Grundsätzliche Untersuchungen hydrodynamischer und mechanischer Gesetzmäßigkeiten an einem nach dem Scheibenverteilerprinzip arbeitenden Einspritzsystem für Ottomotoren [1 ed.] 978-3-663-03672-2, 978-3-663-04861-9

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FORSCH UN GSB ERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Herausgegeben durch das Kultusministerium

Nr. 598

Dipl.-Ing. Otfried Stumpf Dipl.-Phys. Hermann Peters

Grundsätzliche Untersuchungen hydrodynamischer und mechanischer GesetzmäBigkeiten an einem nach dem Scheibenverteilerprinzip arbeitenden Einspritzsystem für Ottomotoren aus dem Institut für Wörmetechnik und Verbrennungsmotoren der Rhein.-Westf. Technischen Hochschule Aachen Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Fritz A. F. Schmidt

Als Manuskript gedruckt

SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH

ISBN 978-3-663-03672-2 ISBN 978-3-663-04861-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04861-9

Bei der Bearbeitung des Berichtes wurden Arbeiten von Dipl.-Ing. G. Winterfeld, Dipl.-Ing. H. Prehn, Dipl.-Ing. H. R. Jansen und Dipl.-Ing. H. Kautz mit verwendet

G 1 i e d e run g Einleitung • • • • • • • • •

S.

5

S.

5

Einspritzaggregates • . . . • • • • . 1. Problemstellung

S.

7 1

2. Theoretische Grundlagen

S. S. S.

8

S.

10

scheiben • • • • •

S.

14

a) Prtifstandaufbau • • • • .

S.

b) Versuchsdurchftihrung

s.

14 11

S.

20

Untersuchungen tiber Reibung und VerschleiB • • .

s.

29

III. Hydrodynamische Untersuchungen des Einspritzsystems

S.

30

1. Einleitung und Problemstellung • • • . • • • . •

s.

30

S.

32

s.

34

S.

43

s.

47

S.

48

S.

48

S.

48

S.

50

S.

51

I. Beschreibung des Einspritzaggregates II. Reibung und VerschleiB an den Verteilerscheiben des

S.

a) Arten der Reibung • b) VerschleiBformen

.••••

8

9

c) EinfluB von Flachenpressung, Geschwindigkeit, Werkstoffeigenschaften und Oberflachenbehandlung

3. Reibungs- und VerschleiBversuche an Verteiler-

c) MeBergebnisse und Diskussion der Versuche •

...

4. Zusammenfassende Betrachtung der Ergebnisse tiber die

2. Die Grundgleichungen der instationaren Stromung elastischer Fltissigkeiten • . • • • • . • • • • • • • •

3. Druckschwingungen im System zwischen Hochdruckpumpe und Verteiler

• . • • •

.••.•.

4. Stromungsvorgange zwischen Verteiler und Einspritzdiisen

5. Zusammenfassung und MaBnahmen zur Dampfung der auftretenden Schwingungen . • . • • • . . • . IV. GesetzmaBigkeiten des Verteilereinspritzaggregates A. Experimentelle Untersuchung des Einspritzgesetzes 1. Aufbau des Prtifstandes zur Messung des Einspritz-

gesetzes

. . . . . . . •

2. Einfltisse auf das Einspritzgesetz . a) EinfluB der Einspritzleitung, Spritzverzug, Theorie und experimentelle Untersuchung

Sei te

3

.

s. s. s.

53 54 54

s.

57

s.

59

s.

61

s.

61

s. s.

64

s.

65

Zusammenfassung

s.

73

Literaturverzeichnis •

s.

74

b) EinfluB des statischen Druckes c) EinfluB der Verteilerdrehzahl

d) EinfluB des freien Schlitzwinkels

....

bei konstantem Einspritzbeginn bei konstantem Einspritzende e) Uberlagerung der Einflusse von Drehzahl und:freiem Schlitzwinkel

...

........

B. Die gesetzmaBigen Beziehungen des geregelten und ungeregelten Einspritzaggregates • • • . . • C. Untersuchung der Mengenabweichungen aufeinanderfolgender Einspritzungen • • • • 1. Theorie der Druckeinspritzung und Ursachen fur Abweichungen 2. Aufbau des Versuchsstandes zur Prufung der Mengenabweichungen

3. Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse 4. Diskussion der MeBergebnisse

