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O+P Fluidtechnik 3/2019

O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG

PRÜFSTANDENTWICKLUNG FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED ENTWICKLUNG EINES MIKROSPALTPRÜFSTANDS FÜR HOHE DIFFERENZDRÜCKE Felix Fischer, Ömer Özdemir, David van Bebber, Katharina Schmitz, Adrian Rienäcker Vor dem Hintergrund einer Drucksteigerung von Kraftstoffhochdruckpumpen auf 3 000 bar wird der Kolben-Buchse- Kontakt mit einem abstrahierten Versuch analysiert. Das Experiment besteht aus einem Mikroflachspalt, der den tribologischen Kontakt zwischen Kolben und Buchse in abgewickelter Form darstellt. Dies macht den Tribokonktakt für Druck- und Temperatursensorik zugängig und erlaubt so eine tiefergehende Verständnisgenerierung. Die Entwicklung dieses Prüfstands ist Gegenstand dieses Artikels. 48 O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG 1 EINLEITUNG Common-Rail-Einspritzsysteme (CR-Systeme) stellen ein zentrales und wichtiges Element innerhalb von Dieselmotoren dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Direkteinspritzsystemen, bei denen der Kraftstoffdruck bei jedem Einspritzvorgang vollständig neu erzeugt werden muss, sind bei CR-Systemen Druckerzeugung und Einspritzung voneinander getrennt. Der Druck, der durch eine vom Verbrennungsmotor angetriebene Hochdruckpumpe (CR-Pumpe) erzeugt wird, ist im sogenannten Rail gespeichert und wird über kurze Einspritzleitungen den Injektoren zur Verfügung gestellt. Durch die Trennung von Druckerzeugung und Einspritzung lässt sich bei CR-Systemen eine sehr genaue, kennfeldgesteuerte Einspritzung realisieren, wodurch ein günstigerer Kraftstoffverbrauch und niedrigere Abgas-Emissionen erzielt werden. Neben einer Verbesserung der Abgaswerte und einer Reduzierung der Partikelemissionen haben CR-Systeme gegenüber herkömmlichen Einspritzsystemen auch akustische Vorteile /Die07/ /Kep97/ /Raj12/ /Rei62/. Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren wird zunehmend von den übergeordneten Zielen zur Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion bestimmt. Die Einhaltung neuer Grenzwerte zwingt zur Erhöhung der Drücke im CR-System auf 3 000 bar /Raj12/ /Raj10/ /Sch07/ /Sch09/. Aktuell werden in PKW- und LKW-Einspritzsystemen Raildrücke von bis zu 2 700 bar erreicht /Bos15/. Die Ringspaltdichtung, die im Kolben-Buchse-Kontakt der CR-Pumpe entsteht, hat ein Radialspiel in der Größenordnung von 5 bis 6 µm (ca. 1/10 eines menschlichen Haars). Vorberechnungen anhand analytischer Abschätzungen zeigen, dass ein Druckabfall von 3 000 bar einen, durch Dissipation der Druckenergie hervorgerufenen, Temperaturgradienten über die Dichtspaltlänge von bis zu 180 °C verursacht. Diese thermischen Belastungen führen, aufgrund verschiedener Ausdehnungskoeffizienten und abweichendem geometrischem Verformungsverhalten, zu radialen Verformungen im Spalt, die in der Größenordnung der Ringspalthöhe liegen. Eine genaue Verteilung der resultierenden Temperatur ist im Vorhinein nicht bekannt und entzieht sich, aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten innerhalb der Hochdruckpumpe, einer verlässlichen messtechnischen Erfassung. Aufgrund der Dissipation von Druckenergie müssen in der Auslegung von Common-Rail-Pumpen der nächsten Generation neben druckinduzierten Effekten auch thermisch induzierte Effekte berücksichtigt werden. Zur systematischen Untersuchung des Tribokontakts wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten und über die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen koordinierten Projekts am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen University und am Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie, iaf) der Universität Kassel ein abstrahierter Prüfstand entwickelt. Hierfür