Motorlarda yağlama sistemi üzerinde yapılan değişikliklerin yağın ısınması ve motor performansı üzerindeki etkilerinin model yardımıyla araştırılması
Model aided investigation of lubrication system component changes on oil heat up and engine performance
Yazar: YUSUF KARTAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖVÜN IŞIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hidrodinamik yağlama = Hydrodynamic lubrication ; Isı geçişi = Heat transfer ; Motor performansı = Motor performance ; Motor yağları = Engine oils ; Sürtünme = Friction ; Sürtünme kaybı = Frictional loss ; Taşıt motorları = Vehicle engines ; Yağlama = Lubrication ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Günümüzde yakıt kaynaklarının azalması, otomotiv sektöründeki rekabetçi yapı ve regülasyonların çevreyi koruma amacıyla emisyon kısıtlarını giderek artırması motor performansını önemli hale getirmiştir. Motor performansını iyileştirmenin en önemli yollarından bir tanesi motor sürtünmelerini azaltmaktır. Bu sayede aynı motor çıktıları için yakıt tüketimi azalacak, motor verimi artacak, aynı yakıt tüketimi içinse güç artacaktır. Bunun yanında motor sürtünmelerinin azaltılması motor ömrünü de olumlu yönde etkileyecektir. 
Motor sürtünmelerinin en yüksek seviyede görüldüğü zaman dilimleri genelde motor yağının soğuk olduğu başlangıç çalışmasıdır. Bu dönemde motor yağı rejim sıcaklığına ulaşıncaya kadar motor verimsiz bir çalışma evresi geçirir. Bu evreler istatistiksel çalışmalar göre motor ömründe önemli bir yer kaplar. Bu süreci iyileştirme adına yapılacak geliştirmeler, motor performansı bakımından önemli bir katkı olarak dönecektir.
Motor yağının hızlı ısıtılması ve bu verimsiz başlangıç çalışması evresinin hızlı geçilmesi, yağ viskozitesini daha hızlı düşürecektir. Bu durum da hidrodinamik yağlama gerçekleşen bölgelerde sürtünmeler hızla azalacaktır. Çalışmaların temelinde yatan ilke budur.
Bu tez çalışması kapsamında yapılan araştırmalar genel olarak iki grupta toplanabilir. Bunlardan birincisi yağın rejim sıcaklığına ulaşana kadarki süreçte motor yağına geçen ısının matematiksel olarak modellenmesi ve doğrulanmasıdır. Bu amaça kurulmuş olan matematiksel model döngüsü 2L ve 13L'lik motorlardan alınan deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Doğrulama işlemi sırasıyla, motor karteri alt modeli, karterin motor üzerinde bağlı iken bulunduğu şartların durumu, motor yanmasının olmadığı durum ve yanmanın olduğu durum için gerçekleşmiştir. Doğrulamanın yapılması ile matematiksel model, yağlama sistem elemanları üzerinde yapılan değişikliklerin bu süreçte yağın ısınması üzerindeki etkilerini araştırabileceğimiz bir araç haline gelmiştir. İkinci grupta ise model yardımıyla gerçekleştirilmiş olan araştırmalar yer almaktadır. Bu bölümde karter geometrisinin motor yağının ısınması ve soğuması üzerindeki etkileri, yağ tipinin ve miktarının etkileri, yatak ve piston boyutlarının etkileri, sürtünmeler üzerinden yapılan kıyaslamalar ile irdelenmiştir. Bunun yanında karter geometrisi ve yağ hacmi  için yakıt tüketim değerlendirmesi de gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre motor yağ karterinin malzemesinin değiştirilmesi, cidar kalınlığının artırılması, windage tray uygulamalarının yapılması, yüzeyden izolasyonu ve bölmeli karter uygulamaları motor durduktan sonraki soğuma evresini yavaşlatmada önemli ölçüde etkilidir. Bu durum bir sonraki çalışma için önemli bir avantaj teşkil etmektedir. İyileştirme potansiyelleri göz önünde bulundurularak önerilen motor karter opsiyonları motor duruş sırasındaki soğuma sürecini önemli ölçüde yavaşlatmıştır. Motor sürtünmeleri üzerinden yapılan kıyaslamalara göre 2 saatlik soğuma evresi sonunda yeniden çalışma yapılması durumunda sürtünmeler önerilen karter opsiyonuna göre %7,6 ile %19 arasında azalmaktadır. Ağırlık ve performans gözetildiğinde en uygun bulunan opsiyon ise windage tray uygulamalı plastik karter %43 ağırlık azaltma ve %12,5 FMEP azaltma değerleri ile ön plana çıkmaktadır. Karter geometrisi dışında yapılan kıyaslamalardan bir diğeri ise motor yağ tipidir. Motorun yüksek viskoziteli yağ ile çalışması yağın genel olarak hızlı ısınmasını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Buna karşın hızlı ısınma yüksek viskozitenin yarattığı olumsuz sürtünme değerlerini önleyememiştir. Motor yağ hacminin azaltılmasının motor sürtünmeleri ve yağın ısınması üzerindeki etkisidir. Buradan elde edilen sonuçlara göre motor yağ hacminin %20 ve %40 azaltılması 2L motor için sırasıyla %4 ve %8,5'lik sürtünme azalmalarını sağlamıştır. Bunun yanında aynı kıyaslamalar 13L motorda yapıldığında elde edilen sonuçlar sırasıyla %5,6 ve %11,3'tür.
