Aus der Praxis für die Praxis 1 Einleitung Die Optimierung moderner Verbrennungsmotoren zielt u. a. auf die Reduzierung von Reibung, Ölemission und Geräuschentwicklung ab. Durch die Auslegung der Kolbengruppe können diese drei Teilbereiche maßgeblich beeinflusst werden. Die effizientere Nutzung der Kraftstoffenergie durch Reduzierung der innermotorischen Reibung ist eine Maßnahme zur Erfüllung zukünftiger CO 2 -Grenzwerte. Mit 45 % weist die Kolbengruppe bestehend aus Zylinderwand, Kolben und Kolbenringen den größten Anteil der innermotorischen Reibungsverluste auf [1]. Unerwünschter Öltransport vom Kurbelgehäuse in den Brennraum gilt als Ursache für Ölemissionen, Vorentflammungen und Aschebildung im Abgaspartikelfilter. Gleichzeitig stellen Verbrennungsgase, die vom Brennraum in das Kurbelgehäuse gelangen (Blowby-Gase) einen Wirkungsgradverlust dar. Flüssiger Kraftstoff, der auf die Zylinderwand trifft, beeinflusst die Viskositätseigenschaften des Schmierstoffs und gelangt in den Ölkreislauf des Motors. Die Auslegung der Kolbengruppe erfolgt daher auch hinsichtlich der Ab- Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 35 * Torben Müller, M.Sc. 1,2 Dr. Stefan Wigger 1 Dr. Hans-Jürgen Füßer 1 Prof. Dr. Sebastian Kaiser 2 1 Daimler AG, Ulm 2 Institut für Verbrennung und Gasdynamik Universität Duisburg-Essen, Germany Optische Untersuchung der Schmierungsverhältnisse im Reibkontakt Kolbenhemd / Zylinderlaufbahn mittels laserinduzierter Fluoreszenz an einem optisch zugänglichen Einzylindermotor T. Müller, S. Wigger, H.-J. Füßer, S. Kaiser* Die Kolbengruppe von Verbrennungsmotoren bietet Optimierungspotentiale hinsichtlich der Reduzierung von Reibung bei gleichzeitiger Verbesserung der Dichtfunktion und Geräuschentwicklung. Diese teilweise konkurrierenden Ziele erfordern genaue Kenntnisse über die Schmierungssituation innerhalb der Kolbengruppe. In diesem Beitrag wird ein optisch zugänglicher Einzylindermotor vorgestellt, der die Visualisierung des nahezu kompletten Kolbenhubs auf Druck- und Gegendruckseite ermöglicht. Durch die Methode der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) wird die Ölverteilung unter geschleppten und befeuerten Betriebsbedingungen mit hochauflösenden CMOS- Kameras detektiert. Das Post-Processing dieser LIF- Aufnahmen ermöglicht die qualitative Bewertung des globalen Schmierungszustands in der Kolbengruppe, sowie die Quantifizierung von Ölfilmdicken im Reibkontakt Kolbenhemd/ Zylinderlaufbahn. Schlüsselwörter Laserinduzierte Fluoreszenz, Kolbenhemd, Optischer Motor, Ölfilm, Verbrennungsmotor, Kolbenbewegung, Kalibrierung, Optische Messtechnik The piston group of internal combustion engines has potential for optimization in terms of reducing friction while improving the sealing function and noise. Since these objectives compete with each other, detailed understanding of the system’s lubrication is required. Here, a single-cylinder research engine that provides optical access along the entire stroke of the cylinder is used to image the piston group on thrust and antithrust side. Via laser-induced-fluorescence (LIF), the oil distribution can be investigated in motored and fired engine operation with a high-resolution CMOScamera. The post processing of these LIF-images allows the qualitative assessment of the global oil distribution and the quantification of oil film thicknesses in the contact zone between the piston skirt and cylinder liner. Keywords Laser-induced fluorescence, Piston Skirt, Optical Engine, Oil Film, Combustion Engine, Piston Movement, Calibration, Optical Measuring Technique Kurzfassung Abstract T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 35 Aus der Praxis für die Praxis dichtung von Kurbelgehäuse und Brennraum gegeneinander. Der dritte Teilbereich umfasst die Geräuschbildung im Motor (NVH - Noise, Vibration, Harshness) und kann über die Kolbenkinematik und den Beölungszustand modifiziert werden. Die Kolbengruppe unterliegt in diesem teilweise konkurrierenden