Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung
06.12.2019 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

nachricht Gut angelegte Werte: Schwingfestigkeitsdatenbank hilft Kunststoffbauteile nachhaltig auszulegen
04.12.2019 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Event News

The Future of Work

03.12.2019 | Event News

First International Conference on Agrophotovoltaics in August 2020

15.11.2019 | Event News

Laser Symposium on Electromobility in Aachen: trends for the mobility revolution

15.11.2019 | Event News

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Hefe-Spezies in Braunschweig entdeckt

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Humane Papillomviren programmieren ihre Wirtszellen um und begünstigen so die Hautkrebsentstehung

12.12.2019 | Medizin Gesundheit

Urbane Gärten: Wie Agrarschädlinge von Städten profitieren

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics