Institut für Kolbenmaschinen
Universität Karlsruhe (TH)

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

Diplomarbeit

von Alexander Bleiholder

Karlsruhe, April 2004

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... III
Tabellenverzeichnis ... V

1 Einleitung ... 1

2 Grundlagen ... 3
2.1 Werkstoffe ... 3
2.1.1 Technische Keramiken ... 3
2.1.1.1 Aluminiumoxid (Al2O3) ... 5
2.1.1.2 Siliziumkarbid (SiC) ... 6
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 z-Transformation ... 26
2.3.2 Digitalfilter ... 28
2.3.2.1 FIR-Filter ... 28
2.3.2.2 IIR-Filter ... 29
2.4 Strömungsmechanik ... 31
2.4.1 Grundgleichungen der Strömungsmechanik ... 31
2.4.1.1 Kontinuitätsgleichung ... 31
2.4.1.2 Impulsgleichungen ... 32
2.4.1.3 Energiegleichung ... 38
2.4.2 Turbulente Strömungen ... 41
2.4.3 Numerische Lösungsmethoden ... 41

3 Prüfstand und Messtechnik ... 43
3.1 Prüfstand und Versuchsdurchführung ... 43
3.2 Messtechnik ... 47

4 Messergebnisse Teil A - Reibung und Verschleiß ... 51
4.1 Kolbenkinematik ... 51
4.2 Messergebnisse bei höheren Drehzahlen ... 53
4.3 Zylinderdruck und reibungsrelevante Kräfte ... 56
4.4 Reibungszahl und Verschleiß ... 58
4.5 Messergebnisse Stahlreferenzwerkstoff ... 62

5 Messergebnisse Teil B - Leckage im Kolben-Zylinder-Ringspalt ... 63
5.1 Strömungen in Spalten ... 63
5.1.1 Spaltströmung in modellhafter Hochdruckpumpe ... 64
5.1.1.1 Spalthöhenänderung in Folge des Kolbenkippens ... 67
5.2 Experimentelle und analytische Messergebnisse ... 69

6 Zusammenfassung und Ausblick ... 74

A MATLAB-Programm-Quellcodes ... 75
A.1 ALF ... 75
A.2 IIR-Butterworth-Tiefpass-Filter ... 83

Literaturverzeichnis ... 85

Kapitel 1
Einleitung
Höhere Kraftstoffpreise, schwindende Rohölressourcen und strengere Abgasnormen innerhalb der EU sind derzeit entscheidende Richtungsweiser, die bei sämtlichen europäischen Automobilherstellern den Entwicklungstrend bestimmen. Neben der z.B. variablen Ventilsteuerung wird in modernen Ottomotoren die Technik der Benzindirekteinspritzung (BDE) immer mehr eingesetzt. Da der Teillastbetrieb beim BDE-Motor mit Ladungsschichtung erfolgt, kann der Motor ohne Drosselklappe und die damit verbundenen Verluste betrieben werden. So kann der Kraftstoffverbrauch, sowie der Schadstoff- und CO2-Ausstoß reduziert werden. Der Einspritzdruck bei BDE-Motoren muss jedoch weiter erheblich erhöht werden (momentan bei max. 120 bar), da im Vergleich zur Verdampfung des Kraftstoffs in einem herkömmlichen Saugrohr-Einspritzmotor wesentlich weniger Zeit bei der Gemischbildung zur Verfügung steht (Abb. 1.0.1). Damit führt eine Druckerhöhung zu einer besseren Gemischbildung, womit eine Wirkungsgradsteigerung des Motorprozesses erreicht wird (Abb. 1.0.2). Beim strahlgeführten Brennverfahren muss der Einspritzdruck stark angehoben werden, da eine Benetzung der Zündkerze mit flüssigem Kraftstoff zu starker Korrosion, Thermoschockermüdung und zur Bildung von Ablagerungen führt und damit eine negative Beeinflussung der Verbrennung darstellt. Ebenso führt ein hoher Anteil an flüssigem Kraftstoff zu einer starken Rußemission. Die Entwicklung einer Hochdruckeinspritzpumpe für die Benzindirekteinspritzung ist somit unumgänglich, um den oben genannten Anforderungen gerecht zu werden.

In der Dieseltechnologie ist die Direkteinspritzung bereits Standard und hat sich sowohl im Prinzip, wie auch im Design der einzelnen Elemente bewährt. Hierbei werden Einspritzdrücke bis zu 2000 bar realisiert. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Diesel gegenüber Benzin können die Komponenten jedoch nicht einfach übernommen werden. Die schlechten Schmiereigenschaften von Benzin, bzw. dessen geringere Viskosität und die Adhäsions-Neigung von metallischen Werkstoffen, führen bei einer Erhöhung des Einspritzdrucks bei heutigen Benzineinspritzpumpen zu hohem Verschleiß und schlussendlich zum Ausfall der Pumpe. Die Druckerhöhung auf mindestens 300 bar soll durch den Einsatz ingenieurkeramischer Werkstoffe realisiert werden. Keramische Werkstoffe zeichnen sich vor allem durch eine höhere Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, sowie geringere Dichte und thermische Ausdehnung gegenüber den metallischen Werkstoffen aus.

!! Abb. 1.0.1 und 1.0.2 befinden sich in der Downloadversion !!

Abb. 1.0.1: Vergleich der Einspritzdauer und der verdampften Kraftstoffmasse bei konventioneller Saugrohreinspritzung zu strahlgeführter Benzindirekteinspritzung

Abb. 1.0.2: Einfluss von Einspritzdruck auf Tropfengröße [1]

Kapitel 2
Grundlagen
2.1 Werkstoffe
2.1.1 Technische Keramiken
Keramische Werkstoffe gehören zu den anorganisch nichtmetallischen Werkstoffen.
Es wird unterschieden zwischen:

• 
  Elementkeramiken (z.B. Diamant)
  
• 
  Oxidkeramiken (z.B. Aluminiumoxid)
  
• 
  Nichtoxidkeramiken (z.B. Siliziumkarbid, Bornitrid)
  

Kennzeichnende Merkmale von Keramiken sind starke Ionenbindungen mit teilweise relativ großen Kovalenzbindungsanteilen.

Als Folge davon besitzen keramische Werkstoffe

• 
  hohe Schmelztemperaturen
  
• 
  große Härten
  
• 
  geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten
  
• 
  große Elastizitätsmoduln
  
• 
  große Korrosionsbeständigkeiten
  
• 
  große Hochtemperaturdruck- und Hochtemperaturbiegefestigkeiten.
  

Nachteilig sind die große Sprödigkeit und die sehr kleine Risszähigkeit. [3]

Die Oberfläche feiner Pulver ist sehr groß. Die damit verbundene große Oberflächenenergie liefert die treibende Kraft für das Sintern, das bei etwa 2/3 der Schmelztemperatur durchgeführt wird. Dabei bilden die, überwiegend durch Adhäsionskräfte zusammengehaltenen Teilchen des Grünlings, aufgrund von Diffusionsprozessen (Abb. 2.1.1) primäre Bindungen über Sinterbrücken aus. Als Folge wird die Oberflächenenergie verringert, das Porenvolumen abgebaut und ein Sinterkörper mit möglichst hoher Dichte erzeugt.

[...]

[1] Georg Töpfer, U.Spicher Statuskolloquium Sonderforschungsbereich 483 Karlsruhe 22. Januar 2002 Universität Karlsruhe (TH), 2001

[3] D. Löhe, T.Beck Skriptum Werkstoffkunde II, Vorlesung SS 2003 Institut für Werkstoffkunde I, Universität Karlsruhe (TH)