Analysis and field observation of diesel fuel injector nozzle reliability
Dizel enjektör memesinin saha güvenilirliğinin incelenmesi
- Tez No: 485203
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Bu çalışmada, dizel motorlarının yakıt püskürtme sistemlerinde kullanılan enjektör memelerinin saha güvenilirliği incelenmiştir. Dizel yakıt püskürtme sistemi ve enjektör memesinin karşılaması gereken beklentileri anlayabilmek için, çevresel problemler, bu problemlerin önüne geçmek üzere hazırlanan emisyon regülasyonları ve otomotiv endüstrisindeki genel eğilim değerlendirilmiştir. Atmosferdeki sera gazlarının miktarı sanayi devriminden bu yana hızlanarak artmaktadır ve bu durum küresel ortalama yüzey sıcaklıklarının giderek artmasına yol açmaktadır. Motorlu taşıt kaynaklı kirletici emisyonların insan sağlığına ve çevreye etkisinini azaltmak amacıyla emisyon standartları güncellenmekte ve eksoz gazı emisyonlarının kontrol altında tutulması için yakıt enjeksiyon sistemlerinin karşılaması gereken teknik gereklilikler de giderek artmaktadır. Bu gereklilikleri karşılamak için dizel enjektör memesinin sağlaması gereken fonksiyonlar listelenmiş ve saha gereklilikleri ile enjektör memesinin dayanım özellikleri arasındaki bağlantı gösterilmiştir. Dizel motorlarında kullanılan yakıt püskürtme sistemlerinin gelişimi ve bu gelişimin kilometre taşlarının üzerinden geçilmiş ve dizel enjektör memesinin konstrüksiyonuna değinilmiştir. Taşıtların emisyon standartlarına uyumluluk gösterebilmesi için giderek daha düşük kirletici emisyon çıktısı üretmesi gerekmektedir. Bu gerekliliği karşılamak amacıyla, yanma odası içerisindeki havanın daha etkin şekilde kullanımı ve hava-yakıt karışımının daha homojen şekilde sağlanması gerekmektedir. Bu durum dizel yakıt enjeksiyon sistemi tarafından giderek daha yüksek püskürtme basınçlarının sağlanması gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Yüksek sistem basıncı nedeni ile enjektör memesinin sahada karşılaştığı yükler giderek yükselmiştir. Bu gereklilikler ışığında modern enjektör memesi tasarımının gelişimi ve tasarım özelliklerinin kubbe dayanımına olan etkisinden bahsedilmiştir. Enjektör memesinin dayanım özellikleri kaçınılmaz olarak malzeme özelliklerinden de etkilenmektedir. Meme malzemesinin yüksek mukavemet, yüksek aşınma dayanımı, kolay işlenebilirlik, yüksek miktarlarda temin edilebilirlik ve düşük maliyet gibi özelliklere sahip olası gerekmektedir. Malzeme içerisinde oluşan safsızlıklar malzemenin düşük performans göstermesine sebebiyet verebilmektedir. Sürekli döküm tekniği ile çelik üretimi ve dayanım düşüşüne neden olan endojen ve eksojen metal dışı safsızlıklardan bahsedilmiş, bu safsızlıkların alt sınıflandırmalarına değinilmiştir. Oksit ve sülfit inklüzyonlarının oluşum yollarından ve sürekli döküm prosesi sırasında bu inklüzyonların sayılarının arttığı ve boyutlarının yükseldiği durumlardan söz edilmiştir. Metal dışı inklüzyonların çelik kalitesine doğrudan ve dolaylı etkileri bulunmaktadır. Safsızlıkların çelik yapısına doğrudan etkileri, malzemenin dayanım özelliklerinde gözlemlenmektedir. Dolaylı etkilerden biri ise döküm memesinin tıkanması durumunda kalite düşüşü ve bazı durumlarda sürekli dökümün durma noktasına gelmesi olmaktadır. Büyük boyutlardaki safsızlılara daha nadir rastlanırken, daha küçük boyutlu safsızlıklarla daha sık karşılaşılmaktadır. Çelik içerisinde oksit ve sülfit miktarının artışı, çeliğin sünekliği ve kırılma tokluğu üzerinde negatif bir etkiye sahip olmaktadır. Kritik boyutun üzerindeki inklüzyonların sayısı ve kritik miktarın üzerinde oksit içeriği, ürünün ömrünü kısaltmaktadır. İnklüzyonların sertlikleri, plastik şekil verme işlemleri sonrasında injklüzyonun geleceği şekle ve dolayısıyla neden olacağı çentik etkisi ve dayanım düşüşüne etki etmektedir. Çelik içerisindeki inklüzyonların tespiti için çeşitli yöntemlerden faydalanılmaktadır. Bu yöntemlerden bazıları seri üretim koşullarına uyarlanabilmiştir ve çelik üretiminde kalite kontrol amaçlı kullanılmaktadır. Bu amaçla faydalanılan ve kabul gören yöntemlerde çeliğin oksidik ve sülfürik safsızlıklar bakımından mikroskopik düzeydeki arılığı ve makroskopik inklüzyonların varlığı ve boyutları kontrol edilmektedir. Enjektör memesinin saha güvenilirliğinin incelenmesinde Weibull analizinden faydalanılmıştır. Weibull analizinin esneklik, sınırlı hata verisine dayanarak makul tahminler üretilmesine imkan sağlama, dağılım parametrelerine bağlı olarak diğer dağılımlar gibi davranma, hata oranının zamana göre değiştiği durumları modelleyebilme gibi avantajlarından bahsedilmiştir. Weibull analizinden elektron tüpleri, röleler, bilyalı yatakların saha performansının modellenmesi, hava durumu ve rüzgar hızı tahminleri gibi pek çok alanda faydalanılmaktadır. Weibull dağılımı grafiklerinin şeklini belirleyen karakteristik parameterler ve bunların olasılık yoğunluk fonksiyonu, güvenilirlik, hata oluşum sıklığına etkisi açıklanmıştır. Dizel yakıt enjektörü memesinin saha güvenilirlik özelliklerinin incelenmesi için, öncelikle sahadan gelen bilginin düzenlenmesi ve doğru şekilde sınıflandırılması gerekmektedir. Bu amaçla enjektör memesine dair sahadan gelen bilgiler ve hatanın görüldüğü enjektör memesinin püskürtme sprey geometrisi, kubbe bölgesinin tasarımı, üretim tarihi, eğer bulundu ise safsızlıkların çeşidi, boyutları ve meme gövdesi üzerindeki pozisyonları, hata oluşmadan evvel sahada kat edilen mesafe ve müşteri bilgileri, hataların sınıflandırılması ve düzenlenmesinde birer kriter olarak kullanılmıştır. Çalışmada, enjektör memesinin kubbe bölgesinden çatlaması hata olarak tanımlanmıştır. Hata oluşumuna neden olan ana nedenler listelenmiştir. Bu bilgilere göre sahada gözlemlenen hataların çoğunluğunun metal dışı safsızlıklardan kaynaklandığı görülmüştür. Değişik tip ve şekildeki safsızlıklar örnek olarak gösterilmiştir. Hata yaşanan enjektör memelerinin üretim tarihleri ve hata oranları incelendiğinde, metal dışı safsızlıklardan kaynaklanan hataların tek bir çelik döküm şarjına ait olmadığı ve dolayısıyla benzer safsızlıkların çelik üretiminde belirli bir tarih aralığında değil, üretim prosesinin bir yan ürünü olarak oluştuğu gözlemlenmiştir. Sahada hataya sebebiyet veren safsızlıkların meme gövdesi üzerindeki pozisyonları gösterilmiştir. Memenin kubbe bölgesine sahada etki eden yükler, hataya sebep olan safsızlıkların pozisyonları, ve memenin kubbe dayanımına etki eden tasarım parametreleri göz önünde bulundurularak, değişik tasarımların karşılaştırılmasında kullanılabilecek bir“yük katsayısı”tanımlanmıştır. Sahadan elde edilen hatalı parça bilgilerinden yola çıkılarak, metal dışı safsızlıklardan kaynaklanan hataların tamamına yakını ortaya çıkmadan önce ilgili araçlar tarafından sahada kat edilen mesafe belirlenmiştir. Yine hatalı parça bilgilerinden yola çıkılarak, karşılaştırmada kullanılan her bir tasarımın üretim tarihinden itibaren bir günde kat ettikleri ortalama mesafe hesaplanmıştır. Bu bilgilerden faydalanılarak, karşılaştırması yapılacak her bir tasarım için sahada hataların tamamının ortaya çıkacağı kritik mesafeyi kat etmiş olan enjektör memelerinin