65

Fehlerbetrachtung zur Abschatzung der MeBgenauigkeit

Sei te

4

E i n 1 e i tun g Die Kraftstoffeinspritzung bei Ottomotoren hat dem ublichen Vergaserbebetrieb gegenuber eine Reihe von verfahrensmaBigen Vorteilen, die sich u.a. in einer Verbesserung der spezifischen Leistung und des spezifischen Kraftstoffverbrauches ausdrlicken. Sie ist aber bisher in der serienmaBigen Anwendung auf Flugmotoren und einige wenige Fahrzeugmotoren beschrankt geblieben. Der Grund hierflir ist in erster Linie in dem hohen Bauaufwand der bisher entwickelten Einspritz- und Regeleinrichtungen zu suchen, der fur die uberwiegende Zahl der Serienmotoren untragbar erscheint. Bei dem fur die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen verwendeten von F.A.F. SCHMIDT entwickelten - Einspritzsystem erfolgt die Steuerung des gesamten Einspritzvorganges und die Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge flir aIle Motorzylinder durch ein System rotierender und fester Scheiben. Das Aggregat arbeitet an Stelle des meist ublichen Verdrangerprinzipes nach dem Verteilerprinzip und wird infolgedessen in folgendem kurz als "Kraftstoffverteiler" bezeichnet. Es gestattet den Betrieb von Hochleistungsmotoren aller Art. Die Aufgabe einer Reihe von Arbeiten, die am hiesigen Institut durchgeflihrt wurden, bestand in der theoretischen und experimentellen Klarung der Grundprobleme dieses Einspritzaggregates. Es muBten die GesetzmaBigkeiten des Verteilers aufgestellt und an Hand einer ausgeflihrten Einspritzeinrichtung experimentell nachgewiesen werden. Das Einspritzsystem wurde hydrodynamisch einer eingehenden Betrachtung unterzogen, und die GesetzmaBigkeiten fur den VerschleiB und die Reibung an den Verteilerscheiben wurden auf dem Prufstand untersucht. SchlieBlich wurden auch Prlifstands- und Wagenversuche mit einigen ausgefuhrten Einspritzaggregaten durchgeflihrt. Die Ergebnisse eines Teiles dieser Untersuchungen Bollen in den folgenden Abschnitten wiedergegeben werden. I. Beschreibung des Einspritzaggregates

Nachfolgend wird die Grundausfuhrung des Einspritzaggregates beschrieben. Abbildung 1 zeigt einen Schnitt durch das Verteiler-Einspritzgerat. In einem druckfesten Gehause 1 sind auf gleicher Welle ｾｩ･＠

im Einspritz-

rhythmus umlaufenden Verteilerscheiben 3 und 4 angeordnet. Uber die

Seite

5

3

ｌＧｾＸ＠ A b b i 1 dun g

1

Regelstange 5 kann das Scheibenpaar wahrend des Umlaufes relativ gegeneinander verdreht werden. In Abbildung 2 ist im Schnitt A - Beine Ansicht dieser Scheiben mit den in Umfangsrichtung angeordneten Langsschlitzen dargestellt. Die Schlitze bilden in ihrer gegenseitigen Lage 5chnitt A-8

A b b i 1 dun g Sei te

6

2

den wirksamen Steuerquerschnitt, der durch Schraffur angedeutet ist. Der unter Druck gesetzte Kraftstoff flieBt tiber die Bohrung 1 in einen freien Ringraum und dort zur Grundscheibe 8. In dieser sind entsprechend der Zylinderzahl und Einspritzfolge die Steuerbohrungen 9 angeordnet. Der Kraftstoffdruck wirkt dabei auf die Flache des Steuerteils 8 und untersttitzt die durch die Federn 10 erzeugte Pressung zwischen den rotierenden und feststehenden Teilen der Steuereinrichtung. Im Deckel 11 sind entsprechend der Zylinderzahl die Anschlusse ftir die Druckleitungen zu den Einspritzdusen angeordnet.Der RegIer greift an die Regelstange 5 an und regelt die eingespritzte Kraftstoffmenge entsprechend dem vorgegebenen Motorkennfeld. Eine weitere Regelmoglichkeit besteht in der relativen Verdrehung der Grundscheibe 8 gegentiber Deckel 11. II. Uber Reibung und VerschleiB an Verteilerscheiben des Einspritzaggregates 1. Problemstellung

Bei dem entwickelten Kraftstoffeinspritzaggregat muB dem Werkstoffproblem der Verteilerscheiben besondere Beachtung geschenkt werden. Die Anordnung der Scheiben ist derart, daB eine oder auch zwei Scheiben umlaufen, wobei ihre Planflachen in gleitender Bertihrung mit den Planflachen zweier fester Scheiben stehen. Der im Verteiler herrschende Kraftstoffdruck preBt die Scheibenflachen gegeneinander. Die Anordnung zieht sofort das Problem der Reibung an den aufeinander gleitenden Planflachen nach sich. Die an den reibenden Flachen umgesetzte Reibungsarbeit bewirkt eine Temperatursteigerung im Gehause, so daB ftir eine genugende Warmeabfuhr gesorgt werden muB. Andererseits muB durch geeignete Werkstoffauswahl der Reibungsbeiwert auf ein MindestmaB gesenkt werden; damit verringert sich auch die Warmeentwicklung. Hand in Rand mit der Reibung geht stets VerschleiB, der zu einer Zerstorung der dichtenden Flachen ftihren kann

Bei der Werkstoffauswahl ist also besonders auf

die Rohe des auftretenden VerschleiBes des Werkstoffs zu achten. Diejenige Werkstoffpaarung ist die gtinstigste, die geringen VerschleiB mit niedrigem Reibungsbeiwert vereinigt. Ihre Auffindung kann nur durch umgehende Untersuchungen an den in Frage kommenden Werkstoffen unter Betriebsbedingungen moglich gemaoht werden. Insbesondere ist hierbei auch die Anwendung von adsorbierten Schmiermitteln zu prtifen. 1m

Seite 1

folgenden werden zuerst die theoretischen Grundlagen von Reibung und Verschleie zusammengestellt und erortert; danach wird auf die durchgeftihrten Versuche und Ergebnisse eingegangen. 2. Theoretische Grundlagen a) Arten der Reibung Nach der Definition der trockenen Reibung gleiten dabei zwei Korper mit reinen (metallischen) Oberflachen aufeinander, es tritt keine anders geartete Zwischenschicht auf. Hierftir gilt das Coulombsche Reibungsgesetz: R = ｾｎ＠

,

wobei der Reibungswiderstand R proportional dar Normalkraft N auf die reibenden Flachen ist Ｈｾ］＠