Bunların yanında motor yatak boyutlarındaki sürtünmeyi azaltacak nitelikteki büyümelerin motor yağının ısınmasını yavaşlattığı fakat toplam sürtünmeleri azalttığı saptanmıştır. Piston yüzey alanı üzerindeki artmalar da yağa geçen ısı hızını artıracağından yağın hızlı ısınmasını ve sürtünmelerin azalmasını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır.
Ayrıca karter geometrisi ve yağ hacmi parametreleri yakıt tüketimi bazında da değerlendirmeye alınmıştır. Karter opsiyonları üzerinde yapılan kıyaslamalarda 2 saat sonunda yeninden başlatma durumu için elde edilen yakıt tasarrufları opsiyonlara göre %3,7 ile %6,7 arasında değişmektedir. En uygun seçilen opsiyon için yakıt tüketim iyileştirme değeri %5,4'tür. Motor yağ hacminin %20 azaltılması durumu için %2.06 %40 azaltılması durumu içinse %3,8'lik yakıt ekonomisi elde edilmiştir.

Abstract:
Today's decreasing of fuel sources, competition in automotive and emission restrictions due to regulation increases importance of engine performance. One of the most important way to improve engine performance is decresing of engine frictions. With this case, fuel consumption can be decreased for same engine output, higher engine efficiency is provided or higher power output is provided for the same fuel consumption. Moreover improvement of engine friction means longer engine lifetime.
Higher level engine friction is generally during the engine cold start time period. In this time period until oil reaches the regime temperature, engine runs an inefficient cycle. This period of time takes an important part of engine lifecycle time.  Studies to improve this period of time brings good benefit in terms of engine performance.
Faster heating up of the engine oil or passing this innefficient period quickly helps to decrease oil viscosity. This situation makes the friction in hydrodynamic lubrication location within the engine decreased. This is the main idea behind the study.
In this thesis, studies can be composed of two group. First one is the mathematical modelling and its validation of oil heating up during cold start period. Mathematical model loop which is created for this purpose has been validated for 2 L and 13 L engine experimental results. Validation process contains sequences that; pure oil pan sub-model validation, oil pan  sub-model for engine condition, no combustion engine run and in state of combustion presence engine run. This validated numerical model became a tool to investigate lubrication system component effect on engine oil cold start heating up performance. Second group is the investigation which is done by mathematical model. In this section, oil pan geometry effects on oil warm up and cool down period, oil type and volume effects, dimensions of bearings and pistons have been investigated in terms of frictions and oil heating up trends.
According to results, oil pan material changes, oil pan wall thickness, windage tray applications, oil pan surface isolation and dual chamber oil pan applications have been found as effective ways to slow down the oil cool down during the engine key off period. This situation brings an important advantage for next start of engine. Oil pan options that are proposed by considering improvement potentials effected on cool down period in key off time. According to comparison on engine frictions for engine restart after 2 hours cool down period, frictions have been decreased in range of %7.6 and %9 for different options. In terms of performance and weight status, best option seems as plastic oil pan with windage tray application which brings %43 weight and %12.5 friction reduction. Another comparison point is the oil type. Engine running with higher level viscosity brings faster oil heat up performance. Contrary to this, faster heating up could not prevent the negative effect of higher viscosity on engine friction. Moreover, oil volume reduction is anoter point which has been investigated in terms of oil warm up and engine friction. According to results %20 oil volume reduction brings %4 friction benefits whereas %40 volume reduction provides %8.5 friction reduction for 2 L engine. When these comparison is done for 13 L engine, this friction benefits are %5.6 and %11.3 in sequence.
Furthermore, dimensional increasing on engine bearing which tends to decrease engine friction slow the engine oil warm up down but improve the engine friction. Also dimensional increasing on heat transfer surface of engine piston provides faster heat transfer rate from piston to oil. This lead to quicker oil warm up and decrease engine frictions together.
Some of the parameters are also compared in terms of fuel consumption.  According to comparisons on oil pan options for restart of the engine after 2 hours cool down period fuel consumption improvements changes in range of %3.7 and %6.7. Best option which selected accordingly performance and weight reduction brings %5.4 fuel consumption benefit. Moreover %20 oil volume reduction provides %2.06   fuel consumption benefit whereas %40 oil volume reduction brings %3.8.