Experimentelle und analytische Untersuchung der Leckage und Reibung einer modellhaften Kraftstoff-Hochdruckpumpe auf Basis ingenieurkeramischer Werkstoffe

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  NA

2  Grundlagen  NA

2.1  Werkstoffe  NA

2.1.1  Technische Keramiken  NA

2.1.1.1  Aluminiumoxid Al  NA

2.1.1.2  Siliziumkarbid SiC  NA

2.1.2  Vergleich Keramik Stahl  10

2.2  Pumpen  14

2.2.1  Hubkolbenpumpen  15

2.2.2  Umlaufkolbenpumpen  16

2.2.3  Kreiselradpumpen  18

2.2.4  Pumpenkennlinien  19

2.3  Digitale Signalverarbeitung DSV  22

2.3.1  Fourier Reihe und Fourier Transformation  23

2.3.1.1  Fourier Reihe  23

2.3.1.2  Fourier Transformation  25

2.3.1.3  Die Transformation  26

2.3.2  Digitalfilter  28

2.3.2.1  FIR Filter  28

2.3.2.2  IIR Filter  29

2.4  Str omungsmechanik  31

2.4.1  Grundgleichungen der Str omungsmechanik  31

2.4.1.1  Kontinuit atsgleichung  31

2.4.1.2  Impulsgleichungen  32

2.4.1.3  Energiegleichung  38

2.4.2  Turbulente Str omungen  41

2.4.3  Numerische osungsmethoden  41

3  Pr ufstand und  NA

3.1  Pr ufstand und Versuchsdurchf uhrung  43

3.2  Messtechnik  47

4  Messergebnisse Teil  NA

Reibung  und  NA

Inhaltsverzeichnis

4.1  Kolbenkinematik  51

4.2  Messergebnisse bei oheren Drehzahlen  53

4.3  Zylinderdruck und reibungsrelevante Kr afte  56

4.4  Reibungszahl und Verschleiß  58

4.5  Messergebnisse Stahlreferenzwerkstoff  62

5  Messergebnisse Teil  NA

Leckage  im  NA

5.1  Str omungen in Spalten  63

5.1.1  Spaltstr omung in modellhafter Hochdruckpumpe  64

5.1.1.1  Spalth ohen anderung in Folge des Kolbenkippens  67

5.2  Experimentelle und  NA

Messergebnisse   69

6  Zusammenfassung und  NA

A  MATLAB Programm Quellcodes A  NA

A.1  ALF  75

A.2  IIR Butterworth Tiefpass Filter  83

Abbildungsverzeichnis

1.0.1  Vergleich von Saugrohr und Direkteinspritzung  NA

1.0.2  Einfluss von Einspritzdruck auf Tropfengr oße  NA

2.1.1  Sintermechanismen  NA

2.1.2  Stadien des Sinterns schematisch  NA

2.1.3  Herstellung von keramischen Bauteilen  NA

2.1.4  Gitterstruktur Al  NA

2.1.5  Gef ugebild von Al  NA

2.1.6  Gitterstruktur SiC  NA

2.1.7  Gef ugeaufnahme von SSiC  NA

2.1.8  Gef ugeaufnahme von SiSiC  NA

2.1.9  Gef ugeaufnahme von RSiC  NA

2.1.10  Spannungs Dehnungsdiagramm  10

2.1.11  Festigkeitsverteilung Stahl Keramik  11

2.1.12  Zusammenhang zwischen Bauteilgr oße Weibullmodul und Festigkeit  12

2.1.13  Bruchmechanik Hauptbeanspruchungsf alle bei der Rissausbreitung  13

2.2.1  Auswahl von Bauformen verschiedener Pumpen  14

2.2.2  Pulsation bei Kolbenpumpen  15

2.2.3  Hochdruckpumpe CP x der Firma BOSCH  16

2.2.4  Prinzipieller Aufbau einer Kreiselradpumpe  18

2.2.5  Mehrstufige Kreiselpumpen  19

2.2.6  Str omungsverlauf im Laufrad einer Kreiselradpumpe  21

2.2.7  Pumpenkennlinien  21

2.3.1  Grundtypen von Signalen  22

