O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG
1 EINLEITUNG
Common-Rail-Einspritzsysteme (CR-Systeme) stellen ein zentrales
und wichtiges Element innerhalb von Dieselmotoren dar. Im
Gegensatz zu herkömmlichen Direkteinspritzsystemen, bei denen
der Kraftstoffdruck bei jedem Einspritzvorgang vollständig neu
erzeugt werden muss, sind bei CR-Systemen Druckerzeugung und
Einspritzung voneinander getrennt. Der Druck, der durch eine
vom Verbrennungsmotor angetriebene Hochdruckpumpe
(CR-Pumpe) erzeugt wird, ist im sogenannten Rail gespeichert
und wird über kurze Einspritzleitungen den Injektoren zur Verfügung
gestellt. Durch die Trennung von Druckerzeugung und
Einspritzung lässt sich bei CR-Systemen eine sehr genaue, kennfeldgesteuerte
Einspritzung realisieren, wodurch ein günstigerer
Kraftstoffverbrauch und niedrigere Abgas-Emissionen erzielt
werden. Neben einer Verbesserung der Abgaswerte und einer
Reduzierung der Partikelemissionen haben CR-Systeme gegenüber
herkömmlichen Einspritzsystemen auch akustische Vorteile
/Die07/ /Kep97/ /Raj12/ /Rei62/.
Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren wird zunehmend
von den übergeordneten Zielen zur Kraftstoffeinsparung und
Emissionsreduktion bestimmt. Die Einhaltung neuer Grenzwerte
zwingt zur Erhöhung der Drücke im CR-System auf 3 000 bar
/Raj12/ /Raj10/ /Sch07/ /Sch09/. Aktuell werden in PKW- und
LKW-Einspritzsystemen Raildrücke von bis zu 2 700 bar erreicht
/Bos15/.
Die Ringspaltdichtung, die im Kolben-Buchse-Kontakt der
CR-Pumpe entsteht, hat ein Radialspiel in der Größenordnung von
5 bis 6 µm (ca. 1/10 eines menschlichen Haars). Vorberechnungen
anhand analytischer Abschätzungen zeigen, dass ein Druckabfall
von 3 000 bar einen, durch Dissipation der Druckenergie hervorgerufenen,
Temperaturgradienten über die Dichtspaltlänge von bis zu
180 °C verursacht. Diese thermischen Belastungen führen, aufgrund
verschiedener Ausdehnungskoeffizienten und abweichendem
geometrischem Verformungsverhalten, zu radialen Verformungen
im Spalt, die in der Größenordnung der Ringspalthöhe liegen.
Eine genaue Verteilung der resultierenden Temperatur ist im
Vorhinein nicht bekannt und entzieht sich, aufgrund der konstruktiven
Gegebenheiten innerhalb der Hochdruckpumpe, einer
verlässlichen messtechnischen Erfassung.
Aufgrund der Dissipation von Druckenergie müssen in der Auslegung
von Common-Rail-Pumpen der nächsten Generation neben
druckinduzierten Effekten auch thermisch induzierte Effekte berücksichtigt
werden. Zur systematischen Untersuchung des
Tribokontakts wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Energie geförderten und über die Forschungsvereinigung
Verbrennungskraftmaschinen koordinierten Projekts
am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der
RWTH Aachen University und am Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik
(Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie,
iaf) der Universität Kassel ein abstrahierter Prüfstand entwickelt.
Hierfür wird der Ringspalt im Kolben-Buchse-Kontakt abgewickelt
und als Flachspalt betrachtet.
Zentrale Herausforderungen bei der Umsetzung eines solchen
Prüfkörpers sind zunächst Spaltmaße in der Größenordnung von
5 µm mit einer geringen Maß- und Formabweichung. Weiterhin stellen
hohe Differenzdrücke in einem solchen Prüfstand eine Herausforderung
dar. Schlussendlich müssen Sensoren zur Ermittlung von
Prozessgrößen in die sensible Umgebung eingebracht werden, ohne
das Messergebnis wesentlich zu beeinflussen. Die Entwicklung des
Flachspalts, vor dem Hintergrund dieser Anforderungen und der
Nachweis der Funktion desselben, ist Gegenstand dieses Beitrags.
