Piston Grubu Sürtünme Kayıplarının Azaltılması İle Taşıt Yakıt Ekonomisi İyileştirme Potansiyelinin Analizi

Abstract

İçten yanmalı motorların toplam güç kaybının önemli bir kısmı sürtünmeden kaynaklanmaktadır. Yapılan araştırmalara göre güç kayıplarının neredeyse yarısı piston grubu sürtünmelerinden kaynaklanmaktadır. Piston segmanları ve piston etekleri genellikle karma yağlama rejiminde çalışmaktadır. Karma yağlama rejiminde temas yükleri hem hidrodinamik akışkan film basıncı hem de yüzey pürüzlülükleri tarafından taşınmaktadır. Yüksek yağ viskozitesi hidrodinamik yağlama rejimi eğilimini arttırmaktadır. Düşük hızlardaki ve aşırı yüklü şartlardaki yük taşıma kapasitesini arttırır. Yüksek yağ viskozitesi yüksek yağlayıcı film kalınlığına neden olmaktadır. Yağ film kalınlığının artması ile yağlayıcının içindeki kesme kuvvetleri artmaktadır ve bunun sonucu olarak yakıt tüketiminin de artması beklenebilir. Bu tez çalışmasında çeşitli yağ viskozitelerinin ve sınır sürtünme katsayılarının toplam taşıt yakıt tüketim değerlerine etkilerini anlamak amacı ile 2,2 litre dört silindirli dizel motoru için AVL EXCITE piston segman modülü kullanılarak kapsamlı bir silindir gömleği ve piston-segman paketi modeli geliştirilmiştir. Kompresyon segmanları, yağ segmanı ve piston eteğinden kaynaklanan sürtünme kuvvetleri hesaplanmıştır. Çeşitli yükleme koşulları ve motor hızları için piston segman paketi sürtünmelerinden kaynaklanan güç kayıpları hesaplanmıştır. Düşük ve yüksek viskozite dereceli yağlayıcılar ve piston ve segman kaplamaları için azaltılmış sınır sürtünme katsayıları gibi birkaç örnek çalışma için güç kayıpları hesaplanmıştır. Her örnek çalışma için yeni yakıt tüketim haritaları oluşturulmuştur. Elde edilen yakıt tüketim haritaları AVL CRUISE programına girilmiştir. Programda örneklenen hafif ticari araç için Avrupa şehir dışı çevrimindeki ortalama yakıt tüketimleri hesaplanmıştır. Kaplamaların ve düşük viskoziteli yağların yakıt tüketimini azaltma potansiyeli detaylı olarak incelenmiştir.

A significant part of total power loss in an internal combustion engine is due to friction and nearly half of this power loss is due to piston assembly friction. Piston rings and piston skirts usually operate in mixed lubrication regime where contact load is carried by both hydrodynamic fluid film pressure and asperity contact load. High oil viscosity cause high lubricant film thickness, increased shear forces inside the lubricant and results in increased fuel consumption. Hydrodynamic lubrication usually occurs in the mid-stroke where the lubricant film thickness is at its maximum value; due to high piston speed in this range, friction force results in significant power loss. In order to understand the effects of various lubricant viscosities and boundary friction coefficients on fuel consumption, a power cylinder and piston ring pack model have been developed for a 2,2 Liter - four cylinder diesel engine using AVL-EXCITE Piston Ring module. Friction forces caused by the rings and piston skirts are calculated. Power losses due piston ring pack friction are calculated for various engine speed and loading conditions. Power losses have been calculated for several case studies such as low and high viscosity grade lubricants and reduced boundary friction coefficients for friction modifiers. New fuel consumption maps are generated for each case study and used in AVL CRUISE model to calculate the overall fuel consumption of a vehicle in European extra urban driving cycle. Fuel consumption reduction potential using low viscosity grade oils and friction modifiers are discussed in detail.