TY - BOOK

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

ER -