Forschung

Öltransport im Kolbenringfeld

Um die Kolbengruppe eines Verbrennungsmotors auslegen zu können, sind Kenntnisse über den Öltransport in den Kolbenringen erforderlich. Da diese nur unzureichend verfügbar sind, wurde im Projekt ein Einzylinder-Forschungsmotor mit aufwendiger Messtechnik zur Untersuchung der tribologischen Zustände der Kolbengruppe entwickelt. Zu dieser Messtechnik zählen ein im Kurbelgehäuse integriertes Messschwingensystem sowie Verfahren zur Ermittlung der Schmierfilmdicke und der Kolbenringrotation. Ein neu entwickeltes Simulationsmodell bildet das Kolbenringpaket ab und bestimmt die Einflussgrößen auf den Ölhaushalt. So können z. B. der Blowby (das beim Kompressionsvorgang an den Kolbenringen vorbeistreifende Gas), die axiale Ringbewegung und die Zwischenringdrücke gut vorausberechnet werden. Da der entwickelte Strömungslöser zur Bestimmung des Öltransports für den industriellen Einsatz ausgelegt ist, können Anwender unmittelbar von den Projektergebnissen profitieren.

» Mit dem Forschungsmotor werden physikalische Zusammenhänge für den Öltransport um die Kolbenringe erforscht, die in mathematische Modelle umgesetzt werden können. Mit den im Motor gewonnenen Messwerten können zudem die entstandenen Simulationswerkzeuge validiert werden. Diese Erkenntnisse sind für die gezielte Auslegung von Serienmotoren von großem Nutzen, denn sie tragen dazu bei, die Emissionen von Verbrennungsmotoren auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. «
Dr. Arnim Robota (Federal Mogul Burscheid GmbH)

Motivation

Die Kolbenbaugruppe ist ein zentrales Element des Verbrennungsmotors. Bei ihrer Auslegung spielt die richtige Dimensionierung der für den Betrieb erforderlichen Ölversorgung eine wichtige Rolle. Das Projektziel bestand darin, einen Forschungsmotor und Messtechniken zu entwickeln, um die Einflussgrößen auf den Ölhaushalt sowie die Wirkmechanismen des Kolbenringpakets zu untersuchen. Zudem galt es, die Berechnungsmodelle für den Ölhaushalt an der Kolbengruppe zu verbessern und ein CFD(Computational Fluid Dynamics)-Simulationsmodell des Kolbenringpakets aufzubauen.

Methodik

Den Startpunkt bildete die Konstruktion des Forschungsmotors. Die Entwicklung der eingesetzten Messtechniken, wie z.B. des Messschwingensystems im Kurbelgehäuse, war dabei ein Schwerpunkt der Arbeiten. Zur Ermittlung der Schmierfilmdicke kam eine optische Technik nach dem Prinzip der Laserinduzierten Fluoreszenz (LiF) zum Einsatz. Die Bestimmung der Kolbenringrotation erfolgte anhand zweier radioaktiver Proben, wobei die Umfangslage des Kolbenringstoßes erfasst wurde. Auf Basis kommerziell verfügbarer Software entwickelten die Projektpartner Simulationsmodelle des Einzylinder-Forschungsmotors. Zur Simulation des Öltransports diente ein Strömungslöser, der sowohl die Mehrphasigkeit (Öl/Gas) als auch die Bewegung der Kolbenringe abbilden kann.

Ergebnis

Mithilfe des FVV-Forschungsmotors ist es möglich, Einflussgrößen auf den Ölhaushalt zu untersuchen und Wirkmechanismen des Kolbenringpakets nachzuweisen. Die Schmierfilmdickenmessung ist in der Lage, präzise Messdaten der Schmierfilmzustände in der Kolbengruppe zu liefern. Die Auswertung der Kolbenringrotationsmessung ermöglicht die Berechnung der Winkellage des Ringstoßes während des Motorbetriebs in Echtzeit. Die Wirksamkeit der Simulationen wurde an zwei unterschiedlichen Kolbenringgeometrien getestet und validiert. Die gemessenen und berechneten Werte für den Blowby, die axiale Ringbewegung und die Zwischenringdrücke stimmen gut überein. Der neu entwickelte Strömungslöser ist voll produktionsfähig und für den industriellen Einsatz auf kleinen Rechenclustern ausgelegt.

Dokumentation

Kolbenring-Öltransport I | Öltransport durch die Kolbenringe | Vorhaben-Nr. 1124 + 1128

Kolbenring-Öltransport II | Öltransport durch die Kolbenringe | Vorhaben-Nr. 1197

Kolbenring-Öltransport - Glasliner | Visualisierung mittels Glasliner |Vorhaben-Nr. 1210

Kolbenring-Öltransport - Glasliner II | Visualisierung mittels Glasliner | Vorhaben-Nr. 1302

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel

Fördersumme
2.340.000‬,00 EUR

Laufzeit
01.11.2012 bis 30.04.2015 Teil I
01.07.2015 bis 31.12.2016 Teil II
01.01.2016 bis 30.06.2017 Glasliner | Teil I
01.01.2018 bis 31.12.2018 Glasliner | Teil II

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Industrie

Dr. Arnim Robota
Federal Mogul Burscheid GmbH

Forschungsstellen

1 | Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK), Fakultät für Maschinenwesen - Technische Universität München (TUM)

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister

2 | Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (iaf) - Universität Kassel

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker

3 | Lehrstuhl Aerodynamik und Strömungslehre (LAS) - Brandenburgische Technische Universität Cottbus - Senftenberg

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers

4 | Institut für Analytische Messtechnik Hamburg - IAM-Hamburg e.V.

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Matz

Technische Universität München (TUM)

Lehrstuhl für Verbrennungskraft­maschinen (LVK)

Arcisstr. 21
80333 Garching
Deutschland

Universität Kassel

Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (iaf)/Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (MT)

Mönchebergstr. 7
34125 Kassel
Deutschland

Technische Universität Hamburg (TUHH)

Institut für Messtechnik

Harburger Schloßstr. 20
21079 Hamburg
Deutschland

Technische Universität Hamburg (TUHH)

Institut für Analytische Messtechnik Hamburg - IAM-Hamburg e.V.

Peutestraße 53A
20539 Hamburg
Deutschland

Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

Institut für Verkehrstechnik/Lehrstuhl Aerodynamik und Strömungslehre (LAS)

Siemens-Halske-Ring 14
03046 Cottbus
Deutschland

Stellv. Geschäftsführer

Martin Nitsche

FVV
+49 (0) 69 6603 1345
+49 (0) 69 6603 2345


Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345