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O+P Fluidtechnik 3/2019

O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG

PRÜFSTANDENTWICKLUNG FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED Typ Variable Bezeichnung Messbereich Messabweichung Druck p Vorlauf Raildruck Sensor, Fa. Delphi k.A. (OEM) k.A. (OEM) p A HBM P3MBP 0 – 5 000 bar < 0,3 % p B HBM P3ICP 0 – 3 000 bar < 0,2 % p C Hydac HDA 4700 0 – 600 bar < 0,5 % Temperatur T Ein Thermoelement Typ K -270 – 1 300 °C +/- 1,5 °C T A Thermoelement Typ T -40 – 350 °C +/- 1 °C T B Thermoelement Typ T -40 – 350 °C +/- 1 °C T c Thermoelement Typ T -40 – 350 °C +/- 1 °C T Aus Thermoelement Typ K -270 – 1 300 °C +/- 1,5 °C T Außen,i Blattthermoelement Typ K -270 – 1 300 °C +/- 1,5 °C Massenstrom Wägezelle H10A-C3-0008 0 – 8 kg +/- 0,01 % Tabelle 01: Sensorik im Mikrospaltprüfstand 11 12 Messstellen im Mikrospalt zur Erfassung des Drucks und der Temperatur Spaltkoordinate x Finaler Mikrospaltprüfstand mit Sensorik Zuleitung Abfluss zur Waage und somit ist ein sicheres Verpressen der Beißkante in den Grundkörper gewährleistet. Wenn Grund- und Gegenkörper mit Führungsstiften vormontiert sind, wird die Einheit in die Servopresse eingebaut, siehe Bild 10. Beim Pressvorgang werden spezielle Montagevorrichtungen genutzt, welche die Montage der Schrauben auch erlaubt, während Grund- und Gegenkörper in der Presse verspannt sind. Die Umsetzung der messtechnischen Erfassung der Drücke p ein , p A , p B und p C und Temperatur T ein , T A , T B , T C und T aus im Spalt sowie der Volumenströme durch den Spalt Q ein und Q aus ist in Bild 11 abgebildet. Innerhalb des Mikrospalts werden die Messgrößen an drei Orten aufgenommen. Dies ergibt sich aus der Notwendigkeit, dass die Messung das Experiment in möglichst geringfügiger Form beeinflusst. Hier wird insbesondere der Tatsache Rechnung getragen, dass eine Anzahl an Sensoren größer drei die Verformung des gesamten Systems deutlich beeinflusst und Anschlüsse und Bohrungen in Spaltnähe Fehlstellen im Material darstellen. Die genaue Konfiguration ist in Tabelle 01 mit den verwendeten Sensoren, ihrer Position und den Messbereichen sowie der vom Hersteller genannten Messabweichung gelistet. An den jeweiligen Messstellen sind Temperatursensoren (Grundkörper) und Drucksensoren (Gegenkörper) an gegenüberliegenden Flächen kollinear angeordnet, wie in Bild 11 dargestellt. Die in Tabelle 01 gelisteten Blattthermoelemente dienen der Erfassung der Außentemperatur des Mikrospaltprüfstands. Hierfür werden diese mit einem wärmeleitenden Zweikomponentenklebstoff an der Oberfläche befestigt. Der Volumenstrom wird indirekt über die bekannte druck- und temperaturabhängige Dichte aus dem gemessenen Massenstrom ermittelt. Der Mikrospaltprüfstand mit sämtlicher Sensorik exklusive der Waage zur Erfassung des Massenstroms ist in Bild 12 dargestellt. Vor dem Hochdruckzulauf des Mikrospalts ist ein T-Stück angeordnet, in welches ein Thermoelement zur Erfassung der Zulauftemperatur eingebaut ist. Im und auf dem Grundkörper und dem Gegenkörper sind die Sensoren zur Erfassung des Drucks und der Temperatur an den Stellen A, B, C und der Oberfläche montiert. In den Niederdruckausgang (Abfluss) ist ein Thermoelement zur Erfassung der Ausgangstemperatur eingeschoben. Vor der Inbetriebnahme des Mikrospalts werden die Sensoren kalibriert. Die Temperatursensoren werden in einem temperierten Bad mit einem kalibrierten Messfühler abgeglichen. Mittels eines speziellen Prüfstands für Druckmessumformer wird ein Abgleich der verwendeten Drucksensoren durchgeführt. Dieser zeigt, dass die vom