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O+P Fluidtechnik 3/2019

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PRÜFSTANDENTWICKLUNG

PRÜFSTANDENTWICKLUNG FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 16 Massenstrom für 1 000 bar Relativdruck über den 17 1 500 bar Relativdruck über den Mikrospalt, Messreihe 1, Mikrospalt (Messreihe 1) 2 und 3 Masse in g Zeit in s Differenzdruck Messreihe 1 Messreihe 2 Messreihe 3 Mittelwert Standardabweichung 1 000 bar 0,42 g/s 0,41 g/s 0,43 g/s 0,42 g/s 0,01 g/s 2,5 % 1 500 bar 0,75 g/s 0,74 g/s 0,79 g/s 0,76 g/s 0,02 g/s 2,5 % 2 000 bar 1,09 g/s 1,11 g/s 1,16 g/s 1,12 g/s 0,03 g/s 2,5 % Tabelle 02: Auswertung der Massenströme von 1 000 bis 2 000 bar Differenzdruck der Temperatur abhängige Größe nach Gl. 03 in den Druckaufbau mit eingeht, werden die Abweichungen im Temperaturverlauf über der Spaltlänge größer. Der betragsmäßig größte Fehler im Druckverlauf findet sich an Messstelle B (x = 10,5 mm) mit ± 18 bar und im Temperaturverlauf an Messstelle C mit ± 1,9 °C. Für diese und alle folgenden Betrachtungen bezieht sich der Fehler auf ein 68 % Intervall innerhalb der Normalverteilung. In Bild 16 ist der Massenstrom des Fluides durch den Mi-krospalt über der Zeit aufgetragen. Das Rohsignal ist aufgrund der Verwendung einer Dehnungsmessstreifenwaage mit einem Hintergrundrauschen behaftet. Daher wird das Rohsignal durch eine lineare Regressionsrechnung ausgewertet. Über die Steigung der Regressionsgeraden kann der Massenstrom ermittelt werden, welcher aus dem Mikrospalt tritt. Dieser beträgt bei 1 000 bar Druckdifferenz 0,42 g/s für Messreihe 1. In Bild 17 und Bild 18 sind die Druck- und Temperaturverläufe für 1 500 bar und 2 000 bar Relativdruck dargestellt. Die Abweichungen zwischen den drei Messreihen zeigen ähnliche Tendenzen und Beträge wie bei 1 000 bar. Ein auf 1 500 bar oder 2 000 bar steigender Vordruck ändert die Charakteristik des Druckabbaus über den Spalt nicht signifikant. Der Verlauf der Temperatur ist auch bei höheren Eingangstemperaturen nichtlinear. Bemerkenswert ist die Steigerung der Auslasstemperatur des Mikrospalts. Im Fall eines Einlassdrucks von 1 000 bar wird eine Temperatursteigerung ΔT, zwischen Einlass und Auslass, von durchschnittlich 33 °C erreicht. Diese wächst mit der Erhöhung des Drucks. 1 500 bar beziehungsweise 2 000 bar Einlassdruck resultieren in einer Temperaturerhöhung des Fluids von 57 °C beziehungsweise 80 °C. Der Effekt der starken Temperaturerhöhung über den Mikrospalt wurde im Vorfeld vorausgesagt und bestätigt sich in den experimentellen Untersuchungen. Die Auswertung des Massenstroms über den Mikrospalt für 1 000 bar, 1 500 bar und 2 000 bar Relativdruck ist in Tabelle 02 zusammengefasst. Bemerkenswert ist, dass die Massenströme eine geringe Abweichung zueinander besitzen. Weiterhin ist die Druck in bar Spaltkoordinate x in mm Standardabweichung der Massenströme innerhalb der Druckstufen nahezu identisch bei 2,5 % bezogen auf den Mittelwert, insbesondere vor dem Hintergrund der stärker voneinander abweichenden Temperaturverläufe entlang der Spaltlänge. Im Fall des Massenstroms durch den Mikrospalt kommen zwei primäre Effekte zum Tragen: Zum einen der Effekt der Aufweitung des Flachspalts, welcher den Durchfluss in der dritten Potenz erhöht, siehe Gl. 03. Zum anderen unterliegt der Flachspalt einer Verengung aufgrund der Temperaturerhöhung über der Spaltlänge. Dies resultiert aus den positiven