Enjektör valflerinin aşınma karakteristiğine malzeme etkisinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of effect of materials on wear characteristics of injector valves
Yazar: İSMAİL HARUN TOPÇU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde içten yanmalı motorlarda kullanılan enjektörler gün geçtikçe daha yüksek basınçlarda çalışmaktadır. Gerek yakıt ekonomisi gerekse emisyon değerlerinin iyileştirilebilmesi için yanma prosesi kilit bir nokta konumundadır. Özellikle hava kirliliğinin çok fazla arttığı son yıllarda, hem çevreyi koruma adına hem de günümüzde üretimine başlanan ve ileriki yıllarda pazarda daha çok yer edinecek elektrikli ve hidrojen enerjisi ile çalışan otomobiller ile rekabet edebilmek için yakıtın yüksek basınçlarda yanma odasına enjekte edilmesi büyük önem taşımaktadır. 
Ancak enjektör içindeki komponentlerin, artan yüksek çalışma basıncı şartlarında çalışmaları ve ürün ömrü boyunca yeterli mukavemette kalmaları zor olmaktadır. Özellikle enjektörlerde en kritik yer olan valf kısmında mukavemetle alakalı büyük sorunlar yaşanmaktadır. Enjektör valflerinde ( veya diğer komponentlerinde) meydana gelen aşınmalara rağmen, valflerde herhangi bir sızdırma veya yorulma etkisi ile kırılma gibi enjektörü fonksiyonunu yapamayacak hale getiren hatalar nadir olarak görülmektedir (yakıt içindeki partikellerin malzemeler üzerinde abrasif kanallar açtığı çok nadir gerçekleşen durumlar hariç). Ancak bu otomobil üreticileri için yeterli bir kalite özelliği değildir. Otomobil üreticileri uygulayacakları motor aplikasyonlarından istedikleri sonucu alabilmek için, kullanacakları enjektörlerin istenilen zamanda istenilen miktarda yakıtı istenilen basınçta istenilen noktaya püskürtebilmesini beklemektedirler. Özellikle yanma sürecinin verimini arttırmak için ana püskürtme öncesi yapılan pilot püskürtmelerde ve ana püskürtme sonrası emisyon değerlerini azaltamaya yönelik yapılan İngilizce literatürde "post injection" olarak adlandırılan püskürtmelerin yapılabilmesi büyük önem taşımaktadır. Bahsedilen püskürtmeler miktar olarak çok küçük değerlerde olduğu için (1-3 mm3 arasında) bu püskürtmeleri enjektörün ömrü boyunca yerine getirebilmek, aşınmalar ve sıfır saatte ayarlanan parametrelerin aşınmalar sonucu değişmesi nedeni ile zor olmaktadır. 
300 000 km yol yapan bir aracın enjektörlerinin valfi 1 milyar'dan fazla sayıda açma kapama hareketi yapmaktadır. Bu tekrarlamaların her birinde valf konstrüksiyonu gereği parçalar birbirine basınçlı yakıtın oluşturduğu hidrolik kuvvet etkisi ile çarpmaktadır. Yeni geliştirilen enjektörlerde de yakıt daha yüksek basınçlara ulaştığından parçalar birbirine daha yüksek kuvvet altında çarpmaktadır. Bu sebepten dolayı şuan üretimde olan ve daha düşük basınçlarda çalışan enjektör valflerine göre, ileride üretilecek olan enjektör valflerinin daha yüksek zorlanmalara maruz kalacağı aşikârdır. 
Bu deneysel çalışma kapsamında seri üretimdeki enjektörde çalışmakta olan valf malzemelerine alternatif olarak kullanılabilecek malzeme çiftleri incelenmiştir. Daha zorlu çalışma şartlarında şuanda kullanılmakta olan valf malzemeleri ve bu malzemelere alternatif olarak belirlenen diğer malzeme çiftlerinde meydana gelebilecek aşınma mekanizmalarını araştırmak ve yeni çalışma şartlarına uygun malzeme çiftlerini belirlemek çalışmanın ana hedefi olmuştur. Referans valfte kullanılan 100Cr6-100Cr6 çiftine karşılık test edilen diğer dört numune çifti şu şekildedir: N0 numunesinde geometri değişikliği yapılarak 100Cr6-100Cr6, N1 numunesinde 18CrNi8-100Cr6, N2 numunesinde 100Cr6-X30CrMoN15, N3 numunesinde 100Cr6-Caldie. (N0 numunesi dışında diğer numunelerde geometri değişikliği yapılmamıştır.)