Reibungsfaktor). Nach einer Theorie von GUM-

BEL stellt die Reibungsarbeit die Formanderungsarbeit dar, die von der Oberflache aufgenommen wird. Diese vereinfachte Annahme mue insofern erweitert werden, als sich zwischen zwei gleitenden Korpern stets noch eine Gas- oder Fltissigkeitsschicht befindet, deren Dicke zwischen einer Molektilschicht (10- 6 - 10- 1 mm) und einigen tausend solcher Molektilschichten schwankt. Die technisch wirklich auftretenden Reibungsvorgange faBt man unter dem Begriff der Mischreibung zusammen. Es tritt hierbei sowohl eine trockene Reibung im physikalischen Sinne auf, als auch Reibungsfalle, bei denen die Korper durch Zwischenschichten ganz oder teilweise getrennt sind. Von fltissiger Reibung spricht man in allen den Fallen, in denen die beiden gleitenden Flachen vollig durch ein anders geartetes Mittel getrennt sind. Die Dicke dieser Schmierschicht kann bei Schmiermitteln von ein bis zwei Molektillagen an aufwarts betragen. Die Einzelteilchen einer Fltissigkeit setzen einer Verschiebung einen Widerstand entgegen, der nach NEWTON wie folgt definiert ist:

ｴ］ｾ＠

ＨｾＩ＠

Die Schubspannung, d.h. der Widerstand gegen Verschiebung, ist proportional dem Geschwindigkeitsgradienten in der Normalenrichtung. ｾ＠ dynamische Zahigkeit. Der Newtonsche Ansatz gilt nur ftir laminare Str6Sei te 8

mungen; diese Voraussetzungen sind aber fur die technischen Schmierungsfalle weitgehend erfullt. b) VerschleiBformen Mit Reibung ist stets ein gewisser VerschleiB verbunden, insbesondere dort, wo sich metallische Flachen entweder mit oder ohne eine adsorbierte Gasschicht bertihren und aufeinander gleiten. Als VerschleiB bezeichnet man die unerwtinschten Stoffabtrennungen, welche an den Oberflachen von Werkzeugen, Maschinenteilen und Gebrauchsgegenstanden unter dem EinfluB auBerer Kraftwirkung auftreten. Hier solI nun eingegangen werden auf den VerschleiB bei gleitender Reibung zwischen trockenen und geschmierten Flachen. Dabei spielen die verschiedensten Einfltisse eine Rolle, wie Oberflachenrauhigkeit, Oberflachengeftige, die adsorbierte Grenzschicht, die Atmosphare, in der der Vorgang stattfindet, die Oberflachenharte, die Flachenpre s sung , die Gleitgeschwindigkeit und endlich die VerschleiBprodukte selbst. tiber das VerschleiBverhalten von Werkstoffen konnen nach dem heutigen Stande der Forschung noch keine allgemein gtiltigen Aussagen gemacht werden; es ist stete von den betreffenden Betriebsbedingungen abhangig. Es wurden eine Vielzahl von Versuchen durchgeflihrt, die allerdings viele wertvolle Aufschltisse geben konnten. Insbesondere konnten die verschiedenen EinfluBgroBen festgestellt und in ihrer Einzelwirkung untersucht werden. Das Zusammenwirken der einzelnen Einflusse in ihrer verschiedenen Abstufung ergibt den jeweiligen Betriebsfall. Diesee Zueammenwirken im voraus abzuschatzen, ist sehr schwer; die ftir einen bestimmten Betriebsfall gtinstigste Werkstoffpaarung kann letzten Endee nur durch Versuche unter moglichst betriebsnahen Bedingungen ermittelt werden. In Grundlagenversuchen tiber den VerschleiB bei trockener Reibung wurden im allgemeinen 3 verschiedene VerschleiBformen festgestellt. 1. Metallisches VerschleiBen, d.h. Abrieb von Metallteilchen ohne wesentliche Verformung; trat auf, wenn Stoffe von wenig unterschiedlicher Harte auf einander liefen; also z.B. Stahl 60 gegen verwandte Stoffe. 2. Metallisches VerschleiBen mit weeentlicher Verformung,trat in allen den Fallen auf, wo ein harterer Stoff im Eingriff mit einem weicheren stand. Also z.B. Stahl 60 gegen Al oder Bronze. Ee bildeten sich dabei Sei te

9

auf der weicheren Oberflache kaltverfestigte Zonen aus, die auch mit dem bloBen Auge als Glanzstellen erkennbar waren. Nach Erschopfung des Dehnungsvermogens dieser Stellen wurden die betreffenden Metallteilchen aus dem Oberflachefiverband herausgebrochen. Die Absoluthohe des VerschleiBes bei Form 2 war niedriger als bei Form 1.

