Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin İncelenmesi. The Investigation of Parameters Affecting Oil Consumption in a Diesel Engine

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 2, No:2, 2010 (1-9) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 2, No: 2, 2010 (1-9) TEKNOLOJĠK ARAġTIRMALAR e-issn: X Davetli Makale (Invited Article) Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin İncelenmesi Ergün ERTUĞRUL *, Can ÇINAR** * Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi Anabilim Dalı, Maltepe, Ankara/TÜRKİYE ** Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Otomotiv Anabilim Dalı, Teknikokullar, Ankara/TÜRKİYE cancinar@gazi.edu.tr Özet Bu çalışmada, direkt enjeksiyonlu, dört zamanlı bir dizel motorunda bazı tasarım ve çalışma parametrelerinin yağ tüketimi ve motor performansına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deneylerde silindir yüzey pürüzlülüğü, honlama açısı ve yağ sıyırıcı segman değişikliğinin yağ tüketimi ve motor performansına etkileri araştırılmıştır. Dinamometre ile yapılan testlerde yağ tüketiminin yakıt tüketimine göre oransal değişimi incelenmiştir. İyileştirmeler sonunda yağ tüketiminin yakıt tüketimine oranı 0,051 den 0,017 ye düşürülmüştür. Anahtar Kelimeler: Dizel Motoru, Yağ Tüketimi, Honlama, Motor Performansı. The Investigation of Parameters Affecting Oil Consumption in a Diesel Engine Abstract In this study, the effects of some design and operating parameters on oil consumption and engine performance were investigated experimentally, in a direct injection, four-stroke, diesel engine. In the experimental study, the effects of cylinder surface roughness, honing angle and oil ring on oil consumption and engine performance were investigated. Rational variation of oil to fuel consumptions was investigated by testing in the dynamometer. After these improvements, rational consumption of oil to fuel was decreased from to Keywords: Diesel Engine, Oil Consumption, Honing, Engine Performance. 1. GĠRĠġ Segman ve silindir yüzey kalitesi motor ömrüne ve performansına etki eden en önemli faktörlerdir. Silindir yüzeyinin çok parlak işlenmesi yüzeyin yağ tutma özelliğini azaltmaktadır. Yağlamanın kötüleşmesi de silindir gömleği ve segmanların birbirine doğrudan teması sebebiyle aşıntı miktarını arttırmaktadır. Silindir yüzeyinin çok pürüzlü olması ise, yağ tutma özelliğini arttırmakla birlikte sürtünme katsayısının çok fazla artması sebebiyle aşıntının artmasına sebep olmaktadır. Silindir içerisine alınan yakıtın toplam enerjisinin yaklaşık % lik bir kısmı motordaki sürtünmelere harcanmaktadır. Motorda meydana gelen sürtünme kayıplarının önemli bir kısmı silindir içerisindeki sürtünmelerden kaynaklanmaktadır. Silindir ve sekman arasındaki bu sürtünmeler, motorda meydana gelen sürtünmelerin yaklaşık yarısını oluşturmaktadır [1,2]. Bu makaleye atıf yapmak için Ertuğrul E, Çınar C,. Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin İncelenmesi, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (2)1-9 How to cite this article Ertuğrul E, Çınar C., The Investigation of Parameters Affecting Oil Consumption in a Diesel Engine, Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2010, (2)1-9

