Motor yağları katkı maddelerinin segman-silindir yüzeylerinin aşınmalarına etkilerinin deneysel olarak incelenmesi
Investigation of the wear effects of the engine lubrication additives on cylinder liner-piston ring surfaces
Yazar: DOĞUŞ ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. EMRULLAH HAKAN KALELİ ; DOÇ. DR. OĞUZHAN GÜRLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
İçten yanmalı motorlarda silindir segman tribolojik sisteminin performansı mekanik kayıplara ve yakıt tüketimine doğrudan etki ettiğinden dolayı çok önemlidir. Ayrıca motorlarda efektif ömrün silindir gömlekleri ile piston segmanlarının sürtünmesinden kaynaklanan aşınma ile belirlenmesi bu sistemin önemini daha da arttırmaktadır. Bu sistemin performansını belirleyen başlıca faktörler yağlama, yük, sıcaklık, hız ve sistemi oluşturan elemanların malzeme yapısı olarak sayılabilir. Segman silindir tribolojik sisteminde segmanlar motor yakıt ve yağ tüketim parametrelerine etki eden önemli parametrelerin içerisinde yer aldığından araştırma geliştirme faaliyetlerinin yoğun olarak yapıldığı önemli bir endüstri kolunu oluşturmaktadır. Bunun yanısıra içten yanmalı motorlarda; enerji kayıplarını azaltmada, motor parçalarındaki aşınmanın önlenmesinde veya aşınma değerlerinin minumum seviyede tutulmasında ve sürtünme karakteristiklerinin iyileştirilmesinde yağlama yağları çok önemli bir role sahiptir.
Günümüzde çoğunlukla, yağlama yağlarında aşınma önleyici katkı maddesi olarak çinkodialkilditiofosfat (ZDDP) kullanılmaktadır ve bu katkı maddesi içerisinde çevreye zararlı fosfor elementi yer almaktadır. Fosfor, yağ katkı maddelerinde aşınmayı önlemede çok büyük bir paya sahip olmasına rağmen egzoz emisyonlarının azaltıldığı katalitik konverterlerde çinko ile kimyasal bir bağ yaparak kısırlaşmaya ve konvertörün gözeneklerini tıkamak sureti ile zehirlemeye neden olarak, konvertörü zamanla işlevsiz hale getirmektedir. Günümüzde özellikle İçten Yanmalı Motorların neden olduğu çevre kirliliği gelişmiş ülkelerde çok önem kazanmış özellikle otomotiv endüstrisinde doğa dostu düşük emisyon değerlerine sahip taşıtların üretimi son derece önemli bir üretim ve satış parametresi olmuştur. Bu nedenle bu gelişmeye paralel olarak yağ üreticileri doğa dostu fosforsuz yağlama yağı üretimine önem vererek bu konuda çeşitli araştırma ve geliştirme faaliyetlerine başlamışlardır. 
Bu doktora çalışmasının temel amacı fosfor içeremeyen sülfür bazlı ve bor suksiminid içeren yağ içeren yağlama yağını (NP-3) segman silindir tribolojik sistemindeki performansını araştırarak ZnDDP içeren yağlama yağına (R-1) alternatif yağlama yağı olup olamayacağını ortaya çıkarmaktır. Tezin diğer bir amacı da segman kaplamalarının tribolojik performansını inceleyerek günümüz popüler konularından grafenin alternatif segman kaplaması olup olamayacağını ortaya çıkarmaktadır. Bu kapsamda yağlama yağları ile segmanlar segman-silindir tribometresinde ve içten yanmalı motor testleri ile test edilmiştir. Testler sonrasında segman ve silindir yüzeyleri optik mikroskop, elektron mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu (AKM), Raman mikroskobu ve X ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS)'te analiz edilmiştir. Motor deneyleri sonrasında yağlama yağlarının kimyasal ve fiziksel değişimleri Fourier Dönüşüm Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve İndüktif Eşleşmiş Plazma (ICP) kütle spektroskopisi analizleri ile takip edilmiştir.
Yapılan test ve analizler sonucunda, fosfor içermeyen sülfür bazlı ve bor suksiminid içeren yağlama yağı katkı maddesinin oksidasyon direncinin arttırılması şartı ile ZDDP'ye alternatif aşınma önleyici katkı maddesi olabileceği ve grafenin korozyon direncini arttırma, sürtünme katsayısını azaltma bakımlarından küresel grafitli dökme demir ve krom segmanlar için alternatif kaplama yöntemi olabileceği ortaya çıkarılmıştır.

Abstract:
Performance of the cylinder liner - piston ring tribological system is very important in internal combustion engines due to directly effects on mechanical losses and fuel consumption. In addition to this, wear on cylinder liner and piston rings due to the friction of this pairs, is one of the main factor to determine the effective engine life and durability which increases the importance of cylinder liner - piston ring tribological system. Main factors, which determine the performance of this system, can be identify by lubrication and material structure of this system components. Rings are one of the important parameter in liner-ring tribological system, which effect lubrication oil and fuel consumption of the engine. Therefore, rings constitute an important industry where intensively research facilities have been performed. In addition to this, lubrication oil has an important role on reducing the energy losses, preventing engine parts from the wear or minimize this values and improve the friction characteristics.
Today, zinc dialkyl dithiophosphate (ZDDP) is the commonly used anti-wear additive in lubrication oils and this anti wear additive contains potentially harmful phosphorus element for environment. In spite of being contributor for the improvement of wear reduction in lubricant additives, phosphorus is a strong poison element for catalysts which are used to reduction of exhaust emissions and longtime exposure of phosphorus element makes it useless by making chemical bonds with zinc and this chemical structure blocks the poros of the catalysis that poisons the catalysis. Pollution induced by internal combustion engine became more important and producing of environmentally friendly vehicles is considered as an important production and marketing parameter in automotive industry novadays. Therefore, lubricant developers placed an emphasis on the production of phosphorus-free, environmentally friendly lubricants and facilitated several investigations parallel to these developments.
The main goal of this PhD thesis is to investigate the tribological performance of the non phosphorus, sulfur based and boron succinimide containing lubrication oil (NP-3) in liner-ring tribological system and find out weather NP-3 can be alternative lubrication oil for ZDDP containing lubrication oil (R-1) or not. The sub goal of this thesis is to investigate the tribological performance of the ring coatings and evaluate whether graphene can be alternative coating for piston rings or not due to its superior properties. With in this scope, R-1 and NP-3 lubrication oils were tested with ring-liner tribometer and engine bench tests. After the tests, ring and liner substrates surfaces were examined by optical microscopy, scanning electron microscope (SEM), atomic force microscopy (AFM), Raman microscopy and X-ray photon spectrometer (XPS). During the engine bench tests, physical and chemical changes of the lubrication oils were evaluated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometer (ICP) analysis. Corrosion tests and nanoscale friction measurements by AFM lateral force microscopy were performed to graphene coated rings and uncoated ones. The test results presented that no phosphorus contanining and sulfur based boron succiminide containing lubricating oil can be an anlternative antiwear additive against ZDDP's. However, its oxidation resistance must be increased. In addition to this, graphene coating increase corrosion resistance and provide friction force reduction for chromium and spherediol cast iron piston rings.