Silindir kafası termomekanik yorulma test düzeneği tasarımı ve uygulaması
Cylinder head thermomechanical fatigue test rig design and implementation
- Tez No: 559450
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ FUAT ERGENÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Otomobil motorunda, blo˘gun üstünde bulunan parça silindir kafası olarak adlandırılır. Silindir kafasının en önemli görevi yanma odasının üst kısmını olu¸sturmasıdır. Bir di˘ger görevi ise supapların, enjektörlerin veya bujilerin üzerine konumlandırılmasıdır. Silindir kafası araç motorunda önemli kılan sadece üzerinde yer alan parçaların olması de˘gil aynı zamanda silindir kafasının hasar mekanizmalarına dayanıklılı˘gıdır. Yüksek güce ve verimli yakıt tüketimine sahip olmak her mü¸sterinin beklentisidir. Öte yandan, egzoz emisyon de˘gerleri EURO standartları tarafından belirlenen aralıkta olmalıdır. Mü¸sterilerin beklentilerini kar¸sılamak ve standartlara uymak için, otomotiv ¸sirketleri yanma odasına verilen yakıt ve havanın sıkı¸stırma oranını arttırır. Bu i¸slem, silindir kafasındaki hasar mekanizmalarını yo˘gunla¸stırır. Hasar mekanizmaları, silindir kafası altındaki yakıt yanmasından kaynaklanmaktadır. Bu mekanizmalar a¸sınma, korozyon, termomekanik yorulma ve yüksek çevrimli yorulmadan olu¸smaktadır. Araç her kullanıldı˘gında veya çalı¸sırken yüksek devire çıkıp-inmesi durumunda, motor ünitesinin sıcaklı˘gı da artar, azalır ve termomekanik yorulmaya neden olur. Öte yandan, yakıt patlaması, pistonların ve valflerin hareketi yüksek çevrimli yorulmaya ve silindir kafasının a¸sınmasına neden olur. Ayrıca silindir kafası, korozyona neden olan nem gibi çevresel etkenlere de maruz kalır. Silindir kafasının bu hasarlara kar¸sı dayanıklılı˘gını arttırmak için birçok otomotiv ¸sirketi tarafından farklı geometriye ve malzemelere sahip olan tasarımlar yapılır. Her tasarım, termal ve yapısal analiz programları tarafından analiz edilir. Ancak tasarımın geometrik kısımlarındaki karma¸sıklık, silindir kafasının do˘gru ¸sekilde modellenmesinde problemler olu¸sturur. Bu tasarımların prototipleri dyno test sistemleri ile de test edilebilir. Dyno test sistemleri motorun kuvvet, tork veya gücünü ölçmek içindir. Bu nedenle, dyno testinde, turbo, ¸sanzıman vb. motor ünitesinin tüm parçaları monte edilmeli ve normal araçta oldu˘gu gibi uygun motor yakıtı kullanılmalıdır. Bu nedenle, dyno testinde zamanla silindir kafasına zarar verebilecek bir yakıt yanması vardır ve termomekanik yorulma incelenebilmektedir. Motor yükü olarak dyno test donanımının tipine ba˘glı olarak bir alternatif veya do˘gru akım ile çalı¸san motor veya hatta hidrolik sistem kullanılabilir. xxi Dyno testinin süresi ve yakıt tüketimi oldukça uzun ve maliyetlidir. Bir di˘ger dezavantajı ise, motorun di˘ger parçalarında veya motor yükünde arıza olması durumunda tüm testi engellemesidir. Mekatronik ve otomasyon bilimi ile, silindir kafası termomekanik yorulma test düzene˘gi tasarlanımı¸stır. Silindir kafasını termomekanik yorulmaya maruz bırakan etkenler, kontrollü ve hızlandırılmı¸s bir ¸sekilde bu test düzene˘gi ile silindir kafasına uygulanmı¸stır. Bu test düzene˘gi ile test süresi ve yakıt tüketimi önemli ölçüde azaltılmı¸s, ayrıca bu tip testte, motorun ço˘gu parçası motordan çıkarılmı¸stır. Bu nedenle, di˘ger bile¸senlerin olası arızası önlenmi¸stir. Termo mekanik yorulma test düzene˘gi, ölçüm cihazları, aktüatörler, kontrol cihazı ve çe¸sitli bile¸senlerden olu¸smaktadır. Yüksek debili endüstüriyel hava