Kademeli termal bariyer kaplamanın bir dizel motorda yanma, performans ve egzoz emisyonlarına etkisi ve yanma odası elemanlarında oluşan termal ve basınç gerilme analizi

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.