Enjektörün valf tasarımından dolayı aşınmalar ile birlikte artış gösteren valf strok (VS) değeri hidrolik dengelerden dolayı püskürtme miktarlarında çok büyük bir öneme sahiptir. Enjektör sıfır km iken ayarlanan VS değerinin çalışma sonucu meydana gelen aşınmalar ile artış göstermesi enjektörün sıfır saatteki haline göre negatif püskürtme yapmasına sebebiyet vermektedir. VS artışı belirli bir değerin üzerine çıktığında püskürtme miktarları belirlenen toleransların dışına çıkabilmektedir. Bu sebeplerden dolayı meydana gelen aşınmalar ile birlikte valf stroğu da deney öncesi ve sonrası ölçülmüştür. Alternatif malzeme çiftlerinin mevcut valften daha iyi olup olmadığına karar verirken incelenen nicelikler; parçalarda aşınma sonucu meydana gelen geometrik değişimler, eş çalışan yüzeylerde meydana gelen aşınmaların asimetrik olup olmayışı ve aşınma sonucu valf stroğunu nasıl etkilediği olmuştur. (Aşınmanın parçada asimetrik olarak meydana gelmesi valf strok kesitini etkileyip hidrolik değerleri değiştirdiği için değerlendirme kriterleri içerisine alınmıştır). Normalde test öncesi ve sonrası ölçülen VS değeri bu deneyde ekstra olarak çeşitli varsayımlar yapılarak türetilen bir ampirik formül ile hesaplanmıştır. (Hesaplanan değerler ile ölçülen değerleri belirli bir hata payı toleransında birbirine yakın çıkan değerler parçaların asimetrik aşınmadığına kanıt olarak gösterilmiştir.)
Deney düzeneği olarak gerçek araçlarda kullanılan parçalarla oluşturulmuş bir düzenek oluşturulmuştur. Referans numune ile diğer alternatif numuneler enjektörlere montaj edilerek ömür testleri yapılmıştır. Gerçek sürüş koşullarında oluşan aşınma miktarlarını kısa sürede elde etmek için enjektörler sürekli maksimum çalışma basıncında çalıştırılmıştır. 
Ömür testleri bitiminde valfler enjektörlerden demonte edilerek detaylı incelemeye tabi tutulmuştur. Test öncesi ve sonrası parçalar WLI (White Light Inferometry) metodu ile üç boyutlu olarak taranmış ve yüzey profilleri alınmıştır. Taranan verilerden 45˚ aralıklar ile 8 adet kesit alınarak sıfır saat ve deney sonrası ölçülen farklardan aşınma miktarları belirlenmiştir.
Parçalar elektron mikroskobu ile fotoğraflanmıştır. Fotoğraflar incelenerek parçalarda meydana gelen aşınma türleri incelenmiş ve baskın aşınma türleri adhezif aşınma ve yorulma aşınması olarak belirlenmiştir. Parçalarda meydana gelen aşınmaların asimetrik olup olmayışına WLI taramaları ve SEM fotoğrafları incelenerek karar verilmiştir. Hem WLI hem de SEM ölçümleri öncesi parçalar yüzey temizlemesi ve kurutma işlemine tabi tutulmuştur.
Parçalarda meydana gelen aşınmalar, aşınmaların asimetrik olup olmayışı ve valf strok değişimlerine bakıldığında N3 sonuçlarının R1 ile benzer özellikler taşıdığı, N0 sonuçlarının ise R1'den daha iyi olduğu kanısına varılmıştır. N0 ve N3 ile yeni testler planlanarak veri sayısını arttırmak gelecek adım olarak planlanmıştır.

Abstract:
Nowadays, the fuel injectors used in internal combustion engines are operating in higher system pressures. Combustion process has a key role both for fuel economy and reducing the emission values. Especially in last years where air pollution has extremely increased, it is very vital to inject the fuel into combustion chamber with a higher pressure for both  protection of the enviroment and competing with electrical and hydrogen powered cars which are already begun to produce and expected to increased number of production numbers in next years. 
But it is getting hard for the components inside the injectors to operate with the increased system pressure and to endure the harder conditions during the hole servise time. There has been serious problems regarding endurance and strenght especially in the switching valve where is the most critical part in the fuel injectors. However, It is rarely seen in injector valves – except some extreme cases - such failures like leakage and crack of the components which can be a reason of being unfunctional of the injector even though components are worn. But this is not an enough quality property for the automobile manufacturers. Automobile manufacturers are expecting from the injectors, that they will use in the engine applications, to able to inject the required amount of fuel at the desired pressure to the desired point at the desired time in order to get desired results. It is very important especially in order to carry out the injections called pilot injections which are performed for increasing the efficiency of the combustion and the injections called "post injection" in the literature which are performed to reduce the emissions. Since mentioned injection amounts are quite small (1-3 mm3), it is hard to fulfill this requirements during the hole working life because of the occured wear on parts and chances in zero hour setting values in the injector.
