Güç Silindiri Yağlama Ve Sürtünme Performansının Piston Elastik Deformasyonlarının Etkisi İle Birlikte Sayısal İncelenmesi

Abstract

Geleneksel içten yanmalı motorlar ve bazı kompresörlerde olduğu gibi öteleme hareketli piston kullanan makinalarda, silindir ekseni boyunca öteleme hareketinin yanında piston bu eksene dik olarak yanal yönde de hareket eder. Piston eteği ile silindir arasındaki boşluğun mikron mertebelerinde olduğu düşünlürse, ortaya çıkan yanal hareket de çok küçük olmaktadır. Ancak, bu hareket pistonun ve segmanların yağlama performansı, dolayısıyla sürtünme kayıpları ve aşınmalar üzerindeki belirleyiciliği ile motor performansı ve ömrü üzerinde oldukça etkilidir. Piston-segman-gömlek yüzeyleri arasındaki etkişim, motorun verimini doğrudan etkileyen bir faktör olarak ve aynı zamanda yakıt ekonomisi, egzoz gazı emisyonları ve gürültü açısından da her daim incelenmeye devam edilecek bir konu olacaktır. Bu çalışma silindir içinde hareket eden içten yanmalı motor pistonunun yanal hareketini ve etek sürtünmesinin güç silindirinin toplam sürtünme kayıpları içindeki payını belirlemeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla, detaylı bir model oluşturularak karma yağlama rejiminde piston ikincil dinamiğini çözen ve piston eteği ile silindir duvarı arasındaki etkileşimden kaynaklanan sürtünme kaybını hesaplayan bir MATLAB kodu yazılmıştır. Piston hareketi üzerindeki etkilerinin öneminden dolayı etek yağlaması üzerinde özellikle durulmuştur. Pürüzlü yüzeyler ile pürüzsüz yüzeyler arasındaki akışların karşılaştırılmasına olanak sağlayan basınç ve kesme akış faktörleri eklenerek uyarlanmış Reynolds denklemi kullanılarak etek ve gömlek yüzey işleme özelliklerinin yağ filmi üzerindeki etkisi hesaba katılmıştır. Yüzey pürüzlerinin katı temasının modellenmesi amacıyla bir pürüz temas modeli eklenmiştir. Bunun yanında, yağ filminin sürekliliği de incelenmiş ve iki boyutlu akışta yağ filminin koptuğu sınır, Reynolds akış ayrılması yaklaşımı kullanılarak hesaplanmıştır. Oda sıcaklığındaki profili bilinen soğuk piston eteğinin durağan çalışma şartlarındaki sıcaklıklarda göstereceği değişim ısıl genleşmesinin hesaplanması ile elde edilmiştir. Yağ basıncı ve temas yükleri altında gerçekleşen ve çalışma esnasında etek yağlama bölgesindeki profilin değişmesine yol açan elastik deformasyonların etkisi ise her zaman adımında anlık değerlerinin hesaplanması ile modele katılmıştır. Model ile elde edilen ve farklı şartlara ait sonuçlar verilerek karşılaştırılmıştır. Etek profilinin etkisinin incelenmesi amacıyla tepe noktası ile beraber fıçı profili ve pistonun ovalliği değiştirilerek farklı örnek durumlar ortaya çıkarılmıştır. Sadece fıçı profilin incelendiği durum çalışmasında, tepe noktası nominal etek çapı olmak üzere, üst ve alt noktalara doğru olan çap daralması değiştirilerek, arttırılmış ve azaltılmış fıçı etkisi yaratılmıştır. Tepe noktasının konumunun etkisi için ikinci bir inceleme grubu, fıçı formun bozulmadan aşağı ve yukarı kaydırılması ile elde edilmiştir. Üçüncü grup ise perno eksenine dik olan simetri düzlemi üzerindeki profil sabit olmak üzere çevresel yönde gerçekleşen çap daralmasının arttırılıp azaltılması ile oluşan oval profil değişimini içermektedir. Bu farklı profiller ile elde edilen sürtünme kayıpları karşılaştırılmış ve daha yüksek yağlama performansı sağlayacak alternatif bir etek profili önerilmiştir. Bunun yanı sıra, hidrodinamik yağlama üzerinde iki yönlü etkisi olan yağ viskozitesi de incelenen tasarım parametrelerinden biri olarak seçilmiştir. Viskozitenin artması