Experimental validation tests for the head gasket of a heavy-duty diesel engine

The present Master Thesis deals with the implementation and upgrade of industry-known experimental procedures for the validation of a cylinder head gasket for modern heavy-duty diesel engines. It is the result of seven-month collaboration with Kohler Power – Engines department, a company based in Reggio nell’Emilia (RE), Italy, dedicated to the development and supply of internal combustion engines for non-road heavy-duty applications. The field of engine components validation has been subjected to increasing pressure to achieve shorter test durations while maintaining high reliability of the results, in a highly competitive market framework where the time to market of the product should be minimum. The validation process of a head gasket is especially penalized by the hardship of generating accurate numerical tools to predict its performance so, to present day, it mostly relies on time-intensive testing on engine dynamometers lasting from several hundreds to a few thousand hours. After an introduction into the state-of-the-art of head gaskets and the fundamentals of the head-block joint, three experimental tests carried on an engine prototype will be presented to investigate the main mechanisms of head gasket damage as well as the variables that can be leveraged to enhance these mechanisms with the aim of obtaining shorter test durations while retaining the accuracy of the results at the same time. The main focus is going to be the so-called Compact experiment, based on the feedback from the company’s clients on common head gasket failure modes. It is the only test that has been completed at the time of writing. A second test, known in the industry as deep thermal shock test, is going to be reparametrized in an alternative “light” form that enables normal engine test rooms, devoid of expensive coolant heating and chilling plants, to be employed for the purpose. Finally, an engine endurance test will be set up as a complement to the head gasket validation process. The last two tests were launched but left on-going at the end of our collaboration.

La stesura della presente tesi di Laurea Magistrale ha l’obiettivo di implementare procedure sperimentali, inserite nel solco di preesistenti standard industriali, per la validazione di una guarnizione di testata per un motore diesel industriale di ultima generazione. Essa è il risultato di una collaborazione durata sette mesi con l’azienda Kohler Power – Engines ubicata presso Reggio nell’Emilia (RE), dedita alla progettazione, sviluppo e produzione di motori a combustione interna per mezzi pesanti non stradali. Il settore della validazione sperimentale di componenti per motori è soggetto a una pressione crescente verso la riduzione dei tempi di prova senza poter sacrificare l’affidabilità dei risultati, e si inquadra come una delle tappe più lunghe nel processo di immissione sul mercato di un motore, inficiandone potenzialmente la competitività. In particolare, la validazione della guarnizione di testata è penalizzata dalle difficoltà nel generare strumenti numerici di validità generale capaci di anticipare con precisione la sua prestazione di tenuta. Di conseguenza, tutt’oggi la sua validazione viene affidata principalmente a prove di motore al banco dinamometrico, con durate che spaziano da diverse centinaia di ore fino a qualche migliaio. Dopo un’introduzione allo stato dell’arte delle guarnizioni per testata, ai principi fondamentali che intervengono nella tenuta del giunto testata-blocco motore, nonché all’interazione tra lo stato di carico del giunto e l’impianto di raffreddamento del motore, la seguente trattazione si struttura nella presentazione di tre prove sperimentali al banco che consentono di esaminare i meccanismi principali di danneggiamento della guarnizione di testata. Contestualmente verranno analizzate le variabili di prova che si possono controllare per amplificare tali meccanismi allo scopo di poter ridurre le durate di prova mantenendo un adeguato grado di accuratezza. L’analisi verrà circoscritta principalmente ad una prova, internamente nota come prova Compact, progettata a partire dai riscontri forniti dai clienti dell’azienda sulle modalità di cedimento delle guarnizioni. Al momento della stesura del presente testo, la prova Compact è l’unica ad essere stata portata a termine. Una seconda prova, nota nel settore come prova di shock termico “intenso” verrà riadattata in una declinazione “leggera”, un compromesso funzionale all’implementazione in celle di prova con attrezzatura standard, priva dei costosi impianti di riscaldamento e raffreddamento richiesti dalla prima. Infine, una prova di resistenza (o endurance) del motore verrà usata in modo complementare alle precedenti per concludere la validazione della guarnizione. La prova di shock termico e quella di resistenza risultano avviate ma non terminate al momento della chiusura del rapporto di collaborazione con l’azienda.