[...] 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. 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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1 Werkstoffe
2.1.1 Technische Keramiken
2.1.1.1 Aluminiumoxid (Al2O3)
2.1.1.2 Siliziumkarbid (SiC)
2.1.2 Vergleich Keramik - Stahl
2.2 Pumpen
2.2.1 Hubkolbenpumpen
2.2.2 Umlaufkolbenpumpen
2.2.3 Kreiselradpumpen
2.2.4 Pumpenkennlinien
2.3 Digitale Signalverarbeitung (DSV)
2.3.1 Fourier-Reihe und Fourier-Transformation
2.3.1.1 Fourier-Reihe
2.3.1.2 Fourier-Transformation
2.3.1.3 Die z-Transformation
2.3.2 Digitalfilter
2.3.2.1 FIR-Filter
2.3.2.2 IIR-Filter
2.4 Strömungsmechanik
2.4.1 Grundgleichungen der Strömungsmechanik
2.4.1.1 Kontinuitätsgleichung
2.4.1.2 Impulsgleichungen
2.4.1.3 Energiegleichung
2.4.2 Turbulente Strömungen
2.4.3 Numerische Lösungsmethoden
3. Prüfstand und Messtechnik
3.1 Prüfstand und Versuchsdurchführung
3.2 Messtechnik
4. Messergebnisse Teil A - Reibung und Verschleiß
4.1 Kolbenkinematik
4.2 Messergebnisse bei höheren Drehzahlen
4.3 Zylinderdruck und reibungsrelevante Kräfte
4.4 Reibungszahl und Verschleiß
4.5 Messergebnisse Stahlreferenzwerkstoff
5. Messergebnisse Teil B - Leckage im Kolben-Zylinder-Ringspalt
5.1 Strömungen in Spalten
5.1.1 Spaltströmung in modellhafter Hochdruckpumpe
5.1.1.1 Spalthöhenänderung in Folge des Kolbenkippens
5.2 Experimentelle und analytische Messergebnisse
6. Zusammenfassung und Ausblick
A. MATLAB-Programm-Quellcodes
A.1 ALF
A.2 IIR-Butterworth-Tiefpass-Filter
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle und analytische Untersuchung der Reibungs- und Leckageeigenschaften einer modellhaften Kraftstoff-Hochdruckpumpe unter Verwendung ingenieurkeramischer Werkstoffe, um deren Eignung für den Einsatz in Motoren mit Benzindirekteinspritzung (BDE) zu bewerten.
- Analyse von ingenieurkeramischen Werkstoffen im Vergleich zu Stahl.
- Untersuchung des Reibverhaltens und Verschleißes in Kolben-Zylinder-Paarungen.
- Erforschung von Leckageströmungen im Kolben-Zylinder-Ringspalt mittels digitaler Signalverarbeitung und numerischer Methoden.
- Entwicklung und Implementierung eines MATLAB-Tools zur Auswertung von Messdaten und Berechnung von Strömungsparametern.
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Notwendigkeit von Hochdruckeinspritzpumpen für BDE-Motoren und die Herausforderungen bei der Materialwahl aufgrund schlechter Schmiereigenschaften von Benzin.
2. Grundlagen: Vermittelt theoretisches Wissen zu keramischen Werkstoffen, Pumpentechnik, digitaler Signalverarbeitung und Strömungsmechanik als Basis für die Untersuchung.
3. Prüfstand und Messtechnik: Beschreibt den Aufbau der modellhaften Hochdruckpumpe und die Methoden zur Erfassung von Reibung, Verschleiß und Leckage.
4. Messergebnisse Teil A - Reibung und Verschleiß: Präsentiert Ergebnisse zur Kolbenkinematik, Reibungskräften und Verschleißerscheinungen bei unterschiedlichen Betriebspunkten.
5. Messergebnisse Teil B - Leckage im Kolben-Zylinder-Ringspalt: Analysiert theoretisch und experimentell die Leckageströme unter Berücksichtigung von Kolbenkippen und Werkstoffdehnungen.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Ergebnisse zur Eignung keramischer Werkstoffe zusammen und zeigt Potenzial für weitere Verbesserungen durch Oberflächenstrukturen auf.
Schlüsselwörter
Kraftstoff-Hochdruckpumpe, Benzindirekteinspritzung, Ingenieurkeramik, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Reibung, Verschleiß, Leckage, Kolben-Zylinder-Ringspalt, Signalverarbeitung, MATLAB, Strömungsmechanik, Kavitation, Tribologie, Sinterprozess
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den Einsatz keramischer Werkstoffe in Hochdruckeinspritzpumpen für Ottomotoren, um den Verschleiß zu minimieren, der bei hohen Drücken und benzinbasierter Schmierung auftritt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Materialwissenschaft keramischer Bauteile, die Analyse von Reibungsprozessen, die Strömungslehre von Leckagen in Ringspalten sowie die experimentelle Validierung mittels eines speziellen Pumpenprüfstands.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Erforschung der Reibungs- und Leckagecharakteristik keramischer Komponenten im Vergleich zu Stahl, um die Machbarkeit und Betriebssicherheit einer solchen Hochdruckpumpe zu verifizieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden sowohl theoretische, analytische Ansätze (Navier-Stokes-Gleichungen, Weibull-Verteilung) als auch experimentelle Untersuchungen an einem Einzylinder-Prüfstand mit Datenaufbereitung durch digitale Signalverarbeitung (Filterung) angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Messtechnik sowie die ausführliche Darlegung der Messergebnisse hinsichtlich Reibung, Verschleiß und Leckageverhalten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlüsselwörter umfassen Hochdruckpumpe, Benzindirekteinspritzung, Keramik, Reibung, Leckage und Strömungsmechanik.
Wie unterscheidet sich die Leckage bei Keramikkolben im Vergleich zu Stahl?
Die Arbeit zeigt, dass Keramik aufgrund ihrer Festigkeit und Maßhaltigkeit bei sehr geringen Spielen ideal für geringe Leckagen ist, obwohl der Fertigungsaufwand hoch bleibt.
Welche Rolle spielt das Kolbenkippen für das Leckageverhalten?
Das Kolbenkippen verändert die Spalthöhe lokal und führt analytisch betrachtet zu einer deutlichen Zunahme des theoretisch berechneten Leckagevolumenstroms.
- Quote paper
- Alexander Bleiholder (Author), 2004, Experimentelle und analytische Untersuchung der Leckage und Reibung einer modellhaften Kraftstoff-Hochdruckpumpe auf Basis ingenieurkeramischer Werkstoffe, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/26679
