Yüksek Basınç Yakıt Pompasının Çalışmasından Kaynaklı Hidrolik Etkileri Ve Subap Tahrik Sistemi Parametreleri Dikkate Alınarak Dinamik Modelinin Titreşim Analizi

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2012-03-19
Yazarlar
Sahip, Yahya
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Bu tezin amacı, modern bir yüksek basınç yakıt enjeksiyon pompasının, dinamik hareketini yaparken, çalışmasından dolayı meydana gelen mekanik ve hidrolik etkilerin gerçekçi bir şekilde modellenmesi. Bilgisayar destekli mühendislik teknolojileri kullanılarak kam mili ve hareket eden parçaların titreşim, gürültü ve sertlik yönünden incelenmesi hidrolik ve mekanik etkiler göz önünde bulundurularak numerik modeller ve geliştirmeler kullanılmıştır. Bu bilgisayar destekli mühendislik metodolojisi, 1-boyutlu ve 2–boyutlu analitik araçlar kullanarak içten gelen etkilerin modellenmesi ve bilgisayar destekli esneyebilen bir dinamik modelinin oluşturulmasını içeriyor. Emisyon normlarının gelişimi incelendiğinde egzoz gazlarındaki zararlı atık miktarlarının sürekli olarak sınırlandığı ve izin verilen üst Iimitlerin sürekli düşürüldüğü gözlenmektedir. Yeni emisyon normlarının ekipman üreticileri tarafından sağlanabilmesi için devreye yeni motorlar ve yeni teknolojiye sahip geliştirilmiş tasarımlar girmektedir. Gelişmiş yanma kontrolleri gecikmeli enjeksiyon, yüksek enjeksiyon ve silindir basıncı gibi bazı sonuçların doğmasına sebep olmuştur. Gecikmeli enjeksiyon ile yüksek kurum oluşumu riski artmakta bu da yağda kurum oluşumu olasılığını ve buna bağlı olarak daha fazla aşınma olasılığını arttırmaktadır. Yüksek enjeksiyon ve silindir basınçları ise yüzey yüklerini arttırmakta bu da segman silindir, duvarları ve yataklarında aşınma riskini arttırmaktadır. 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. Kalibrasyon, genelde motorun kullanım koşullarını önceden tahmin ederek, arazide kullanılacak aracın olabilecek en kötü senaryolara göre modellenip, sistemlerin üstüne eklenmiş sensör paketlerininin yardımıyla, önceden hazırlanan modele göre motorun çalışma performansını iyileştirmek ve optimize etmek amacıyla yapılan operasyondur. İşte tüm bu kontrol, sistemde bulunan mekanik komponentlerin ‘’Elektronik Kontrol Ünitesi’’ sayesinde olur. Otomobillerde emisyonlarla ilgili kanunlar çıkmadan önce bir araba motoru mikroişlemcilere gerek kalmadan üretilebilirdi. Fakat günümüzde katalitik konverter kullanmayan bir araç kullanamayız. Dolayısıyla hava/yakıt karışımını ayarlayacak bilgisayar kontrolcüsüne ihtiyaç vardır. xxiv Bir otomobilin en çok işlem yapan bilgisayar birimi motor kontrol ünitesidir bahsi edilen elektronik kontrol unitesidir. Bahsedildiği gibi bu ünite sensörlerden aldığı verileri işleyerek optimum işletimin yapılmasını sağlar. Örneğin, motorun sıcaklık seviyesi ve soğutma miktarını, aracın anlık hızı, motor devri, egsozdan atılan oksijen miktarı gibi detay bilgileri toplar ve saniyede milyonlarca işlem yaparak ateşlemenin nasıl ve ne şekil bir karışımda yapılacağına karar verir. Modern enjeksiyonlu benzin motorlarında vuruntu olmaması için ateşlemenin ne zaman yapılacağı ve enjektörün hangi salisede ne kadar yakıt püskürteceğini de yine bu modül ayarlar. Bir anlamda motorun çalışmasını ve işletimi için herşeyi kontrol edip karar veren ve bunları komut vererek uygulatan en önemli ünitedir. Tabi bunu kendine has yazılımı ve özelleştirilmiş yapısıyla gerçekleştirir. Yani sadece bu iş için optimize edilmiştir. Genelde, ‘’motorun kalbi’’ denilen yakıt enjeksiyon sistemi, motor çalışma sisteminde şüphesiz en önemli rollerden birine sahiptir. Yakıt enjeksiyon sistemi, motor ihtiyacına göre gerekli yakıt miktarını motora ulaştırmaya çalışır, aynı zamanda dizel patlama prosesinin temelini oluşturan yeterli yakıt-hava karışımını sağlamak için yüksek basınçlı yakıtın atomizasyon olmasını sağlar. Geleceğin dizel püskürtme sistemi olarak tanımlanan ‘’Common Rail’’ yakıt enjeksiyon sistemi, özellikle Avrupa da gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. ‘’Common Rail’’ teknolojisinde basınç üretimi ve enjeksiyon birbirinden ayrı. Ayrı bir yüksek basınç pompası yakıt hattını sürekli olarak yakıtla besliyor. Diğer dizel doğrudan sistemleri her püskürtme işlemi için yüksek yakıt basıncını her defasında yeniden biriktirmek zorunda kalırken, ‘’Common Rail’’ Sistemi düşük motor devirlerinde bile uygun basınçlı yakıtı daima hazır bulunduruyor. Üstelik, ‘’Common Rail’’ teknolojisi her çalışma döngüsü başına çoklu püskürtme sağlıyor olmasından ötürü de klasik sistemlerden ayrılır. Bu döngü, sessiz çalışma için ön püskürtme (pilot enjeksiyon), ideal güç konuşlandırması için ana püskürtme, düşük emisyonlar için ise ikincil püskürtme şeklinde üçe ayrılır. Yakıt enjeksiyon memelerine basınçlı kısa hatlar aracılığıyla ulaşır. Püskürtme basıncı ne kadar yüksekse, enjeksiyon sistemi de yakıtı o kadar ince bir şekilde püskürtebilir ve böylelikle daha da verimli bir yanma