Einsatz von Spezialmesstechnik im Mechanik-Testing am Beispiel detaillierter Untersuchungen druckdynamischer Effekte im Kolbenringpaket

Zusammenfassung

Effizienzsteigerung und Emissionsreduzierung gehören zu den Hauptentwicklungszielen moderner Verbrennungsmotoren. Die Reduktion der mechanischen Verluste liefert dazu einen signifikanten Beitrag. Betriebspunktabhängig werden 30 bis 50 % der Gesamtmotorreibung vom Tribosystem Kolben – Kolbenring – Zylinder verursacht. Ölverbrauch und HC-Emissionen werden maßgeblich von der Dichtwirkung des Kolbenringpaketes beeinflusst, welche für unterschiedlichste Betriebsbedingungen sichergestellt werden muss. Reibungsreduktion und hohe Dichtwirkung stellen dabei mitunter einen Zielkonflikt dar. Daher kommt besonders vor dem Hintergrund zukünftiger Emissionsziele der Optimierung dieses Tribosystems eine große Bedeutung zu. Um den Entwicklungsprozess zeit- und kosteneffizient gestalten zu können, kommen komplexe Simulationsmodelle zum Einsatz. Zeitlich hochaufgelöste Messdaten bilden dabei eine unverzichtbare Grundlage zur Validierung dieser Modelle und ermöglichen eine hohe Simulationsgüte und verlässliche Vorhersagegenauigkeit. Zur Analyse und zum tieferen Verständnis der dynamischen Effekte im Kolbenringpaket von Verbrennungsmotoren wurde am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA der RWTH Aachen University in Kooperation mit der FEV GmbH eine Spezialmesstechnik entwickelt. Diese ermöglicht die Erfassung des axialen und radialen Bewegungsverhaltens der Kolbenringe sowie der dynamischen Druckausbreitung im gesamten Kolbenringpaket. Darüber hinaus kann das dynamische Deformationsverhalten der Kolbenringe untersucht werden. Eine beanspruchungsgerechte Auslegung der Messtechnik sowie der Signalübertragung ermöglicht dabei die Untersuchung im gesamten Betriebskennfeld typischer Verbrennungsmotoren für PKW Anwendungen. Die ermittelten Messdaten zeigen verschiedenste Einflüsse auf das dynamische 3D-Bewegungsverhalten und die damit verbundene Druckkaskade entlang des Kolbenringpaketes sehr detailliert auf. Dieser Beitrag zeigt am Beispiel der Kolbenringdynamik das Potential von Spezialmesstechniken sowohl hinsichtlich Troubleshooting Anwendungen im konkreten Problemfall als auch hinsichtlich des Aufbaus von notwendigen Detailkenntnissen zur Validierung von Berechnungsergebnissen und zur Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge im modernen Entwicklungsprozess von Verbrennungsmotoren auf.