Forschung
Entwicklungswerkzeuge
Mechanik Reibung und Geräusche
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)
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Schematische Darstellung der Blowby-Messstrecke
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Vergleich des Drucks zwischen dem 1. und 2. Ring
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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.
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.
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.
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
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
Fördergeber
Projektkoordination
Dr. Arnim Robota
Federal Mogul Burscheid GmbH
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
Forschungsstellen
Weiterführende Literatur
Forschungsbereich
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345