Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhung der Betriebssicherheit der Kolbenbolzenlagerung

Bei der Entwicklung moderner hochbelasteter Verbrennungsmotoren gemäß der aktuellen „Downsizing“ und „Downspeeding“ Motorenkonzepte gilt die Kolbenbolzenlagerung als Achillesferse. Nabenreiber bzw. –fresser sind bei allen Motorbauarten und Arbeitsverfahren bekannt.

Kernziel des Vorhabens ist es, exemplarisch und vorwettbewerblich, Potentiale zur Steigerung der Betriebssicherheit von Kolbenbolzenlagerungen eines Verbrennungsmotors aufzuzeigen. Die erfolgreiche und betriebssichere Auslegung einer Kolbenbolzenlagerung wird maßgeblich davon abhängen, ob die Versorgung mit Schmierstoff zum richtigen Zeitpunkt am Lagerrand gewährleistet ist und ob topographiebedingte Speichereffekte im System (z.B. 3D-Nut) in der Lage sind, temporäre Versorgungsengpässe auszugleichen. Dabei soll der Zusammenhang zwischen der Gestaltung der Lagerfeingeometrie und der notwendigen Ölversorgungsmenge identifiziert werden. Die Arbeitsergebnisse werden verwendet, um eine universell einsetzbare Methodik zu erarbeiten, mit der die für die Analyse der Kolbenbolzenlagerung relevanten Öltransport- und Versorgungsmechanismen ermittelt werden können.

Auch wenn Automobilhersteller und maßgebliche Zulieferer, wie z.B. Kolbenhersteller, in den meisten Fällen nicht zum Kreise der KMU zu zählen sind, entsteht durch das beantragte Forschungsvorhaben Nutzen für KMU. Eine sichere rechnerische Auslegung des Kolbenbolzens spart Entwicklungskosten und –zeit, was besonders für Hersteller von Sondermotoren, Gasmotoren, Flugmotoren und Motoren für Sportgeräte, die den KMU zuzurechnen sind, wesentliche Vorteile generiert. Für Anbieter von Engineering-Dienstleistungen wird eine Auslegungsmethode bereitgestellt, mit der sie ein marktfähiges Angebot machen und ihr Portfolio erweitern können. Das in diesem Vorhaben maßgeblich weiterentwickelte Floureszenzmesssystem, das durch einen einfachen und kompakten Aufbau charakterisiert ist, eröffnet neue Geschäftsfelder für die KMU-Anbieter von Sondermesstechnik.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden das Bewegungs- und Drehverhalten des Kolbenbolzens sowie die Ölversorgungsmechanismen der Kolbenbolzenlagerung untersucht, um Potentiale zur Steigerung der Betriebssicherheit von Kolbenbolzenlagerungen eines Verbrennungsmotors aufzuzeigen. Dabei sind die Öltransportverhältnisse und die Ölangebote durch experimentelle Versuche an einem Gleitlagerprüfstand und am gefeuerten Motor in Kombination mit numerischen 2D- und 3D-Simulationen untersucht worden. Im Projekt werden neue experimentelle Methoden vorgestellt, die es erlauben, im Motorbetrieb Messdaten über die Kolbenbolzenlagerung aufzunehmen. So kommen erstmals zwei-Messschwingen-systeme parallel zum Einsatz, um elektrische und optische Messsignale vom Kolben im gefeuerten Motor zu übertragen. Darüber hinaus wurde die Entwicklung und Erprobung eines prüfstandstauglichen Fluoreszenz-Messsystems mit einer Lichtleiter- sowie Kapillarenapplizierung des Kolbens zur Messung von Öltransport und Ölangeboten vorangetrieben. Mit diesen detaillierten Messergebnissen ist ein instationäres 2-Phasen 3D-CFD-Modell validiert worden, mit dem die Öltransportvorgänge der Kolbenbolzenlagerung berechnet werden. Die numerischen Ergebnisse umfassen u.a. das zeitaufgelöste, transiente und räumliche Ölangebot im Ölkragen, welches mittels einer neu entwickelten Schnittstelle an ein 2D-EHD-Modell übertragen wird. Damit ist es möglich, die bestehende 2D-Simulations-methodik zu erweitern und somit die Aussagefähigkeit über das Bewegungsverhalten des Kolbenbolzens, das elastische Deformationsverhalten sowie das nichtlineare Verhalten des Schmierfilms im Kolbenbolzenlager zu steigern. Die vorgestellten Ergebnisse tragen zu einem besseren tribologischen Systemverständnis bei und ermöglichen es, die Betriebssicherheit der Kolbenbolzenlagerung zu verbessern.