vantilatörü ile beslenen hava ve ¸sehir hattından gelen do˘galgaz, brulor içinde karı¸sarak yanma için yakıtı olu¸sturuken, gelen hava ve do˘galgaz debilerini kontrol etmek için gereken debi ölçer ve vanalar her silindir için ayrıca yapılmı¸s hatların üzerine monte edilmi¸stir. Debilerin kontrolünde ise PI kontrolörü kullanılmı¸stır. Monte edilen cihazlar ile hava ve yakıt oranını de˘gi¸stirerek, yanma odasındaki yakıt patlaması motorun orijinal yakıt kullandı˘gı zaman ki patlamaya benzetilebilir. Sonuç olarak, silindir kafası gerçekçi termomekanik yorulma faktörlerine maruz kalabilir. Bu tip testte, di˘ger bile¸senlerin muhtemel arızalarının önlenmesi yanında, test süresi yarı yarıya azalır ve yakıt maliyeti oldukça dü¸ser. Yanmayı gerçekle¸stiren brulor ise, ayrıca bir brulor kontrol ünitesi tarafından kontrol edilmekte ve yanma kalitesinin dü¸smesi durumunda veya havanın yetersizli˘gi yüzünden alevin sönme durumunda, do˘galgaz akı¸sını keserek olası tehlikeli durumların önünü almaktadır. Brülör kontrol ünitesi, brülör haznesinin içerisnde bulunan tespit probuna iyonizasyon akımı uygular. ˙Iyonizasyon akımı alternatif akımdır. ˙Iyonizasyon akımı, tespit probu üzerinden brülörün haznesine ve son olarak topra˘ga akar. Alev gözetimi, alevin iletkenli˘gi ve do˘grultucu edici etkisinden yararlanılarak gerçekle¸stirilir. ˙Iyonizasyon sinyali yükselticisi yalnızca ıyonizasyon sinyalinin do˘gru akım bile¸senine tepki verir. ˙Iyonizasyon probu ile ¸sasi arasındaki kısa devre, alternatif akıma neden oldu˘gundan brülör kontrol ünitesi do˘galgaz beslemesini keser. Ayrıca, iyonizasyon akımı mikro amper seviyesinde olması gerekmektedir. Yüksek de˘ger de akım ise brülör kontrol ünitesinin do˘galgaz akı¸sını kesmesine sebep olur. Yakıt karı¸sımı brulor tarafından yakılarak silindir kafasını ısıtır ve istenilen temomekanik yorulma etkenleri silindir kafasında uygulanır. Temormekanik yorulma sadece metalin ısınmasında de˘gil, aynı zamanda ısınan metalin so˘gumasında da gözükmektedir. So˘guma esnasında olu¸san termomekanik yorulmayı hızlı bir ¸sekilde silindir kafasına uygulamak için so˘gutma fazında yakıt kesilerek, silindir kafası ve motor blo˘gunda normal araçta oldu˘gu gibi so˘gutma sıvısı geçirilmektedir. Bu test düzene˘ginde ise so˘gutma sıvısı olarak etilen gliköl kullanılmı¸stır. Etilen glikol, yaygın olarak antifrizlerde ve buzlanma önleyicilerde kullanılan bir maddedir. Etilen xxii glikol renksiz, kokusuz aynı zamanda orta derecede zehirli olan bir kimyasaldır ve donma ve kaynama noktası sırasıyla çok dü¸sük ve yüksek oldu˘gu için, so˘gutma sıvısı olarak tercih edilmi¸stir ve ço˘gu araçlarda kullanılmaktadır. 2000L tankta yer alan etilen glikol, sürücüye ba˘glı olan bir pompa tarafından silindir kafası ve motor blo˘gundan geçirilerek yüksek kapasiteli su so˘gutma çihazına aktarılır ve tanka geri beslenir. Pompa sürücü vasıtası ile so˘gutma sıvısının debisi istenilen de˘gerlerde tutularak ısıtma ve so˘gutma fazlarında farklı debilere sabitlenir. Ayrıca, motor blo˘gunun giri¸sinde ve çıkı¸sında yer alan basınç trasnmiterleri sayesinde so˘gutma sıvısıının basıncı gözlemlenir. Isınan silindir kafasında yer alan birden çok termokupl saysedine sıcaklık ölçülür ve kontrol cihazına beslenir. Test sırasında silindir kafasının termal haritası, silindir kafasındaki ölçüm aletleri ile elde edilmi¸s ve elde edilen veriler termal ve yapısal analiz programlarına sunulmu¸stur. Bu sayede elde edilen silindir kafası modeli ve analiz do˘grulu˘gu arttırılmı¸stır.