sayısı bulunmuştur. Her bir tasarım için hata sayısı ve sahada kritik mesafeyi aşmış olan parça sayısı Weibull analizinde birer girdi olarak kullanılmıştır. Weibull dağılımı parametrelerinin tahmin edilmesinde Minitab yazılımı kullanılarak karşılaştırması yapılacak olan tasarımların Weibull dağılım grafikleri oluşturulmuş ve en küçük kareler yöntemi kullanılarak parametreler hesaplanmıştır. Yapılan tüm değerlendirmelerde, yalnızca metal dışı safsızlıklardan kaynaklanan hatalar göz önünde bulundurulmuş ve diğer hatalar gözardı edilmiştir. Oluşturulan grafikler değerlendirilerek, dağılımın saha bilgilerinin isabetli şekilde temsil edip etmediği değerlendirilmiştir. Dağılımın saha verilerine uygunluğunun değerlendirilmesinde, korelasyon katsayısı ve saha verilerinin Weibull dağılımı grafiklerinde beklenen düz çizgi karakterinden sapma durumları dikkate alınmıştır. Gerekli durumlarda saha verisinin genel karakterinden sapma gösteren veriler gözardı edilmiş ve saha koşullarında hatanın kesinlikle görülmeyeceği bir sürenin var olma olasılığı gözetilerek sahada görülen hataların değerlendirmesi iki yerine üç parametreli Weibull dağılımı ile tekrar edilmiş ve önceki değerlendirme ile karşılaştırılmıştır. Sahada görülen hataların karakterinin anlaşılması ve değişik tasarımların sahada gözlemlenen güvenilirlik performansının karşılaştırılması için, bu tasarımların maruz kaldıkları yükler ve tasarım özellikleri göz önüne alınarak birer yük katsayısı hesaplanmıştır. Dağılım parametrelerinin karşılaştırılan enjektör memesi tasarımlarının değişik yük katsayıları ile değişme yönünde korelasyon gösterip göstermediği incelenmiştir. Enjektör memelerinde gözlemlenen saha hata oranlarının çok düşük olması ve bu nedenle sahadan gelen hata sayısı ve bilgisinin azlığı nedeni ile, Weibull dağılım parametreleri yüksek bir isabetle hesaplanamamıştır. Bu nedenle yük katsayısı ve Weibull dağılım parametreleri arasında doğrudan bir korelasyon bulunamamıştır. Ancak, karşılaştırılan sahaların sahada gözlemlenen hata oranları yük katsayısına bağlı üstel bir korelasyon göstermiştir ve bu nedenle daha yüksek sayıda hatanın bilgisi kullanılarak hesap yapılması durumunda Weibull dağılımının, sahada metal dışı safsızlıkların neden olduğu hatalarının analizinde kullanılmasının uygun bir yöntem olma ihtimalinin olduğu sonucuna varılmıştır. Weibull dağılımının sahadaki duruma ne derece uyumluluk gösterdiğini değişik bir yönden tekrar değerlendirmek amacı ile, daha önce saha bilgileri ayrı ayrı incelenen tasarımların toplamdaki genel karakteristiği analiz edilmiştir. Sonuçlar ve elde edilen Weibull dağılımı parametreleri ile farklı bir tasarımın saha bilgilerinden elde edilen sonuçlar ve Weibull dağılımı parametreleri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda, sahada gözlemlenen hata oranlarının çok düşük olması ve bu nedenle sahadan gelen hata sayısı ve bilgisinin azlığı nedeni ile, Weibull dağılım parametreleri yüksek bir isabetle hesaplanamamıştır ve bu nedenle farklı bir tasarımın parametrlerinin doğrudan tahmin edilmesi mümkün olmamıştır. Ancak, daha önceki değerlendirmelerde kullanılan tasarımların genel karakteristiğini ifade eden şekil parametresi ile kontrol amacı ile kullanılan tasarımın saha karakteristiğini ifade eden şekil parametresine yakın olduğu görülmüştür. Bu sonuç Weibull dağılımının, sahada gözlemlenen metal dışı safsızlıkların neden olduğu hatalarının analizinde kullanılmasının, daha yüksek sayıda hatanın bilgisi kullanılarak hesap yapılması durumunda uygun bir yöntem olması ihtimalini güçlendirmektedir.
