinin Araştırılması Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2014, (11) How to cite this article Gürbüz H., Kaya M., Keserci H., Security and Control System Design and Prototype Manufacturing for Engine Vehicles with LPG Electronic Journal of Machine Technologies, 2014, (11) 23-30

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) LPG Dönüşümlü Motorlu Taşıtlar İçin 1.GİRİŞ Petrole bağımlı olarak gelişen motorlu taşıtlarda artan konfor ve güç ihtiyacına karşın azalan petrol rezervleri alternatif yakıtların kullanımını zorunlu hale getirmiştir. Sıvı yakıtlara alternatif olarak motorlu araçlarda kullanılan sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), sıkıştırılmış doğal gaz CNG ve hidrojen (H 2 ) gibi gaz yakıtlar, yanma ve patlama riski açısından araç kullanıcısı ve çevre açısından büyük riskler ortaya çıkarmaktadır. Özellikle son yıllarda LPG yakıtının kullanımının yaygınlaştığı benzinli motorlu araçlarda yanma ve patlama riskine karşı önlemlerin alınması kaçınılmaz hale getirmektedir. Sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), propan (C 3 H 8 ), propen (C 3 H 6 ), n-bütan (C 4 H 10 ), izo-bütan (metilpropen) ve bütan (C 4 H 8 ) gibi hidrokarbonların belirli oranlarda karışımından oluşmaktadır[1]. LPG düşük karbon sayısı ve kolay buharlaşma özelliğinden dolayı egzoz emisyonlarında azalmaya sebep olduğu için konvansiyonel yakıtlara alternatif olan ve yaygın kullanılan bir yakıttır[2]. Yüksek oktan sayısı, yüksek kendi kendine tutuşma sıcaklığı, yüksek alev hızı, geniş alevlenme limiti gibi özellikler, LPG'yi buji ateşlemeli motorlar için benzine oranla daha iyi bir yakıt haline getirmektedir[3] yılının başlarında çok sınırlı oranda kullanıma sahip olan LPG yakıtı, 1950 yıllının ortalarında çift yakıt modunda kullanımı ile çok popüler olmuştur[4]. Günümüzde LPG dünya çapında alternatif otomobil yakıtı olarak yaygın kullanılmaktadır. Dünyada geçtiğimiz son 5 yıl içerisinde LPG tüketimi % 21 oranında artış göstermiştir. Kore, Türkiye, Hollanda ve Japonya LPG tüketiminde ilk dört sırada yer almaktadır[5]. Dünyada genel olarak, LPG nin araçlarda kullanımının sağlanmasında sadece LPG yakıtı ile çalışan taşıt üretiminden ziyade, araçların LPG sistemine dönüştürülmesi yoluna gidilmektedir[6]. LPG havadan daha ağır bir gaz olduğundan hava içerisinde kolay dağılmaz ve sızıntı durumunda solunması sağlık açısından problemler oluşturabildiği gibi patlama riski de bulunmaktadır. Geçtiğimiz yıllarda LPG sızıntısı sonucu oluşan patlamalardan dolayı gerçekleşen ölümler artış göstermiştir. LPG kullanımından kaynaklanan bu problemlerin önlenebilmesi için LPG sızıntısının algılandığı ve kontrol edildiği sistemlerin geliştirilmesi gerekmektedir[7]. Özellikle buji ateşlemeli benzinli motorda küçük değişikliklerle kullanılabilen ve bir dönüşüm kiti halinde taşıta montajı gerçekleştirilen LPG dönüşüm sistemlerinde olası LPG sızıntısı ve sızıntı sonrası oluşabilecek alevin algılanabildiği herhangi bir güvenlik ve kontrol sistemini içermemektedir. Bu çalışmada; yakıt olarak LPG kullanan motorlu taşıtlarda olası LPG sızıntısı ve yangın durumunun algılanarak tanktan motora giden yakıt akışının kesildiği ve olası LPG sızıntısı sonrası taşıtta gerçekleşebilecek yangının otomatik olarak söndürüleceği güvenlik ve kontrol sistemi