Materialausdehungskoeffizienten der Stahlwerkstoffe des Grundkörper und des Gegenkörper. Insbesondere die lokale Erwärmung mit hohen örtlichen Gradienten hat hier einen signifikanten Einfluss. Unter der Wirkung der Schraubenvorspannung erzeugt eine Erwärmung der Körper eine entsprechende Erhöhung der Vorspannung und somit eine Verkleinerung der Spalthöhe. Weiterhin kommt das nichtlineare Temperatur- und Druckviskositätsverhalten des Fluides hinzu. Es bleibt zu prüfen, inwiefern die sinkende Vorspannung durch die Erwärmung der Schrauben hier einen gegenläufigen Effekt zur Folge hat. Das Zusammenspiel dieser komplexen Effekte erlaubt zunächst keine trennscharfe Unterscheidung und erfordert weitere Untersuchungen des Spalts und eine deutlich umfassendere Analyse der experimentellen Ergebnisse. Im Hinblick auf die Rückabstraktion des Flachspalts zum Rundspalt kann an dieser Stelle bereits die Aussage getroffen werden, dass die genannten Effekte auch im Fall des Runddichtspalts einer Hochdruckpumpe zum Tragen kommen. Insbesondere bei der simulativen Abbildung der tribologischen Kontakte ist dies zur Sicherung der Vorhersagetreue des Rechenmodells von zentraler Bedeutung. Eine umfangreichere Auswertung und Validierung des Experiments ist Gegenstand folgender Publikationen. Hierbei wird insbesondere auf den Vergleich mehrerer simulativer und analytischer Ansätze zur Beschreibung des tribologischen Systems und deren Validierung anhand des Prüfstands eingegangen. Dies kann einen tieferen Einblick in den Prüfstand und das komplexe Zusammen- Temperatur in °C 56 O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG 18 Druck in bar 2 000 bar Relativdruck über den Mikrospalt, Messreihe 1, 2 und 3 Spaltkoordinate x in mm spiel mehrerer tribologisch relevanter Effekte geben. Hier seien beispielsweise die druck- und temperaturabhängigen Größen Viskosität und Dichte genannt. Diese besitzen aufgrund ihres nichtlinearen Charakters einen signifikanten Einfluss auf die Druck- und Temperaturverläufe. 9 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Im Rahmen dieses Artikels wurde die Entwicklung eines Mikrospalts vorgestellt. Dieser Prüfaufbau erlaubt die abstrahierte Untersuchung des Kolben-Buchse-Kontakts, beziehungsweise Dichtspalts in einer Hochdruckpumpe. Insbesondere für die messtechnische Erfassung von physikalischen Größen im Spalt selbst ist ein abstrahiertes Modell unerlässlich. Diese Tatsache liegt in der realen, konstruktiven Auslegung begründet, in welcher eine Erfassung dieser tribologisch relevanten Größen extrem schwierig ist. Zur Abstraktion wird der zylindrische Kolben-Buchse-Kontakt abgewickelt und in ein Flachspaltmodel umgesetzt. Auf Basis der Diskussion der grundlegenden, konstituierenden physikalischen Gleichungen wird die Erfassung der zu messenden Größen diskutiert. Dafür wird die Reynold’sche Differentialgleichung und die Energiegleichung für das Fluid herangezogen. Aus diesen ergibt sich, dass der Druck und die Temperatur entlang des Flachspalts zur Validierung von Versuch und Simulation bekannt sein müssen. In Bezug auf den umgebenden Festkörper, bestehend aus Grund- und Gegenkörper, wird die energetische Zustandsgleichung dieser Körper betrachtet. Sie führt zu der Notwendigkeit der Kenntnis der Oberflächentemperaturen zur Ermittlung der Wärmeübergangs. Für die Fertigung des konzeptionierten Versuchs werden zum einen die Dichtung und zum anderen die Erzeugung eines 6 µm hohen Spalts als komplex