Motorlarda yağlama sistemi üzerinde yapılan değişikliklerin yağın ısınması ve motor performansı üzerindeki etkilerinin model yardımıyla araştırılması

Abstract

Günümüzde yakıt kaynaklarının azalması, otomotiv sektöründeki rekabetçi yapı ve regülasyonların çevreyi koruma amacıyla emisyon kısıtlarını giderek artırması motor performansını önemli hale getirmiştir. Motor performansını iyileştirmenin en önemli yollarından bir tanesi motor sürtünmelerini azaltmaktır. Bu sayede aynı motor çıktıları için yakıt tüketimi azalacak, motor verimi artacak, aynı yakıt tüketimi içinse güç artacaktır. Bunun yanında motor sürtünmelerinin azaltılması motor ömrünü de olumlu yönde etkileyecektir. Motor sürtünmelerinin en yüksek seviyede görüldüğü zaman dilimleri genelde motor yağının soğuk olduğu başlangıç çalışmasıdır. Bu dönemde motor yağı rejim sıcaklığına ulaşıncaya kadar motor verimsiz bir çalışma evresi geçirir. Bu evreler ii istatistiksel çalışmalar göre motor ömründe önemli bir yer kaplar. Bu süreci iyileştirme adına yapılacak geliştirmeler, motor performansı bakımından önemli bir katkı olarak dönecektir. Motor yağının hızlı ısıtılması ve bu verimsiz başlangıç çalışması evresinin hızlı geçilmesi, yağ viskozitesini daha hızlı düşürecektir. Bu durum da hidrodinamik yağlama gerçekleşen bölgelerde sürtünmeler hızla azalacaktır. Çalışmaların temelinde yatan ilke budur. Bu tez çalışması kapsamında yapılan araştırmalar genel olarak iki grupta toplanabilir. Bunlardan birincisi yağın rejim sıcaklığına ulaşana kadarki süreçte motor yağına geçen ısının matematiksel olarak modellenmesi ve doğrulanmasıdır. Bu amaça kurulmuş olan matematiksel model döngüsü 2L ve 13L’lik motorlardan alınan deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Doğrulama işlemi sırasıyla, motor karteri alt modeli, karterin motor üzerinde bağlı iken bulunduğu şartların durumu, motor yanmasının olmadığı durum ve yanmanın olduğu durum için gerçekleşmiştir. Doğrulamanın yapılması ile matematiksel model, yağlama sistem elemanları üzerinde yapılan değişikliklerin bu süreçte yağın ısınması üzerindeki etkilerini araştırabileceğimiz bir araç haline gelmiştir. İkinci grupta ise model yardımıyla gerçekleştirilmiş olan araştırmalar yer almaktadır. Bu bölümde karter geometrisinin motor yağının ısınması ve soğuması üzerindeki etkileri, yağ tipinin ve miktarının etkileri, yatak ve piston boyutlarının etkileri, sürtünmeler üzerinden yapılan kıyaslamalar ile irdelenmiştir. Bunun yanında karter geometrisi ve yağ hacmi için yakıt tüketim değerlendirmesi de gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre motor yağ karterinin malzemesinin değiştirilmesi, cidar kalınlığının artırılması, windage tray uygulamalarının yapılması, yüzeyden izolasyonu ve bölmeli karter uygulamaları motor durduktan sonraki soğuma evresini yavaşlatmada önemli ölçüde etkilidir. Bu durum bir sonraki çalışma için önemli bir avantaj teşkil etmektedir. İyileştirme potansiyelleri göz önünde bulundurularak önerilen motor karter opsiyonları motor duruş sırasındaki soğuma sürecini önemli ölçüde yavaşlatmıştır. Motor sürtünmeleri üzerinden yapılan kıyaslamalara göre 2 saatlik soğuma evresi sonunda yeniden çalışma yapılması durumunda sürtünmeler önerilen karter opsiyonuna göre %7,6 ile %19 arasında azalmaktadır. Ağırlık ve performans gözetildiğinde en uygun bulunan opsiyon ise windage tray uygulamalı plastik karter %43 ağırlık azaltma ve %12,5 FMEP azaltma değerleri ile ön plana çıkmaktadır. Karter geometrisi dışında yapılan kıyaslamalardan bir diğeri ise motor yağ tipidir. Motorun yüksek viskoziteli yağ ile çalışması yağın genel olarak hızlı ısınmasını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Buna karşın hızlı ısınma yüksek viskozitenin yarattığı olumsuz sürtünme değerlerini önleyememiştir. Motor yağ hacminin azaltılmasının motor sürtünmeleri ve yağın ısınması üzerindeki etkisidir. Buradan elde edilen sonuçlara göre motor yağ hacminin %20 ve %40 azaltılması 2L motor için sırasıyla %4 ve %8,5’lik sürtünme azalmalarını sağlamıştır. Bunun yanında aynı kıyaslamalar 13L motorda yapıldığında elde edilen sonuçlar sırasıyla %5,6 ve %11,3’tür. Bunların yanında motor yatak boyutlarındaki sürtünmeyi azaltacak nitelikteki büyümelerin motor yağının ısınmasını yavaşlattığı fakat toplam sürtünmeleri azalttığı saptanmıştır. Piston yüzey alanı üzerindeki artmalar da yağa geçen ısı hızını artıracağından yağın hızlı ısınmasını ve sürtünmelerin azalmasını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca karter geometrisi ve yağ hacmi parametreleri yakıt tüketimi bazında da değerlendirmeye alınmıştır. Karter opsiyonları üzerinde yapılan kıyaslamalarda 2 saat sonunda yeninden başlatma durumu için elde edilen yakıt tasarrufları opsiyonlara göre %3,7 ile %6,7 arasında değişmektedir. En uygun seçilen opsiyon için yakıt tüketim iyileştirme değeri %5,4’tür. Motor yağ hacminin %20 azaltılması durumu için %2.06 %40 azaltılması durumu içinse %3,8’lik yakıt ekonomisi elde edilmiştir.