Neuartiger Ansatz zur Untersuchung des tribologischen Systems Ventilspindel/Sitzring für Großgasmotoren

Produktbeschreibung

Kurzfassung

Die technische Entwicklung von Großgasmotoren in den Bereichen Marine, Lokomotive und insbesondere Kraftwerk hat zu mechanischen Wirkungsgraden von über 50 % geführt, wodurch das tribologische System Ventilspindel/Sitzring an den Grenzen seiner Funktionsfähigkeit eingesetzt wird. Problemverschärfend wirkt eine zunehmend strengere Abgasgesetzgebung. Hocheffiziente Großgasmotoren werden im Systemverbund mit neuen Technologiekonzepten als potenzieller Ansatz für einen emissions- und kostenreduzierten Betrieb gesehen. Die steigenden Zünddrücke, höheren Temperaturen und reduzierten Verbrennungsrückstände bewirken aufgrund neuartiger Betriebsbedingungen einen hohen Ventilverschleiß mit vorzeitigem Funktionsausfall.

Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen ………………………………………………………………………………………………… VIII
Abkürzungsverzeichnis ………………………………………………………………………………………… X
Kurzfassung …………………………………………………………………………………………………….. XII
Abstract …………………………………………………………………………………………………………. XIII
1 Einleitung ……………………………………………………………………………………………………. 1
1.1 Motivation des neuartigen Ventilverschleißprüfstands …………………………………….. 1
1.2 Tribologische Grundlagen ……………………………………………………………………………… 3
1.2.1 Gleitreibung ……………………………………………………………………………………… 4
1.2.2 Verschleiß …………………………………………………………………………………………. 8
1.2.3 Gleitverschleiß ………………………………………………………………………………… 11
1.2.4 Gleitverschleiß bei Hochtemperatur ………………………………………………….. 14
1.2.5 Stoßverschleiß …………………………………………………………………………………. 17
1.2.6 Milder Verschleiß …………………………………………………………………………….. 18
1.2.7 Dritter Körper ………………………………………………………………………………….. 19
1.3 Ventilsystem in 4-Takt-Großgasmotoren ………………………………………………………. 20
1.3.1 Ventilspindel und Sitzring …………………………………………………………………. 21
1.3.2 Werkstoffe ……………………………………………………………………………………… 26
1.3.3 Ventilverschleiß……………………………………………………………………………….. 27
1.4 Ventilverschleißprüfstände………………………………………………………………………….. 34
1.5 Zukünftige Trends in der Großgasmotorenentwicklung ………………………………….. 39
1.6 Ziel und Ansatz der Arbeit …………………………………………………………………………… 40
2 Untersuchung der Verschleißmechanismen zur Prüfstandsentwicklung ……………….. 42
2.1 Probenmaterial ………………………………………………………………………………………….. 42
2.2 Mikrostrukturanalyse …………………………………………………………………………………. 44
2.2.1 Durchführung und Mikroskopie …………………………………………………………. 44
2.2.2 Spektroskopie …………………………………………………………………………………. 45
2.2.3 Profilometrie …………………………………………………………………………………… 46
2.3 Stellite™ 12-Ventilspindeln mit Verschleißraten von bis zu 11,81 mm³/h ………….. 48
2.3.1 Mikroskopie ……………………………………………………………………………………. 48
2.3.2 Profilometrie …………………………………………………………………………………… 54
2.3.3 Röntgenphotoelektronenspektroskopie……………………………………………… 56
2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ………………………………………………….. 59
3 Entwicklung, Konstruktion und Aufbau eines neuartigen Ventilverschleißprüfstands 63
3.1 Prüfstandskonzept ……………………………………………………………………………………… 63
3.1.1 Maschinengestell und Aktuatorik ………………………………………………………. 64
3.1.2 Prüfmodus I und II ……………………………………………………………………………. 68
3.2 Aufbau des Ventilverschleißprüfstands …………………………………………………………. 70
3.2.1 Prüfgestell ………………………………………………………………………………………. 70
3.2.2 Tastversuche zur Induktionsheizung ………………………………………………….. 72
3.2.3 Gasdichte Klimakammer …………………………………………………………………… 73
3.2.4 Prüfmodus I – Simulation des Ventilschließens ……………………………………. 74
3.2.5 Ölschmierung und Kühlung ……………………………………………………………….. 76
3.2.6 Vorversuche zum Kühlsystem ……………………………………………………………. 77
3.2.7 Prüfmodus II – Simulation des Verbrennungsdrucks ……………………………. 79
3.2.8 Messtechnik und Peripherie ……………………………………………………………… 83
3.2.9 Ausrichtung des Prüfaufbaus …………………………………………………………….. 85
3.3 Versuchsablaufplan ……………………………………………………………………………………. 86
3.4 Validierung des Ventilverschleißprüfstands …………………………………………………… 87
3.4.1 Ventilrotation ………………………………………………………………………………….. 87
3.4.2 Kühlsystem ……………………………………………………………………………………… 88
3.4.3 Verschleißerscheinungsformen …………………………………………………………. 90
3.4.4 Verschleißrate …………………………………………………………………………………. 94
4 Erste Ergebnisse aus den Prüfstandsversuchen ………………………………………………… 95
4.1 Ventilschließen an Luft bei 380 °C ………………………………………………………………… 96
4.1.1 Quantitative Verschleißanalyse …………………………………………………………. 96
4.1.2 Mikrostrukturanalyse ……………………………………………………………………….. 99
4.2 Verbrennungsdruck an Luft bei 380 °C ………………………………………………………… 103
4.2.1 Quantitative Verschleißanalyse ……………………………………………………….. 103
4.2.2 Mikrostrukturanalyse ……………………………………………………………………… 107
5 Diskussion ………………………………………………………………………………………………… 112
5.1 Validierung des VVPs ………………………………………………………………………………… 112
5.2 Einfluss der Mikrostruktur …………………………………………………………………………. 116
5.3 Neue Erkenntnisse zum Einfluss des Ventilschließens …………………………………… 117
5.4 Neue Erkenntnisse zum Einfluss des Verbrennungsdrucks …………………………….. 119
5.5 Schlussfolgerungen für zukünftige Großgasmotoren …………………………………….. 122
6 Zusammenfassung und Ausblick …………………………………………………………………… 123
6.1 Prüfstandsvalidierung ……………………………………………………………………………….. 123
6.2 Prüfstandsversuche ………………………………………………………………………………….. 125
6.3 Ausblick …………………………………………………………………………………………………… 126
7 Anhang ……………………………………………………………………………………………………. 128
8 Literaturverzeichnis ……………………………………………………………………………………. 131

Keywords: Tribologie, Verschleißmechanismen, Hochtemperatur, Ungeschmierter Kontakt, Ventilverschleiß, Stellite, Neuartiger Prüfstand, Großgasmotoren,