Otomotiv egzoz sistemindeki katalitik konvertörlerin metal kılıflarında termomekanik yorulma araştırması

Otomotivde egzoz sistemi parçaları farklı titreşim ve ısıl yüklere çalışma ömürleri boyunca maruz kalmaktadır. Titreşim yükleri basit sinus titreşimlerden, rastgele oluşan maksimum genlikli yüklere ve ani şok yüklerine kadar değişmektedir. Isıl yükler ise ani olarak yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa azalmalar sebebiyle oluşan sıcaklık değişmelerinden kaynaklanmaktadır. Otomotiv sektöründeki parçalarda ısınma, motor silindiri içindeki yakıt-hava karışımının patlamasından ileri gelen enerjiden kaynaklanmaktadır. Bu enerji motor bloğuna, başta egzoz manifoldu ve turbo olmak üzere motor üzerindeki diğer komponentlere ve turbodan sonra egzoz üzerindeki parçalara dağılmaktadır. İkincil olarak ise bu sistemlere yakın parçalar oluşan ısıdan etkilenmektedir. Birincil ısınan bölge olarak kabul edilen egzoz ve egzoz hattı üzerinde emisyonu iyileştirmek üzere konumlanan parçalardan olan katalitik konvertörün üzerindeki ısı yükler bu çalışmada esas olarak incelenecektir. Isıl yüklerin haricinde parça üzerine araçtaki titreşimlerden gelen kuvvetler ölçülecektir, dayanıklılığını doğrulamak için mevcut test yöntemi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Ömür testleri, katalist sistemlerinin dayanıklılığını göstermek için kullanılan temel testlerdendir. Ömür testleri hızlandırılmış ısıl ve titreşim yüklerinden kaynaklanan hasarların parça üzerindeki etkisini göstermektedir. Bu sayede parçanın sahada kullanımı boyunca hatasız olarak çalışılma süresi garanti edilebilecektir. Ömür testlerini gerçekleştirebilmek için, çalışma koşullarında parçanın üzerindeki ısı ve kuvvet dağılımının bilinmesi gereklidir. Ölçülen kuvvet ve sıcaklık değerlerinden yola çıkılarak, parça hızlandırılmış teste özel bir test laboratuarında tabii tutulacaktır. Tezin birinci bölümünde egzoz emisyonu, katalitik konvertör ve katalitik konvertörün kullanım koşulları açıklanmıştır. Dizel motorlarda egzoz emisyonun önemi ve katalitik konvertörlerin neden geliştirildiğine yer verilmiştir. Ayrıca katalitik konvertör tipleri, iç yapısı ve yapısında kullanılan malzemeler hakkında bilgi verilmiştir. Yapılan literatür araştırmalarında görülen, termal yorulma için geliştirilen formülizasyonlar ve ömür hesap modelleri tezin ikinci bölümünde açıklanmıştır. Sonlu elemanlar analizi ile yapılan ömür hesaplama modellerinden bahsedilmiştir. Farklı malzemeler ile yapılan termal yorulma çalışmaları analiz edilmiştir. Üçüncü bölümden itibaren yapılan test çalışması açıklanmış ve test düzenekleri ile ölçüm cihazları ve çalışma prensipleri hakkında bilgi verilmiştir. Sonrasında hasar analizi çalışması görsellerle birlikte açıklanmıştır. Son bölümde ise test ve hasar analizi sonuçlarına bağlı olarak yapılan çıkarımlara ve sonuçlara yer verilmiştir. Sunulan çalışmada egzoz sistemlerinin tasarım, geliştirme aşamalarından sonra en kritik aşaması olan ömür testlerinin sonuçlarını göstermek üzere, ömür simulasyon testi yapılmıştır. Bu tip sistemlerde en önemli etkiler olan ısıl ve titreşimli yüklerden kaynaklanan hasar mekanizmalarını açığa çıkarmak için, ısıl ve titreşimli yükler ayrı ayrı ve birlikte uygulanarak deney numunesi test edilmiştir. Deneylerde yük altındaki egzoz gövdeside oluşan şekil değişimleri DIC Kamera sistemi ile ölçülmüştür. Bunun yanında strain gauge ölçümleriyle DIC methodu için doğrulama yapılmıştır. Çalışmanın başlangıcında ayrı bir deney numunesi olarak seçilen, katalitik konvertör ile benzer bir malzemeye sahip olan paslanmaz çelik bir levha üzerinde, DIC kamera ile genleşme ölçümü yapılmıştır. Yapılan bu analiz ile DIC kameranın ölçüm aralığı ve parça üzerinden seçilen alanın büyüklüğüne bağlı olmaksızın güvenilir ölçüm sonuçları verdiği