Kam Ve Supap Fıncanı Temasının Yağlama Analizi

Abstract

İçten yanmalı motorlarda, supap mekanizması, piston segman takımı ve motor yatakları, temel üç farklı sürtünme kaybı kaynağı olarak gösterilebilir. Yağlanan supap mekanizması elemanları, içten yanmalı motorlarda mekanik verimsizliğe sebep olan baslica etmenlerdendir. Bu çalışmada supap mekanizması elemanlarından, kam ve supap fincanı yağlaması incelenmiş ve yağlama simulasyonu için hesaplamalı bir model geliştirilmiştir. Çalışmanın başında, elasto hidrodinamik ve hidrodinamik yağlama rejimlerinin prensipleri özetlenmiş, analiz algoritmasının temelini oluşturan denklemler çıkarılmıştır. Elasto hidrodinamik yağlama rejimi temelinde, temas yüzeylerinin ince bir film ile birbirinden ayrılmasının haricinde, temas eden yüzeylerin şekil değişimlerinin de etkisi bulunmaktadır. Elasto hidrodinamik yağlama rejimi genel olarak yoğunlaşmış yükleme şekillerinin gerçekleştiği sistemlerde gözlenmektedir. Bunlar yuvarlanmalı yataklar, kam ve itici mekanizmaları ve benzeri sistemlerdir. Hidrodinamik yağlama rejiminde ise birbiri ile temas halinde olan yüzeylerin, oluşan bir yağ filmi tabakası ile birbirlerinden ayrıldığı kabul edilir. Oluşan yağ film profili, yüzey geometrilerindeki farklılıklara, yüzey kinematik özelliklerine ve kullanılan yağ özelliklerine bağlıdır. Geliştirilen yağlama modeli için hem elasto hidrodinamik yağlama rejimi hem de karma yağlama rejimi göz önünde bulundurulmuştur. Akalin ve Newaz tarafından piston segman takımı için geliştirilmiş karma yağlama rejimi modeli, kam ve supap fincanı teması için adapte edilmiştir. Modelleme sürecinde, supap mekanizmasının tabi olduğu yükler belirlenmiştir. Bu yükler temel olarak, hareketli supap mekanizması parçaları için toplam atalet kuvveti ve valf yayı sıkıştırma kuvvetidir. Supap mekanizmasının çalışması incelendiğinde, kam ve supap fincanı temas yüzeyleri arasında oluşan yağ filmi, toplam atalet ve yay yükünü dengelemektedir. Bu prensip üzerinden modeller kurulmuş ve analizler yakınsatılmaya çalışılmıştır. Kam ve supap fincanı yağlama analizi için MATLAB programı kullanılarak bir simulasyon kodu yazılmıştır. Program temel olarak iki kısımdan oluşmaktadır. Kam ve supap fincanı yüzeyleri arasındaki yağ film kalınlığını hesaplamak için ortalama Reynolds denklemi dönüş açısına bağlı olarak anlık şekilde çözümlenmiştir. Karma yağlama rejimi için, yağ film kalınlığı çözümü, ilgili başlangıç ve sınır koşulları denklemlerde kullanılarak sağlanmıştır. Analiz girdisi olarak, ilk aşamada kam geometrisi kullanılmıştır. Verilen kam yükseltme eğrisi kullanılarak, yüzey koordinatları hesaplanmış, bu veriler ışığında da temas noktasındaki akışkan giriş hızı anlık olarak hesaplanmıştır. Yüzey akış ve temas faktörleri Akalın’ın çalışmasından alınmış ve analizlere girdi olarak kullanılmıştır. Program girdileri ile analizler gerçekleştirilmiş, yük dengesini esas alan yakınsama kriteri kullanılarak temas yüzeyleri arası basınç dağılımı elde edilmiştir. Karma yağlama rejiminin hesaplandığı bölgeler haricinde, kam ve supap fincanı temasında elasto hidrodinamik yağlama rejimi gözlenmiştir. Elasto hidrodinamik rejimin baskın olduğu kimi temas açılarında, minimum yağ film kalınlığı Dowson ve Higginson tarafından geliştirilmiş formulasyon kullanılarak hesaplanmıştır. Bu çözüm algoritmasında, toplam atalet kuvveti ve toplam yay yükü her bir kam açısı için hesaplanmış ve analiz girdisi olarak kullanılmıştır. Bunun yanı sıra yine her bir kam açısı için, yüzey temas noktasında eğrilik yarıçapı ve akışkan giriş hızları hesaplanmış, yağ filmi kalınlığı hesabı için girdi olarak kullanılmışlardır. Hidrodinamik ve pürüzlülük teması basınç dağılımları, yağ film kalınlıkları, oluşan yağ filmi tarafından taşınan yük ve boyutsuz yağ filmi sıkışma hızı her bir kam mili dönüş açısı için hesaplanmıştır. Sistem üzerine uygulanan yükteki değişim, kam üzerindeki eğrilik yarıçapındaki değişim ve hidrodinamik giriş hızındaki değişim, hesaplar yapılırken göz önünde bulundurulmuşlardır. Hidrodinamik yağlama rejimi için yüzey pürüzlülük profilleri ayrıca hesaplamalara katılmıştır. Geliştirilen kod algoritmasına göre, Reynolds eşitliği kullanılarak hesaplanan minimum yağ filmi kalınlığı, Dowson ve Higginson’un geliştirdiği formul kullanılarak hesaplanan yağ film kalınlığından daha düşük bir değerde olması engellenmiştir. Bu sayede kam profili üzerinde, bazı bölgeler hidrodinamik yağlama rejimine sahip görülürken, bazı bölgeler ise elasto hidrodinamik yağlama rejimine sahip olacak şekilde hesaplar gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonuç bölümünde, yağ film kalınlıkları, değişken yağ viskoziteleri ve farklı motor çalışma hızları açısından incelenmişir. Artan yağ viskozitesi ve motor hızı ile birlikte yağ film kalınlıklarının da arttığı gözlenmiştir. Sonuçlar ayrıca kam yüzeyi kinematiği açısından incelenmiş ve yüzey profili üç kısma ayrılarak sonuç değerlendirmeleri yapılmıştır. Buna gore; kam profilinin temel daire bölümünde, durağan yağ filmi kalınlığı tespit edilmiştir. Eğrilik yarıçağı ve temel daire boyunca yağ giriş hızı sabit olduğu için, hesaplanan film kalınlığı da sabit olmuştur. Buna rağmen kam yan yüzey geçişindeki ufak film kalınlığı artışları, yine o bölgelerdeki artan yağ giriş hızları ile açıklanabilmektedir. Yine de temel daire bölümünde, düşük eğrilik yarıçapı ve düşük giriş hızları sebebiyle elasto hidrodinamik yağlama rejimi baskın olarak gözlenmiştir. Kam profilinin her iki yan tarafı için, bölgede hidrodinamik yağ filmi oluşumu gözlenmiştir. Yüksek eğrilik çapı ve yağ giriş hızları sebebiyle ortalama Reynods denklemi çözülebilmiş ve bölgedeki basınç dağılımı elde edilmiştir. Bunun yanı sıra bölgede pürüzlülük basınçları da saptandığı için, bu kısım ise karışık yağlama rejiminin gerçekleştiği söylenmiştir. Son bölüm ise kam ucu olarak adlandırılmıştır. Çok düşük eğrilik yarıçapı ve neredeyse 0’a yakın yağ giriş hızları sebebiyle, bölgedeki yağlama rejimi tekrardan elasto hidrodinamik olarak adlandırılmıştır. Yapılan çalışma ile kam supap fincanı teması yağlama performansını değerlendirebilecek yeni bir yöntem ortaya konmuştur. Geliştirilen yöntem ile hem elasto hidrodinamik hem de karma yağlama rejimleri bir arada ele alınmıştır. Yük değişimleri, eğrilik yarıçapı ve akışkan giriş hızı değişimleri göz önünde bulundurulmuştur. Geliştirilen simülasyon aracı ile her çeşit kam supap fincanı tasarımı, yağlama özellikleri açısından incelenebilir hale gelmiştir. Kullanılan akışkanın özellikleri ve ilgili temas yüzeylerinin malzeme özellikleri de geliştirilen model içerisinde etkileri gözlenebilir parametreler olarak tanımlanmıştır. Bu sayede kurulan model ile karmaşık yapıdaki kam supap fincanı dinamikleri incelenebilir yorumlanabilir duruma getirilmiştir. Son olarak, yapılan çalışmayı ilerletmek, genişletmek adına bir kaç hususa değinilmiştir. Bunlardan ilki, elasto hidrodinamik rejime sahip bölgelerde, kam açısına bağlı anlık çözümlerin yapılabileceği şekilde kurulan algoritmanın genişletilebilmesidir. İkinci olarak modele, kam taç yarıçapı ve koniklik açısı gibi parametlerin de eklemesi ile yağlama analizi performansı artırılabilir. Bunların yanı sıra, sürtünme katsayısı belirlenmesi ve aşınma mekanizmalarının eklenmesi çalışmanın gelecekteki aşamalarından bazıları olarak gösterilebilir.

