Kademeli termal bariyer kaplamanın bir dizel motorda yanma, performans ve egzoz emisyonlarına etkisi ve yanma odası elemanlarında oluşan termal ve basınç gerilme analizi
Effect of partitioned thermal barrier coating on performance and exhaust emissions i̇n a diesel engine and thermal and pressure stress analysis of combustion chamber elements
Yazar: HÜSNA TOPKAYA
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN AYDIN
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
İçten yanmalı motorların verimliliğinin artırılması ve emisyon değerlerinin iyileştirilmesi amacıyla farklı yöntemler uygulanmaktadır. Gelişen malzeme teknolojisiyle birlikte uygulama kolaylığı nedeniyle termal bariyer kaplama son yıllarda başvurulan yöntemlerin başında gelmektedir. Pistonların düşük ısı transfer katsayısına sahip malzemeler ile kaplanmasıyla ısı kayıplarını azaltmak ve motor performansını artırmak amaçlanır. Kaplama malzemesi olarak alümina (Al2O3), zirkonya (ZrO2), magnezya (MgO), Berillya (BeO), lantanat ve gadalyum tercih edilir. Mevcut çalışmada piston yüzeylerine plazma sprey kaplama yöntemi kullanılarak Ytrria ile stabilize edilmiş zirkonyum seramik malzemesiyle kaplama işlemi gerçekleştirilmiştir. Kaplamasız (referans model), tüm yüzey kaplamalı ve iki farklı ölçüde kademeli kaplama yapılan dört piston modeliyle motor performans ve egzoz emisyon deneyleri ve ısı transferi ve yanma analizleri gerçekleştirilmiştir. Piston yüzeyine kademeli kaplama işlemi uygulanarak kaplama tabakasının mukavemetinin arttırılması ve aynı zamanda NOx emisyonlarının düşürülmesi amaçlanmıştır. Gerçekleştirilen motor performans ve egzoz emisyon deneylerinde altı farklı yükleme durumu için egzoz emisyon ve motor performans verileri elde edilmiştir. Deneyler sırasında meydana gelen değişimi belirlemek amacıyla emme hattına, egzoz manifolduna, hava soğutma kanat ucuna, hava soğutma kanat dibine, üst kapağa ve motor yağına birer adet termokupl montajı yapılarak deney düzeneğinden sıcaklık değerleri okunmuştur. Sonlu elemanlar yöntemiyle gerçekleştirilen analizlerde kullanmak için piston modelleri Solidworks 2022 paket programı ile oluşturulmuştur. Oluşturulan piston modellerinin zamana bağlı termal ve yapısal analizlerinin gerçekleştirilmesi için modeller ANSYS Workbench paket programına aktarılmıştır. Bu analizler sonucunda piston, astar tabaka ve kaplama yüzeyi için sıcaklığı dağılımı, ısı akısı, von-Mises gerilme değerleri ve toplam şekil değiştirme miktarı elde edilmiştir. Yanma analizleri için ANSYS Forte paket programında piston modeli oluşturulmuştur ve analizler sonucunda piston içi sıcaklık, piston içi basınç, egzoz emisyon ve ısı transfer verileri elde edilmiştir. Gerçekleştirilen deneyeler sonucunda kademeli piston modellerinde tüm yüzey kaplamalı piston modeline göre NOX egzoz emisyon değerlerinde düşüş fakat yakıt tüketiminde artış tespit edilmiştir. HC egzoz emisyon değerlerinde dört piston modeli için %50 yükleme koşullarına kadar yakın değerler tespit edilirken %62.5'lik yükleme durumunda tüm yüzey kaplı piston modelinde en yüksek değer tespit edilmiştir. Zamana bağlı termal analizler sonucunda en yüksek piston yüzey sıcaklığı tüm yüzey kaplı pistonda elde edilmiştir. Tüm yüzey kaplı piston modelinde ısı kayıplarının diğer piston modellerine göre daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Kademeli kaplama yapılan piston modellerinde ısı akısı miktarı kaplama yapılan yüzeyde az iken kaplama yapılmayan yanma haznesinde daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen yanma analizleri sonucunda silindir içi sıcaklık ve basınç değerlerinin tüm yüzey kaplı pistonda en yüksek, kaplamasız piston modelinde en düşük ve kademeli piston modellerinde bu iki değer aralığında ve birbirlerine yakın tespit edilmiştir. Yanma analizleri sonucunda duvardaki ısı transfer oranları karşılaştırıldığında en yüksek transfer kaplamasız piston modelinde görülürken en düşük ısı transferi tüm yüzey kaplamalı piston modelinde tespit edilmiştir. Yanma verimi en yüksek piston modeli tüm yüzey kaplı pistondur fakat NOX egzoz emisyon verileri diğer piston modellerinden daha yüksektir.

Abstract:
Different methods can be applied in order to increase the efficiency of internal combustion engines and improve their emissions. Due to the ease of application and developments in material technology, the thermal barrier coating is one of the methods used in recent years. It is aimed to reduce heat losses and increase engine performance by coating the piston surface with low heat transfer coefficient materials. Alumina, zirconia, magnesia, Berrillia, Lantanat and Gadalium can be used as coating material. In the present study, the engine piston was coated with Yttria stabilized zirconia by plasma spray coating technique. Engine performance and exhaust emission tests, heat transfer, and combustion analyzes were carried out with four piston models with uncoated (reference model), fully coated, and two different partially coated. It is aimed to increase the strength of the coating layer and at the same time reduce NOx emissions by applying a partial coating process on the piston surface. Six different load levels were used in the engine performance and exhaust emission experiments. Six different thermocouples were used to read the temperature change in, the intake line, exhaust manifold, air cooling fin tip, air cooling fin bottom, top cover, and engine oil during the experiments. Piston models were designed using Solidworks 2022 software for using finite element simulations. Piston models were imported to Ansys Workebench 2021 R1 for transient thermal and transient structural analysis. As a result of transient thermal and structural analyzes, temperature distribution, heat flux, von-Mises stress values, and total strain for the piston, lining layer, and coating surface was obtained. For the combustion analysis, the piston model was created in the ANSYS Forte software, and as a result of the analysis, internal piston temperature, internal piston pressure, exhaust emission, and heat transfer data were obtained. As a result of the experiments, it was determined that the NOx exhaust emission values decreased but the fuel consumption increased in the partially coated piston models compared to the fully coated piston model. In the HC exhaust emission values, values close to 50% loading conditions were determined for the four piston models, while the highest value was determined in the whole surface-covered piston model at the 62.5% loading condition. As a result of transient thermal analysis, the highest piston surface temperature was obtained for the fully coated piston model. It has been observed that the heat losses in the fully coated piston model are lower than the other piston models. It has been determined that the amount of heat flux in the partially coated piston models is low on the coated surface, while it is higher in the uncoated combustion chamber area. As a result of the combustion analyses carried out, the in-cylinder temperature and pressure values were found to be the highest in the fully coated piston, the lowest in the uncoated piston model, and in these two value ranges and close to each other in the partially coated piston models. As a result of the combustion analysis, when the heat transfer rates on the wall were compared, the highest transfer was observed in the uncoated piston model, while the lowest heat transfer was detected in the fully coated piston model. The highest combustion efficiency was observed in the fully coated piston, but the NOX exhaust emission is higher compared to other piston models.