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin İçten yanmalı motorlarda silindir iç yüzeyine uygulanan honlama işlemi, yüzeye geometrik doğruluk vermekte ve mikro kanallar yardımı ile yağlamanın iyilik derecesini arttırmaktadır. Şekil 1 de görüldüğü gibi, günümüzde içten yanmalı motorlarda honlama iki aşamada yapılmaktadır. İlk aşamada derinliği 10 µm ye kadar ulaşan derin çizikler oluşturulmakta, plato honlama denilen ikinci aşamada tepeler nispeten düzlenmektedir. Plato honlama ile, motorun ilk çalıştırılması anında plato kanalları arasındaki yağ zerreleri sekmanların yağlanmasını sağlamaktadır [3-5]. ġekil 1. Plato honlanmış yüzey [6]. Honlama başlığının düşey ve dairesel hareketi ile oluşturulan honlama açısı yağ tüketimini etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Honlama açısının artması motorda yağ tüketimini azaltmaktadır. Ancak honlama açısı çok fazla arttırılırsa segmanlarda titreme, segman ve segman yuvalarında aşırı aşınma meydana gelmektedir [7,8]. Bu çalışmada, direkt enjeksiyonlu, doğal emişli bir dizel motor üzerinde, yağ tüketimine etkisi olabilecek parçalar ve imalat işlemleri incelenmiştir. İnceleme sonucunda silindir yüzey pürüzlülüğü, honlama açısı ve yağ sıyırıcı sekmanın yağ tüketimine olan etkileri deneysel olarak incelenmiştir. 2. MATERYAL ve METOT Deneylerde dört zamanlı, üç silindirli, direkt enjeksiyonlu bir dizel motoru kullanılmıştır. Deney motorunun teknik özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Deney motorunun teknik özellikleri. Motor tipi Direkt enjeksiyonlu, Dizel motor Silindir sayısı 3 Silindir çapı x kurs (mm) 104 x 115 Toplam silindir hacmi (cm 3 ) 2710 Sıkıştırma oranı 17:1 Maksimum motor gücü (kw / d/d) 40,5 / 2500 Maksimum motor momenti (Nm / d/d) 190 / 1500 Deneylerde Ricardo marka elektrikli dinamometreye sahip deney seti kullanılmıştır. Honlama çizgilerinin derinliğinin ölçümünde Mahr marka yüzey pürüzlülüğü ölçme cihazı kullanılmıştır. Bu cihazın teknik özellikleri Tablo 2 de görülmektedir. 2

3 Ertuğrul, E., Çınar, C. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Tablo 2. Mahr marka yüzey pürüzlülüğü ölçme cihazının teknik özellikleri [9]. Maksimum ölçüm değeri (µm) 150 Standartları DIN / ISO / JIS Tarama uzunluğu (mm) 1,75 / 5,6 / 17,5 Parametreler (DIN / ISO / SEP) Ra, Rz, Rmax Parametreler (RPc / JIS) Ra, Rz Test süresinin ve yağ akışının ölçülmesinde hassasiyeti 1 salise olan Robic Sports SC marka kronometre kullanılmıştır. Soğutma suyu giriş-çıkış ve motor yağ sıcaklıklarının ölçülmesinde Fluke marka sıcaklık ölçme cihazı kullanılmıştır Motor üzerinde yapılan değiģiklikler Silindir honlama açılarının ve yüzey pürüzlülük değerlerinin değiģtirilmesi Honlama, yüzeye geometrik doğruluk vermekte ve mikro kanallar yardımı ile yağlamanın iyilik derecesini arttırmaktadır. Motor silindirlerinin 30 o olan honlama izleri yağ tüketimini azaltmak amacıyla 45 o olarak yeniden işlemiştir (Şekil 2). ġekil 2. Honlama açılarının şeffaf ölçme aparatı ile kontrolü. Deney motorunun orijinal silindirlerinde yapılan pürüzlülük ölçümlerinde, değerlerin (Şekil 3) standart değerlerinde olmasına karşı düzensiz olduğu gözlenerek yeni honlama sırasında birinci aşamada daha ince taneli taş kullanılmış ve plato honlama yapılmıştır. Taşın yüzeye olan baskısı da kontrol edilerek yüzey pürüzlülük değerlerinin daha uygun olması sağlanmıştır (Şekil 4). 3

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin (a) (b) (c) a) 1. silindirin ortalama pürüzlülük değeri b) 2. silindirin ortalama pürüzlülük değeri c) 3. silindirin ortalama pürüzlülük değeri ġekil 3. Orjinal silindirlerin yüzey pürüzlülük değerleri. (a) (b) (c) a) 1. silindirin ortalama pürüzlülük değeri b) 2. silindirin ortalama pürüzlülük değeri c) 3. silindirin ortalama pürüzlülük değeri ġekil 4. Plato honlama sonrasında silindirlerin pürüzlülük değerleri Yağ sıyırıcı segmanın değiģtirilmesi Şekil 5.a da görülen sıyırma yüzeyi düz yapıda olan yağ sıyırıcı segman yerine Şekil 5.b de görülen 2 o açılı sıyırma yüzeyine sahip segman takılarak 10 saatlik yağ tüketimi (LOC) testi yapılmıştır. 4

