Doğalgaz Motorlarında Nitrasyon

Teknik Konu
Doğal Gaz Motorlarında Yağın Nitrasyonu
Nitrasyon, doğalgaz yakıtlı motorlarda yağın çözünür
ve/veya çözünmez azot oksit bileşikleriyle doymuş hale
gelmeye başladığını gösteren, istenmeyen bir durumdur.
Azotun bazyağ ile reaksiyonu iki tür azot bileşiği oluşturur:
organik nitratlar ve nitro bileşikleri. Bunlar, yağın bozulmasının
bir diğer formu olan oksidasyona yol açan oksijen
bileşiklerinden bağımsızdırlar.
Kullanılmış gaz motoru yağlarındaki nitrojen bileşiklerinin en
kayda değer miktarını organik nitratlar oluşturur. Yağ silindir
duvarlarına fırlatılıp aşağı doğru yayılırken, bu bileşikler tortu ve
vernikleşme oluşumunda önemli rol oynadıkları kartere akarlar.
Aşırı bir düzeye ulaşana kadar yağda çözünür haldedirler,
ardından külbütör ve sübap çevresinde ve piston eteklerinde
açık kehribardan bordoya doğru renkli birikinti oluştururlar.
Bu birikintiler aynı zamanda yağ segmanlarının yapışmasına, yağ
tüketiminin artmasına ve filtre ömrünün kısalmasına da neden olur.
Nitro bileşikleri çeşitli koşullardan kaynaklanırlar: yapışmış,
aşınmış veya kırılmış kompresyon segmanı nedeniyle pistonun
gaz kaçırması; çizik veya aşınıp ovalleşmiş gömlekler; yüksek
supap kılavuzu aşınması veya kötü supap yataklaması nedeniyle
yağa egzost gazı sızması. Diğer nedenler arasında şunlar
bulunur: sızdıran turboşarj salmastrası; kritik motor ateşleme ve
yanma düzenleri; yağın aşırı derecede uzun süre kullanılması.
Nitro bileşiklerinin beklenenin üstünde konsantrasyonu, yağda
reaksiyona girmemiş azot oksit gazlarının olduğu anlamına gelir.
Yağı anormal ölçüde kalınlaştırır ve erken tortu ve vernikleşme
oluşmasına neden olurlar; bunun göstergesi alt kompresyon
segmanı kanallarında ve yağ segmanlarında birikintiler ve piston
eteklerinde kızılımsı vernikleşmedir.
Nitrasyonun Nedenleri
Gaz motor yağının nitrasyonu ile hava/yakıt oranı, motor yükü
ve yağ sıcaklığı gibi işletme koşullarının bir kombinasyonu
arasında bir korelasyon vardır. 1, 2, 3 ve 4 no’lu grafiklerde bu
faktörlerin nitrasyon üzerindeki etkileri görülmektedir.
Yanma sırasında açığa çıkan nitrojen oksitler aynı zamanda
ortam havası koşulları, ateşleme ayarı ve nihai yanma
sıcaklığından da etkilenir. Saha testleri nitrasyonun, ortam
havası sıcaklıkları arttığında ve/veya yükler yükseldiğinde
arttığını göstermiştir. Ateşleme ayarının nitrasyonu etkileme
derecesi hakkında spesifik veriler bulunmamakla birlikte,
ateşleme ayarının önemli etmenlerden olduğuna dair güçlü
göstergeler mevcuttur.
Nitrasyon oranını etkileyen çeşitli mekanik koşullar arasından
üçü özellikle önemlidir: kartere eklenen yağ miktarı; kötü
segman sızdırmazlığı ve karter havalandırması.
Yağ ilave oranı tek başına nitrasyonu etkilememekle birlikte,
yeni yağın seyreltilmesi ve nitratlanmış yağın sızıntı yoluyla
atılması, karterdeki yağın nitrojen oksitlerle birleşip bozulma hızını
değiştirir. Belirli bir motordaki yağ ilave oranı ne kadar yüksekse,
yağ bozulması hızı o kadar yavaştır.
