A Heavy Duty Diesel Engine Exhaust Manifold Thermo Mechanical Fatigue Test Rig Design, Analysis And Verification

Abstract

Son dönemde otomotiv endüstrisinde her anlamda çok önemli gelişmeler yaşanmaktadır. Bilimsel ve teknolojik ilerlemenin sonucunda elde edilen yeni yöntemler, yazılımlar ve donanımlar için otomotiv her zaman iyi bir uygulama alanı olmuştur. Günümüzde farklı sınıf ve özellikteki araçlar hayatımızın vazgeçilmez bir parçası olmuştur. Gelişen ve büyüyen rekabetçi otomotiv piyasasında önemli bir rol sahibi olmak isteyen üreticiler de değişen çevre ve müşteri taleplerine göre sürekli kendilerini yenilemek ve geliştirmek için çalışmalarını sürdürmektedirler. Başlangıçtan itibaren motor bir aracın en önemli bileşenidir ve temel araştırma-geliştirme faaliyetleri burada yoğunlaşmıştır. Motor üreticileri her zaman daha yüksek performanslı motorlar yapmaya çalışırken aynı zamanda rakiplerine oranla maliyetlerini de daha düşük seviyede tutmaya çalışırlar. Öte yandan özellikle Avrupa ülkelerinin başını çektiği egzoz gazı emisyon oranlarını sağlamak ve çevreyle dost bir motor yapmak da artık bir gereklilik haline gelmiştir. Motor üreticilerinin temel amacı sessiz, düşük maliyetli, hafif, emisyon seviyesi ve yakıt tüketimi düşük ancak yüksek performanslı uzun ömürlü çevre dostu ürünler ortaya çıkarmaktır. Bu konuda gerek akademik gerekse de uygulamalı olarak dünyanın her yanında çalışmalar halen devam etmektedir. Çalışmaların belirgin sonucunu olarak son 20 yıldaki motorların emisyon, yakıt tüketimi ve performans çıktılarına bakarak görebiliriz. Daha yüksek performanslar beraberinde daha yüksek yanma sıcaklıkları ve basınç değerleri getirmektedir. Motorda oluşan yüksek sıcaklık, malzemelerin mekanik davranışını ciddi oranda etkilemektedir. Bu yüzden daha önceden kullanılan malzemeler artık bu sıcaklık ve çalışma şartlarına cevap veremediği için özel alaşımlı malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Sıcaklık farklılıklarından dolayı oluşan yorulmaya termal-mekanik yorulma (Thermal Mechanical Fatigue-TMF) denir. Motorlarda meydana gelen TMF durumu genelde kısa ömürlü yorulma olarak nitelendirilir ve etkiledikleri parçaların ömürleri 103-104 çevrim mertebesine kısaltırlar. Araç çalışmaya başladıktan sonra çalışmaya devam ettiği süre boyunca parçalar bu sıcaklıklara maruz kalır sonrasında araç durduğunda ise ortam sıcaklığına geri dönerler. Aracın her çalışıp durması bir çevrim olarak nitelendirilir. Hem termal-mekanik yorulma durumuna dayanıklı hem de yüksek performans taleplerine cevap verebilecek yeni nesil egzoz manifoldları için yüksek silisyum ve molibden (HiSiMo) alaşımlı sünek dökme demir en çok kullanılan malzemelerin başında gelir. Geliştirmeler sonucunda "Grade 3" olarak adlandırılan özel alaşım bu çalışmada incelenen ağır ticari dizel motorun egzoz manifoldunda da kullanılmıştır.Bu manifold yüksek sıcaklıklarda meydana gelen genleşmeleri sönümleyecek şekilde üç parçalı olarak tasarlanmıştır ancak parçaların kendi içinde birden fazla bağlantı noktası olması sebebi ile birim şekil değişimleri ciddi gerilmeler meydana getirmektedir. Yorulma analizlerinde karşılaşılan önemli sorunlardan biri de malzeme modellerinin oluşturulmasıdır. Malzeme modellemesi ile ilgili çok sayıda yaklaşım yapılmıştır. Yaklaşımlarda dikkate alınan faktörler artıkça malzeme modellerinin gerçeğe olan yakınlıkları da artmaktadır. Ancak modelin dikkate aldığı faktör sayısının artması aynı zamanda modeli oluşturmak için yapılacak deney sayısını ve maliyetini artırmaktadır. Özellikle malzemelerin sıcaklığa bağlı yorulma modellerinin oluşturulması oldukça uzun ve maliyetli