tasarlanarak prototipinin imalatı gerçekleştirilmiştir. Tipik bir otomobilin şematik yapısından yola çıkılarak geliştirilen ana şase üzerine montajı yapılan sisteminin çalışması; LPG sızıntısı ve sızıntı sonrası gerçekleştirilen yanma sonucu oluşan yangının kontrol edildiği iki farklı test ile kontrol edilmiştir. Yapılan testler sonucunda, olası LPG sızıntısı durumunda LPG tankından motora giden yakıt akışının otomatik olarak kesildiği ve sızıntı sonucu oluşabilecek yanmanın 4 saniye gibi bir kısa sürede devreye giren otomatik yangın söndürme sistemi tarafından söndürüldüğü tespit edilmiştir. 2. LPG GÜVENLİK SİSTEMİNİN TASARIMI VE PROTOTİPİNİN İMALATI Çalışma kapsamında tipik bir otomobilin geometrik yapısından yola çıkılarak hazırlanan prototip için LPG güvenlik ve kontrol sistemi tasarlanarak prototipinin imalatı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan LPG güvenlik ve kontrol sistemi, içten yanmalı motorun yerleştirildiği motor kabini ve LPG tankının yerleştirildiği bagaj bölmesi olmak üzere iki ana bölümden oluşmaktadır. Ayrıca sisteme taşıt sürücüsünün LPG güvenlik ve kontrol sistemini kontrol edebileceği ve güvenlik durumunu görüntüleyebileceği bir kontrol paneli eklenmiştir. Şekil 1'de blok yapısı verilen LPG güvenlik ve kontrol sistemi; LPG tankı, LPG tankı çıkışına bağlanan ve olası LPG sızıntısı durumunda otomatik olarak yakıt akışının kesileceği selenoid valf (V1), yangın söndürme tüpü, yangın söndürme tüpü çıkışına bağlanan ve 24

3 Gürbüz H., Kaya M., Keserci H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) olası yangın durumunda söndürme sisteminin otomatik olarak aktive edileceği selenoid valf (V2), olası yangın olayının temsil eden yakma sistemi (içten yanmalı motor), biri bagaj bölümü diğeri motor kabinine yerleştirilen iki adet LPG sızıntı sensörü (sarı S1 ve S2), olası yangın durumunun algılanacağı optik alev sensörü (kırmızı S1), sızıntı ve alev sensöründen gelen bilgiler doğrultusunda selenoid valflerin kontrole edildiği elektronik kontrol ünitesi, elektronik kontrol ünitesi ile entegre olarak çalışan açma/kapama butonları ve güvenlik durumunun görüntülendiği LCD ekrandan oluşmaktadır. Şekil 1. LPG güvenlik ve kontrol sisteminin blok yapısı 2.1. LPG Güvenlik Kontrol Sisteminin Ana Şase Tasarımı ve İmalatı LPG güvenlik ve kontrol sisteminin montajının yapılacağı ana iskelet; ön kesit uzunluğu 70 cm, arka kesit uzunluğu 100 cm, yüksekliği 50 cm olan ve iki ana bölmeden (bagaj bölümü ve motor kabini) oluşan 20x20 kare profilden kaynaklı birleştirme yöntemiyle ile üretilmiştir. Ana iskeletin yan ve alt yüzeyleri 2 mm kalınlığında sac malzeme ile vidalı birleştirme yapılarak kaplanmıştır. Ana iskeletin bagaj bölmesi ve motor kabinine karşılık gelen üst yüzeylerine olası kontrol durumlarında kullanılmak üzere menteşe takılarak bağımsız iki adet kapak oluşturulmuştur. 25