Yanma gazlarının kartere kaçağı, yağdaki nitro bileşiklerin
birikmesine yol açar. Segman sızdırmazlığı kötü olduğunda,
daha yüksek oranda nitratlanmış yağ egzoz ağzından atılmak
yerine tekrar kartere döner.
Laboratuar motorları üzerinde yapılan testler, karter
havalandırmasındaki düşüş ile yağ bozulması arasında
bir korelasyon göstermiştir. Bu, yağdaki nitro bileşenlerin,
karter havalandırmasının iyileştirildiği durumda daha hızlı bir
şekilde giderilebilmesi ve böylelikle bozulmanın azaltılması
anlamına gelir.
Bozulmanın Gelişimi
Dört zamanlı gaz motorları: Organik nitratlar 150°C’nin
üzerindeki sıcaklıklarda hızla bozunur. Dört silindirli gaz
motorlarında, buharlaşma ile soğutmanın bulunduğu koşullarda
dahi silindir duvarı sıcaklıkları genellikle 160°C’nin altında
olduğundan, bunlar düşük hızlardaki (700 d/d’nin altında) yağ
bozulmasının başlıca nedenidir. Silindir duvarı sıcaklıklarının
160°C’den yüksek olduğu durumlarda, daha yüksek olan
sıcaklıklar yağ oksidasyonunu teşvik eder, bu da küçük,
yüksek hızlı ve dört silindirli gaz motorlarındaki yağ
bozulmasının başlıca nedenidir.
İki zamanlı gaz motorları: Ayrı silindir yağlama sistemli iki
zamanlı motorlardaki bozulmanın başlıca nedeni oksitlenmedir.
Nitratlanmış ürünler egzoz çıkışlarından tahliye edilerek
karterdeki yağı kirletmeleri önlenir. Ancak bu ünitelerde orta
düzeyde nitrasyonun varlığı dahi silindirlere yönlendirilen aşırı
miktardaki yağın kartere sıyrıldığının güçlü bir göstergesidir.
Tesbiti
Motorda külbütör ve sübap çevresi ile piston eteği üzerinde
yapılan görsel inceleme sonucunda nitrasyon göstergesi
olan, kehribardan bordoya varan kurum birikintileri görülecektir.
Nitrasyon aynı zamanda yağ kontrol segmanlarının yapışmasına
ve karterde yağ çökeltisi oluşmasına neden olur.
Aşırı yağ tüketimi ve kısa filtre ömrü gibi performans
göstergeleri, motor içindeki nitrasyonu işaret eden
göstergeler olabilir.
Genellikle IR tarama olarak bilinen kızılötesi abzorbans,
kullanılmış yağdaki kimyasal değişimlerin yanı sıra kirleticilerin
miktarı ve doğasını belirleyen, hızlı ve kalitatif açıdan
güvenilir bir diferansiyel analiz yöntemidir. Bu proseste
kullanılmış yağ örneği yeni yağdan oluşan bir referans
örneğiyle kıyaslanır. Kızılötesi ışınlar örneklerin içinde
bulunduğu 0,1 mm kalınlığındaki hücrelerden geçirilir.
Kimyasal bileşimdeki net fark kaydedilir. Mobil Signum yağ
analizi laboratuar programı, hem eğilimlere, hem de ani
değişikliklere bakarak kızılötesi abzorbansı kullanmak
suretiyle nitrasyon kontaminasyonu düzeylerini belirler.
Tablo 1’de, Signum yağ analizi tarafından algılanan nitrasyon
ve nitro bileşiklerden kaynaklanabilecek olumsuz motor
koşulları gösterilmiştir.
biri olabilir: a) hava/yakıt oranı ayarlanarak iyileştirilebilecek
yanma karışımı; b) hafif düşük karter yağ sıcaklıkları; veya
c) ateşleme bujileri, elektrik kabloları veya zamanlama gibi
küçük ateşleme sorunları.
