Thermoelastohydrodynamische Betrachtung des Kolben-Buchse-Kontakts in Hochdruckpump

  • Thermoelstohydrodynamic consideration of the piston/cylinder contact in high-pressure pumps

Fischer, Felix Lukas; Schmitz, Katharina (Thesis advisor); Rienäcker, Adrian (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Reihe Fluidtechnik 105
Seite(n)/Artikel-Nr.: xii, 150 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die globale Herausforderung an die Senkung des CO2-Ausstoßes im Verkehrssektor und die immer strengere Abgasgesetzgebung für Otto- und Dieselmotoren hat für die Peripherie der Verbrennungskraftmaschine mannigfaltige und grundlegende Auswirkungen. Bei modernen Dieselmotoren, die von einem Common-Rail-System gespeist werden, besteht die Notwendigkeit, dass der Kraftstoff möglichst fein zerstäubt wird. Eine Möglichkeit dies zu erreichen besteht in der Erhöhung des Einspritzdrucks. Bei der Common-Rail-Hochdruckpumpe unterliegt der Kolben-Buchse-Kontakt daher einer immer größeren Belastung. Der Dichtspalt zwischen Kolben und Buchse, der in der Größenordnung einiger Mikrometer liegt, muss den hohen Raildruck von bis zu 3.000 bar abdichten. Die Temperaturerhöhung, die der Kraftstoff im Dichtspalt erfährt, führt zu einer Verformung von Kolben und Buchse sowie einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Pumpe durch erhöhte Leckage. Die numerische Abbildung des kritischen Kolben-Buchse-Kontakts in der Hochdruckpumpe muss zur Auslegung zuverlässig durchgeführt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird ein Mikrospaltprüfstand entwickelt und erprobt, der die Validierung der TEHD-Simulation auf einem abstrahierten Level ermöglicht. Dafür wird zunächst eine Konzeptstudie für die verschiedenen Abstraktionsstufen der tribologischen Prüfkette durchgeführt sowie die Anforderungen für einen solchen Mikrospaltprüfstand ermittelt. Im Anschluss daran wird ein Entwurf vorgestellt und gefertigt. Die besonderen Randbedingungen und Sensitivitäten der Prüfstandsentwicklung werden dabei diskutiert. Der Funktionsnachweis des Mikrospaltprüfstands erfolgt bei bis zu 3.000 bar Betriebsdruck. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wird nachgewiesen und die Charakteristika des Hochdruck-Mikrospalts beschrieben. Abschließend wird eine Sensitivitäts- und Robustheitsanalyse durchgeführt. Anhand einer TEHD-Simulation werden die wichtigsten physikalischen Effekte im Mikrospalt identifiziert und diskutiert. Die weiterführende Analyse beinhaltet spezielle Effekte des vorliegenden Tribokontakts. Weiterhin wird die Eignung des Mikrospalts zur Validierung eines kommerziellen TEHD-Tools diskutiert. Zur Schließung der tribologischen Prüfkette werden schlussendlich zwei weitere Abstraktions-stufen experimentell erschlossen und die Ergebnisse der Mikrospaltversuche auf diese Ebenen übertragen.

Identifikationsnummern