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.

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

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