3. Die dritte VerschleiBform zeigte sich, wenn Stahl 60 gegen Stoffe hoherer Harte lief. Kennzeichnend hierfur waren oxydische VerschleiBflachen und oxydischer Abrieb, der in kleinen Mengen anfiel. Die Bedingung dafur war, daB mindestens einer der beiden Werkstoffe hohen Widerstand gegen eine Abtrennung von Werkstoffteilchen zeigte, oder daB der Werkstoff leicht von O2 angegriffen werden konnte. Versuche von K. DIES zeigten, daB bei Versuchsbedingungen, die zu einem oxydischen VerschleiB fuhrten, der VerschleiB selbst relativ niedrige Werte aufweist. Jedoch war der oxydische VerschleiB nicht eindeutig einer bestimmten Flachenpressung zugeordnet, vielmehr trat er auf bei niedriger und spater im selben Versuch bei hoherer Flachenpressung. Zwischen diesen Gebieten lag eine Zone, in der eine Oberflachenverfestigung eintrat, wobei die Harte dieser Blankstellen zum Teil die des Martensits erreichte. Sie blieb auch bei den hohen Temperaturen, die in den reibenden Oberflachen auftraten, erhalten. c) EinfluB von Flachenpressung, Geschwindigkeit, Werkstoffeigenschaften und Oberflachenbehandlung Eine Vielzahl von Versuchen ist durchgefuhrt worden, um diese Einflusse zu klaren; die Ergebnisse zeigen jedoch, wie bei Reibungs- und VerschleiBversuchen ublich, starke Streuungen. Allen gemeinsam ist jedoch, daB hierbei die einzelnen VerschleiBformen eine groBe Rolle spielen. Solange eine reibende Werkstoffpaarung sich im Gebiet ein und derselben VerschleiBform befand, konnte mit steigender Geschwindigkeit ein Abfall des VerschleiBes festgestellt werden. Man kann annehrnen, daB sich mit zunehmender Geschwindigkeit die verschleiBenden Oberflachen mehr und mehr glatten. Fur zwei verschiedene Werkstoffe ist dies in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Bei geringen Geschwindigkeiten hat man demnach mit den hoheren VerschleiBwerten zu rechnen. Steigert man den Flachendruck, so ergibt sich im Gebiet des metallischen VerschleiBes, entsprechend der VerschleiBform 1, ungefahr eine Proportionalitat

Sei te 10

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A b b i I dun g

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3

EinfluB der Geschwindigkeit auf den VerschleiB im Trockenlauf (nach SIEBEL-KOBITSCH) ｾＭＧｲＮ＠

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A b b i I dun g

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4

EinfluB der Geschwindigkeit auf den VerschleiB mit Wechsel der VerschleiBform (nach SIEBEL-KOBITSCH)

zwischen Flachendruck und Abrieb. Der Abrieb wird also mit steigendem Flachendruck groBer, und zwar bei allen Gleitgeschwindigkeiten, wie dies aus der Abbildung 5 ersichtlich ist. Wechselt bei steigendem Flachendruck jedoch die VerschleiBform, also von metallischem VerschleiB der Form 1 zur Bildung kaltverIestigter Stellen nach Form 2, so ist damit ein Absinken des Abriebs und damit des VerschleiBes verbunden. In Abbildung 6 ist dies sehr deutlich zu erkennenJ hier trat der ttbergang von der einen zur anderen VerschleiBform

Seite

11

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20

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A b b i 1 dun g

EinfluB der Flachenpressung auf den VerschleiB im Trockenlauf (nach SIEBEL-KOBITSCH) ＱＰ

ｾＭＬＧ

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10 15 kg/em FlaehMprusung p

A b b i 1 dun g

20

6

EinfluB der Flachenpressung auf den VerschleiB mit Wechsel der VerschleiBform (nach SIEBEL-KOBITSCH)

bei Erhohung der Gleitgeschwindigkeit ein. Die Linie v

=

0,52

m/s

liegt

noch im Bereich der VerschleiBform 1, wahrend die hoheren Geschwindigkeiten bereits zur VerschleiBform 2 gehoren. Man wird also auf Grund der Geschwindigkeit und der Flachenpressung alIe in noch keine Aussagen tiber die Hohe eines zu erwartenden VerschleiBes machen kOnnen. 1m einzelnen Fall muB stets der Versuch entscheiden, wobei die Betriebsbedingungen so weit als moglich angenahert werden mtissen. Auch die Gtite der Ausgangsoberflache dtirfte hierbei eine Rolle spielen.

Sei te 12

Der EinfluB der Werkstoffharte ist in Abbildung

7 wiedergegeben. Eine

Vielzahl von Versuchen mit Werkstoffen verschiedenster Harte, aIle gegen St 60 laufend, wurde summariseh, also ohne besondere Berueksiehtigung der VerschleiBform ausgewertet und zusammengestellt. Die Absolutwerte des VersehleiBes sind nur Mittelwerte, da sich die Hohe des VerschleiBes aueh mit dem Laufweg andert. Bei der Hartedifferenz 0 ist der VerschleiB am groBten. Der Grundwerkstoff ist hierbei von gleicher Harte wie die abgeriebenen Teilchen, eine Einbettung in eine der gleitenden Oberflachen kann nicht stattfinden. Die VerschleiBteilchen wirken selbst wie Schmirgel und produzieren weiteren VerschleiB.

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7

EinfluB der Hartedifferenz der Werkstoffpaarung auf den VerschleiB (nach SIEBEL-KOBITSCH) Das Diagramm zeigt, daB, wenn der GesamtverschleiB klein gehalten werden solI, es darauf ankommt, eine Werkstoffpaarung mit groBer Hartedifferenz zu verwenden. Hierbei muB jedoch noch auf den Reibungsbeiwert geachtet werden. Dieser darf nicht zu groB sein, weil damit wieder die Temperatur der reibenden Korper steigt. Oberflaehenbehandlungen setzen den VersehleiB erheblich herab. Bei nitrierten Oberflachen, die sehr hart sind und keine Verformbarkeit aufweisen, stellte sich bei Versuchen ein oxydischer VerschleiB ein. GroBe Oberflachenharte ist mit hartverehromten Werkstoffen zu erreichen. Es zeigte sieh ein oxydischer VerschleiB, die AnfreBneigung war auBerst Sei te

13

gering. Wie Abbildung

7 zeigt, liegen derart behandelte Proben im Dia-

gramm des GesamtverschleiBes recht gtinstig. Bei VerschleiBuntersuchungen muB also auch der oberflachenbehandelte Werkstoff mit in Betracht gezogen werden.