sağlayabilir. Genel olarak konvansiyonel çalışma sistemine sahip olan enjeksiyon sistemlerine örnek olarak, tek pompa enjeksiyon sisteminde, yük profilleri ve dinamki etkiler yüksek beklenmez.Fakat, yüksek basınçlı modern enjeksiyon sistemlerinin titreşim, gürültü ve sertlik üstüne etkisi genelde ihmal edilmesine rağmen, yüksek basınç rayında bulunan basınç ki, yanma için gerekli basıncı sağlamak adına, basınç dalgalanmalarının titreşimleri nedeniyle çok büyük etkisi vardır. Genele olarak, modern enjeksiyon pompalarının çalışma sistemlerinden meydana gelen etki, yüksek bir aralıkta hareket ettiği için motor gürültüsüne ciddi bir şekilde etki eder. İvme ölçerlerle kritik noktalardan alınmış veri, hassas bir şekilde motordan ve yüksek basınç pompasından, öncelikli olarak pompanın dinamik ve hidrolik etkilerini analiz etmeye uygun bir şekilde alındı. Bunun yanısıra silindir kafası üzerinde duran kam mili, valfler, emme manifoldu, egzos manifoldu, valf tahrik sistemi ve yüksek basınç rayı gibi komponentlerin hepsinden de yine titreşim karakterlerini açıklayabilecek şekilde titreşim ölçümü alındı.Yüksek basınç pompası içinde çalışan komponentlerin dinamik etkileşimi, özellikle kam mili, kontak halinde bulunan dişliler, dinamik yataklar ve dış gövde bilgisayar destekli esneyebilen bir modelin oluşturulmasıyla incelendi. Böylece pompanın titreşim varsayımı, bu model üzerinden hesaplandı. Dinamik bir modelin oluşturulmasında, motorun kullanılan devri ve yüksek basınç pompasının basma sistemi komponentlerinin yük profilleri sınır şartlar olarak
The main purpose of this thesis is to develop a reliable multi body dynamic (MBD) model of a high pressure common rail pump in order to understand the dynamic behavior of reciprocating pumps under the actions of the mechanical and hydraulic forces. The development and the use of a numerical model to predict vibrational response from reciprocating high pressure pumps with camshafts due to dynamic and hydraulic effect using Computer-Aided Engineering (CAE) technologies. This CAE methodology process, as outlined in this thesis study, includes measured data, computational flexible multibody dynamics and 1D and 2D analytic tools to evaluate internal effects. The development of a complete new engine without extensive CAE support is no longer done. Beginning stages in the design and validation process decisions are based on preliminary assumptions and calculation. Calculations accompany revisions throughout. Requirements and recommendations vary from application to application and it is the reason, demand depends in engine design and calibration. Generally called the heart of the engine , the high pressure fuel injection system is without any doubt one of the most important engine systems which takes a role for diesel engine working principle. High pressure fuel injection system meters the required fuel delivery according to engine requirements; meanwhile it generates the high pressure profiles on injector required for atomization of the fuel, for sufficient fuel air mixing and for diesel combustion event. As the system working principle of conventional systes for instance; unit pump injection system, general load profiles and dynamic effects are expected with low profiles. The influence of high pressure mechanical systems of Common Rail (CR) on Noise, Vibration and Harshness (NVH) is typically inconsiderable and neglected, although there are excessive loads due to high pressure oscillation inside the rail, which is sufficient enough to excite cylinder head and combustion chamber area. In general, high pressure common rail pump working mechanism generates high range of force frequency which result in valuable contribution to overall engine NVH behavior. The measured test data is used to identify and reproduce the input excitation which is primarily generated from engine and high pressure pump dynamic and hydraulic. The dynamic interaction of the high pressure pump components, including excitation camshaft, contacting gears, dynamic joints, and flexible housing is modeled using flexible multibody techniques. The vibrational response to the vibration of the high pressure pump housing is then predicted using simulation techniques. xxii For the multi body dynamic model, the operating engine speed defined at the high pressure fuel pump and the resistance load defined at the output of high pressure plungers are considered to be the boundary conditions. Both of these mentioned two boundary conditions, especially the engine speed, are very important to the model to reproduce the excessive vibrational characteristics. It has to be emphasized that the engine speed must contain both the frequency and amplitude of the problematic load cases of the engine’s operating conditions which are also reviewed.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012
Anahtar kelimeler
Yüksek Basınç Pompası, Dinamik Sistemler, NVH, MBD, Engine
Alıntı