Ağır Vasıta Dizel Motorunun Termomekanik Yorulma Ömrü Analizi

Abstract

Otomotiv endüstrisi son yıllarda, yasal düzenlemeler ve çevresel kaygıların etkisiyle egzoz emisyonlarını azaltırken; müşteri beklentileri doğrultusunda da daha yüksek performansta ekonomik motor üretmek gibi zor ve çok boyutlu bir problemle karşı karşıyadır. Temel hedef, daha az yakıt tüketen, yüksek performanslı ve düşük egzoz emisyon değerlerine sahip yeni nesil çevreci motor üretimidir. Düşük maliyet, hafiflik ve sessiz çalışma ise diğer ön plana çıkan beklentilerdir. İç basıncın arttırılması ve dizayn değişiklikleri ile tüm bu beklentilerin büyük çoğunluğuna çözüm bulunmuştur. Ancak dizayn değişiklikleri, artan iç basınç ve çalışma sıcaklığı motorlarda start-stop çevrimi esnasında meydana gelen düşük çevrimli termomekanik yorulmayı çok daha fazla dikkat edilmesi gereken bir sorun haline getirmiştir. Halihazırda silindir kafası ve bloğu için kullanılan gri dökme demir genel beklentileri sağlamakta yetersiz kalmakta yeni malzemelerin kullanımı/geliştirilmesi gerekmektedir. Malzeme problemi, vermiküler dökme demir (CGI, ör. GJV450) ve alüminyum alaşımlarının (ör. Al319-T7B) motor blokları ve silindir kafalarında kullanılmasıyla çözülmeye başlamıştır. Alüminyum alaşımları gri dökme demire oranla çok daha düşük bir yoğunluğa sahipken vermiküler dökme demir daha iyi mekanik özellikleri sayesinde daha az miktarda (ince kesitte) kullanılarak aynı hatta daha iyi performans sağlamaktadır. Gerçekleştirilen bu çalışmada silindir kafasının ömür hesabının yapılması için mekanik ve termal etkiler gerçekçi bir şekilde modellenmiştir. Bilgisayar destekli mühendislik teknolojileri kullanılarak başta silindir kafası ve motor bloğu parçalarının mekanik ve termal yükler altındaki davranışı göz önüne alınarak numerik modeller ve geliştirmeler kullanılmıştır. Bu bilgisayar destekli mühendislij metodolojisi, 1-boyutlu ve 3-boyutlu analitik araçlar kullanılarak motor içi akışkanın modellenmesini ve motor parçalarının yapısal olarak modollenmesini içeriyor. Motor geliştirme projeleri genelde sıfırdan bir geliştirme projesinden ziyade, projelerin devamında yapılan dizayn ve doğrulama prosesi önce yapılmış hesaplara ve varsayımlara dayanır. Hesaplamalar, gerçekleşecek değişiklikleri içerirler. Bu yüzdendir ki, dizayn gereksinimleri uygulamadan uygulamaya ve kalibrasyon tipine göre değişkenlik gösterebilir. Yapılan en küçük bir değişiklik dahi, silindir kafasındaki sıcaklık ve gerinim dağılımını önemli ölçüde değiştirerek, motor ömrünü kabul sınırlarının altında kalmasına neden olabilir. Bu nedenle motor üzerinde gerçekleştirilen çalışmalarda silindir kafası en önemli madde olarak sürekli kontrol altında tutulmaktadır. Motorun her ısınıp soğuması bir ısıl çevrime karşılık gelir. Bir motorun bu yükler altında dayanımı motordan motora, sürücüden sürücüye değişkenlik arzeder. Yine de her motor belli sayıdaki ısıl çevrime direnç gösterecek şekilde tasarlanır. Silindir kafasının ısıl yorulması mekanik gerinim, sürünme ve oksidasyon gibi bir çok farklı mekanizmanın aynı anda çalışması ile gerçekleşen kompleks bir fenomendir Termomekanik yorulma hesabının gerçekleştirilmesi için bir çok disiplinin birlikte çalışması gerekmektedir. Tezin yazımında kurulan kurguda bu disiplinlere sırayla yer verilmektedir. Tezin metodolojisinde, basamak basamak hangi komponent ve sistemlerin ne şekilde modelleneceği anlatıldı. Kurulan analiz modelleri, kullanılan malzeme ve bu malzemenin matematiksel modellenmesine sırayla yer verildi. Silindir kafa malzemesi olarak kullanılan CGI malzemenin davranışının incelenmesi için Chaboche teorisi kullanılmıştır. Chaboche teorisi gerilme/gerinim bazlı olup, artımlı plastisite teorisine dayanan son derece kapsamlı bir modeldir. Analizlerimiz esnasında chaboche malzeme teorisini kullanan bir alt program kullanılmıştır. Bu alt program silindir