Geri Dön

Investigation of thermomechanical failures in metal housing of catalytic converter used for automotive exhaust system

Otomotiv egzoz sistemindeki katalitik konvertörlerin metal kılıflarında termomekanik yorulma araştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 534703
  2. Yazar: ERDEM GÖKDAĞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ, DR. İSMAİL HAKKI SAVCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Otomotivde egzoz sistemi parçaları farklı titreşim ve ısıl yüklere çalışma ömürleri boyunca maruz kalmaktadır. Titreşim yükleri basit sinus titreşimlerden, rastgele oluşan maksimum genlikli yüklere ve ani şok yüklerine kadar değişmektedir. Isıl yükler ise ani olarak yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa azalmalar sebebiyle oluşan sıcaklık değişmelerinden kaynaklanmaktadır. Otomotiv sektöründeki parçalarda ısınma, motor silindiri içindeki yakıt-hava karışımının patlamasından ileri gelen enerjiden kaynaklanmaktadır. Bu enerji motor bloğuna, başta egzoz manifoldu ve turbo olmak üzere motor üzerindeki diğer komponentlere ve turbodan sonra egzoz üzerindeki parçalara dağılmaktadır. İkincil olarak ise bu sistemlere yakın parçalar oluşan ısıdan etkilenmektedir. Birincil ısınan bölge olarak kabul edilen egzoz ve egzoz hattı üzerinde emisyonu iyileştirmek üzere konumlanan parçalardan olan katalitik konvertörün üzerindeki ısı yükler bu çalışmada esas olarak incelenecektir. Isıl yüklerin haricinde parça üzerine araçtaki titreşimlerden gelen kuvvetler ölçülecektir, dayanıklılığını doğrulamak için mevcut test yöntemi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Ömür testleri, katalist sistemlerinin dayanıklılığını göstermek için kullanılan temel testlerdendir. Ömür testleri hızlandırılmış ısıl ve titreşim yüklerinden kaynaklanan hasarların parça üzerindeki etkisini göstermektedir. Bu sayede parçanın sahada kullanımı boyunca hatasız olarak çalışılma süresi garanti edilebilecektir. Ömür testlerini gerçekleştirebilmek için, çalışma koşullarında parçanın üzerindeki ısı ve kuvvet dağılımının bilinmesi gereklidir. Ölçülen kuvvet ve sıcaklık değerlerinden yola çıkılarak, parça hızlandırılmış teste özel bir test laboratuarında tabii tutulacaktır. Tezin birinci bölümünde egzoz emisyonu, katalitik konvertör ve katalitik konvertörün kullanım koşulları açıklanmıştır. Dizel motorlarda egzoz emisyonun önemi ve katalitik konvertörlerin neden geliştirildiğine yer verilmiştir. Ayrıca katalitik konvertör tipleri, iç yapısı ve yapısında kullanılan malzemeler hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan literatür araştırmalarında görülen, termal yorulma için geliştirilen formülizasyonlar ve ömür hesap modelleri tezin ikinci bölümünde açıklanmıştır. Sonlu elemanlar analizi ile yapılan ömür hesaplama modellerinden bahsedilmiştir. Farklı malzemeler ile yapılan termal yorulma çalışmaları analiz edilmiştir. Üçüncü bölümden itibaren yapılan test çalışması açıklanmış ve test düzenekleri ile ölçüm cihazları ve çalışma prensipleri hakkında bilgi verilmiştir. Sonrasında hasar analizi çalışması görsellerle birlikte açıklanmıştır. Son bölümde ise test ve hasar analizi sonuçlarına bağlı olarak yapılan çıkarımlara ve sonuçlara yer verilmiştir. Sunulan çalışmada egzoz sistemlerinin tasarım, geliştirme aşamalarından sonra en kritik aşaması olan ömür testlerinin sonuçlarını göstermek üzere, ömür simulasyon testi yapılmıştır. Bu tip sistemlerde en önemli etkiler olan ısıl ve titreşimli yüklerden kaynaklanan hasar mekanizmalarını açığa çıkarmak için, ısıl ve titreşimli yükler ayrı ayrı ve birlikte uygulanarak deney numunesi test edilmiştir. Deneylerde yük altındaki egzoz gövdeside oluşan şekil değişimleri DIC Kamera sistemi ile ölçülmüştür. Bunun yanında strain gauge ölçümleriyle DIC methodu için doğrulama yapılmıştır. Çalışmanın başlangıcında ayrı bir deney numunesi olarak seçilen, katalitik konvertör ile benzer bir malzemeye sahip olan paslanmaz çelik bir levha üzerinde, DIC kamera ile