in der Umsetzung identifiziert. Das Konzept der Dichtung basiert auf der Idee der sogenannten Beißkantendichtung, wobei ein harter Körper in einen weichen eindringt und somit einen harten Dichtkontakt erzeugt. Mittels Laserabtragen wird die berechnete Kontur der Beißkante in den harten Grundkörper eingebracht und gleichzeitig der 6 µm hohe Spalt erzeugt. Die Qualitätskontrolle der Geometrie wird mittels digitaler optischer Mikroskopie durchgeführt. Eine Auswertung zeigt, dass die eingestellten Parameter eine zufriedenstellende Lösung der eingangs gestellten Problemstellung erzeugen: Der hergestellte Spalt besitzt eine Höhe von durchschnittlich 5,4 µm. Temperatur in °C Die Montage vom Grund- und Gegenkörper erfolgt in einer Servopresse, welche die benötigte Presskraft exakt einregeln kann. Im nächsten Arbeitsschritt werden die benötigten Sensoren in den Flachspalt eingebracht. Zur Druckversorgung wird am Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme eine Einrichtung aufgebaut, welche mehrere Messobjekte mit bis zu 3 000 bar versorgen kann. Innerhalb dieser Struktur ist der Mikroflachspalt während den Messungen untergebracht. Die zur Inbetriebnahme durchgeführten Messungen zeigen durch alle Druckstufen hinweg eine Dichtheit des experimentellen Aufbaus. Daher wird der Spalt und insbesondere die Beißkantendichtung als funktional eingestuft. Zur Sicherung der Reproduzierbarkeit werden mehrere Messreihen durchgeführt. Diese Messreihen werden ausgewertet und untereinander verglichen. Hierbei stellt sich heraus, dass die Versuchsergebnisse eine gute Reproduzierbarkeit aufweisen. Insbesondere der, von einer Vielzahl von Effekten beeinflusste, Massen- beziehungsweise Volumenstrom durch den Mikrospalt zeigt eine hervorragende Wiederholbarkeit innerhalb der Messreihen. Literaturverzeichnis /Bar10/ Bartel, D. 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Further Innovations for Diesel Fuel Injection Systems, 19. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2010, Aachen /Raj12/ Rajaman, V.; Ruhkamp, L.; Herrmann, O. E.; Takeuchi, K. Minimierte Motorrohemissionen mittels hoher Einspritzdrücke, Beitrag in ATZ off highway, S. 44-49, Ausgabe 1, 2012 /Rei10/ Reif, K. Moderne Moderne Dieseleinspritzsysteme, Band 1, Vieweg + Teubner, 2010 /Sch07/ Schommers, J.; Stotz, M.; Schnabel, M.; Breitbach, H. Emission Potentials of Future Diesel Injection Systems, 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2007, Aachen /Sch09/ Schöppe, D.; Zülch, S.; Geurts, D.; Jorach, R. W.; Milovanovic, N. Future Trends in Light Duty Diesel Fuel Injection Systems, 18. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2009, Aachen /Tem12/ Temmler, A., Willenborgb, E., Wissenbach, K. Laser Polishing, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing, Konferenz beitrag, San Francisco, 2012 Autoren: Felix Fischer, M. Sc., Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme der RWTH Aachen University, Dipl.-Ing. Ömer Özdemir, Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie der Universität Kassel Dr.-Ing. David van Bebber, Ford Research And Innovation Center Aachen GmbH Prof. Dr.-Ing. Katharina Schmitz, Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme der RWTH Aachen University, Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker, Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie der Universität Kassel O+P Fluidtechnik 3/2019 57

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