kafası için ömür hesabını gerçekleştirmektedir. Diğer bir önemli nokta da malzeme testleridir. Thomat alt programı kullanılacak malzeme için yapılmış bir ön değer seti ile kullanılmaktadır. Buna karşın, belli bir silindir kafası için elde edilmiş ve başarılı sonuçlar vermiş TMF parametreleri, aynı malzemeden yapılmış farklı bir mimariye sahip başka bir silindir kafası için aynı derecede başarılı sonuçlar vermeyebilir. Dökümhane farklılığı da bu varyasyona olumsuz yönde etki edecek önemli bir unsurdur. Bir kez imalatçı seçilip prototip kafalar üretildikten sonra, bu kafalardan çekilecek numunelerle ek testler yapılacak ve tüm parametreler korale edilmesi gerekmektedir. Bu hem döküm kalitesini değerlendirme hem de başarılı ömür tahmini yapabilme imkanı veremektedir. Bir diğer konu ise sıcaklığın modelimize eklenmesidir. Sıcaklık, malzeme karakterizasyonuna ve motorun ömrüne etki eden en önemli parametredir. Bu yüzden motorun çalışma koşullarındaki sıcaklık dağılımının en doğru şekilde hesaplanması ve bu hesapların test sonuçları ile korele edilmesi analizlerin doğruluğu bakımından önemlidir. Sıcaklıkların doğru hesaplanabilmesi için motor sıcaklığına doğrudan etki eden soğutma suyunun etkisinin doğru şekilde modellenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada konjuge kafa/blok analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu tip ayrık analiz metodu özellikle konsept fazı gibi akışkan yüzeylerinde çok fazla iterasyon gerektiren tasarım çalışmaları için özellikle uygundur. Bu nedenle konsept motor geliştiren şirketlerin tercihi olmuştur. Motor bloğu ve silindir kafasını modellerken, gerçekleştirilmesi gereken diğer bir iş de soğutma ceketlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (Computational Fluid Dynamics - CFD) metodları ile modellenmesidir. Dizel motorlarında silindir içindeki ortalama gaz sıcaklıkları 1000 C° dereceyi aşan sıcaklıklara ulaşmakta ve bu değer daha verimli motor arayışıyla her geçen gün artmaktadır. CFD metodları soğutma sıvısı ve metal yüzeyler arasındaki konveksiyon katsayısı dağılımını ve kanal içerisinde soğutma sıvısı sıcaklık dağılımını hesaplamakta kullanılır. Bu veriler termal analizde sınır değerleri olarak kullanılır ve blok ve silindir kafasındaki sıcaklık dağılımını belirler. Silindir kafası ve motor bloğu analizlerinde diğer bir önemli ilerleme silindir için yanma modellerinin sonuçlarının doğrudan yanma yüzeylerine beslenmesidir. Mevcut metod 1D termodinamik analiz sonuçlarının kafa ve blok yüzeylerine elle girilmesi ile gerçekleştirilir. Kafa enjektör çevresinde bir kaç bölgeye bölünür ve buraya termodinamik analiz sonucu ısıl katsayılar ve gaz sıcaklıkları uygulanır. Bu nedenden dolayı enjektör sprey açısı ve konumu gibi etkileri görmek mümkün değildir. Örnek olarak bir spreyin altında kalan bölgenin normalden daha sıcak olması beklenirken mevcut analzi metodunda bunlar görülmemektedir. Modellenen yanmanın doğrudan silindir alt yüzeyine tanımlanması (mapping) buna imkan verecektir. Sonlu elemanlar yöntemi ile beraber altmodelleme (submodel) yöntemi de çalışmalarımız esnasında geliştirildi. Kurulan modellerin milyonun katları kadar eleman içermesinden dolayı analiz sürelerini çok uzun olması beklenmektedir. (100-120 saat civarında) Çalışmak istediğimiz bölgeleri motor üzerinde belirleyerek kuracağımız altmodeller çok daha kısa sürede istediğimiz sonuçları almamızı sağlamıştır. Bu modelleme yeteneği ile beraber daha verimli çalışma süreleri elde edilerek, kullanılan yazılımların lisans masrafları önemli derece de azaltılmıştır. Bu tez çalışmasının sonucunda, geliştirilen veya tasarlanan bir konsept motor için kritik olan silindir kafasının termomekanik olarak yorulma ömrü hesaplandı. Bu şekilde çok maliyetli olan prototip ürün ve motor testlerine gerek kalmadan bu tez metodolojisiyle yorulma ömrünün tespit edilmesi gerçekleştirilmiştir.