A valve of an injector, which in a car that has been driven about 300 000 km, switches more than 1 billion time. In each of these repetitions, the components of the valve are struck to each other (because of the valve construction) by the hydraulic force created by pressurized fuel. In newly developed injectors, as the fuel reaches higher pressures, the parts are striking each other under higher forces. For this reason, it is obvious that the injector valves to be produced in the future will be subjected to higher stresses than the injector valves which are in production and operating at lower pressures. 
In this experimental study, pairs of materials that could be used as an alternative to the valve materials in serial production have been tried. It is the main goal of this experimental study to understand and analyze the effects that abrasive wear, adhesive wear, fatigue wear(pitting), tribochemical wear, cavitation erosion, which may come into play in more challenging conditions, will occur in the production valve materials and other material pairs determined as alternatives to these materials. The other four pairs of samples,tested against the 100Cr6-100Cr6 pair used in the reference valve, are as follows: in N0 sample 100Cr6-100Cr6 with a geometry chance, in N1 sample 18CrNi8-100Cr6, in N2 sample 100Cr6-X30CrMoN15, in N3 sample 100Cr6-Caldie. (No other geometries have been changed except for N0.)
Due to the valve design of the injector, the valve stroke (VS) value which increases with wear has a very big influence on injector quantities due to hydraulic balances. Increasing of VS, which is set at the 0 km, due to wear causes negative injection quantity drift with respect to 0 hour injection value. If VS increase over a certain value, the injection quantities can go beyond the specified tolerances. From that reason valve stroke values measured before and after endurance test along with the wear values. Investigated properties when deciding whether alternative material pairs are better than the existing one; wears occured on the parts, whether occured wear assymmetric or not and the valve strok drift. (The asymmetry of the wear on the part has been included in the evaluation criteria since it changes the hydraulic values affecting the valve stroke section). The valve stroke value, measured normally before and after endurance test, also calculated with an empirical formula which created with some assumption.                                ( Values, which are close to each other between calculated and measured with a certain error margin tolerance, has been shown as proof that parts were not asymmetrically worn)
Experimental test setup components are similar with the components in series production cars that are used in common rail injection system. Experimental test set up consist of; fuel tank, high pressure pump, high pressure rail, high pressure rail sensor, pressure regulator valve and high pressure pipes between rail pump and injectors. High pressure pump sucks the fuel from the fuel tank and delivers the pressurized fuel into the high pressure rail. Pump has a metering unit which can regulate the output pressure of the fuel. In this way pressure picks, which are generated by the pump itself, are significantly reduced. In the rail, fuel is stored at constant pressure and rail is connected to the test injectors. High pressure sensor measures the rail pressure constantly. Datas taken from rail are analyzed by the ECU (electric control unit). If needed pressure regulator valves (a servo valve)  is activated and pressure inside the rail is adjusted. In total, experimental setup has a two pressure regulator device ( one in pump and the other one in the rail). In this way a very good pressure stability in the system is provided. Injectors are connected to the rail via high pressure pipes. After pressurized fuel pases from tha pipes, it enters the injector input. Injectors are controlled by the ECU. All injector  are tested with one valve only. It means in total, 16 injectors tested with 3 differant experiment. To be sure that all valves are worned equally, same energyzing time is used for all injectors. ( Injectors use piezoelectric material to trigger the switching valve.)   
High pressure  Endurance tests were performed by assembly of the reference sample (R1) and other alternative samples(N0,N1,N2,N3) into the injectors. Injectors constently run in maximum pressure, in order to observe the wear rates in real driving conditions in a shorter time period. It is a common way when investigators do not have enough time to get the real wear values from the injectors. For example: an injector valve, which has a warranty of 300 000 km, is triggered approximately 1.3 billion times in real drive conditions. 1.3 billion trigger mean 1.3 billion injections. But this injections are made within a range of pressure levels which depend on min and max. operating pressure of the injector. Mostly middle pressure classes are used in city driving conditions. In the experiment only the highest pressure level is used to shortend the experiment time. Since only the higher pressure level is used, valve wear debths are approximately same with real drive conditions.   
At the end of the endurance tests, valves disassembled from the injectors and had examined in detail. Parts surfaces scanned before and after experiment and surface profiles were taken in three dimensions by WLI (White Light Inferometry) method. Eight sections were taken at intervals of 45 ° from the scanned datas and wear debth values determined between zero hour and after experiment conditions. 
The parts photographed with electron microscope (SEM). Then, the types of wear that found in the parts examined and the type of dominant wear determined as adhesive and fatigue wear. WLI scans and SEM photographs reviewed to determine whether the wears are asymmetric. Both WLI and SEM measurements performed after the surface cleaning and drying.
During final decision three main parameter is considered. Max wear depths on the parts, change in the valve stroke becuse of the wear on the parts and asymmetrical wear occurance.It is concluded that, N3 results have similar properties to R1 and N0 results are better than R1; considering wear depths of the parts, valve stroke changes and whether the wears are asymmetric or not. Further tests with N0 and N3 are planned and the aim is to increase the number of datas.