Optimierung des tribologischen Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn von stationären Groß-Gasmotoren

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Optimierung des tribologischen Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn von stationären Groß-Gasmotoren. / Schiffer, Jürgen.
2014. 155 S.

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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title = "Optimierung des tribologischen Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn von station{\"a}ren Gro{\ss}-Gasmotoren",
abstract = "Gegenw{\"a}rtige Leistungssteigerungen in der Motorenentwicklung und das Bestreben nach Effizienz und Zuverl{\"a}ssigkeit bei gleichzeitig sinkenden Emissionsgrenzwerten verlangen eine st{\"a}ndige Optimierung von innermotorischen Komponenten und deren Systeme. Besonders durch die stetige Erh{\"o}hung des effektiven Mitteldrucks und die Zunahme der mechanischen, thermischen und tribologischen Belastungen erreicht das System Kolbenring-Zylinderlaufbahn zunehmend seine Leistungsgrenze. Au{\ss}erdem k{\"o}nnen vermehrt auftretende und zumeist verschlei{\ss}steigernde unl{\"o}sliche Partikelemissionen innerhalb des motorischen Systems zu weiteren Problemstellungen f{\"u}hren. Es entsteht demzufolge die Notwendigkeit das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn systematisch zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Funktionsweise von Zylinderlaufbahnen aus Graugussmaterialien und thermochemisch modifizierten St{\"a}hlen systematisch untersucht. Die tribologischen Untersuchungen wurden auf Modellma{\ss}stab anhand des bauteil{\"a}hnlichen Ersatzmodells „ring-on-liner“ durchgef{\"u}hrt. Die funktions- und sch{\"a}digungs{\"a}quivalente Versuchsmethodik im Verbund mit neu entwickelten Versuchsstrategien und umfangreichen analytischen Untersuchungen erlauben die Visualisierung feinster Systemunterschiede unter motorspezifischen Einflussfaktoren. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten werkstoffspezifische Funktions- und Sch{\"a}digungsmodelle generiert werden. Die tribometrischen und analytischen Untersuchungen zeigen, dass thermochemisch modifizierte Stahlbuchsen f{\"u}r den Betrieb in station{\"a}ren Gro{\ss}-Gasmotoren geeignet sind. Neben einer h{\"o}heren thermischen und mechanischen Systemstabilit{\"a}t kann das Notlaufverhalten unter Mangelschmierung verbessert werden. Zudem zeigt sich nach erfolgten Einlaufprozessen an der Gleitfl{\"a}che ein gutes Langzeitverhalten mit hohem Verschlei{\ss}widerstand. Eine Oxidschicht auf der Lauffl{\"a}che kann als Einlaufschicht fungieren und den Energiebedarf w{\"a}hrend der Einlaufphase herabsetzen. {\"U}berdies zeigt sich, dass eine Oxidschicht die Bildung von verschlei{\ss}mindernden Additivschichten beg{\"u}nstigen kann. Die direkt auf das reale Bauteil {\"u}bertragbaren Ergebnisse bilden die Grundlage f{\"u}r eine Validierung auf einem Motorpr{\"u}fstand und liefern somit notwendige Eingangsdaten f{\"u}r zuk{\"u}nftige Entwicklungsprozesse des Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn.",
keywords = "gas engine, piston ring, cylinder liner, gray cast iron, thermochemically modified steel, model scale, ring-on-liner, wear resistance, system stability, tribofilm, Gasmotor, Kolbenring, Zylinderlaufbahn, Grauguss, thermochemisch modifizierter Stahl, Oxidschicht, Modellpr{\"u}fung, ring-on-liner, Verschlei{\ss}widerstand, Systemstabilit{\"a}t, Additivschicht",
author = "J{\"u}rgen Schiffer",
note = "nicht gesperrt",
year = "2014",
language = "Deutsch",

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T1 - Optimierung des tribologischen Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn von stationären Groß-Gasmotoren