3. Reibungs- und VerschleiBversuche an Verteilerscheiben a) Prufstandaufbau Die zu untersuchenden Steuerorgane der Einspritzvorrichtung sind die Verteilerscheiben. Vier Scheiben liegen mit ihren Ringflachen plan aufeinander und werden yom Kraftstoffdruck zusammengepreBt. Zur Untersuchung verbleiben zwei Ebenen, in denen jeweils zwei metallische Oberflachen mit Geschwindigkeiten bis maximal 4000 U/min aufeinander gleiten. Folgende Forderungen sind an das zu untersuchende System zu stellen: a) moglichst geringe Erwarmung des Gesamtsystems b) moglichst geringe Erwarmung der Scheiben c) moglichst geringer VerschleiB Es wurden nun untersucht: Einmal das allgemeine Reibungsverhalten und die Erwarmung des Systems, zum anderen das VerschleiBverhalten der interessierenden Werkstoffpaarungen. Zu diesem Zweck wurden zwei Prufstande aufgebaut, deren Gesamtansicht und Prinzipaufbau aus den Abbildungen 8 bis 10 zu ersehen ist. Winkelhebel Kraftstoffzufuhrung AnpreBachse ＮＭ

Gehause m.Verteilerscheiben Hebelarm f u r Reibmoment Ｍ

Ｍｾ＠

Kraftstoffableitung mit Thermoelement

GewichtsAntriebsmotor

Gewichtsauflage f. Reibmoment __-r___________

A b b i 1 dun g Seite

14

8

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13

S-D

18

/5 16 p

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______________

N

15

A b b i 1 dun g

9

Vereinfachte schematische Darstellung des PrUfstandes I fUr allgemeine Reibungsuntersuchungen 1

Antriebsmotor (Gleichstrom)

14

Lagerung der AndrUckachse

2

Regelwiderstand Ankerstrom

15

Kraftstoffbehalter

3

Regelwiderstand Feld

16

elektrische Kraftstofforder-

4

Spannungsmesser

5 6

Strommesser Drehzahlmesser

17 18

7

Scheibengehause

8

rotierende Verteilerscheibe

19}Thermoelemente fUr Scheiben20 temperatur

9

feststehende Verteilerscheibe

21

pumpe Kraftstoffilter Regelventil fur KraftstofffluB

Thermoelement Kraftstoffeintritt

10

AndrUckachse

11

loser Andruckbolzen mit Schei-

22

benkugellager

Thermoelement Kraftstoffaustritt

12

Winkelheber

23

Umschalter

13

Gewichtsbelastung zur Erzeugung der Normalkraft

24

Millivoltmeter

Aus den Abbildungen geht hervor, wie einmal das Reibungsmoment durch Gewichte genau ausgemessen werden kann und wie zum anderen durch Erzeugung einer Normalkraft eine genau bestimmbare, beliebige Kraft in Seite 15

17

9

A b b i I dun g

10

Vereinfachte schematische Darstellung des Prtifstandes II ftir Untersuchungen am spritzenden Verteiler Antriebsmotor (Drehstrom) 2

14

Leistungsmesser

Maximaldruckventil (Uberstromventil

3 Motorschutzschalter 4 Verteilergehause

15

Entlastungsventil

16

Manometer

5

Verteilerscheiben

17

SpritzgefaB mit Einspritzdtise

6

Antriebsmotor Pumpe (Drehstrom)

18

Thermoelement Gehauseinnen-

7

Kraftstoffdruckpumpe

8

Motorschutzschalter

9

Kraftstoffbehalter

10

elektrische Kraftstofforder-

temperatur 19

Thermoelement Kraftstoffeintritt

20

pumpe

Thermoelement Kraftstoffaustritt

11

Kraftstoffilter

21

Umschalter

12

Drosselventil

22

Millivoltmeter

13

Manometer

den reibenden Flachen erzeugt werden kann. Diese gestattet es, die Scheiben bei allen Belastungen zu untersuchen. Um moglichst Betriebs-

Seite 16

bedingungen zu erreichen, wird durch das Gehause Kraftstoff gepumpt. Zur Messung der Scheibentemperaturen sind in die feste Verteilerscheibe Eisen-Konstantan-Thermoelemente eingebaut. Die tatsachlich auftretenden Betriebsbedingungen werden durch Prtifstand II am spritzenden Verteiler realisiert. b) Versuohsdurohftihrung Bei den Reibungsversuchen am spritzenden Aggregat wurde das Gehause nach dem Einsetzen der Verteilerscheiben abgedichtet und Kraftstoffdruck auf den Verteiler gegeben. Der jeweils gewtinschte Druck wurde dabei am Uberstromventil eingestellt. Sodann wurde der Verteiler in Betrieb gesetzt und in bestimmten Zeitintervallen die MeBwerte Druck, Temperatur, Leistung, Drehzahl und Kraftstoffmenge aufgenommen. Bei den VerschleiBversuohen am spritzenden Verteiler stellte sich heraus, daB bei Anwesenheit von Kraftstoff die VerschleiBgeschwindigkeit auBerst gering ist. FUr eine Beurteilung der Werkstoffe hinsichtlich ihres VerschleiBverhaltens wurden daher Trockenlaufversuche durchgeftihrt, wobei der Abrieb der Scheiben aus der Differenz der Scheibengewichte vor und nach dem Versuch errechnet wurde. Die untersuchten Werkstoffpaarungen umfassen aIle normalen zur Zeit in Anwendung befindlichen Lagerwerkstoffe, sowie verschiedene Sonderwerkstoffe und Kunststoffe. Als Werkstoff der festen Scheiben wurde der im Verteiler gut bewahrte legierte Stahl der Sorte 30 Cr Ni Mo 8 verwendet. Aus der nachfolgenden Tabelle kann ersehen werden, welche Werkstoffe zur Anwendung kamen. Die verwendeten Scheibenformen entsprachen den im wirklichen Verteiler eingebauten. Bei den Versuchen zur Scheibenreibung ergibt sich die Normalkraft aus der Momentengleichung zu:

