Thermoelastohydrodynamische Betrachtung des Kolben-Buchse-Kontakts in Hochdruckpumpen

Die globale Herausforderung an die Senkung des CO2-Ausstoßes im Verkehrssektor und die immer strengere Abgasgesetzgebung für Otto- und Dieselmotoren hat für die Peripherie der Verbrennungskraftmaschine mannigfaltige und grundlegende Auswirkungen. Bei modernen Dieselmotoren, die von einem Common-Rail-System gespeist werden, besteht die Notwendigkeit, dass der Kraftstoff möglichst fein zerstäubt wird. Eine Möglichkeit dies zu erreichen besteht in der Erhöhung des Einspritzdrucks. Bei der Common-Rail-Hochdruckpumpe unterliegt der Kolben-Buchse-Kontakt daher einer immer größeren Belastung. Der Dichtspalt zwischen Kolben und Buchse, der in der Größenordnung einiger Mikrometer liegt, muss den hohen Raildruck von bis zu 3.000 bar abdichten. Die Temperaturerhöhung, die der Kraftstoff im Dichtspalt erfährt, führt zu einer Verformung von Kolben und Buchse sowie einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Pumpe durch erhöhte Leckage. Die numerische Abbildung des kritischen Kolben-Buchse-Kontakts in der Hochdruckpumpe muss zur Auslegung zuverlässig durchgeführt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird ein Mikrospaltprüfstand entwickelt und erprobt, der die Validierung der TEHD-Simulation auf einem abstrahierten Level ermöglicht.

Anhand einer TEHD-Simulation werden die wichtigsten physikalischen Effekte im Mikrospalt identifiziert und diskutiert. Die weiterführende Analyse beinhaltet spezielle Effekte des vorliegenden Tribokontakts. Weiterhin wird die Eignung des Mikrospalts zur Validierung eines kommerziellen TEHD-Tools diskutiert. Zur Schließung der tribologischen Prüfkette werden schlussendlich zwei weitere Abstraktionsstufen experimentell erschlossen und die Ergebnisse der Mikrospaltversuche auf diese Ebenen übertragen.