bir iş olduğu için sadece belli başlı malzemelerin modelleri mevcuttur. Seri üretimde motor kafa-blok, egzoz manifoldu, pistonlar gibi kritik parçaların dayanımından ve TMF ömründen emin olmak çok önemlidir. Bu tarz uzun ömürlü parçaların genelde aracın ömrü boyunca çalışması beklenir. Ancak ekonomi, hafiflik ve uzun ömürlülük kriterlerinin bir arada istendiği durumlarda optimum tasarımların yapılması önem kazanır yani parçanın öngörülen çevrim sayısına yakın bir değerde hasara uğraması başarılı bir tasarım olarak kabul edilir. Bu durumda parçaların ömürlerinin tahmin edilebilmesi önem kazanır. Farklı yaklaşım ve kabuller eşliğinde uzun yıllar mertebesinde olan çalışma ömürlerini haftalar içinde yapılan testlerle belirlemek mümkündür. Testlerin gerçekçi olması için en iyi seçenek gerçek araçlar ile özel yolların ve koşulların sağlanması veya motor dinamometrelerinde testlerin koşulmasıdır. Ancak bu yöntemler oldukça pahalı ve yüksek ilk yatırım maliyeti gerektirmektedir. Ayrıca test etmek istediğimiz parçanın ait olduğu araç veya motor hazır değilse test yapılamayacaktır. Test yapmak istediğimiz kritik parçanın hasara uğraması tüm testi sonlandıracağı için motor üreticileri motor bloğu, piston, krank mili, egzoz manifoldu gibi parçalarını tasarım geliştirme esnasında tekil olarak test edecekleri özel düzenekler kullanırlar. Parçaya veya sisteme ait bu test düzenekleri ile çok farklı koşullar altında farklı malzeme ve tasarıma sahip parçalar diğer değişkenlerin etkilerinden bağımsız olarak test edilebilir. Parçaya veya sisteme özel test düzeneklerinin gerçek çalışma şartlarını yansıtabilmesi için minimum dahil edilmesi gereken yardımcı sistemlerin ve oluşturulacak koşulların tespiti ve uygulanması kritik öneme sahiptir. Bu tez kapsamında ağır ticari dizel motor egzoz manifoldu TMF ömür testleri için Ford Otosan Kocaeli Fabrikası bünyesinde bulunan test merkezinde kurulacak test düzeneğinin tasarımları ticari modelleme yazılımı olan CATIA kullanılarak yapılmıştır. Tasarımlarda daha önceden Ford Otosan ve İTÜ'nün ortaklaşa kurdukları motor kafa-blok TMF test donanımı önemli bir referans olmuştur. Mevcut doğalgaz brülörü ve 3 eksenli titreşimli sallayıcıyı kullanacak şekilde test odasındaki fiziki şartları dikkate alındı ve sallayıcının ağırlık kapasitesi içinde kalacak şekilde tasarım gerçekleştirildi. Tasarlanan sistemin statik ve titreşim karakteristiği HyperMesh ticari sonlu elemanlar programıyla hesaplandı ve tasarımlar hedefleri yakalamak için güncellendi. Tasarım çalışmaları sırasında sallayıcı ekipmanın kapasite sınırları dolayısıyla egzoz manifoldunun normalde bağlandığı motor kafa-blok yapısı kullanılamamıştır. Onun yerine içinde soğutma kanalları olan bir yapı tasarlanmıştır. Egzoz manifoldunda normal çalışma şartlarında meydana gelen sıcaklık dağılımının test sırasında da gerçekleşmesi için her bir egzoz manifoldu girişine kontrollü debide yanmış gaz verecek şekilde valf sistemi yerleştirilmiştir. Egzoz manifoldunun bir görevi de turboyu taşımak olduğundan üzerinde ciddi gerilmeler oluşan bir parçadır. Bu yüzden egzoz manifoldu, turbo, egzoz boruları muffler (susturucu) kısmına kadar test sistemine dahil edilmiştir. Tasarımı yapılmış test düzeneğinde temel hedeflerden birisi egzoz manifoldu üzerinde oluşacak sıcaklık haritasının gerçek araç üzerindeki çalışma koşullarında meydaha gelen sıcaklık haritası ile mümkün olduğu kadar benzer olmasıdır. Bu sebeple tek bir doğal gaz yakıcısından altı silindir bağlantısına ayrılan gaz hattındaki debilerin homojen olması için hesaplamalı akışkanlar mekaniği (Computational Fluid Dynamics - CFD) programı yardımı ile