genleşme ölçümü yapılmıştır. Yapılan bu analiz ile DIC kameranın ölçüm aralığı ve parça üzerinden seçilen alanın büyüklüğüne bağlı olmaksızın güvenilir ölçüm sonuçları verdiği teyit edilmiştir. Yapılan testler DIC kamera ile termal gerilme analizi çalışmasının nadir örneklerindendir. Bu yöntem sayesinde test parçası üzerine herhangi bir ölçüm cihazı yapıştırmadan gerilme ölçümü alınabilmekte ve test parçası üzerindeki ölçüm metodunun etkisini ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca diğer gerilme ölçme metodlarında görülen parça üzerine ölçüm cihazı kaynaklama ve yapıştırma gibi çentik etkisi gerilmesi yaratıcı bir etki bulunmadığından daha doğru sonuçlar elde edilebilmektedir. DIC Kamera ile ölçüm metodu sayesinde, test parçası üzerindeki sıcaklığa bakılmaksızın ölçüm yapılabilmekte ve sıcaklığın değişiminden etkilenmeyecek bir ölçüm prensibi ihtiva etmektedir. Bu avantajlar göz önüne alınarak, egzoz sistemindeki bir parçanın gerilme-genleme analizi için, ölçüm metodu olarak DIC Kamera sisteminin tercih edilmesi uygun görülmüştür. Araç üzerindeki vibrasyondan ileri gelen kuvvetlerin ölçümü için, egzoz sisteminde ivmeölçerler ile data alınmıştır. Alınan ivmeölçer datası ile parça üzerine gelen kuvvetler değerlendirilmiş ve transfer fonkisyonu yardımı ile istenilen ömür etkisini oluşturacak bir titreşim haritasına çevrilerek shaker cihazında üç eksenli olarak test sıcak ve soğuk şartlarda ayrı ayrı test edilmiştir. Bu çalışma ile birlikte, katalist üzerinde yapılan testler üç gruba ayrılmıştır. Termal gerilme testleri, soğuk vibrasyon testleri ve sıcak şartlarda vibrasyon testleri sonuçları, her bölüm sonunda alınan kaçak ölçümü ile yorumlanmıştır. Basınçlı hava vasıtasıyla yapılan kaçak ölçümlerinde en çok kaçağın termal gerilme altında yani sıcak şartlarda yapılan vibrasyon testleri sonucunda görüldüğü tespit edilmiştir. Ancak sadece soğuk vibrasyon uygulandığında parça üzerinde maydana gelen kaçak ihmal edilebilir mertebededir. Bu analiz ile termal gerilmelerin katalist üzerinde vibrasyona göre daha etkin olduğu sonucuna varılmıştır. Yapılan ömür testi sonunda egzoz katalisti üzerinde tespit edilen çatlaklar, yorulma gerilme genliği sebebiyle oluşup oluşmadığının tespiti için hasar analizi yapılmıştır. Hasar analizi yapılması için çatlak yüzeyleri birbirinden ayrılmış ve elektron mikroskobu altında çatlak yüzey görüntüleri alınmıştır. Görüntüler yorumlanarak hasarın termomekanik yorulma kaynaklı olduğu görülmüş ve test metodolojisinin termomekanik yorulma yarattığı ispatlanmıştır. Termomekanik yorulmanın fractographic SEM görüntüleri tez içinde gösterilmiştir. Görüntülerde tespit edilen yorulma çizgileri ( fatique striations ) ve ikincil çatlaklar hasarın yorulma kaynaklı meydana geldiğini açıkça göstermektedir. Bunun yanı sıra çatlak ilerleme yönü ve parçanın malzeme karakteristiğine uygun olarak sünek kırılma bölgesi üzerinde dimple olarak isimlendirilen gözenekli yapı, SEM görüntülerinde izlenmiştir. Çatlak oluşumu penetran muayenesi sonucu tespit edilmiş bir durumdur. Çatlak yüzeyinin incelenmesi için çatlak olan bölge önce kesilerek katalitik konvertörden ayrılmış ve daha sonra çatlak yüzeyi zarar görmeyecek şekilde birbirinden ayrılmıştır. SEM incelemesi sırasında kırık yüzeyin hangi bölümünden görüntü alındığı ayrıca makroskobik boyuttaki fotoğraflarda gösterilmiştir. Çalışmanın sonucunda egzoz manifoldu üzerindeki termal ve vibrasyon kaynaklı gerilmelerin etkisi açığa çıkarılmıştır. Hem DIC Kamera ile alınan gerilme dataları hem de basınç kaybı (kaçak) testlerinin sonucuna göre termal gerilme testlerinin egzoz ömründeki etkisi daha fazla olduğu ispatlanmıştır. Ayrıca test sonunda görülen çatlaklar için kaynak iyileştirme önerisi verilmiş ve kaynak metodunun tekrar gözden geçirilmesi gerektiği ortaya çıkarılmıştır. Hasar analizi ile SEM görüntüleri ile ispatlanan yorulma mekanizmasının önlenebilmesi için kaynak bölgelerinde iyileştirilmeye gidilmesi gerektiği sonucu çıkarılmıştır.