worin Mo das Moment, das aus dem Eigengewicht des Rebels herrtihrt, bedeutet.

Seite

11

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105-110 kg/mm 2 I ｾ＠

15

5% Sn, 1% Zn, Rest Cu

9%

Rg 5

Rg 9

RotguS

RotguS

Sn, 4% Zn, Rest Cu

65

2% Sn, Rest Cu

G Bz 20

Phosphorbronze

180

95

14% Sn, Rest Cu

G Bz 14

Phosphorbronze

85

300

1% Sn, Rest Cu

(Automaten-Legierung)

2,5-5% Cu, 0,2-1,8% Mg, 0,3-1,5% Mn, 0,5-2,5% Pb

1% Al

0,8% Mo

I G Bz 10

Al Cu Mg Pb

ｾ＠

ｾ＠

Harte HB 2 kg/mm

IPhosphorbronze

AI-Knetlegierung

3,5% C,

GG 22

GuSeisen

ca. 2% Si

0,21% C, 1,5% Cr,

21 Cr Al 6

Nitrierstahl (in Vorbereitung)

0,3% C, 2% Cr, 2% Ni,

Zusammensetzung

I 30 CrNiMo 8

Bezeichnung

Legierter Stahl vergtitet

Werkstoff

1

Untersuchte Werkstoffe

Tab e I I e

\0

CD

c+

CD t-'.

C1l

Trogami d BM

J

duroplast.Kunstst. I Dytron

thermoplas t • Kun. t.

thermoplast .Kunstst'.Trogamid B

Bascodur

Molyporit I

Sinterbronze

Kunststoff

T-Hedul

Bezeichnung

Lagerlegierung

Werkatoff

1

Ｈｆｯｲｴｳ･ｾｵｮｧｽ＠

10% Sn,

4% MoS 2 ;

Porenvolumen ca. 20%

Duroplast-Kunststoff mit Gewebeeinlage (Hartgewebe)

vie vor, jedoch mit Zusatz von 0,4% Molykote (MoS 2 )

Polyamid-Kunststoff auf CaprolactamBasis (Perlon)

Hauptanteil Kohle bzw. Graphit Binder: ha.rtbares Phenolformaldehydharz

86% Cu,

metalloidhaltige Sonderbronze

Zusammensetzung

Untersuchte Werkstoffe

Tab e l l e

Ha.rte HB kg/mm 2

ｾ

Ｍ

ｉ ｬ Ｍ

ｾＧ ｾ＠

Die Reibungskraft zwischen den Scheiben, die tangential wirkt, ermittelt sich aus dem Reibungsmoment tiber den Reibradius, und zwar zu:

Die Reibungsleistung ergibt sich aus der Gleichung:

c) MeBergebnisse und Diskussion der Versuche Beim allgemeinen Reibungsverhalten zeigen samtliche metallischen Werkstoffe im Prinzip das gleiche Verhalten, wahrend die untersuchten Kunststoffe in ihrem Verhalten von dem der Metalle abweichen (Abb. 11 bis 14). Bei den Metallen ist der Reibungsbeiwert bei geringer Flachenｾ＠

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0.10

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5

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6

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12

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I]

p[kp/cm']

11

Reibungsbeiwerte abhangig von der Belastung ftir verschiedene GuBbronzen Gegenwerkstoff 30 CrNiMo 8; n = 2000 Ｍｾ［＠

Sei te 20

mln

v

m

= 4,95

m/s

0. 10

Q06

s

6

10

9

A b b i 1 dun g

1/

12

13

12

J

12

Reibungsbeiwert abhangig von der Belastung Werkstoffpaarung: 30 CrNiMo 8 - Aluminium 1

n = 2000 min; vm = 4,95

mls

I'

0,12

/

0,10

O,De

0.06

0.0'

0.02

ｾ＠ 2

3

, A b b i 1 dun g

Reibungsbeiwert abhangig von der

13

ｂ･ｬ｡ｳｴｵｾｧ＠

fur Rg 9 und Rg 5 1

Gegenwerkstoff 30 CrNiMo 8; n = 2000 min; vm

pressung zunachst gering,

4,95

rols

urn dann bei einer gewissen Belastung

fast sprunghaft anzusteigen. Mit diesem Anstieg war eine starke Sei te 21

"

ｾ＠

QI]

0.10

0.00!