5 Ertuğrul, E., Çınar, C. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 (a) (b) ġekil 5. Deney motorunun orijinal yağ sıyırıcı sekmanı (a) ve 2 o açılı sıyırma yüzeyine sahip yağ sıyırıcı sekman (b) Deneylerde Yapılan Ölçüm ve Hesaplamalar Yağ tüketiminin hesaplanmasında LOC testi uygulanmıştır. Bu test, motorun yağ tüketiminin yakıt tüketimine olan oranını veren bir hesaplama ile yapılmaktadır. AVL firmasının standartlarına göre sınır değer 0,02 olmalıdır. Test, motorun maksimum güçte 10 saat çalışma sonrasındaki yağ kayıplarını inceleyerek yapılmaktadır [10,11] Tüketilen yağ miktarının hesaplaması Dinamometreye bağlanan motorda AVL firmasınca önerilen metoda göre yapılan yağ tüketim testinde aşağıdaki adımlar takip edilmiştir [10]: İlk yağ dolum ölçümü a. Boş bir kap temizlenerek ağırlığı tartılmıştır. b. Karterindeki yağı daha önce boşaltılmış olan motora yağ çubuğundaki maksimum noktasına kadar yeni yağ koyulmuştur. c. Motor, çalışma sıcaklığına gelene kadar dinamometre ile yüklenmiştir. d. Çalışma sıcaklığına gelen motordan yük kaldırılarak 15 s relantide çalışması sağlanmış ve stop edilmiştir. e. Motorun durmasının ardından 1. piston ÜÖN ya getirilmiş ve karter tapası açılarak motor yağı daha önceden temizlenmiş kaba 30 dk ±20 s süresince boşaltılmıştır. f. Kapla birlikte boşaltılan yağ tartılmıştır (M 1 ). g. Bu sırada temizlik için kullanılan bezlere dahi bulaşan yağ kütlesi tartılarak kaydedilmiştir (X 1 ). Gerekirse yağ içerisindeki nem oranını da (P 1 ) belirlemek için bir miktar numune alınabilir. (Bu durumda onun kütlesi de X 1 e ilave edilmelidir). h. Yağ, test yapılacak motora iyice süzülene kadar doldurulmuştur. i. Kabın yüzeylerine yapışan yağ kütlesini belirlemek için kap yeniden tartılmış (M 2 ) ve motora koyulan net yağ kütlesi (Ms) aşağıdaki gibi hesaplanmıştır ( Eşitlik 1). M s M M X /100 (1) P1 5