In recent years, automotive industry faces a difficult and versatile problem such as producing more economical engines with higher performance according to customer expectations while reducing exhaust emissions due to legal regulations and environmental concerns. The main objective is to manufacture silent, cheaper and lighter new generation green engines with low exhaust emissions which also show higher performance and consume less fuel. All these expectations have solved partially by increasing the peak firing pressure and modifying the design. However, thermal fatigue occurring during the start-stop cycle has become an important issue that should be taken into consideration more carefully with these modifications, increasing internal pressure and working temperature inside engines. Currently used gray cast iron as cylinder head and block material is insufficient to provide general expectations so new materials should be used or developed. Material problems began to unravel with the use of vermicular cast iron (CGI, GJV450) and aluminum alloys (ex. Al319-T7B) for engine blocks and cylinder heads. The density of aluminum alloys is much lower than grey cast iron and using a smaller amount of vermicular cast iron provides same or even better performance in low thickness with its better mechanical properties. In addition to material upgrade of the material, it is important to prove out their performance and life spending less time and cost. The 60%-70% cost of “Development of engine and transmission components” is due to the validation tests. Projects which created with the help of traditional product development mentality, analytical calculations and previous experiences requires a large number of tests, are the reason for the high cost. The percentage of computer-aided analysis in the product development budget is seriously low (expressed in terms of a few percent) because of carrying on old methods in some areas and lack of usage. It is possible to achieve great profit in the design with correct approaches and applications if the progress in the methods and their fewer prices when compared to tests is considered. In recent years, design studies on this subject are carried out significantly. Computer-aided analysis of gray cast iron parts indicated successful results, however results for the vermicular cast iron which is newly used in automotive industry are not reliable at the same rate. The main reason for this difference is the assumption of material constants same for all parts for the classical approach, whereas vermicular cast iron has heterogeneous microstructure (nodularity) which formed due to varying cooling rate with the cross section. Companies develop their own experimental data for the identification of cross-sectional properties and sharing information is almost never made. Thermal and mechanical loadings become more obvious due to non-homogenous microstructure of cylinder head which consist of a combination of thin and thick sections of complex geometrical parts. Engine blocks and/or cylinder heads are subjected to verification/performance tests in the dynamometer after the design stage. Despite being expensive, dynamometer tests are the basic test approach for all engine manufacturers. The necessity of collecting the prototype engine and long test periods with standard fuels like thousands of hours are the reason for expensive tests. In general, a test lasts for months and thousands of liters of fuel consumed during that time. Design results can be obtained too slowly because of this long period of experiments, sometimes effect of a small change can be observed for months. In this study, the aim is the simulating thermal-mechanical fatigues which is going to be used for modeling of cylinder head, one of the most complex parts of new generation engines. In this way, any type of cylinder head produced from different materials may be analysed faster and more economically without the need to collect engine. In addition to cost advantages, pollution created by combustion of thousands liters of fuels will be reduced by using gaseous fuels such as natural gas because diesel/gasoline is not used as fuel, thus an environmentally friendly test method will be developed for green engines.