Q06

/'

QO'

QO]

2

J

5

6

7

A b b i 1 dun g

9

10

14

Reibungsbeiwerte von Kunststoffen Gegenwerkstoff 30 CrNiMo 8 1

n = 2000 min; vm = 4,95 m/s

Temperaturerhohung der Scheiben verbunden; es wurden Werte von 100 130 0 C gemessen. Der Ubergang von der Tieflage in die Hochlage erfolgt bei einzelnen Werkstoffen erst bei hoherer Belastung. Diese Eigenschaft ist fur den Betrieb der Scheiben im Verteiler besonders erwtinscht. Die Reibungszahlen der Kunststoffe bewegen sich durchweg in der Hochlage uber

ｾ＠

=

0,06, und zwar bereits bei niedrigen Belastungen. Dementspre-

chend tritt auch eine starke Temperaturerhohung sehr fruhzeitig ein, die zu einer plastischen Verformung des Materials fuhrt. Kunststoffe kommen demnach wegen ihrer geringen Temperaturbestandigkeit als Werkstoffe nicht in Frage, da mit Metallen wesentlich gunstigere Ergebnisse erzieltwerden konnen. Der Reibungsbeiwert bei verschiedenen Gleitgeschwindigkeiten ist fur ein Scheibenpaar aus Abbildung 15 zu entnehmen. Eine gute Ubereinstimmung der Rechnung mit den MeBwerten zeigt eindeutig, daB es sich in der Tieflage urn fllissige Reibung handeln muB. In der Hochlage differieren die Reibungsbeiwerte starker, was den SchluB zulaBt, daB sich die Scheiben jetzt im Zustand der halbfllissigen oder Grenzreibung befinden. Der Anteil der trockenen Reibung mit seiner hoheren Reibungszahl und seiner

Seite 22

ｾ＠

[- ] 0,12

0,10

'-

----.,

r __

----.,

q02

'- - - ' - --. - - , 2

1

7

6

10

1/

12

IJ " _p{kglichung V -

A b b i 1 dun g

40

Verteilung der Mengenabweichungen 38 aufeinanderfolgender Einspritzungen der MeBreihe: n = 4000 min

-1

= 30 atti

Pstat

Hierbei ist die Haufigkeit der MeBwerte tiber dem jeweiligen Abweichungsintervall Vi ｾ＠

0,5

%aufgetragen.

1m Vergleich dazu ist in derselben

Abbildung auch die theoretische Verteilung der Abweichungen der EinSeite

70

spritzmengen gemaB dem GAUSSschen Verteilungsgesetz dargestellt. Wegen Unkenntnis des wahren Durchschnitts ist das Maximum der GAUSSschen Kurve im wahrscheinlichen Durchschnitt, der dem Durchschnitt sarntlicher Einzelwerte entspricht, eingezeichnet worden. Er kann jedoch um ｾ＠

0,62 %

davon abweichen. Die GAUSSsche Verteilungskurve

ist durch die GraBen mittlere Abweichung

0-

GenauigkeitsmaB

h

Ordinate z(o)

n

h

1/ft

ｾ＠

3,79 %

1

0,186 1/%

(iff =

4,0 bestimmt.

Ihr Verlauf wurde mit Hilfe der von K. RANTSCH (Genauigkeit von Messung und MeBgerat, S. 75) angegebenen Tabelle ermittelt.

Tabellenwerte

V

u-

° 0,5 1,°

ｾｯｺ＠

ＨｾＮｵＩ＠ 0,3989

prozentuale Abweichung V=

u'

J.

theoretische Haufigkeit z(v) =

ｾ＠ ｻｾＮｺ＠

(ft: oC;)] 4,01

0,3521

°1 ,9

0,2420

3,8

2,39

1 ,5

0,1295

5,7

1,30

2,0

0,0540

7,6

0,54

2,6

0,0136

9,9

0,14

3,0

0,0044

11 ,4

0,05

3,53

Wenn auch auf den ersten Blick die Versuchswerte mit der theoretischen Verteilungskurve nur wenig ubereinzustimmen scheinen, so muB man berucksichtigen, daB nur 38 aufeinanderfolgende Einspritzungen ausgewertet werden konnten, die GAUSSsche Verteilung aber fur unendlich viele Messungen gilt. DaB es sich bei den MeBwerten tatsachlich um reine Zufallswerte handelt

und ein Ordnungsprinzip der Mengenabweichungen nach der

Seite

71

Glockenkurve vorliegt, zeigt eine Kontrollrechnung, wonach in allen Intervallen v. die wirkliche Abweichung kleiner als die zulassige Abweil

chung ist, was a1s hinreichendes Kriterium anzusehen ist. An einem Beispiel soll die Kontrollrechnung gezeigt werden: Interva11 : - 2,5 % +

- 1,5

tatsachliche Haufigkeit

2

theoretische Haufigkeit

3,5

wirkliche Abweichung

1 ,5

zulassige Abweichung

ＭｖｚＨＱｾＩＧ＠

%

=

-V 3,5 ( 1 - i-)

i

= 1,78 > 1,5 d.h. die Abweichung ist zulassig. Selbst im Intervall der groBten Abweichungen, und zwar bei v

=

ｾ＠

0,5 %,

ist die tatsach1iche Abweichung mit 2,7 kleiner als die theoretische, die 2

ＮｬＯｺＨＱ｟ｾＩｩ＠

=

2,95 ergibt.