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) LPG Dönüşümlü Motorlu Taşıtlar İçin İmalat sonrası ana şase kaynak atıklarından temizlenerek boyanmıştır. Ana şasenin katı modeli ve imalatına ait resimler Şekil 2'de verilmiştir. Şekil 2. Ana şasenin katı modeli ve imalatına ait resimler 2.2. Yangın Söndürme Sisteminin Tasarımı ve İmalatı LPG güvenlik ve kontrol sisteminde olası LPG sızıntısı sonrası ortaya çıkacak yangının otomatik olarak söndürüleceği yangın söndürme sisteminde; imalatı gerçekleştirilen ana şasenin motor kabinini oluşturan bölümü her iki tarafından tarayabilecek 6 adet fıskiyeye sahip yangın söndürme hattı oluşturulmuştur. Bu yangın söndürme hattı, motor kabininin her iki yüzeyine kabinin tamamını taranabilecek şekilde kelepçeler ile montaj edilmiştir. Bagaj bölmesine yerleştirilen yangın söndürme tüpü çıkışına optik alev sensöründen alınan bilgi doğrultusunda elektronik kontrol ünitesi tarafından kontrol edilen normalde kapalı selenoid valf bağlanmıştır. Yangın söndürme tüpü ile yangın söndürme sistemi arasındaki bağlantılar bakır borular ve uygun çaptaki rekorlar vasıtasıyla sağlanmış olup bağlantı noktalarındaki sızdırmazlığın sağlanabilmesi için teflon bant kullanılmıştır LPG Yakıtlı Yakma Ünitesinin Tasarımı ve İmalatı LPG güvenlik ve kontrol sisteminde, bagaj bölmesine 5 kg'lık LPG tüpü yerleştirilmiştir. LPG tüp çıkışına motor kabini ve bagaj bölmesine yerleştirilen LPG sızıntı sensörlerinden gelen bilgi tarafından elektronik kontrol ünitesi tarafından kontrol edilen normalde açık selenoid valf bağlanmıştır. Motor kabini içerisine ana şaseden 10 cm yukarıya birden fazla gaz çıkış memesine sahip ve 15 mm çapında çelik boru kullanılarak yatay düzlemdeki spiralden oluşan yakma ünitesi yerleştirilmiştir.yakma ünitesi, LPG güvenlik ve kontrol sisteminde içten yanmalı motoru ve motorda çıkacak olası yangın durumunu temsil etmektedir. Yakma sistemi ile LPG tankı arasındaki bağlantılar bakır borular ve uygun çaptaki rekorlar vasıtasıyla sağlanmış olup bağlantı noktalarındaki sızdırmazlığın sağlanabilmesi için teflon bant kullanılmıştır. Yakıt söndürme ünitesi ve yakma sitemine ait resimler Şekil 3'te verilmiştir. Şekil 3. Yangın söndürme sistemi ve yakma sistemine ait resimler 26

5 Gürbüz H., Kaya M., Keserci H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Elektronik Kontrol Ünitesi ve Sensörlerin Montajı LPG güvenlik ve kontrol sisteminde; olası LPG sızıntısı ve yangın oluşumunun kontrolünde biri motor kabini içersine diğeri LPG tank bölmesine yerleştirilen 2 adet LPG sızıntı sensörü, olası LPG sızıntısı sonrası yangın oluşumunun algılanacağı optik alev sensörü ve sensörlerden alınan bilgiler doğrultusunda LPG tankı ve yangın söndürme tüpü çıkışındaki selenoid valflerin kontrol edildiği elektronik kontrol ünitesi kullanılmıştır. Sistemde olası LPG sızıntısının algılanabilmesi için ppm arası LPG konsantrasyonunu algılayabilen 2 adet MQ-6 marka sensör kullanılmıştır. Olası LPG sızıntısı sonucu yangın oluşumunun algılanmasında optik özelliğe göre çalışan V2.0 model optik alev sensörü kullanılmıştır. Kullanılan LPG sızıntı sensörü ve optik alev sensörüne ait resimler Şekil 4'de verilmiştir. LPG sızıntı sensörü Optik alev sensörü Şekil 4. LPG sızıntı sensörü ve optik alev sensörüne ait resimler Sistemde olası LPG sızıntısı ve yangın durumunu algılayan sensörlerden alınan bilgiler doğrultusunda LPG tankı ve yangın söndürücü çıkışındaki selenoid valflerin kontrol edildiği elektronik kontrol ünitesinde Arduino yazılımı ve MEGA 2566 marka elektronik kart kullanılmıştır. Bu kart üzerinde, sensörlerden gelen bilgilerin algılandığı ve sensörlerden alınan bilgiler doğrultusunda selenoid valfların kontrol edildiği bir yazılım geliştirilmiştir. 