Özet (Çeviri)
In this study, the field reliability of injector nozzles from common rail diesel injection systems is analyzed. In order to understand the requirements from the common rail system and the nozzle, the developments in the automotive industry and the technical requirements originating from the environmental problems and therefore the emission regulations are evaluated. Based on the injector nozzle requirements, the related injector nozzle functions are listed and the connection between field requirements and nozzle strength requirements are shown. The evolution and the milestones of diesel injection systems and the construction of modern diesel injector nozzles are covered. Modern injector nozzle design and its effects on injector nozzle strength functions are remarked. Injector nozzle strength is also inevitably effected by the properties of the material. The nozzle material needs to have certain qualities such as high strength, wear resistance, good machinability properties, availability in large quantities and acceptable cost. The formation of impurities in the material can cause low material performance. The continuous casting process and the formation of impurities such as non-metallic inclusions are explained. For the statistical evaluation of the nozzle field reliability, a Weibull analysis is made. The advantage of using Weibull ditribution for the field reliability analysis and its typical application areas are given. The characteristic parameters defining the shape of the Weibull distribution plots and the effect of these parameters on the probability density function, failure rate, reliability and unreliability characteristics are explained. In order to evaluate the field reliability properties of the diesel injector nozzle, the data from the field is sorted and organized. Properties such as the spray design, nozzle tip geometry, manufacturing date non-metallic inclusion type and dimensions, the positions of the found impurities, failure mileage and customer are used as criteria for organizing the failure data. The main causes found for field falures are listed. It is seen that the majority of the field reliability problems are linked to non-metallic inclusions. Different shapes and types of inclusions are given as examples. Based on the manufacturing date of failed nozzles, it is shown that the failures due to impurities are not due to a problem with a single steel melting batch. The positions of the impurities causing failures from the nozzle tip are shown. Based on the field loads acting on the nozzle tip, the positions of the failure causing impurities and the design properties effecting the nozzle tip strength, a load coefficient is defined. Based on the failure data from the field, the mileage until which almost all failures originating from non-metallic inclusions occur is found. The daily mileage for each nozzle design in field is given. The relevant nozzle manufacturing volume which already covered the critical mileage is found. Using the number of failures and the number of runout nozzles in field, the failure data and the suspensions which will be the inputs for the Weibull analysis are found. Using Minitab software, the Weibull plot for the field reliability of four different designs are plotted. Based on these plots, it is discussed, whether the distribution represents the field data correctly. Based on the estimated parameters, a discussion is made over whether the estimated parameters and the load coefficient of nozzle tip design have a correlation. It is concluded that due to very low field falure probability and hence scarce data related to failures, the parameters could not be estimated very accurately and therefore a direct correlation of Weibull parameters could not be found. However, the failure probability of these four designs and the load coefficient show an exponential correlation and therefore may indicate that with more data, the Weibull distribution could prove adequate for the analysis of non-metallic inclusion related injector nozzle tip failures. In order to search for a corelation between the field experience and the estimated Weibull distribution parameters from a different perspective, the combined field character of the previously compared four designs is analyzed. The results and the estimated Weibull distribution parameters are then compared to that of a fifth design. Comparison and analysis of field data related to the first 4 designs combined and the 5th showed that because of very few failures in field resulting in very small failure probability and therefore scarce data related to failures, the parameters could not be estimated very accurately, as a result of which a direct prediction of Weibull parameters was not possible. However, it was found the estimated shape factors for other designs combined and the 5th design did not show a very high variance, indicating that the Weibull distribution could prove adequate to analyze and predict non-metallic inclusion related injector nozzle tip failures seen in field.
Benzer Tezler
- Açık işletmelerde uygun delme-patlatma şartlarını veren bir modelin geliştirilmesi
The development of a model to obtain suitable drilling and blasting conditions in open pit mines and quarries
SAİR KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUH BİLGİN
- Petrol sızıntısıyla kontamine olmuş bir akaryakıt istasyonunun çevre ve halk sağlığı açısından TKKNKKSDY kapsamında incelenmesi ve rehabilitasyonu için uygun metodoloji araştırılması
Investigation of an appropriate methodology of the fuel station contaminated by petroleum products within the scope of environment and public health in line with the regulation on controlling soil pollution and point-source polluted fields (TKKNKKSDY)
GÖKBERK KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Çevre MühendisliğiMarmara ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ORHAN GÖKYAY
- Gemi dizel motorlarının bilgisayar ile kontrolu
Command and control of the marine diesel engine by the utilisation of digital computer technology
CAN YAZGAN
- Girişimcilik fırsatları bakımından güllük mahallesinin (muğla-milas) mevcut durumunun tespiti üzerine bir araştırma
A research on determining the current situation of güllük neighborhood (Muğla-Milas) in terms of entrepreneurship opportunities
İSMAİL UMUT ÖZENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
El SanatlarıMuğla Sıtkı Koçman ÜniversitesiYeniilikçilik ve Girişimcilik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN GÜLLÜ
- Hastanelerde manevi destek uygulamaları Türkiye ve Almanya'da mukayeseli bir araştırma
Spiritual support practices in hospitals a comparative research in Turkey and Germany
AYŞE GÜL GÜLER ÜNAL
Doktora
Türkçe
2022
DinSivas Cumhuriyet ÜniversitesiFelsefe ve Din Bilimleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMA YILMAZ