Die Wahrscheinlichkeit, daB eine gemessene Einspritzmenge in den Grenzen x. l

±0

liegt, belauft sich auf 68,3 %, d.h. mit fast 70 %iger Wahrschein-

lichkeit wird die Einspritzmenge zu X. l

= 16,37

+ 0,62 mg Ｈｾ＠

3,79 %)

gemessen. In ungefahr 15 % der Fa1le 1iegt sie darunter oder daruber. Die prozentuale Mengenabweichung der aufeinanderfolgenden Einspritzungen wurde mit den ana10gen Werten anderer Einspritzsysteme verg1ichen. Es zeigte sich, daB bei dem Scheibenvertei1ersystem die Absolutwerte der Abweichungen im Durchschnitt wesent1ich geringer waren, insbesondere bei hohen Drehzahlen war die prozentuale Mengenabweichung der Einspritzungen nur ein Bruchtei1 der bei anderen Systemen gemessenen Werte.

Sei te

72

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit gibt einen Uberblick tiber einen Teil der theoretischen und experimentellen Untersuchungen an einem nach dem Scheibenverteilerprinzip (nach F.A.F. SCHMIDT) arbeitenden Einspritzsystem ftir Ottomotoren. Zur Uberprtifung von Werkstoffen ftir die Steuerscheiben des Einspritzaggregates, die einen geringen VerschleiB, eine geringe Haftreibung und eine gute Trockenlaufeigenschaft aufweisen mtissen, wurden ausgedehnte Grundlagenversuche an Reibungsprufstanden durchgefuhrt. Bei den Versuchen wurden Werkstoffpaarung, konstruktive Ausbildung und die Versuchsbedingungen in einem weiten Rahmen variiert, so daB die Ergebnisse ganz allgemein gtiltig sind und bei der Beantwortung von vielen Fragen der Werkstoffpaarung von gegeneinander sich bewegenden Bauelementen als Grundlage dienen kennen. Es wurde u.a. festgestellt, welches die gtinstigste Werkstoffpaarung ftir die jeweiligen FaIle der Belastung und der jeweils infrage kommenden Kraftstoffe ist, und daB die Haftreibung von der Oberflachengtite abhangig ist und ein Molykote-Lacktiberzug das Adhasionsvermegen des Kraftstoffes an gleitenden Flachen verbessert. Die Schwingungsvorgange in dem hydrodynamischen System nach der GreBe ihres Einflusses auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der gemessenen eingespritzten Kraftstoffmengen wurden untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen und Versuche wurden graphisch ausgewertet. Sie gestatten u.a. eine Aussage tiber die Gtite des Einspritzaggregates. Die GesetzmaBigkeiten des nach dem Verteilerprinzip arbeitenden und in seinem Aufbau sehr einfachen Einspritzaggregates wurden auf Grund von theoretischen Uberlegungen ermittelt und durch verschiedene Untersuchungen an zu diesem Zweck besonders geeigneten Prtifstanden experimentell nachgewiesen. Damit konnte gezeigt werden, daB mit den im Einspritzsystem verftigbaren Variationsmeglichkeiten der BetriebsgreBen den Regelanforderungen von Hochleistungsmotoren entsprochen werden kann.

Dipl.-Ing. Otfried STUMPF Dipl.-Phys. Hermann PETERS

Seite

73

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74

FO RSCH UN GS BERI CHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN

Herausgegeben durch das Kultusministerium

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ｔ｣ｩｬＱｰｲ｡ｴｵｭｾｳｮｧ＠

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A..'. I.rist lIJ1d ｄｩｰｬＮＭｨｾＡ＠ . .II. Piitkc, .A"dml an docm Ki..ihlluftgcblasc 19,6,58.1,·ill'lJ, 1 J '''b., lJ.1l 11,7()

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in Vorbereilung

HEFT 598 Prof. Dr.-b(g. F. A. 1'. Schmidt, Aachen Hydrodynamische und mechanische Gesetzmafligkeit eines nach dem Scheibenverteilerprinzip arbeitenden Einspritzsystems fUr Ottomotore HEFT 635 ｄｲＮＭ｢ｾｦＡＬ＠ D, piecklJlaml, Dortlllulld Die Minderung der Schwingungsbelastung des ｾｦ･ｮＭ schen in Kraftfahrzeugen in l/orbereitu!lf!,

HEFT 326 Prof. ｄｲＮＭ｢Ｈｾ＠ E. Esser!, Dr.-b!g. J. essers /md ｄｩｰＡＮＭ｢ｾ＠ J. klein, Aachen Dcichselkrafte an Lastzugen 1957,96.1'eil('//, J4 Abb., D,II 22,10 HEFT 422 Prof ｄｲＮＭ｢Ｈｾ＠ K. I_eisl ,md ｄｩｰｬＮＭＯｾ＠ !r'. ｄ･ｴｬｊｲｩｮ｣ｾＧ＠ Aachen Priifstaode zur Messung der Druck verteilung an rotierenden Schaufeln 1958,84 Seilen, 61.·J"".,21'abellell, D.II 25,80

Ein Gesamtverzeichnis der Forschungsberichte, die folgende Gebiete umfassen, kann bei Bedarf vom Verlag angefordert werden:

Acery)en! Schwci6rechnik - Arbeirspsychologie und -wissenschaft - Bau ! Sreine ! Erden - Bergbau - Biologie - Chemie - Eisenverarbeirende Industrie - Elekrrotechnik! Optik - Fahrzeugbau ! Gasmotoren - Farbe! Papier I Photographie - Fertigung - Gaswirtschaft - Huttenwesen! Werkstoffkunde - Luftfahrt I Flugwissenschafren - Maschinenbau - Medizin I Pharmakologie! Physiologie -'NE-Metalle - Physik - Schall! Ultraschall - Schiffahrt - Textiltechnik! Faserforschung I Waschereiforschung - Turbinen - Verkehr - Wirtschaftswissenschaften.