Özet (Çeviri)

In automotive exhaust systems are exposed to different vibrations and thermal loads throughout in working life. Vibrational loads range from simple sinusoidal vibrations to randomly generated maximum amplitude loads and sudden shock loads. Thermal loads originated from suddenly fallen high temperature to low temperature. Heating in parts in the automotive is caused by the energy resulting from the explosion of the fuel-air mixture in the engine cylinder. This energy is distributed to the engine block, mainly to the exhaust manifold and to the other components on the engine, including the turbo, and to the parts on the exhaust. Extraneously, close to these systems are affected by the heat generated. The heat loads above the catalytic converter, which is one of the components positioned to develop the emission on the exhaust and exhaust line, which is considered to be the primary heated zone, will be mainly studied in this study. Apart from the thermal loads, the forces coming from the vibrations in the vehicle will be measured and it is aimed to develop an existing test methodogy to verify its durability. Life tests are the basis tests required to demonstrate the durability of catalyst system. Life tests show the effect of damage, caused by accelerated thermal and vibration loads on the component. This ensures an error-free operation time during the use of the part in the field. In order to carry out life tests, it is necessary to know the distribution of heat and force on the part under operating conditions. Based on the measured force and temperature values, the part will be subjected to an accelerated test-specific test laboratory. In the first part of the thesis, exhaust emission, catalytic converter and usage conditions of catalytic converter are explained. And mentioned about the importance of exhaust emission in diesel engines and why catalytic converters are developed. In addition, it is given information about catalytic converter types, internal structure and materials used in its structure. The formulations developed for thermal fatigue and life cycle models, which are seen in the literature research, are explained in the second part of the thesis. Life calculation models with finite element analysis are mentioned. Thermal fatigue studies with different materials were analyzed. After the third part, the test work was explained and the test devices and the measurement devices were informed with working princible explanations. Afterwards, the damage analysis study is explained with the visuals. In the last section, the results of the tests and the results of the damage analysis are given. In the present study, life simulation tests were performed to show the results of life tests which are the most critical stage of the design and development stages of exhaust systems. In order to disclose the damage mechanisms, thermal and vibrational loads which the most significant effect in this type of systems, were tested on the sample. Thermal expansion and deformations are measured with DIC Camera system. In addition, the strain gauge measurements were verified for the DIC method. At the beginning of the study, expansion test was performed with DIC camera on a stainless steel plate, which has a similar material with catalytic converter, which was chosen as a separate test sample. With this analysis, it is confirmed that the DIC camera provides reliable measurement results regardless of the size of the selected area and the measuring range. Tests are rare examples of thermal stress analysis with the DIC camera. Thansk to this method, stress measurement can be taken without gluing any measuring device on the test piece and eliminating the effect of the measurement method on the test piece. In addition, it is possible to obtain more accurate results since there is no notch effect stress on the piece as seen in other stress measurement methods. Thanks to the DIC camera measurement method, it can be measured regardless of the temperature on the test piece and contains a measurement principle that will not