Kavitation an nassen Zylinderbuchsen - bei der IG VPE Swiss
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<strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>nassen</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>:<br />
Test und Simulation<br />
Michael Herold<br />
Acoustics <strong>an</strong>d Vibrations<br />
24. April 2013
FPT Motorenforschung Arbon<br />
FPT Motorenforschung Arbon<br />
• Vorstellung <strong>der</strong> FPT Motorenforschung<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 2
Vorstellung <strong>der</strong> FPT Motorenforschung Arbon<br />
Erster Diesel<br />
Lastwagen<br />
Patent auf die<br />
Diesel Direkteinspritzung<br />
Entwicklung<br />
des Common<br />
Rail Systems<br />
(ETH Zürich<br />
und IMF Arbon)<br />
Eingezogene Brennraummulde<br />
Erste Applikation<br />
einer VTG <strong>bei</strong><br />
Dieselmotoren<br />
Common Rail<br />
für LCV<br />
Applikation<br />
von Common<br />
Rail für L<strong>an</strong>dmaschinen<br />
1928<br />
1934<br />
1975 - 1990<br />
1993<br />
1998<br />
1999<br />
2002<br />
Saurer<br />
Iveco Motorenforschung<br />
Dereco<br />
1982<br />
1985<br />
2006<br />
2011<br />
SiNOx / SCR<br />
Entwicklung<br />
Erster Kleindieselmotor<br />
mit Direkteinspritzung<br />
und Turbo Aufladung<br />
Unter den<br />
ersten mit SCR<br />
für Euro V<br />
SCR only für<br />
Euro VI / Tier 4<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 3
Vorstellung <strong>der</strong> FPT Motorenforschung Arbon<br />
Motor-Prüfstände<br />
• 11 tr<strong>an</strong>siente Testzellen<br />
• 17 stationäre Prüfstände<br />
• 1 Anechoic Geräuschbox<br />
• 1 Rollenprüfst<strong>an</strong>d<br />
• 2 Kaltstart Testzellen<br />
Laboratorien<br />
• Einspritzsysteme<br />
• Strömungslabor<br />
• Experimentelle Mech<strong>an</strong>ik<br />
• Abgasnachbeh<strong>an</strong>dlung<br />
• Motorelektronik / Sensorik<br />
• Messtechnik<br />
Werkstätten<br />
• Mech<strong>an</strong>ische Fertigung<br />
• Prüfst<strong>an</strong>dsaufbau<br />
• Schlosserei<br />
• Inst<strong>an</strong>thaltung<br />
Motor-Systemprüfstände<br />
• 4 OBD Testrigs<br />
• 4 Motorsystem Testrigs<br />
• 1 Kipp-Prüfst<strong>an</strong>d<br />
• 1 Sensor Testrig<br />
Die FPT Motoren Forschung AG ist Ar<strong>bei</strong>tgeber für<br />
• 206 hoch qualifizierte Mittar<strong>bei</strong>ter<br />
• aus 10 Nationen<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 4
Grundlagen <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong><br />
Grundlagen <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong><br />
• Sieden und <strong>Kavitation</strong><br />
• <strong>Kavitation</strong>sblasendynamik<br />
• <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> Zylin<strong>der</strong>laufbuchsen<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 5
Sieden und <strong>Kavitation</strong><br />
• Sieden:<br />
□<br />
Erhitzen einer Flüssigkeit<br />
durch Wärmezufuhr <strong>bei</strong><br />
gleichbleibendem Druck bis<br />
<strong>der</strong> Umgebungsdruck dem<br />
Dampfdruck entspricht<br />
• <strong>Kavitation</strong>:<br />
□<br />
□<br />
Dampfblasenentstehung infolge Druckabsenkung<br />
unter den Dampfdruck <strong>bei</strong> gleichbleiben<strong>der</strong><br />
Temperatur<br />
Bei erneutem Druck<strong>an</strong>stieg fallen die Dampfblasen<br />
schlagartig zusammen (Blasenimplosion).<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 6
<strong>Kavitation</strong>sblasendynamik<br />
Sphärische Implosion<br />
(In freier Umgebung)<br />
Asphärische Implosion<br />
(In Oberflächennähe)<br />
1 2 3 4 1 2 3 4 5<br />
1. Blasenwachstum<br />
2. Maximaler Blasenradius<br />
3. Schlagartiges Verringern des<br />
Blasenvolumens<br />