Özet (Çeviri)
Exposion of the cylinder head to the environmental impacts such as humidity, which causes corrosion. To improve the durability of the cylinder head to these damages, various geometrical and material designs are proposing by many automotive companies. Each design is tested and analyzed by the thermal and structural programs but the complexity in geometrical parts of the design brings problems in modeling the design. The prototypes of these designs are testing with dyno test systems. Dyno test systems are for measuring force, torque or power of the engine. Therefore, in dyno test, engine unit with all its parts such as turbo, gearbox, etc. must be assembled and proper engine fuel must be used as it is in a regular vehicle. Therefore, there is fuel combustion in dyno test, which can cause damages on the cylinder head over time. As a result, the thermomechanical fatigue can be studied. As a load for the engine, depending on the type of the dyno test rig, an AC or DC motor or even hydraulic system can be used. The duration and fuel consumption of the dyno test is quite long and costly. The other disadvantage of the dyno test for studying the cylinder head durability for thermomechanical fatigue is that, in case of failure in the other parts of the engine, or the engine load, interferes the whole test. With the science of mechatronics and automation, cylinder head thermomechanical fatigue test rig is designed to expose the cylinder head to the factors, which cause thermomechanical fatigue in a controlled and a quite fast way. With this test rig, test duration and fuel consumption are reducing considerably. Also in this type of test, most parts of the engine are removed from the engine. Therefore, the possible failure of the other components is prevented. Thermal map of cylinder head during the test can be obtained with the measuring instruments on the cylinder head and fed to the thermal and structural simulation programs to increase the accuracy of the cylinder head model and the relating analysis.
Benzer Tezler
- Heavy duty diesel engine thermo mechanical fatigue analysis
Ağır vasıta dizel motorunun termomekanik yorulma ömrü analizi
ŞENER KANTÜRER
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
- Yeni nesil otomobillere yönelik vermiküler mikroyapıdaki döküm alaşımlarının gaz nitrürleme yöntemi ile özelliklerinin geliştirilmesi
Improvements on properties of vermicular microstructure cast alloys for new generation automobile by gas nitriding
MUHAMMET EMİN KONDAKÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- İçten yanmalı motor egzoz portu etrafındaki kafes yapılarının termomekanik davranışının incelenmesi ve efektif modelleme yaklaşımının geliştirilmesi
Thermomechanical investigation of lattice structures around exhaust port for iternal combustion engine and development of a effective modelling approach
CEMRE OĞUZ ERŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Calculation of cylinder head metal temperature for a heavy duty diesel engine which has a variable speed pump that it is operated by electronic control unit
Elektronik kontrol ünitesi tarafından kumanda edilen değişken hızlı pompaya sahip bir dizel ağır iş motoru için silindir kafası sıcaklık hesaplaması
BARAN ÇELİKTEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM SORUŞBAY
- Optik silindir kafası tasarımı ve imalatı
Design and manufacturing of optics cylinder head
HABİB GÜRBÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Makine MühendisliğiDumlupınar ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. DİNÇER BURAN