2.3.2  Komplexe Exponentialfunktion  23

2.3.3  Fourierapproximierte Rechteckschwingung  24

2.3.4  Amplitudeng ange der klassischen Filterfunktionen  29

2.4.1  Ein und ausstr omende Massenstr ome am Volumenelement dV  31

2.4.2  Impulsstr ome und Schubspannungen am Volumenelement dV  34

2.4.3  Konvektive Energiestr ome am Volumenelement dV  38

2.4.4  Str omungsgr oße mit Schwankungen  41

3.1.1  Modellhafte Hochdruckpumpe  43

3.1.2  Schematisches Schnittbild des Pumpenkopfs  44

3.1.3  Eingesetzte Kolben und Zylinder verschiedener Werkstoffe  45

3.1.4  Schematischer Aufbau des Pumpenpr ufstands  46

3.1.5  Lastkollektiv ur Kolben Zylinder Paarungen  46

3.2.1  schematische Darstellung der Kraftmessung  47

3.2.2  Freischnitt Kolben  49

Abbildungsverzeichnis

4.1.1  Kolbenkinematik der Hochdruckpumpe  52

4.1.2  Schematische Darstellung der Pumpenkinematik  52

4.2.1  Spektren originaler und gefilterter Anpress und Reibkraftverl aufe  53

4.2.2  Originale und gefilterte Anpress Reibkraft und Reibzahlverl aufe  54

4.2.3  Zylinderdruck Anpress und Reibkraftverl aufe bei unterschiedlichen  NA

zahlen   55

4.3.1  Zylinderdruck Anpresskraft und Reibkraft  56

4.3.2  Zusammenhang Anpress Reibkraft und orderdruck  57

4.4.1  Stribeck Kurve  58

4.4.2  Vergleichsreibungszahl in Abh angigkeit vom Kolben Zylinder Spiel  59

4.4.3   NA

Anderung  der Reibungszahl  NA

uber  Summe ube  60

4.4.4  REM Aufnahme Kolben Zylinder Paarung aus Al mit µm Spiel  61

4.5.1  Reibkraftverlauf von im Vergleich  62

5.1.1  Poiseuille und Couette Str omung im ebenen Spalt  64

5.1.2   NA

Uberlagerung  von Poiseuille und Couette Str omung  65

5.1.3  Randwertbedingungen ur Geschwindigkeit im Kolben Zylinder Ringspalt  66

5.1.4  Kantentragen des Kolbens und Abwicklung des Schmierspalts Φ K  NA

kartesischen  Koordinatensystem  67

5.2.1  Experimentell ermittelte Leckage Massenstr ome  69

5.2.2  Analytische Geschwindigkeitsverl aufe  71

5.2.3  Analytische Massenstromverl aufe  72

5.2.4  Einfluss der Drehzahl auf die Leckagemenge  72

5.2.5  Experimentelle und analytische Leckagemengen  73

Tabellenverzeichnis

2.1.1  Allgemeiner Vergleich Metall Keramik  13

3.1.1  Oberfl achenrauheiten der Kolben Zylinder Paarungen  45

5.2.1  Werkstoffkennwerte von Stahl SiC und Al  71

Kapitel 1

Kapitel 2

Grundlagen

2.1 Werkstoffe

2.1.1 Technische Keramiken

• große H¨ arten

• geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten

• große Elastizit¨ atsmoduln

• große Korrosionsbest¨ andigkeiten

•

Werkstoffe Grundlagen

2.1.1.1 Aluminiumoxid (Al 2 O 3

Werkstoffe Grundlagen

Werkstoffe Grundlagen

Drucklos gesintertes Siliziumkarbid (SSIC)

Werkstoffe Grundlagen

Heiß gepresstes Siliziumkarbid (HPSiC) und auch heiß isostatisch gepresstes Sili-

ziumkarbid (HIPSiC)

Werkstoffe Grundlagen

Nitridgebundenes Siliziumkarbid (NSiC)

Werkstoffe Grundlagen