ile azalan katı temasına karşı viskoz kesme kuvvetlerinin artış göstermesi beklenen bir sonuçtur. Model, bu paramatrenin nihai etkisinin hesap edilerek optimum değerler önerilmesi amacıyla kullanılmıştır. Hidrodinamik yağlamaya etki eden önemli faktörlerden biri de pistonun hareket yönüne göre önünde mevcut olan, silindir duvarı üzerindeki yağ miktarıdır. Yukarıda anlatılan farklı tasarımlar iki farklı giriş yağ miktarı sınır şartı için ayrı ayrı incelenmiştir. İlki kısmi yağlama olarak adlandırılmış olan 20 µm yağ film kalınlığı, ikincisi ise 40 µm ile tam yağlama şartı olarak alınmıştır. Bu şekilde etek ve silindir arasına yağ taşıyan mekanizmaların piston sürtünmesine etkisi de araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara bakıldığında genel olarak sürtünme kaybı ve yüzeylerin katı teması açısından kritik zaman aralığının ateşlemenin gerçekleştiği üst ölü noktadan yaklaşık 40° krank mili açısından itibaren başladığı görülmüştür. Ayrıca beklendiği üzere, kısmi yağlama şartları altında sınır yağlamanın sürtünme kaybı üzerinde daha etkili olduğu, tam yağlama durumunda ise hidrodinamik kayıpların arttığı gözlemlenmiştir. Kısmi yağlama şartlarında, yağ viskozitesinin düşmesi sürtünmeyi arttırdığı, yükselmesinin de belirgin bir iyileşme sağlamadığı görüldüğünden refereans motor yağının kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Ayrıca, incelenen durumlar arasında en düşük ve en yüksek sürtünme kayıpları etek oval formunun, sırasıyla, azaltılmış ve arttırılmış durumlarında gözlemlenmiştir. Fıçı profilin artması ve tepe noktasının etek uzunluğunun \%10'u kadar aşağı kaydırılması ile sürtünme kayıplarının az da olsa düştüğü görülmüştür. Ayrı ayrı incelenen bu üç parametrenin en iyi sonucu verdiği durumların birleştirilmesi suretiyle alternatif bir etek profili önerilerek model tekrar çalıştırılmıştır. Ancak elde edilen sürtünme kaybının oval formun tek başına azaltılarak elde edildiği durumdan daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu durumda, kısmi yağlamada ve verilen motor çalışma şartlarında incelenen etek profil parametrelerindeki değişimin etkisinin lineer olmadığı sonucuna varılmıştır. Yalnızca oval formun değiştirilmesi sürtünme kayıpları açısından en olumlu etkiyi yapabilmektedir. Piston eteği ile silindir arasına giren yağ miktarının artması ile katı temasının azalması sonucu sürtünme kayıplarında belirgin bir iyileşme elde edilmiştir. Tam yağlama şartlarında, fıçı profilindeki değişimin kısmi yağlamaya göre ters bir etki gösterdiği gözlemlenmiştir. Bunun yanında, yağ viskozitesindeki artışın da tam yağlama için ihmal edilemeyecek kadar etkili olduğu bulunmuştur. Alternatif etek profili ve yüksek viskoziteli yağın kullanıldığı önerilen durum için bu çalışma şartlarında oldukça düşük sürtünme kaybı sonuçlarına varılabileceği görülmüştür. Sonuç olarak bu çalışma ağır ticari karayolu taşıtlarında kullanılan bir dizel motorun sürtünme performansını iyileştirecek şekilde etek profilini belirleyen tasarım parametreleri ve yağ viskozitesi için değişiklik önerileri öne sürmüştür. Bu öneriler, oluşturulan kapsamlı yağlama modeli ve piston ikincil dinamiği çözücüsü yardımıyla incelenmiştir. İçten yanmalı motor güç silindirinin tasarımında, herhangi bir tasarım parametresinin piston grubunun özellikle segman gibi diğer önemli parçaları üzerindeki etkilerinin de dikkate alınması gerekliliğinin farkında olmak kaydıyla, elde edilen modelin daha gelişmiş analizlerde kullanılmak üzere geliştirilebilecek temel bir araç olarak kullanılmaya uygun olacağı söylenebilir.