Mainly, there are three different friction loss sources in internal combustion engines, which are valve train system, piston-ring assembly and engine bearings. A significant source of mechanical inefficiency in ICE is the lubricated valvetrain components. In this study, improvement of a computational model for the simulation of cam - tappet lubrication has been investigated using both elastohydrodynamic lubrication theory and mixed lubrication concept. A computational scheme for mixed lubrication concept based on Akalin and Newaz’s (1999) model has been adapted for cam - tappet contact. A MATLAB code has been developed to simulate lubrication condition of cam - tappet contact. Program contains two main parts to calculate lubrication parameters within contact zone. To calculate the lubricant film thickness and pressures between the contact surfaces of cam - tappet, average Reynolds equation was solved simultaneously with the initial and boundary conditions for the mixed lubrication regime. Apart from mixed lubricated contact zones, elastohydrodynamic lubrication regime occurs in cam - tappet interaction. Minimum oil film thickness was calculated according to equation Dowson and Higginson formula for the EHD lubrication. Hydrodynamic pressure distribution, asperity contact pressure, lubricant film thickness, load carried by oil film and non-dimensional squeeze film velocity are calculated for each cam angle degree. Variation in the load, the radius of curvature and the hydrodynamic entraining velocity were considered in the analysis. For the hydrodynamic lubrication regime, surface roughness characteristics were taken into account. According to the code algorithm, calculated minimum oil film thickness from Reynolds equation cannot be smaller than Dowson and Higginson formula. Hence, some contact zones were found in hydrodynamic lubrication while some of them were found in EHD lubrication. At the results section, oil film thickness results were examined in terms of lubricant viscosity and rotational speed parameters. Oil film thickness increases with the higher engine speed and lubricant viscosity.