wird der Ringspalt im Kolben-Buchse-Kontakt abgewickelt und als Flachspalt betrachtet. Zentrale Herausforderungen bei der Umsetzung eines solchen Prüfkörpers sind zunächst Spaltmaße in der Größenordnung von 5 µm mit einer geringen Maß- und Formabweichung. Weiterhin stellen hohe Differenzdrücke in einem solchen Prüfstand eine Herausforderung dar. Schlussendlich müssen Sensoren zur Ermittlung von Prozessgrößen in die sensible Umgebung eingebracht werden, ohne das Messergebnis wesentlich zu beeinflussen. Die Entwicklung des Flachspalts, vor dem Hintergrund dieser Anforderungen und der Nachweis der Funktion desselben, ist Gegenstand dieses Beitrags. Zunächst wird die grundsätzliche, technische Problematik innerhalb von Hochdruckpumpen erläutert. Die Entwicklung des abstrahierten Prüfstands wird mit einer ausführlichen Beschreibung der konzeptionellen Entwicklung des Experiments und der Realisierung der Dichtung des Flachspalts abgehandelt. Darauf aufbauend werden der Prüfstandsaufbau sowie erste Ergebnisse und deren Reproduzierbarkeit beschrieben. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Fazit gezogen. 2 GRUNDLAGEN VON CR-EINSPRITZSYSTEMEN Common-Rail-Einspritzsysteme (CR-Systeme) stellen bei heutigen Diesel-PKW-Motoren ein wichtiges Element dar. Druckaufbau und Einspritzung sind bei ihnen voneinander getrennt /Kep97/. In Bild 01 ist das vereinfachte hydraulische Prinzip eines typischen CR-Systems dargestellt. Bei der CR-Pumpe handelt es sich um eine Plungerpumpe. Die Pumpe wird über eine Vorförderpumpe (1) aus dem Tank (2) gespeist. Das auf den Vordruck p0 vorverdichtete Fluid gelangt zur Schmierung und Kühlung der Tribokontakte in das Pumpengehäuse (3) und über eines der Rückschlagventile (9) in den Verdrängerraum der Pumpe. Die Einstellung des Niederdrucks erfolgt mittels Rücklaufblende (12). Der Kolben (6) wird über einen Stößel (5) und eine Nockenwelle (4) translatorisch bewegt. Hierbei wird der Saughub über das Rückstellen des Kolbens mittels Druckfeder realisiert. Über eine Buchse (7) wird zum einen der Kolben geführt und zum anderen entsteht durch eine enge Passung zwischen Kolben und Buchse die Spaltdichtung (8) für den Hochdruck. Das auf den Druck p Rail verdichtete Fluid wird über ein weiteres Rückschlagventil in das Rail (10) geleitet, dessen Druck durch ein Druckbegrenzungsventil (DBV, 11) lastabhängig eingestellt wird. Die Injektoren (13) werden elektrisch angesteuert und entlassen das Fluid in den Brennraum des Motors. Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren wird zunehmend von den übergeordneten Zielen zur Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion bestimmt. Die Einhaltung strengerer Grenzwerte erforderte eine Drucksteigerung auf 3 000 bar /Raj12/. Ein Druck auf einem derartig hohen Niveau hat aufgrund der Dissipation im Fluid, hervorgerufen durch die Abdrosselung im Kolben-Buchse-Spalt, eine signifikant höhere Erwärmung des Schmierfilms zur Folge, die nicht mehr vernachlässigt werden kann. Durch diese Temperaturerhöhung ändert sich die stark temperaturabhängige Viskosität des Kraftstoffs, welcher als Schmierstoff dient. Weiterhin beeinflussen die thermisch induzierten Verformungen der Bauteile die Spaltweite des tribologischen Kontakts. Dadurch werden die Leckage, der Druck und die Dissipation im Fluid signifikant beeinflusst. Die genannten Effekte können, abhängig von der konstruktiven Gestaltung der CR-Pumpe, zu unerwünschten Zuständen, wie Kolbenklemmen oder überproportionaler Leckage, führen. Große Leckage mindert die Funktionsfähigkeit sowie den Wirkungsgrad des Systems und schmälert die verbrennungstechnischen Vorteile des hohen Raildrucks. 01 Prinzip eines CR-Systems mit Hochdruckpumpe O+P Fluidtechnik 3/2019 49

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