Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Strömungsinduzierte Korrosion und Erosion in Kühlkanälen von Verbrennungskraftmaschinen

Die technische Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors hinsichtlich Emissions- und Verbrauchsreduzierung wird zum Großteil durch Konzepte wie Turboaufladung, Downsizing oder Thermomanagement getragen. Diese bedingen jedoch deutlich erhöhte Werkstofftemperaturen im Motoren-/Zylinderkopfbereich, die durch das Kühlsystem abgeführt werden müssen. Um Schäden infolge Überhitzung zu vermeiden, müssen bestehende Kühlmaßnahmen gerade im Bereich Zylinderkopf weiterentwickelt und optimiert werden. In Kombination mit steigenden Leistungsdichten muss der Kühlmittelstrom zwangsläufig erhöht werden, um die geforderte Kühlleistung aufrecht zu erhalten. Zu hohe Kühlmittelströme können jedoch eine direkte erosive Schädigung der Kühlkanäle bewirken sowie durch das Kühlmittel zum Zwecke des Korrosionsschutzes entstandene Inhibitionsschichten schädigen. Werden nicht alle Kühlkanäle an die hohen Strömungsbedingungen angepasst, können sich zudem Bereiche geringer Durchströmung ergeben, sog. Totwasserzonen, in denen sich Kühlmittelinhaltsstoffe aufkonzentrieren und ausfallen können. Auch wirkt das Auftreten von Strömungskavitation oder Sieden beeinträchtigend. Im Rahmen des angestrebten Projekts sollen folglich die Wechselwirkungen (Korrosion, Erosion, Kavitation, Sieden, Inhibierung) zwischen metallischen Werkstoffen und relevanten Kühlmitteltechnologien unter praxisnahen Beanspruchungen (Wärmestrom, Strömung, Überdruck) bewertet werden. Zur Erreichung des Ziels soll ein bestehender und in der Zulassungsprüfung von Kühlmitteln etablierter Prüfstand an die neuen Herausforderungen angepasst werden. Zudem soll mittels CFD-Simulation ein Strömungsmodell entwickelt werden, womit die phänomenologischen Bewertungen korreliert und Empfehlungen zur Auslegung von Kühlkanälen ausgesprochen werden können. Die Erkenntnisse nutzen somit der gesamten Automobil- und Zulieferindustrie sowie der chemischen Industrie einschließlich der KMU und hat somit eine erhebliche (volks-)wirtschaftliche Bedeutung.

Ergebniszusammenfassung:

Um die Folgen hoher thermischer Belastungen für Werkstoffe und Kühlmittel im Automotivebereich zu untersuchen, wurde im Rahmen des Vorhabens „Strömungserosion“ der Einfluss einzelner Versuchsparameter auf die Haupt- und Wechselwirkungseffekte zwischen Werkstoff und Kühlmittel unter definierten thermisch-strömungsdynamischen Beanspruchungsszenarien untersucht. Mit dem im Projekt entwickelten Korrosionsprüfstand – dem sogenannten „Flow Dynamic Corrosion Test Bench“, kurz „FDC“ – konnte das Korrosions- und Inhibitionsverhalten unter Laborbedingungen in Abhängigkeit der gewählten Versuchsparameter und Kühlmittelzusätze an einer wärmedurchflossenen Aluminiumprobe umfänglich und erfolgreich untersucht werden. Es gelang ferner, mögliche begrenzende thermische Einsatzbedingungen für Kühlmittel bzw. des zu schützenden Werkstoffes zu erhalten. Darüber hinaus erfolgte eine Validierung der Ergebnisse und die daraus abgeleitete und systemrelevante Prüfmethodenempfehlung (ähnlich der Richtlinie FVV R530/2005). Das wesentliche Ziel die Schaffung eines umfassenden Verständnisses über die Degradationsvorgänge und ein valider Erkenntnistransfer in industrielle Anwendungen wurde insgesamt betrachtet erfolgreich umgesetzt.