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Verschleißmonitoring für Ventile von Großgasmotoren

23.02.2016

Gasmotoren zur Energieerzeugung, beispielsweise in Blockheizkraftwerken, zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade und niedrige Emissionen aus. Die hohe Klopffestigkeit der Brenngase ermöglicht hohe Wirkungsgrade durch den Betrieb mit hohen Drücken und Verbrennungstemperaturen. Im Gegenzug ist die Verschleißbeanspruchung der Motorenventile unter diesen Bedingungen sehr hoch.

Um die Lebensdauer der Motorkomponenten – und damit die Attraktivität der Gasmotoren – weiter zu steigern, arbeitet das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM MikroTribologie Centrum zusammen mit der Märkisches Werk GmbH daran, die Verschleißmechanismen am Ventilsitz besser zu verstehen und gezielt zu beeinflussen.


Maßgeschneiderter Versuchsstand zur Verschleißmessung an großen Ventilen unter definierten Belastungen (links), Ventil im Versuchsstand (rechts).

© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Auf der Suche nach Lösungen zur sauberen Energieerzeugung arbeiten die Hersteller von Gasmotoren an höheren Verbrennungstemperaturen bei gleichzeitiger Minimierung von Schmierstoffen, um Verbrennungsprodukte und Emissionen zu reduzieren. Für die Ventilspindeln ergeben sich daraus eine höhere Temperatur-, Druck- und Verschleißbeanspruchung, denn auch die Schmierung durch Verbrennungsrückstände wie Rußablagerungen entfällt.

Gefragt sind Werkstoffe, die den gestiegenen Anforderungen gewachsen sind. Dazu hat das Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrum in enger Kooperation mit der Märkisches Werk GmbH einen Versuchsaufbau entwickelt, der die Einsatzbelastungen realitätsgetreu nachstellt und ein Verschleißmonitoring ermöglicht. Auf dieser Basis optimiert das Team Werkstoffpaarung und Bauteildesign.

Flexibler Prüfstand für große Ventile

»Wir haben einen für die Bedingungen im Gasmotor maßgeschneiderten Prüfstand für Ventile mit 70 bis 100 mm Ventiltellerdurchmesser entwickelt«, sagt Dr. Dominik Kürten, Mitarbeiter der Gruppe »Verschleißschutz, Technische Keramik« des Fraunhofer IWM in Freiburg. In der Klimakammer des Prüfstands lassen sich Umgebungsbedingungen wie die Temperatur und die Zusammensetzung der Luft aus bestimmten Gasen und Luftfeuchtigkeit einstellen und damit exakt die Bedingungen der jeweiligen Anwendung nachstellen.

Der neue Versuchsstand kann zwei Belastungsszenarien simulieren: zum einen öffnet und schließt sich das Ventil hochdynamisch und zum anderen wird beim geschlossenen Ventil ein definierter Verbrennungsdruck nachgestellt. Betriebsbedingungen wie Temperatur, Verbrennungsdruck, Schließgeschwindigkeiten und Atmosphärenzusammensetzung sind bei den Versuchen präzise einstellbar.

»Dadurch können wir feststellen, welche Faktoren den größten Einfluss auf den Verschleiß des Ventils haben«, erläutert Kürten. Während der Versuche, die bis zu mehreren Wochen dauern können, lässt sich während einer kurzen Unterbrechung der sogenannte Sitzflächenverschleiß am Ventil bestimmen, ohne es aus der Führungs- und Rotationsvorrichtung entnehmen zu müssen.

»Aus den Ergebnissen der dynamischen Versuche errechnen wir den zu erwartenden Verschleiß des Bauteils bis zum Ende seiner Lebensdauer«, erklärt der Wissenschaftler für Hochtemperaturtribologie. Es fehle bei der sauberen Verbrennung im Gasmotor ein durchgängiger, schützender Tribofilm zwischen Ventil und Sitzring, der sich ansonsten bei Dieselmotoren, die viel Ruß erzeugen, typischerweise beobachten lässt.

Gebrauchseignung feststellen durch Kenntnis der Mikrostruktur

»Wir haben herausgefunden, dass die tribologische Belastung des Ventils hauptsächlich vom Gefüge des Ventilwerkstoffs und des Sitzrings aufgefangen wird«, erklärt Kürten. Im Detail erforscht das Wissenschaftsteam den Materialverschleiß mit Mikrostrukturaufklärung und Materialanalytik. »Mit diesem Wissen können wir – ausgehend von den Gefügeeigenschaften und der Mikrostruktur der Ventilwerkstoffe – die Gebrauchseignung der Werkstoffe für neue Gasmotoren bewerten und sie so auch zur Anwendung in Schiffen oder Lokomotiven qualifizieren«, so Kürten.

Weitere Informationen:

http://www.iwm.fraunhofer.de/geschaeftsfelder/tribologie/verschleissschutz-techn... Gruppe Verschleißschutz, Technische Keramik am Fraunhofer IWM
http://www.mikrotribologiecentrum.de/ Webseite des MikroTribologie Centrums

Katharina Hien | Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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