Zunächst wird die grundsätzliche, technische Problematik
innerhalb von Hochdruckpumpen erläutert. Die Entwicklung des
abstrahierten Prüfstands wird mit einer ausführlichen Beschreibung
der konzeptionellen Entwicklung des Experiments und der
Realisierung der Dichtung des Flachspalts abgehandelt. Darauf aufbauend
werden der Prüfstandsaufbau sowie erste Ergebnisse und
deren Reproduzierbarkeit beschrieben. Abschließend werden die
Ergebnisse zusammengefasst und ein Fazit gezogen.
2 GRUNDLAGEN VON CR-EINSPRITZSYSTEMEN
Common-Rail-Einspritzsysteme (CR-Systeme) stellen bei heutigen
Diesel-PKW-Motoren ein wichtiges Element dar. Druckaufbau
und Einspritzung sind bei ihnen voneinander getrennt
/Kep97/. In Bild 01 ist das vereinfachte hydraulische Prinzip eines
typischen CR-Systems dargestellt. Bei der CR-Pumpe handelt es
sich um eine Plungerpumpe. Die Pumpe wird über eine Vorförderpumpe
(1) aus dem Tank (2) gespeist. Das auf den Vordruck p0
vorverdichtete Fluid gelangt zur Schmierung und Kühlung der
Tribokontakte in das Pumpengehäuse (3) und über eines der
Rückschlagventile (9) in den Verdrängerraum der Pumpe. Die
Einstellung des Niederdrucks erfolgt mittels Rücklaufblende (12).
Der Kolben (6) wird über einen Stößel (5) und eine Nockenwelle
(4) translatorisch bewegt. Hierbei wird der Saughub über das
Rückstellen des Kolbens mittels Druckfeder realisiert. Über eine
Buchse (7) wird zum einen der Kolben geführt und zum anderen
entsteht durch eine enge Passung zwischen Kolben und Buchse
die Spaltdichtung (8) für den Hochdruck. Das auf den Druck p Rail
verdichtete Fluid wird über ein weiteres Rückschlagventil in das
Rail (10) geleitet, dessen Druck durch ein Druckbegrenzungsventil
(DBV, 11) lastabhängig eingestellt wird. Die Injektoren (13)
werden elektrisch angesteuert und entlassen das Fluid in den
Brennraum des Motors.
Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren wird zunehmend
von den übergeordneten Zielen zur Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion
bestimmt. Die Einhaltung strengerer Grenzwerte
erforderte eine Drucksteigerung auf 3 000 bar /Raj12/. Ein Druck
auf einem derartig hohen Niveau hat aufgrund der Dissipation im
Fluid, hervorgerufen durch die Abdrosselung im Kolben-Buchse-Spalt,
eine signifikant höhere Erwärmung des Schmierfilms zur
Folge, die nicht mehr vernachlässigt werden kann. Durch diese
Temperaturerhöhung ändert sich die stark temperaturabhängige
Viskosität des Kraftstoffs, welcher als Schmierstoff dient. Weiterhin
beeinflussen die thermisch induzierten Verformungen der Bauteile
die Spaltweite des tribologischen Kontakts. Dadurch werden die
Leckage, der Druck und die Dissipation im Fluid signifikant
beeinflusst. Die genannten Effekte können, abhängig von der konstruktiven
Gestaltung der CR-Pumpe, zu unerwünschten Zuständen,
wie Kolbenklemmen oder überproportionaler Leckage, führen.
Große Leckage mindert die Funktionsfähigkeit sowie den
Wirkungsgrad des Systems und schmälert die verbrennungstechnischen
Vorteile des hohen Raildrucks.
01
Prinzip eines CR-Systems mit Hochdruckpumpe
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