This study aims to predict the behavior of an oil-lubricated piston reciprocating inside a cylinder in the context of its lateral motion, and to state its contribution to total piston assembly friction. For this purpose, a detailed model was constructed and a MATLAB code was written solving secondary motion of a piston in mixed lubrication and calculating friction losses arising from skirt-liner interaction. In regard to its effects on the operation of the piston, skirt lubrication was focused on. Effects of surface finish of skirt and liner were taken into account using the modified form of Reynolds equation with pressure and shear flow factors. An asperity contact model was introduced for the effect of solid-to-solid contact of surfaces. In addition, continuity of lubricant film between skirt and liner surfaces was investigated. Reynolds flow separation approach was used to determine film rupture boundary for the two-dimensional flow of lubricant. Thermal expansion of the piston was calculated to obtain the skirt profile under steady-state engine running conditions for a known cold profile. Change in the lubricated surface of skirt during operation was taken into account by calculating the piston's elastic deformation under the effect of lubricant pressure and contact loads at each time step. Simulation results for a number of cases were presented for effects of the skirt profile. Different cases are obtained by changing barrel form, the bulge location and ovality of piston. Setting the radius at the bulge location as the nominal skirt radius, radial reduction towards skirt top and bottom were increased and reduced for the effect of barrel form only. A second set was obtained by moving the bulge location up and down while the radial reduction due to barrel form was kept constant as moved away from the bulge. The third set contains two different oval profiles with increased and reduced radial drops in the circumferential direction while the barrel profile on the plane of symmetry which is perpendicular to pin axis was kept constant. Resulting friction losses were compared and used to suggest an alternative skirt profile for improved lubrication performance. Furthermore, oil viscosity which has transverse effects on hydrodynamic lubrication was selected as another focus design parameter. The model was tested to be used as a tool to predict an optimized viscosity for its effects on viscous shear and solid-to-solid contact behavior. These analyses were carried out with two different inlet oil supply conditions. 20 µm oil thickness available at the leading edge was assumed for partially-flooded inlet whereas 40 µm was taken for fully-flooded condition. Generally it was found that critical period in terms of frictional loss and solid contact started at around 40°CA after FTDC. Boundary friction was more dominant in partially-flooded inlet cases whereas hydrodynamic losses were higher for fully-flooded inlet ones, as expected. In partially-flooded inlet analysis, minimum and maximum frictional loss values were found for the change in oval form of the skirt. It was also seen that baseline oil type can be used since lower viscosities results in increased power loss and higher one offered negligible benefit. In the end, a skirt profile was suggested with the combination of three parameters. However, the friction mean effective pressure was found to be higher than the value obtained by only changing the oval form. Therefore, it was concluded that effects of changes in skirt profile parameters were not linear for the given engine operation condition with the partially-inlet. A reduction in oval form alone could be more beneficial in terms of frictional power loss. Fully-flooded inlet resulted in significantly less frictional power loss due to reduced solid contact. Barrel form had a transverse effect in this case compared to partially-flooded inlet. In addition, it was seen that reduction in power loss with increased oil viscosity was not negligible this time. Combined effect of skirt profile parameters and oil type were observed to give the best frictional performance for the suggested case with a fully-flooded inlet. In conclusion, this study presented a series of recommendations for selected design parameters defining skirt profile and lubricant viscosity in order to achieve an improved frictional performance of a medium-duty diesel engine piston. A comprehensive model for skirt lubrication and piston secondary dynamics were built and used for case studies. Keeping in mind that the design process of an ICE power cylinder requires an integrated analysis of any design parameter with its effects on the performance of other important components such as rings as well, the resulting model can be a base tool to be developed further for use in more advanced analysis.