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Diesel 3000 bar

Felix Fischer *, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff *
* RWTH Aachen University, Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS)

Im Forschungsvorhaben Nr. 18193 wurde am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen und am Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik - Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie die Erweiterung des Druckbereichs von Common-Rail-Pumpen von aktuell 2500 bar auf 3000 bar untersucht.

In diesem Rahmen wird der Kolben-Buchse-Kontakt der Common-Rail-Pumpe als kritisches Bauteil innerhalb des Auslegungsprozesses identifiziert und abstrahiert in Form eines Spaltprüfstands und eines CR-Prüfstands untersucht. Der Kolben-Buchse-Kontakt bestimmt maßgeblich die Effizienz der Hochdruckpumpe und nimmt damit Einfluss auf die Gesamtsystemeffizient des Kraftfahrzeuges. Die prinzipbedingt auftretende Leckage über der Ringspaltdichtung ist hier von zentraler Bedeutung, da diese den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe maßgeblich beeinflusst.

Zur Untersuchung dieses tribologischen Kontakts wird zunächst ein erweitertes Stoffdatenspektrum erstellt, welches die Grundlage zur Parametrierung von Simulationen darstellt. Es werden Stoffdaten von 0 bis 3000 bar und von 10 bis 140 °C, für ein auslegungstechnisch relevantes Prüföl nach DIN ISO 4113, das sogenannte SRS Calibration Fluid CV vorgestellt.

Zur Abstrahierung des Ringspalts einer Hochdruck Plungerpumpe, ist im Projekt ein Mikrospaltprüfstand aufgebaut worden. Das prinzipielle Vorgehen ist in Bild 1 gezeigt.

Bild 1: Abwicklung des Kolben-Buchse Kontakts zum Flachspalt

Dieser Flachspalt mit einer Spalthöhe von ca. 5 μm wird mit einer Beißkantendichtung abgedichtet und entsteht durch das Aufeinanderpressen von Grund- und Gegenkörper. Im Rahmen des Projekts wurde die Beißkantendichtung mit komplexen, nichtlinearen FEM-Berechnungen am iaf-mt der Universität Kassel ausgelegt und dessen Funktionssicherheit nachgewiesen.

Der Mikrospaltprüfstand ist im Folgenden am IFAS aufgebaut worden. Der betriebsbereite Prüfstand mit Peripherie ist in Bild 2 dargestellt. Der Spaltprüfstand ist vergrößert und im abgebildeten Zustand mit reduzierter Sensorik ausgestattet.

Bild 2: Prüfstand zur Untersuchung hoher Drücke am IFAS

Zur Validierung der Simulation und der Erfassung der exakten Zustandsgrößen des Fluids im Spalt, sowie des Spaltkörpers selbst, wurde am Mikrospaltprüfstand umfangreiche Sensorik installiert. Diese ermöglicht die Erfassung lokaler Drücke und Temperaturen über der Spaltlänge. Weiterhin werden Zu- und Ablauftemperatur als Randbedingungen für die TEHD Simulation erfasst sowie der Volumenstrom durch den Spalt gemessen. Die Außentemperatur der Baugruppe wird durch Blattthermoelemente erfasst.

Der im Forschungsvorhaben entwickelte Mikrospalt wurde auf Dichtigkeit getestet und zeigte auch bei einem relativdruck von 3000 bar keinerlei Undichtigkeiten. Weiterhin wurde die eingesetzte Sensorik in Kombination mit der vorherrschenden Belastung als funktional eingestuft. Insgesamt kann festgestellt werden, dass der Mikrospalt noch nicht an der Grenze der Betriebsdrücke betrieben wurde und in weiteren Forschungsprojekten höheren Drücken ausgesetzt werden kann.

Aufgrund der hohen Druck- und Temperaturdifferenzen ist die Anwendung einer TEHD Simulationsmethodik adäquat und im Projekt notwendig. Grundsätzlich konnte eine sehr gute Übereinstimmung der gemessen und gerechneten Leckage, Drücke und Temperaturen am Mikrospaltprüfstand gezeigt werden. Es wurde festgestellt, dass die Berechnung der Zustandsgrößen im Dichtspalt in Hochdruckpumpen nur unter Einbeziehung der thermischen Effekte zu physikalisch sinnvollen Ergebnissen führt. Dies ist eine wesentliche Erkenntnis des Projekts und kann den Ausgangspunkt für weitere Forschungsprojekte bieten.

Die Messungen an einer seriennahen CR-Pumpe zeigen, dass die Vorhersagetreue des Mikrospaltprüfstands bezüglich des Volumenstroms über den Kolben-Buchse Kontakt, bzw. der Leckage, akkurat ist. Die TEHD-Simulation von Mehrkörpersystemen bei hohen Drücken zeigt weiteres Forschungspotenzial auf. Der Prüfstand, mit welchen die Pumpenuntersuchungen durchgeführt wurden ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Pumpenprüfstand am IFAS

Grundsätzlich kann als zentrales Ergebnis des Projekts festgehalten werden, dass die TEHD-Modellierung von tribologischen Kontakten notwendig ist, um die thermischen Effekte bei hohen Drücke berücksichtigen zu können. Hierfür bedarf es jedoch, wie bei jeder Simulation, einer akkuraten experimentellen Validierung und Absicherung.





Danksagung

Das IGF-Vorhaben 18193 N der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. – FVV, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
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