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin Test prosedürü a. Motor 10 dk dinamometre ile %30 yükte ısıtılmıştır. b. Motor tam gazda, maksimum devri olan 2750 ±25 d/d ya getirilmiş ve dinamometre ile yüklenmiştir. c. Bu hızda motor toplam 10 saat boyunca sürekli çalıştırılmıştır. Çalışmanın ilk saatinde ve 10. saatinde dinamometre göstergesindeki tüm değerler okunarak kaydedilmiştir. d. 10 saatin sonunda dinamometre %30 yüke düşürülmüş ve bu durum motor soğutma suyu sıcaklığı normal değerine gelinceye kadar devam ettirilmiştir. Son yağ dolum ölçümü a. Motor devri relantiye (650 d/d) düşürülerek 15 s içerisinde stop edilmiştir. b. Motorun durduktan sonra 1. piston ÜÖN ya getirilerek karter tapası açılmış, yağın daha önceden de kullandığımız ve tekrar temizlediğimiz kaba boşalması sağlanmıştır. c. 30 dk ±20 s süzülmesinin ardından tapa kapatılmıştır. d. Kapla birlikte boşaltılan yağ (M 3 ), harici olarak kullanılan tüm yağ zerrecikleri (X 2 ) tartılmış (gerekirse nem miktarı için P 2 kullanılabilir) ve motordaki toplam yağ tüketimi (M T ) kütlesel olarak hesaplanmıştır ( Eşitlik 2). M T M X /100 M ( 2) s 3 2. P2 Test sonunda kütlesel olarak yağ sarfiyatının belirlenmesinin ardından AVL standartlarına göre test boyunca tüketilen yağ miktarını yine bu sürede tüketilen yakıt miktarı ile oranlamak gerekmektedir. O halde yağ tüketim oranı (C R ); C M M ( 3) R T F Burada; M F : Test boyunca tüketilen yakıt miktarı (g) M T : Test boyunca tüketilen yağ miktarıdır (g). Motor üzerinde yağ tüketimine etkisi incelenecek olan her değişikliğin ardından yukarıda bahsedilen test (10 saat olarak) tekrarlanmıştır. 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDĠRĠLMESĠ Deneyler 2750 ±25 d/d motor hızında, tam yük çalışma şartlarında yağ tüketimi ile motor performans değerlerinin ölçülmesi şeklinde yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar test boyunca tüketilen yakıt kütlesinin yağ kütlesine oranı cinsinden değerlendirilmiştir. Her testin 1. ve 10. saatlerinde dinamometre üzerinden alınan motor gücü ve özgül yakıt tüketimi değerleri karşılaştırılarak yapılan değişikliklerin performansa etkisi olup olmadığı araştırılmıştır Honlama Açılarının ve Yüzey Pürüzlülük Değerlerinin DeğiĢtirilmesinin Etkisi Yağın silindir yüzeylerinde kalmasını engellemek için honlama açısı 30 o den 45 o ye çıkartılmıştır. Açının arttırılması ile honlama çizgilerinin dik eksene daha paralel olmasının sağlanması çizgiler içerisindeki yağın bu diklikten dolayı aşağı kaymasını kolaylaştırmakta dolayısıyla da pistonun aşağı hareketi sırasında yağ yanma odasında kalmadığından tüketimi azalmaktadır [5]. 6

7 Yağ Tüketimi Ertuğrul, E., Çınar, C. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Pistonun aşağı hareketi sırasında yağın silindir yüzeyinde kalarak yanmasına sebep olan diğer bir parametre de honlama çizgilerinin derinliği veya düzensizliğidir. Deney motorlarının ilk ölçümlerinde pürüzlülük değerlerinin sınırlar içerisinde olsa da pürüzlülük grafiklerinde (Şekil 5) görülen düzensizliklerden dolayı takılan yeni silindirler daha ince taneli honlama taşı ile honlanmış, taşın işleme sırasındaki yüzey basıncı da düzenlenerek yüzey pürüzlülüğü istenilen duruma getirilmiştir. İşlemler yapıldıktan sonra yapılan 10 saatlik LOC testinde yağ tüketiminin 0,051 den 0,023 e düştüğü görülmüştür Yağ Sıyırıcı Sekmanı DeğiĢikliğinin Etkisi Silindir yüzeylerinden yağlama yağının daha iyi sıyırılması için deney motorunda düz sıyırma yüzeyine sahip segman yerine aynı özellikteki 2 o sıyırma açısına sahip segman kullanılmıştır. Daha keskin bir yüzeye sahip olan bu segman diğerine göre daha etkin bir sıyırma sağlamış böylelikle yağ tüketiminin 0,023 den 0,017 ye düştüğü gözlenmiştir (Şekil 6). 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,051 0,02 0,01 0,023 0,017 0 I II III Değişikliklerin etkisi I Motorun orjinal parçaları ile II Düzenlenmiş silindir honlama açısı ve yüzey pürüzlülüğü değerleri ile III Yeni yağ sıyırıcı segman ġekil 6. Deney motorunda yapılan değişikliklerin yağ tüketimine etkisi. Her değişikliğin ardından yapılan dinamometre testlerinde motor performans değerleri de kaydedilmiştir. Yapılan testlerde yağ tüketimini azaltmaya yönelik yapılan çalışma ve değişikliklerin motor performansını hemen hemen hiç etkilemediği görülmüştür. Dinamometredeki 10 saatlik çalışma sonu değerleri esas alınarak motorlar üzerinde yapılan değişikliklerin motor gücüne etkisi Şekil 7 de, özgül yakıt tüketimine (ÖYT) etkisi Şekil 8 de görülmektedir. 7