tasarım optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca manifold portlarına giden kanallar üzerindeki valfler sayesinden egzoz manifoldunun gerçek çalışma koşullarındaki sıcaklık haritası yakalanmaya çalışılmıştır. Tasarlanmış TMF test sisteminin çok sayıda test sonrasında da işlevini koruması gerektiği için ilk yorulma analizleri test sistemi için yapılmıştır. Sistemin ağırlık hedeflerini aşmayacak şekilde yorulma ömrü yüksek bir sistem tasarımı yapılması amaçlanmıştır. Öte yandan gelişen teknoloji ve bilgisayar yazılımları sayesinde TMF ömür hesaplaması konusunda da başarılı analizler yapılabilmektedir. Bu analizlerin başarısı çalışma sıcaklıklarına göre değişen malzeme özelliklerinin çok iyi belirlenmesinden ve gerçek çalışma şartlarına uygun olarak sistemin çok iyi modellenmesine bağlıdır. Özellikle ilk defa analizi yapılacak parçalar ve malzemeler için fiziksel testlerin varlığı çok önemlidir. Fiziksel testlerden alınacak sonuçlar analizlerle karşılaştırarak ileri seviyede güvenilir analiz modelleri oluşturulabilir. Sonraki süreçte oluşturulan analiz yöntemi ile tasarımdaki değişikliklerin ve yükleme şartlarındaki değişimlerin etkisi fiziksel olarak parçalara gerek duymadan çok düşük maliyetler ile hızlıca tespit edilebilir. Ticari CFD analiz yazılımı olarak STAR CCM+ egzoz manifoldu içerisinden geçen sıcak gazın oluşturduğu sıcaklık dağılımını tespit etmek için kullanıldı. Elde edilen sıcaklı dağılımları sonlu elemanlar yazılımı ABAQUS kullanılarak egzoz manifoldu geometrisinde meydana gelen şekil değişimleri ve gerilme değerleri tespit edildi. TMF ömür hesabı yapılabilmesi için yani parçanın kaç çevrimde hasar göreceğinin tespiti için ticari analiz yazılımı olan nCODE DESIGNLIFE kullanılmıştır. Bu program yapısal analiz programlarından farklı olarak söz konusu malzemenin sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin çevrim sayısı ile değişimini gösteren eğriler kullanmaktadır. Bu eğriler, etkiyen yüklerin zamana ve çevrim karakteristiğine bağlı değişimini dikkate aldığından parça veya sistemlerde kritik bölgelerin kaç çevrim sonrasında hasara uğrayabileceğini söyleyebilmektedir. Yapısal analizler sonucunda tespit edilen kritik bölgeler ile ömür analizinde en düşük çevrim sayısında hasara uğrayacağı tespit edilen belgeler büyük benzerlik göstermektedir. Ayrıca fiziksel testlerde tespit edilen çatlakların konumu ile analizler ile tespit edilen kritik bölgeler de yaklaşık benzer konumlardadır. Bu benzerlikler analizlerin güvenilirliğini ve yüksek doğruluğa sahip olduğunu ifade etmektedir. Bu çalışmadaki temel hedef termal-mekanik yorulma ömrü hesabı için bir yöntem geliştirmek, bir dizel motor egzoz manifoldu için gerçek çalışma şartlarını yansıtan termal-mekanik yorulma test donanımı tasarımı yapmak, tasarımı yapılan sistemin test numunesinden ömür olarak çok daha iyi durumda olduğundan emin olmak için modal, satitik ve yorulma analizleri ile tasarım doğrulaması ve egzoz manifoldu için test sonuçlarıyla tutarlı bir analiz methodu geliştirmektir. Test ve analizlerin sonuçlarına göre parça için TMF yorulma ömrü belirleyerek parçanın tasarımının doğrulanması amaçlanmaktadır. Parçaya özel test düzeneğinin düşük maliyetinin yanında ayrıca çevre dostu olması da ön plandadır. Haftalarca süren araç veya motor dinamometre testlerinde çok fazla benzin/mazot tüketimi gerçekleşir ancak tasarımı yapılan sistem ile egzoz gazını temsil edecek olan yüksek sıcaklıktaki gaz, doğal gazın yakılması ile elde edilecektir. Hesaplanan yorulma ömürleri deney sonuçları ile karşılaştırılmış ve yaklaşık %15 hata payı ile sayısal sonuçların doğru olduğu bulunmuştur.