2 adet LPG sızıntı sensörü ve 1 adet optik alev sensörü ile elektronik kart arasında elektriksel bağlantılar lehimle birleştirme yöntemi ile 2 mm kalınlığında çok telli kablo kullanılarak sağlanmıştır. Sistemde olası LPG sızıntısı ve yangın oluşumun araç kullanıcısı tarafından görüntülenmesi ve kontrol edilmesi için karta bağlı 2 adet açma/kapama butonu ve güvenlik durumunun görüntülendiği LCD ekran bağlanmıştır. Sistemde kullanılan elektronik kart ve selenoid valflerlerin çalışması için gerekli 5 volt DC voltaj, sisteme eklenen power supply tarafından sağlanmıştır. Sistemde kullanılan elektronik kart, power supply, LCD ekran, açma/kapma butonları ve sensör bağlantılarına ait resimler Şekil 5'de verilmiştir. Şekil 5. Elektronik kontrol ünitesi ve elemanlarına ait resimler LPG güvenlik ve kontrol sistemine ait tüm alt birimlerin oluşturulması ile sistemin ana şase üzerine montajı gerçekleştirilmiştir. Sistemin montajına ait resimler Şekil 6'da verilmiştir. 27

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) LPG Dönüşümlü Motorlu Taşıtlar İçin Şekil 6. Prototipi geliştirilen LPG güvenlik ve kontrol sistemine ait resimler 3. LPG GÜVENLİK SİSTEMİNİN ÇALIŞMASININ KONTROLÜ VE TESTLERİ Tipik bir otomobilin geometrik yapısından yola çıkılarak tasarlanan şase üzerine montajı gerçekleştirilen LPG güvenlik ve kontrol sistemine ait tüm alt birimlerin montajı sonrası LPG yakıt hattı ve yangın söndürme hattını oluşturan bağlantı noktalarında sızıntı ve kaçak kontrolü yapılarak sistemde güvenli çalışma şartları sağlanmıştır. LPG güvenlik ve kontrol sistemi açık hava şartlarında yapılan testler için ara bağlantı kablosu kullanılarak şehir şebekesinden sistemin elektriksel gücü sağlanmıştır. Testler öncesi sistemin olası sızıntı ve yanma durumu dışındaki normal çalışması sağlanarak kontrol edilmiştir. Sistemde yapılan birinci testte;lpg tankı çıkışındaki kontrol vanası açılarak yakma sistemine LPG yakıt akışı sağlanmıştır. Bu şartlar altında motor kabini içerisine yerleştirilen LPG sızıntı sensörleri yardımıyla sistemdeki olası LPG sızıntısı algılanarak elektronik kontrol ünitesi tarafından LPG tankı çıkışındaki selenoid valfin kumanda edildiği ve tanktan motora giden yakıt akışının otomatik olarak kesildiği tespit edilmiştir. LPG sızıntı algılama testine ait resimler Şekil 7'de verilmiştir. Şekil 7. LPG sızıntı algılama testine ait resimler Sistemde yapılan ikinci testte;yangın algılama ve söndürme sisteminin testlerinin yapılabilmesi için elektronik kontrol ünitesine entegre açma/kapma düğmesi kapalı duruma getirilerek LPG sızıntı kontrol sensörleri devre dışı bırakılmıştır. Bu şekilde LPG tankından yakma ünitesine yakıt akışının devam etmesi sağlanmıştır. Yakma sistemi üzerindeki çıkış memelerinde çakmak yardımıyla oluşturulan alevin yangın söndürme sistemini aktif duruma getirmesi sağlanarak yakma ünitesinde gerçekleşen yangın söndürülmüştür. Optik alev sensörü tarafından kontrol edilen yangın söndürme sistemi yaklaşık 4 saniye gibi bir kısa süre içerisinde devreye girerek yanmayı kontrol ettiği tespit edilmiştir. Yangın söndürme testine ait resimler Şekil 8'de verilmiştir. 28