8 ÖYT (g/kwh) Güç ( kw) Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Bir Dizel Motorunda Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin 41 40,5 40,47 40,55 40,56 Motor devri: 2500 d/d 40 Orj. parçalar +Silindirler +Sekman Motordaki Değişiklikler ġekil 7. Deney motorunda yapılan yağ tüketimini azaltmaya yönelik değişikliklerin motor gücüne etkisi , ,94 221,89 Motor devri: 2500 d/d 221 Orj. parçalar +Silindirler +Sekman Motordaki Değişiklikler ġekil 8. Deney motorunda yapılan yağ tüketimini azaltmaya yönelik değişikliklerin özgül yakıt tüketimine etkisi. 4. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER Bu çalışmada direkt enjeksiyonlu, dört zamanlı ve üç silindirli bir dizel motorunda bazı tasarım ve çalışma parametrelerinin yağ tüketimine etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Normalden fazla yağ tüketen bu motorda, yağ tüketimine etki eden parçalar incelenmiş gerekli görülenler üzerinde değişiklikler yapılarak bu değişikliklerin yağ tüketimine ve motor performansına etkileri araştırılmıştır. Motor üzerinde yapılan her değişikliğin ardından 10 saatlik sürelerle dinamometreye bağlanmış ve yağ tüketim değerleri ile performans değerleri ölçülmüştür. Motorda yağ tüketiminin yakıt tüketimine oranı olarak AVL standartlarında belirtilen sınır değer olan 0,02 den fazla olması üzerine yapılan incelemelerde honlama taşının silindir yüzeylerine fazla baskı yaptığı, dolayısıyla derin çizgiler oluşturduğu tespitler arasındadır. Daha ince taneli taş ile yapılan yeni 45 o açılı honlamanın yağ tüketimini 0,028 azalttığı gözlenmiştir. 8

9 Ertuğrul, E., Çınar, C. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 1-9 Motorda kullanılan düz sıyırma yüzeyine sahip yağ sıyırıcı segman yerine 2 o açılı keskin kenara sahip sıyırıcı segman takılarak yapılan testte de yağ tüketimi 0,006 oranında azalmıştır. Motorlarda yapılan tüm bu değişiklikler yağ tüketiminin azalmasına katkı sağlamış ve tüketim değeri 0,02 nin altına çekilmiştir. Yağ tüketimi azalırken motor performans değerlerinde herhangi bir azalma olmamıştır. 5. KAYNAKLAR 1. Srivastava, D. K., Agarwal, A. K., Kumar, J., 2007, Effect of Liner Surface Properties on Wear and Friction in a Non-Firing Engine Simulator, Materials and Design, 28; Johansson, S., Nilsson, P. H., Ohlsson, R., Anderberg, C., Rosen, B. G., 2008, New Cylinder Liner Surfaces for Low Oil Consumption, Tribology International, 41; Pawlus, P., Cieslak, T., Mathia, T., 2008, The Study of Cylinder Liner Plateau Honing Process, Journal of Material Processing Technology, 2008, doi: /j.jmatprotec Haasis, G., Weigmann, U. P., 1999, New Honing Technique Reduces Oil Consumption, Industrial Diamond Review, 3; Hill, S.H., Kantola, T.C., Brown, J.R., Hamelink, J.C., 1997, ''An Experimental Study of the Effect of Cylinder Bore Finish on Engine Oil Consumption'', SAE Technical Paper, İnternet: Hughes, J. G., 2003, Automotive Engine Rebuilding, Second Edition, Prentice Hall, U.S.A. 8. Heywood, J. B., 1998,Internal Combustion Engine Fundamentals, New York, U.S.A., McGraw-Hill. 9. İnternet: Mahr Exacily, 2007, Product Specification, httt:// 10. İnternet: Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List, ''Lubrication Oil Consumption Test Procedure'', Ertuğrul, E., 2008, Dizel Motorlarında Yağ Tüketimini Etkileyen Parametrelerin İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Ankara. 9