4. Implosionsschockwelle<br />
1. Blasenwachstum zur max. Grösse<br />
2. Blaseninstabilität, Microjet-Bildung<br />
3. Microjet durchdringt die Blase<br />
4. Blasendeformation zu Torusform <strong>bei</strong><br />
vollständigem Durchtritt des Jets<br />
5. Auftreffen des Microjets auf Werkstoffoberfläche,<br />
Freisetzen einer Schockwelle<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 7
<strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>nassen</strong> Zylin<strong>der</strong>laufbuchsen<br />
Blasenkollaps <strong>an</strong><br />
<strong>der</strong> Buchsenw<strong>an</strong>d<br />
Wasserm<strong>an</strong>tel<br />
Zylin<strong>der</strong>buchse<br />
O-Ring Dichtung<br />
• <strong>Kavitation</strong>sbegünstigende Bedingungen:<br />
□<br />
□<br />
□<br />
Ungünstige Strömungsverhältnisse <strong>an</strong> <strong>der</strong><br />
vom Kühlmittel umströmten Aussenseite<br />
<strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong>buchse<br />
Durch den Anlagewechsel des Kolbens<br />
verursachte hochfrequente Schwingungen<br />
<strong>der</strong> Laufbuchse und daraus resultierende<br />
Druckpulsationen im Kühlmittel<br />
Durch Druckpulsationen hervorgerufener<br />
Druckabfall unter die Dampfdruckgrenze mit<br />
<strong>an</strong>schliessendem Druck<strong>an</strong>stieg<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 8
<strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>nassen</strong> Zylin<strong>der</strong>laufbuchsen<br />
• <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>kavitation:<br />
□<br />
□<br />
□<br />
Unter den gen<strong>an</strong>nten Bedingungen kommt es<br />
zur Dampfblasenbildung im Kühlmittel.<br />
Durch Druckschw<strong>an</strong>kungen fallen die<br />
Dampfblasen unter hohen lokalen Drücken von<br />
> 1000bar implosionsartig zusammen.<br />
Nahe <strong>der</strong> Oberfläche entstehende Microjets<br />
führen zu Lochfrass.<br />
Typisches <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong> <strong>Kavitation</strong>sbild<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 9
<strong>Kavitation</strong>stest in <strong>der</strong> Motorentwicklung<br />
<strong>Kavitation</strong>stest in <strong>der</strong> Motorentwicklung<br />
• Definition <strong>der</strong> Testbedingungen<br />
• Testergebnisse am Beispiel eines Reihen-6-Zylin<strong>der</strong>-Motors<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 10
Definition <strong>der</strong> Testbedingungen<br />
• Vorausgesetzte Testbedingungen:<br />
□<br />
□<br />
□<br />
□<br />
Einstellen des grösstmöglichen Kolbenspiels<br />
Offener Kühlkreislauf (Umgebungsdruck)<br />
Keine Additive im Kühlmittel (Leitungswasser)<br />
Maximales Drehmoment (Volllast)<br />
• Zu ermittelnde Testbedingungen:<br />
□<br />
• Testdauer:<br />
□<br />
Kritische Drehzahl (Drehzahl <strong>bei</strong> <strong>der</strong> <strong>der</strong><br />
geringste statische Druck herrscht)<br />
500 Stunden<br />
• Bewertung des Tests:<br />
□ Visuelle Begutachtung <strong>der</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong><br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 11
<strong>Kavitation</strong>stest in <strong>der</strong> Motorerprobung<br />
• Motor:<br />
□<br />
□<br />
□<br />
□<br />
6-Zylin<strong>der</strong>-Reihenmotor<br />
Common-Rail Direkteinspritzung<br />
Turbo Aufladung<br />
Elektronisches Motorm<strong>an</strong>agement<br />
• Kritische <strong>Kavitation</strong>sdrehzahl:<br />
□<br />
1100rpm Volllast<br />
□ Ermittelt aus Rampentest für 100%<br />
Motorlast<br />
□<br />
Bedingungen im Kühlmedium<br />
□<br />
□<br />
□<br />
Temperatur: 80.7°C<br />
Statischer Druck: 1.09bar (rel.)<br />
Dampfdruck: 0.49bar<br />
Typischer Verlauf für<br />