be affected by the change in temperature. Considering these advantages, it is deemed appropriate to use the DIC Camera system as a method of measurement for the stress-strain analysis of a part in the exhaust system. In order to measure the forces due to vibration on the vehicle, data have been taken in the exhaust system with accelerometers. With the accelerometer data, the forces on the part were evaluated and transformed into a vibration map which would create the desired life effect with the help of the transfer function. With this study, the tests on the catalyst were divided into three groups. The results of thermal stress tests, cold vibration tests and vibration tests in hot conditions were assessed by the leakage measurement taken at the end of each section. In leak measurements made by compressed air, it is determined that the most amount of leakage is seen as a result of vibration tests performed under thermal stresses. However, when the cold vibration is applied, the leakage on the part of the piece is negligible. With this analysis, it was concluded that thermal stresses were more effective on the catalyst than on vibration. At the end of the test, damage analysis was performed to determine if cracks on the exhaust catalyst were formed due to fatigue stress amplitude. The crack surfaces were separated from each other and cracked surface screen were taken under the electron microscope. The findings were examined in order to demonstrate the test methodology causes termomechanical fatigue and it proved. Fractographic SEM images of thermomechanical fatigue are shown in thesis. Fatigue lines (fatique striations) and secondary fractures in the images clearly indicate that the damage is caused by fatigue. In addition, the porous structure, called dimple on the ductile fracture zone, was observed on the SEM images in accordance with the fracture direction and the material characteristic of the part. Crack formation is a result of penetrating examination. To examine the cracked surface, the cracked area was first cut away from the catalytic converter and then separated from each other so that the cracked surface was not damaged. During SEM examination, the image of the fracture surface was taken from the macroscopic images. Furthermore, a resource improvement proposal was given for the cracks seen at the end of the test and it was revealed that the welding method should be reviewed again.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    834479

    Bir el aletinin ve kalıbının dövme üretim prosesinde sıcak şekillendirme özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of hot forming properties of a hand tool and its die in the hot forging process

    ECE DESTİNA BEKLETENLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiManisa Celal Bayar Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SİMGE İRİZALP

  2. Tez No

    628966

    Opto-mekanik bir tasarımın termal yükler altında yapısal incelenmesi

    Structural investigation of opto-mechanical design under thermal loads

    EMRE ÇINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Mühendislik BilimleriGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN SELİM TÜRKBAŞ

  3. Tez No

    541002

    Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi

    Thermal investigation of exhaust manifold for a heavy commercial vehicle diesel engine

    BURAK YALÇINDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU

  4. Tez No

    167206

    Free forming of locally induction heated specimens

    İndüksiyon ile bölgesel olarak ısıtılan parçaların şekillendirilmesi

    OYA OKMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    PROF.DR. ERMAN TEKKAYA

  5. Tez No

    445131

    Investigations on the influences of fuel mixture influencing parameters on the 3-D cylinder flow field of an internal combustion engine

    Bir içten yanmalı motorda karışım oluşumunu etkileyen parametrelerin 3-D silindir akış alanına etkisinin incelenmesi

    ÖMER AKDAĞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ERTUĞRUL ARSLAN

Geri Dön