7 Gürbüz H., Kaya M., Keserci H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Çakmak yardımı ile yakma ünitesinden alev oluşumu Optik alev sensörünün yangını algılayarak sistemin alarm durumuna geçişi Elektronik kontrol sistemi tarafından yangın söndürme selenoid valfinin aktive edilmesi 4 saniye süre içerisinden yangının kontrol altına alınarak tamamen söndürülmesi 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Şekil 8. Yangın söndürme testlerine ait resimler Bu çalışmada geliştirilerek prototipi üretilen LPG güvenlik ve kontrol sistemi; LPG dönüşümü yapılan araçlarda olası LPG sızıntısı durumunda ve sızıntı sonrası yangın durumunda sürücünün müdahalesi dışında sensörler yardımıyla otomatik olarak devreye girerek sürücü, yolcular ve taşıtı LPG yakıtından dolayı karşılaşılabilecek yanma ve patlama riskine karşı koruyabilecek yapıdadır. Çalışmada, tipik bir otomobilin şematik yapısından yola çıkılarak geliştirilen ana şase üzerine montajı yapılan LPG güvenlik ve kontrol sistemi; LPG sızıntısı ve sonrası gerçekleştirilen yanma sonucu oluşan yangının kontrol edildiği iki farklı test ile kontrol edilmiştir.yapılan testler sonucunda, olası LPG sızıntısı durumunda sensörlerden gelen bilgi doğrultusunda LPG tankından motora giden yakıt akışının otomatik olarak kesildiği ve sızıntı sonucu oluşabilecek yanma durumunda ise yangın söndürme sistemi çıkışındaki selenoid valfin otomatik olarak aktif konuma geçtiği ve yangın söndürme sisteminin yaklaşık 4 saniye gibi bir kısa süre içerisinde devreye girerek yangını söndürdüğü tespit edilmiştir. Bu çalışma kapsamında bir prototip şase üzerine montaj edilebilecek şekilde tasarlanarak imalatı yapılan LPG güvenlik ve kontrol sisteminin, günümüzde LPG dönüşümü yapılan tüm otomobillere için ortalama 4 kg'lık (Çap = 152 mm, Boy = 395 mm, Dolu ağırlık = 6,7 kg) yangın söndürme tüpü kullanılabilecek LPG güvenlik ve kontrol kiti tasarlanarak imalatının yapılması ve otomobile montajı mümkündür. Geliştirilen bu sistemin seri üretimi yapılarak oldukça düşük bir maliyete (yaklaşık 500 TL) çeşitli firmalar tarafından üretilen LPG dönüşüm kitlerine dahil edilmesi ve dönüşüm kiti ile birlikte araca montajının yapılması mümkün olabilir. 29

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) LPG Dönüşümlü Motorlu Taşıtlar İçin TEŞEKKÜR Bu çalışma, TÜBİTAK 2209/A "LPG Güvenlik Kontrol Sistemi" başlıklı proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Katkılarından dolayı Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırmalar Kurumu (TÜBİTAK) Başkanlığına teşekkür ederiz. 5. KAYNAKLAR [1] Owen K., Coley T., Automotive fuels reference book, Second edition, ISBN: , [2] Sierens R., An experimental and theoretical study of liquid LPG injection, SAE , [3]Ceviz M.A., Yüksel F., Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled lean burn SI engine, Renew Energy (31), pp: , [4] Liu E., Yue S.Y., Lee J., A study on LPG as a fuel for vehicles, RP05/ Library Services Division, Hong Kong; March [5] WLPGA, LPG positioning in a low carbon world, Paper presented at the International LP Gas Seminar, Tokyo, February, [6] Gümüş, M., Çift yakıt enjeksiyonlu buji ateşlemeli bir motorda LPG kullanım oranının performans ve emisyon karakteristiklerine etkisi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi (24:2), sf: , [7] Rajitha S., Swapna T., A security alert system using GSM for gas leakage, International Journal of VLSI and Embedded Systems-IJVES, Vol: 03, Issue 04; September-October