teyit edilmiştir. Yapılan testler DIC kamera ile termal gerilme analizi çalışmasının nadir örneklerindendir. Bu yöntem sayesinde test parçası üzerine herhangi bir ölçüm cihazı yapıştırmadan gerilme ölçümü alınabilmekte ve test parçası üzerindeki ölçüm metodunun etkisini ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca diğer gerilme ölçme metodlarında görülen parça üzerine ölçüm cihazı kaynaklama ve yapıştırma gibi çentik etkisi gerilmesi yaratıcı bir etki bulunmadığından daha doğru sonuçlar elde edilebilmektedir. DIC Kamera ile ölçüm metodu sayesinde, test parçası üzerindeki sıcaklığa bakılmaksızın ölçüm yapılabilmekte ve sıcaklığın değişiminden etkilenmeyecek bir ölçüm prensibi ihtiva etmektedir. Bu avantajlar göz önüne alınarak, egzoz sistemindeki bir parçanın gerilme-genleme analizi için, ölçüm metodu olarak DIC Kamera sisteminin tercih edilmesi uygun görülmüştür. Araç üzerindeki vibrasyondan ileri gelen kuvvetlerin ölçümü için, egzoz sisteminde ivmeölçerler ile data alınmıştır. Alınan ivmeölçer datası ile parça üzerine gelen kuvvetler değerlendirilmiş ve transfer fonkisyonu yardımı ile istenilen ömür etkisini oluşturacak bir titreşim haritasına çevrilerek shaker cihazında üç eksenli olarak test sıcak ve soğuk şartlarda ayrı ayrı test edilmiştir. Bu çalışma ile birlikte, katalist üzerinde yapılan testler üç gruba ayrılmıştır. Termal gerilme testleri, soğuk vibrasyon testleri ve sıcak şartlarda vibrasyon testleri sonuçları, her bölüm sonunda alınan kaçak ölçümü ile yorumlanmıştır. Basınçlı hava vasıtasıyla yapılan kaçak ölçümlerinde en çok kaçağın termal gerilme altında yani sıcak şartlarda yapılan vibrasyon testleri sonucunda görüldüğü tespit edilmiştir. Ancak sadece soğuk vibrasyon uygulandığında parça üzerinde maydana gelen kaçak ihmal edilebilir mertebededir. Bu analiz ile termal gerilmelerin katalist üzerinde vibrasyona göre daha etkin olduğu sonucuna varılmıştır. Yapılan ömür testi sonunda egzoz katalisti üzerinde tespit edilen çatlaklar, yorulma gerilme genliği sebebiyle oluşup oluşmadığının tespiti için hasar analizi yapılmıştır. Hasar analizi yapılması için çatlak yüzeyleri birbirinden ayrılmış ve elektron mikroskobu altında çatlak yüzey görüntüleri alınmıştır. Görüntüler yorumlanarak hasarın termomekanik yorulma kaynaklı olduğu görülmüş ve test metodolojisinin termomekanik yorulma yarattığı ispatlanmıştır. Termomekanik yorulmanın fractographic SEM görüntüleri tez içinde gösterilmiştir. Görüntülerde tespit edilen yorulma çizgileri ( fatique striations ) ve ikincil çatlaklar hasarın yorulma kaynaklı meydana geldiğini açıkça göstermektedir. Bunun yanı sıra çatlak ilerleme yönü ve parçanın malzeme karakteristiğine uygun olarak sünek kırılma bölgesi üzerinde dimple olarak isimlendirilen gözenekli yapı, SEM görüntülerinde izlenmiştir. Çatlak oluşumu penetran muayenesi sonucu tespit edilmiş bir durumdur. Çatlak yüzeyinin incelenmesi için çatlak olan bölge önce kesilerek katalitik konvertörden ayrılmış ve daha sonra çatlak yüzeyi zarar görmeyecek şekilde birbirinden ayrılmıştır. SEM incelemesi sırasında kırık yüzeyin hangi bölümünden görüntü alındığı ayrıca makroskobik boyuttaki fotoğraflarda gösterilmiştir. Çalışmanın sonucunda egzoz manifoldu üzerindeki termal ve vibrasyon kaynaklı gerilmelerin etkisi açığa çıkarılmıştır. Hem DIC Kamera ile alınan gerilme dataları hem de basınç kaybı (kaçak) testlerinin sonucuna göre termal gerilme testlerinin egzoz ömründeki etkisi daha fazla olduğu ispatlanmıştır. Ayrıca test sonunda görülen çatlaklar için kaynak iyileştirme önerisi verilmiş ve kaynak metodunun tekrar gözden geçirilmesi gerektiği ortaya çıkarılmıştır. Hasar analizi ile SEM görüntüleri ile ispatlanan yorulma mekanizmasının önlenebilmesi için kaynak bölgelerinde iyileştirilmeye gidilmesi gerektiği sonucu çıkarılmıştır.