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

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

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.