AU - Schiffer, Jürgen

N1 - nicht gesperrt

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Gegenwärtige Leistungssteigerungen in der Motorenentwicklung und das Bestreben nach Effizienz und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig sinkenden Emissionsgrenzwerten verlangen eine ständige Optimierung von innermotorischen Komponenten und deren Systeme. Besonders durch die stetige Erhöhung des effektiven Mitteldrucks und die Zunahme der mechanischen, thermischen und tribologischen Belastungen erreicht das System Kolbenring-Zylinderlaufbahn zunehmend seine Leistungsgrenze. Außerdem können vermehrt auftretende und zumeist verschleißsteigernde unlösliche Partikelemissionen innerhalb des motorischen Systems zu weiteren Problemstellungen führen. Es entsteht demzufolge die Notwendigkeit das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn systematisch zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Funktionsweise von Zylinderlaufbahnen aus Graugussmaterialien und thermochemisch modifizierten Stählen systematisch untersucht. Die tribologischen Untersuchungen wurden auf Modellmaßstab anhand des bauteilähnlichen Ersatzmodells „ring-on-liner“ durchgeführt. Die funktions- und schädigungsäquivalente Versuchsmethodik im Verbund mit neu entwickelten Versuchsstrategien und umfangreichen analytischen Untersuchungen erlauben die Visualisierung feinster Systemunterschiede unter motorspezifischen Einflussfaktoren. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten werkstoffspezifische Funktions- und Schädigungsmodelle generiert werden. Die tribometrischen und analytischen Untersuchungen zeigen, dass thermochemisch modifizierte Stahlbuchsen für den Betrieb in stationären Groß-Gasmotoren geeignet sind. Neben einer höheren thermischen und mechanischen Systemstabilität kann das Notlaufverhalten unter Mangelschmierung verbessert werden. Zudem zeigt sich nach erfolgten Einlaufprozessen an der Gleitfläche ein gutes Langzeitverhalten mit hohem Verschleißwiderstand. Eine Oxidschicht auf der Lauffläche kann als Einlaufschicht fungieren und den Energiebedarf während der Einlaufphase herabsetzen. Überdies zeigt sich, dass eine Oxidschicht die Bildung von verschleißmindernden Additivschichten begünstigen kann. Die direkt auf das reale Bauteil übertragbaren Ergebnisse bilden die Grundlage für eine Validierung auf einem Motorprüfstand und liefern somit notwendige Eingangsdaten für zukünftige Entwicklungsprozesse des Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn.

AB - Gegenwärtige Leistungssteigerungen in der Motorenentwicklung und das Bestreben nach Effizienz und Zuverlässigkeit bei gleichzeitig sinkenden Emissionsgrenzwerten verlangen eine ständige Optimierung von innermotorischen Komponenten und deren Systeme. Besonders durch die stetige Erhöhung des effektiven Mitteldrucks und die Zunahme der mechanischen, thermischen und tribologischen Belastungen erreicht das System Kolbenring-Zylinderlaufbahn zunehmend seine Leistungsgrenze. Außerdem können vermehrt auftretende und zumeist verschleißsteigernde unlösliche Partikelemissionen innerhalb des motorischen Systems zu weiteren Problemstellungen führen. Es entsteht demzufolge die Notwendigkeit das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn systematisch zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Funktionsweise von Zylinderlaufbahnen aus Graugussmaterialien und thermochemisch modifizierten Stählen systematisch untersucht. Die tribologischen Untersuchungen wurden auf Modellmaßstab anhand des bauteilähnlichen Ersatzmodells „ring-on-liner“ durchgeführt. Die funktions- und schädigungsäquivalente Versuchsmethodik im Verbund mit neu entwickelten Versuchsstrategien und umfangreichen analytischen Untersuchungen erlauben die Visualisierung feinster Systemunterschiede unter motorspezifischen Einflussfaktoren. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten werkstoffspezifische Funktions- und Schädigungsmodelle generiert werden. Die tribometrischen und analytischen Untersuchungen zeigen, dass thermochemisch modifizierte Stahlbuchsen für den Betrieb in stationären Groß-Gasmotoren geeignet sind. Neben einer höheren thermischen und mechanischen Systemstabilität kann das Notlaufverhalten unter Mangelschmierung verbessert werden. Zudem zeigt sich nach erfolgten Einlaufprozessen an der Gleitfläche ein gutes Langzeitverhalten mit hohem Verschleißwiderstand. Eine Oxidschicht auf der Lauffläche kann als Einlaufschicht fungieren und den Energiebedarf während der Einlaufphase herabsetzen. Überdies zeigt sich, dass eine Oxidschicht die Bildung von verschleißmindernden Additivschichten begünstigen kann. Die direkt auf das reale Bauteil übertragbaren Ergebnisse bilden die Grundlage für eine Validierung auf einem Motorprüfstand und liefern somit notwendige Eingangsdaten für zukünftige Entwicklungsprozesse des Systems Kolbenring-Zylinderlaufbahn.

KW - gas engine

KW - piston ring

KW - cylinder liner

KW - gray cast iron

KW - thermochemically modified steel

KW - model scale

KW - ring-on-liner

KW - wear resistance

KW - system stability

KW - tribofilm

KW - Gasmotor

KW - Kolbenring

KW - Zylinderlaufbahn

KW - Grauguss

KW - thermochemisch modifizierter Stahl

KW - Oxidschicht

KW - Modellprüfung

KW - ring-on-liner

KW - Verschleißwiderstand

KW - Systemstabilität

KW - Additivschicht

M3 - Dissertation

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