Nitrasyon değerlerindeki hızlı artışlar da yukarıdaki sorunların
daha şiddetli olmasından kaynaklanır. İki zamanlı motorlarda
silindir yağı besleme miktarının aşırı olup olmadığını kontrol edin.
Nitrasyon eğilimi: Aşağıdakilerden kaynaklanabilecek hatalı
ateşleme ve yanmayı gösterir:
• Elverişsiz hava/yakıt oranları
• Dengesiz yakıt/hava dağıtımı
• Yetersiz tahliye
• Detonasyon veya erken ateşleme
• Dengesiz yükler ve ateşleme basıncı
• Hatalı ateşleme, kıvılcım zamanlaması, bujiler
• Yüksek gaz kaçağı düzeyi
• Sızdıran yakıt valfleri
• Yüksek yanma basıncı
• Motora aşırı yüklenme; hatalı soğutma
• Düşük yağ sıcaklıkları
• Aşırı silindir yağı geri sıyrılması (iki zamanlı)
Sorun Giderme
Aşağıda çeşitli nitrasyon koşulları için genel bir sorun giderme
kılavuzu verilmiştir.
Nitro bileşikleri: Büyük bakımdan sonra saatleri kontrol edin;
onarım sonrasında değerler yüksek olma eğilimindedir.
Bu değerler yağın kusurlu olduğunu belirtmezken, işletim
sorunları olduğunu gösterirler. Bunun muhtemel nedenleri
şunlar olabilir:
Nitrasyon: Sınır değere yaklaşma eğilimini kontrol edin.
Değer kademeli olarak yükseliyorsa nedeni aşağıdakilerden
• Piston gaz kaçağı veya turboşarjer salmastra sızdırması
• Aşırı silindiri yağ besleme oranları (iki zamanlı motorlar)
Sorunun Düzeltilmesi
Laboratuar testleri ve sahadan alınan numunelerin analizleri,
organik nitrat konsantrasyonunun yüzde beşe yaklaştığında,
gaz motor yağlarının kullanıma elverişsiz hale geldiğini
göstermektedir. Organik nitratların aşırı miktarları, yağın
oksidasyonunu hızlandıran oksitlenme arttırıcı madde olarak
hareket ederler. Nitrasyon ürünlerinin birikmeye devam etmesi
yağın kalitesini bozar.
Hava/yakıt oranlarını kontrol edin: Nitrasyon yüzde
3,3 oksijen düzeyinde zirveye ulaşırken, egzosttaki oksijen
seviyesi yüzde 0,5 ila 4,5 aralığının dışında ise düşük
nitrasyon seviyesi sürdürülebilir.
Yağ sıcaklığı: Yağ sıcaklığını 65°C’den 57°C’ye düşürmenin
nitrasyonu gözle görülür derecede arttırdığı gözlenmektedir.
Bu, azot sabitlemesine maruz kalan yağ tabakası üzerindeki
ısınma etkisi nedeniyle olabilir. Motordaki yağ sıcaklığı, organik
nitrasyon ılımlı bir düzeyde kalacaksa, 65°C’den, tercihen
71°C’den düşük olmamalıdır.
Organik nitratlar 150°C’nin üzerindeki sıcaklıklar hızla bozunurlar,
bu yüzden silindir duvarı sıcaklığı 160°C’yi aştığında yağ
tabakalarında bulunmazlar. Ancak yağ oksidasyonu, silindir
duvarı sıcaklıklarının 160°C’yi aştığı yüksek hızlı, dört zamanlı
gaz motorlarında olduğu gibi, doğrudan yüksek motor
sıcaklıkları ile ilgilidir.