Drehmoment und Leistung<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 12
Visuelle Inspektion <strong>der</strong> Testergebnisse<br />
Druckseite Gegendruckseite Vorn Hinten<br />
• Gebiete ausgeprägter <strong>Kavitation</strong> (Zylin<strong>der</strong> Nr. 2)<br />
• Ähnliches Bild für alle weiteren inneren Zylin<strong>der</strong> (2-5)<br />
mit Abweichungen in Lokation und <strong>der</strong> Ausprägung<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 13
Warum kämpfen wir noch immer mit <strong>Kavitation</strong><br />
Früher, 1960<br />
Heute<br />
• Typ:<br />
Saurer CT2D<br />
• Zylin<strong>der</strong>: 6<br />
• Hubraum: 8.7 L.<br />
• Leistung: 125 PS<br />
• Typ:<br />
FPT<br />
• Zylin<strong>der</strong>: 6<br />
• Hubraum: 8.7 L.<br />
• Leistung: bis 560 PS<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 14
Berechnung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit<br />
Berechnung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit<br />
• Ansatz zur Bewertung des <strong>Kavitation</strong>srisikos<br />
• Berechnungsmethodik<br />
• Ermittlung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit und Vergleich mit Motortest<br />
• Massnahmen zur Verbesserung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 15
Ansatz zur Bewertung des <strong>Kavitation</strong>srisikos<br />
• Ansatz:<br />
□<br />
<strong>Kavitation</strong> tritt auf, wenn <strong>der</strong> lokale Druck<br />
in <strong>der</strong> Kühlflüssigkeit unter den<br />
Dampfdruck fällt.<br />
Ermitteln <strong>der</strong> kritischen<br />
Oberflächengeschwindigkeit<br />
• <strong>Kavitation</strong>ssicherheit:<br />
□<br />
Verhältnis von kritischer Oberflächengeschwindigkeit<br />
zu berechneter max.<br />
Oberflächengeschwindigkeit<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation
Berechnungsmethodik - Ablauf<br />
FEM Modell<br />
• 1 + 2 halbe Zylin<strong>der</strong><br />
• Masse & Steifigkeiten<br />
• Eigenfrequenzen, Schwingformen<br />
Semiflexibles MKS Modell<br />
• Kolben - <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong><br />
Interaktionskräfte<br />
• Anregung für FEM Modell<br />
c<br />
Tr<strong>an</strong>siente Struktur<strong>an</strong>twortberechnung<br />
• Oberflächengeschwindigkeiten <strong>der</strong><br />
Zylin<strong>der</strong>buchse<br />
Externe Matlab-Routine:<br />
• Max. Oberflächengeschwindigkeit<br />
• <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>kavitationssicherheit<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation<br />
17
This image c<strong>an</strong>not currently be displayed.<br />
Berechnung <strong>der</strong> Anregungskräfte mittels MKS<br />
<br />
<br />
<br />
Berücksichtigung aller relev<strong>an</strong>ten Massen,<br />
Steifigkeiten und Profile sowie des Ölfilms<br />
zwischen Kolben und Laufbuchse<br />
Zylin<strong>der</strong>druckverlauf<br />
Diskretisierung im Zeitbereich: 0.1° Kurbelwinkel<br />
(entspricht Fs = 66kHz)<br />
<br />
Knotenpunkte <strong>an</strong> <strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong>buchse = Lasteinleitungsknoten des FE Modells<br />
Druckseite<br />
Kraftimpulse durch<br />
Anlagewechsel des Kolbens<br />
Druckseite<br />
Gegendruckseite<br />
Gegendruckseite<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 18
Struktur<strong>an</strong>twort Berechnung mittels FEM<br />
Schnitt durch das FE-Modell<br />
MPC Verbindungen<br />
Zylin<strong>der</strong>buchse - Block<br />
• 2. Ordnungs-TET-Elemente:<br />
Zylin<strong>der</strong>kopf<br />
Zylin<strong>der</strong>block<br />
Bedplate<br />
• 1. Ordnungs-Hexa-Elemente:<br />
Zylin<strong>der</strong>buchse<br />
• 1. Ordnungs-Balkenelemente:<br />
Kurbelwelle<br />
Materialien <strong>der</strong> Komponenten<br />