In past decades, there is a significant improvement in every respect of automotive industry. New special materials have been started to use. New technologies are also started to use in automotive industry. The engine is most important part of a vehicle for all time. With competition in the market, engine manufacturers need to manufacture more economically while guaranteeing higher performance and reducing exhaust emissions due to legal regulations and environmental issues. The main goal is to produce silent, low-cost and lighter new generation green engines with low exhaust emissions that also present higher performance and consume less fuel. There are many research studies on this issue and progresses to meet expectations. Increasing the peak firing pressure and improvements on the design has provided important solutions for these expectations. On the other side, thermal mechanical fatigue (TMF) occurring during the start-stop cycle of the engine has become an important issue with higher exhaust gas temperature and light designs. This issue should be taken into consideration more carefully with these modifications, increasing internal pressure and working temperature inside engines. Exhaust manifold is one of the parts exposed to the highest temperatures in a vehicle. In addition, its performance is very critical for new generation green engines. High silicon molybdenum (HiSiMo) ductile cast iron (DCI) is commonly used for high temperature engine parts, such as exhaust manifolds, which are also exposed to harsh thermal cycles. HiSiMo is an alloy developed specifically for such components. HiSiMo Grade 3 according to ASTM standards is the most powerful alloy used as exhaust manifold material. Materials show different mechanical and thermal properties with different temperature and working conditions. To obtain certain properties, physical tests with real working conditions and temperatures are necessary but costly and time-consuming. Critical parts such as exhaust manifold must be guaranteed for satisfying thermal mechanical fatigue behavior. Best way for TMF behavior test is the use of a test vehicle or using engine dynamometers to simulate the real road and combustion conditions. All parameters have an effect on the fatigue life but some of them have higher priority. In reality, a test vehicle is very close to a mass production step. After this stage, making design changes are very difficult. Automotive manufacturers prefer to complete the testing of these critical parts with special test rigs. Despite the complete engine requirement for a test vehicle or engine dynamometers, specific test rigs could work without a complete engine but still simulates the real situation. In recent years, specific test rigs are become very important and useful for research projects. TMF tests are commonly very long time consuming and expensive. Minimizing the test rig with only necessary parts and equipment provide more test opportunities with the same cost and facility. A new TMF test rig is designed for a heavy duty diesel engine exhaust manifold with using commercial CAD program CATIA V5. The TMF test rig will be installed at the Ford Otosan Kocaeli Plant Test Center. It is tried to use existing equipment such as natural gas burner and vibrational shaker. A finite element method program called HyperMesh is used for the calculation of natural frequencies of the new designed components and the design is revised to achieve the natural frequency targets. On the other hand, it is possible to achieve great profit in the design stage with computer-aided analysis. With the correct material and working conditions data, advanced TMF analysis give accurate results. To compare the test and analysis results is important for future works. Due to the cost and long time-consuming behavior, it is not desired to test all the design changes. To observe the effects of the numerous design iterations, TMF analysis is the best practical way. However, to verify material and working condition properties, TMF tests are required at the beginning. Commercial CFD analysis program STAR CCM+ is used for heat transfer analysis inside exhaust manifold during hot gas transfer. These CFD results are used on HyperMesh model and applied to ABAQUS program for structural analysis. To calculate a fatigue life result, commercial analysis software nCODE DESIGNLIFE is used. In this study, the main goal is to develop a methodology for thermal-mechanical fatigue life estimation of diesel engine components, design a thermal-mechanical fatigue test rig for exhaust manifold, simulate thermal-mechanical fatigue loading with some conditions in the software in a virtual environment to develop a reliable analysis methodology and verify the design of critical engine parts. In addition to cost advantages, pollution created by combustion of thousands of liters of fuel in engines will be reduced by using natural gas because the diesel/gasoline is not used in this TMF rig. Thus, an environmentally friendly test method is developed for green engines with less equipment and dependency to other engine parts.