Yükü ayarlayın: Yüksek yük ve silindirler arasında yük
dengesizliği nitrasyonu arttırır. Ortalama yük haddini yüzde
75’ten Yüzde 105’e çıkarmak, nitrasyon eğrisinin eğimini keskin
şekilde arttırır.
Durumun Signum Yağ Analizi Tarafından Tespit Edilen Nedenleri
Yetersiz Durum
Viskozite.
Su
Çökelti – Soğuk, Sıcak
X
X
Vernikleşme
X
Glikol
X
Karbon – Kurum, Kömür,
Vernikleşme
Segman Yapışması
Kaçak
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Yetersiz Hava Filtrasyonu
Soğutucu Sızıntısı
Nitrasyon
X
Yetersiz Yanma
Filtre Tıkanması
Oksidasyon
Nitro
Kömürleşme Çözünmez
Metaller
Motor
Çözümleyici
Tarafından
Doğrulandı
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Gömlek Aşınması
X
X
Segman Aşınması
X
X
Yatak Aşınması
X
X
Tablo 1. Yetersiz motor koşullarının Mobil Signum yağ analizi kullanılarak tanımlanması.
Nitrasyon ve nitro bileşiklerinin yetersiz koşulları “Nitrasyon” sütununda gösterilmiştir. Bazı koşulların motor çözümleyici sonuçları ile
korelasyonuna dikkat edin.
Signum Kullanılmış Yağ Analizi ve Mobil Pegasus gaz motoru yağları hakkında daha fazla bilgi için www.mobilindustrial.com adresinden
Mobil Endüstriyel Yağları ile temasa geçiniz.
Kızılötesi Abzorbans / cm
Tam Yük Yüzdesi
Nitrasyon Hızı
Nitrasyon Hızı
Egzosttaki Oksijen (%)
Grafik 1. Nitrasyonda hava/yakıt oranının etkileri
Doğal emişli, dört zamanlı motorların egzostundaki oksijen
oranını yüzde 0,5’ten 2,5’e ve 4,2’ye değiştirmek, nitrasyon
yüzde 3,3 düzeyinde zirveye ulaşırken egzosttaki oksijen
seviyesi yüzde 0,5 ila 4,5 aralığının dışında ise düşük nitrasyon
seviyesinin sürdürülebileceğini teyit etmektedir.
Tam Yük Yüzdesi
Băgıl Servis Süresi
Grafik 2. Yükün nitrasyon üzerindeki etkileri
Hatalı hava/yakıt oranı ve egzostta % 2,5 oksijen.
Kızılötesi Abzorbans/cm
Nitrasyon Hızı
Nitrasyon Hızı
100
Bağıl Servis Süresi
Grafik 3. Yükün nitrasyon üzerindeki etkileri
Ortalama yük haddini yüzde 75’ten yüzde 105’e çıkarmak,
yeterli hava/yakıt oranı altında ve egzost oksijeni % 4,6’dan
yüksek iken bile, nitrasyon eğrisinin eğimini keskin şekilde arttırır.
150
160
185
Yağ Sıcaklığı (°C)
Grafik 4. Yağ sıcaklığının nitrasyon üzerindeki etkileri
Organik nitratlar 150°C’nin üzerindeki sıcaklıklara ısıtıldıklarında
hızla bozunurlar.
Mobil Oil Türk A.Ş.
P.K. 26 Bostancı İstanbul
Tel: 0800 261 41 24
© 2010 Exxon Mobil Corporation
Mobil logosu ve Pegasus tasarımı Exxon Mobil Corporation’ın veya bağlı kuruluşlarından birinin tescilli ticari markalarıdır.
Bu belgede ExxonMobil terimi sadece okuma kolaylığı sağlamak için kullanılmıştır ve bu terimle Exxon Mobil Corporation ya da bağlı
kuruluşlarından biri kastedilebilir. Bu materyaldeki hiçbir ifade, yerel şirketlerin kurumsal ayrılığını geçersiz kılmaya yönelik değildir.
Code Transflow
www.mobilindustrial.com