Zylin<strong>der</strong>kopf Zylin<strong>der</strong>block Bedplate Zylin<strong>der</strong>buchse Kurbelwelle<br />
Grauguss GH190 Grauguss GH190 Grauguss GH190 CGI GOE 330 Stahl 52 Mn5<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 19
Struktur<strong>an</strong>twortberechnung mittels FEM<br />
Aufbringen <strong>der</strong> Anregungskräfte<br />
• Berechnung <strong>der</strong> Modalen Basis:<br />
Frequenzen und Modalformen<br />
bis 12kHz<br />
Beulmoden <strong>der</strong> Buchse <strong>bei</strong><br />
Frequenzen > 2kHz<br />
• Tr<strong>an</strong>siente Antwortrechnung:<br />
Fs Anregung = 66kHz<br />
Fs Antwort = 10kHz<br />
Modale Strukturdämpfung<br />
(Erfahrungswerte)<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 20
Struktur<strong>an</strong>twort Berechnung mittels FEM<br />
• Ergebnis <strong>der</strong> tr<strong>an</strong>sienten Antwortrechnung:<br />
Oberflächengeschwindigkeit für jeden Knoten <strong>der</strong> Zylin<strong>der</strong>buchse<br />
normal zur Oberfläche<br />
Exemplarisch für einen Knoten<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 21
Ermittlung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit (Matlab)<br />
• Matlab-Routine zur Berechnung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit:<br />
Eing<strong>an</strong>gsgrössen<br />
Oberflächengeschwindigkeiten<br />
Kühlmitteltemperatur, Dichte und Schallgeschwindigkeit<br />
Dampfdruck, statischer Druck<br />
Berechnung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit für jeden Knoten <strong>der</strong> Buchse<br />
Zeitsignal aus <strong>der</strong> FEM Rechnung Hochpassfilter f g = 1kHz Gefiltertes Zeitsignal Amplitudenspektrum<br />
detektieren von<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 22
Qualitativer Vergleich Test / Berechnung<br />
(Zyl.2)<br />
Druckseite Gegendruckseite<br />
Vorne Hinten<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 23
Erhöhung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit<br />
• Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung <strong>der</strong> <strong>Kavitation</strong>ssicherheit:<br />
Massnahme Positiver Effekt Restriktionen<br />
Erhöhung <strong>der</strong><br />
Buchsenw<strong>an</strong>dstärke<br />
Laufbuchsenmaterial mit<br />
hohem E-Modul<br />
Verringertes Kolbenspiel<br />
Erhöhung <strong>der</strong> Steifigkeit<br />
Erhöhung <strong>der</strong> Steifigkeit<br />
Verringerung <strong>der</strong><br />
Kolbeneinschlagsenergie<br />
Limitiert durch Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
<strong>an</strong> Kühlmittelfluss<br />
Akustik und Kosten,<br />
Bear<strong>bei</strong>tung<br />
Reibung und Verbrauch<br />
Kolbenbolzendesachsierung Verän<strong>der</strong>te Kolbenführung Akustik und Reibung<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 24
Ausblick<br />
• Es muss das Ziel sein sich ständig zu verbessern, deshalb:<br />
<br />
<br />
Abgleich <strong>der</strong> Methode mit weiteren Motorkavitationstestergebnissen<br />
Ausbau <strong>der</strong> Methodik in Richtung<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Vollelastischer 3D MKS Ansatz<br />
Berücksichtigung des Kühlmittels (Wasser)<br />
Einbeziehen <strong>der</strong> O-Ring Flexibilität<br />
Erweiterung auf kompletten Motor um Unterschiede zwischen den<br />
einzelnen Zylin<strong>der</strong>n zu erfassen<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 25
<strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong><br />
Vielen D<strong>an</strong>k für Ihre Aufmerksamkeit<br />
24-04-2013 <strong>Kavitation</strong> <strong>an</strong> <strong>Zylin<strong>der</strong>buchsen</strong>: Test und Simulation 26
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