Hersteller gelieferten Kalibrierwerte korrekt sind. 7 INBETRIEBNAHME Der in Bild 12 vorgestellte Mikrospaltprüfstand am Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme ist in eine spezielle Peripherie integriert. Diese stellt eine Druckversorgung für den Mikrospalt dar. Der Schaltplan des Prüfstands mit Aggregaten ist in Bild 13 abgebildet. Mittels einer CR-Pumpe wird in einem Rail mit Druckbegrenzungsventil (DBV) ein definierter Druck aufgebaut, welcher den Eintrittsdruck in den, an das Rail angeschlossenen, Mikrospalt darstellt. Die CR-Pumpe wird mit einer externen Schmierstoffpumpe versorgt und saugt das zu verdichtende Fluid durch einen Filter an. Als Schmiermittel wird dasselbe Medium verwendet, das auch im Mikrospalt untersucht wird. Es handelt sich um ein Prüföl für Dieseleinspritzprüfstände, das sog. SRS Calibration Fluid CV. Im Rücklauf befinden sich verschiedene Kühler, die das durch den Abdrosselvorgang im DBV erwärmte Fluid rückkühlen. Auf diese Kühlung wird am Auslass des Mikrospalts verzichtet, da der Volumenstrom, und damit der Enthalpiestrom, deutlich niedriger im Verhältnis zum DBV-Rückstrom ausfällt. 54 O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG 13 Schaltplan der Prüfstandperipherie des Mikrospalts Mikrospalt mit Sensoren Rail CR Pumpe und Motor DBV Ölpumpe Wasserkühler Saugfilter Luftkühler Tank Auffangbehälter auf Waage 14 Prüfstandaufbau am Institut für fluidtechnische Antriebe 15 1 000 bar Relativdruck über den Mikrospalt, Messreihe 1, und Systeme 2 und 3 Motor Tank Rail Mikrospalt Druck in bar Temperatur in °C Kühler Auffangtank auf Waage Spaltkoordinate x in mm Eine fotographische Aufnahme des Prüfstands ist in Bild 14 abgebildet. Aufgrund des kompakten und modularen Aufbaus ist es möglich, weitere Versuchsträger an die Druckversorgung anzuschließen und zu betreiben. Das Gesamtfluidvolumen im Prüfstand wird bewusst klein gehalten, da so ein thermisch stationärer Zustand in kürzerer Zeit erreicht ist. Vor der Durchführung der Versuche wird der Prüfstand einer Druckprüfung bis 3 000 bar unterzogen. Diese zeigte keinerlei Leckage. Das Dichtkonzept des Mikrospalts in Form der Beißkantendichtung ist funktionsfähig. Daraufhin wird der Prüfstand bei der niedrigsten Druckstufe (1 000 bar Differenzdruck über den Mi-krospalt) betrieben und die Messwerte werden entsprechend ausgewertet. Für jeden Betriebspunkt wird der Prüfstand zunächst so lange betrieben, bis ein thermisch stationärer Zustand erreicht ist. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass sich der Prüfstand zu Beginn der Messung in einem Zustand nahe der Raumtemperatur befindet. Sämtliche instationären Aufheizvorgänge sollen im Betriebs- und Messpunkt abgeklungen sein, damit eine Vergleichbarkeit der Messungen möglich ist. Die Betriebspunkte in Form des Differenzdrucks werden in 500 bar Schritte eingeteilt. 8 VERSUCHSERGEBNISSE UND DISKUSSION Die Temperatur und der Druck sind in Bild 15 über der Spaltlänge aufgetragen. Der Druck fällt nahezu linear über der Spaltlänge ab und die Temperatur erhöht sich in nichtlinearer Form. Zur Absicherung der Reproduzierbarkeit werden drei Messreihen durchgeführt. Die Werte werden für einen Zeitraum von t = 30 s gemittelt. Da der Prüfstand in diesem Ausbaustadium keine Tanktemperierung aufweist, ist das stationäre thermische Systemverhalten von der Umgebungstemperatur abhängig. Aus dieser Tatsache resultieren die über der Spaltlänge variierenden Temperaturverläufe (zeitlich konstanter Offset). Da die Viskosität als stark nichtlinear von O+P Fluidtechnik 3/2019 55

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