Zielsystem komplexen Anforderungen durch variierende Beölungszustände und dynamische Reibungs-, Gas- und Massenkräfte. Neben der Gestaltung des Tribokontakts „Kolbenring/ Zylinderlaufbahn“ ist die Auslegung des Systems „Kolbenhemd/ Zylinderlaufbahn“ wichtig. Das Kolbenhemd dient der kinematischen Führung des Kolbens in der Zylinderbuchse bei der Übertragung der Gaskräfte auf die Kurbelwelle und der Abführung von Verbrennungswärme in die Zylinderwand. Bild 1 zeigt die im Folgenden erläuterten Zusammenhänge schematisch. Die senkrecht wirkende Gaskraft F 1 wird über den Kolben und das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen (über F 2 ). Durch die geometrische Anbindung des Kolbens am Pleuel und durch den Spalt zwischen Zylinderwand und Kolben (Kolbenspiel) erfährt der Kolben neben der primären Auf- und Abwärtsbewegung S 1 zusätzlich eine Sekundärbewegung. Diese setzt sich aus einer Rotation um den Kolbenbolzen S 2 und einer Lateralbewegung S 3 in Richtung der Zylinderwand zusammen. Da der Kolben die Anlageseite an der Zylinderwand innerhalb eines Arbeitsspiels wechselt, wird zwischen Druck- und Gegendruckseite unterschieden. Die Druckseite ist hierbei die Seite, auf der der Kolben nach dem ZOT (oberer Totpunkt, in dem die Zündung erfolgt) anliegt. In Abhängigkeit des Betriebspunktes kann die Seitenkraft F 3 in Folge der hohen Dynamik und Last auf mehrere Tausend Newton ansteigen, wobei der Schmierfilm mit der Höhe h den Kolbeneinschlag beim Anlagewechsel dämpft [2]. Im Kontaktbereich zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand, die sich in Relativbewegung zueinander befinden, wird die Reibung durch den Schmierungszustand bestimmt. Die Reibkraft F 4 kann daher durch die Auslegung von Ringpaket, Kolbenhemd, Kolbenspiel, Ölnuten und Drainagelöchern zur lokalen Ölzufuhr beeinflusst werden. Die Zusammenhänge im Kontaktbereich von Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn hinsichtlich Beölung, Reibung und Sekundärbewegung sind Gegenstand simulativer und experimenteller Untersuchungen. Mansouri legt seinem Simulationsmodell in [4] unterschiedliche Schmierfilmhöhen am Kolbenhemd zugrunde. Die Ölfilmdicke bestimmt dabei als Eingangsgröße den Schmierungszustand (Mischreibung oder hydrodynamische Reibung) und ist maßgeblich für die resultierende Reibkraft. Experimentell entwickelt Thirouard in [5] eine Messtechnik, die auf laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) basiert, um die Öltransportmechanismen und Schmierungszustände in der Kolbengruppe eines optisch zugänglichen Einzylindermotors zu untersuchen. Diese qualitative Messmethode wurde von Wigger [6] weiterentwickelt. Durch einen Kalibrierprozess können anhand von LIF-Aufnahmen quantitative Ölfilmdicken im Kontakt Kolbenring/ Zylinderlaufbahn in einem Rotations- Reib-Verschleiß-Tribometer unter definierten Betriebsbedingungen bestimmt werden. Die Anwendung dieser Signalverarbeitung auf die LIF-Messungen eines neuen, optischen Einzylindermotors kommt jetzt zur Untersuchung der Schmierungsverhältnisse in der Kolbengruppe zum Einsatz. Allerdings muss die Quantifizierung im Motor anders durchgeführt werden als im Tribometer. Neben prinzipiellen Öltransportmechanismen und der Sekundärbewegung des Kolbens, können durch den neuen Kalibrierprozess Schmierfilmhöhen im Kontakt Kolbenhemd/ Zylinderlaufbahn quantitativ bestimmt werden. 2 Optisch zugänglicher Einzylindermotor Die Untersuchungen werden an einem optisch zugänglichen Forschungs-Einzylindermotor durchgeführt. Die Messungen erfolgten im Betrieb im Otto-Viertaktverfahren mit Direkteinspritzung mittels Piezo-Injektor und stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1). Alle relevanten 36 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 Druckseite Gegendruckseite F 1 F 4 F 2 F 3 ZOT Bewegungsrichtung S 1 S 2 S 3 h Bild 1: Kinematische Führung des Kolbens im Zylinder. Dargestellt sind die Hauptkräfte und -bewegungsrichtung nach [3] und die resultierende Ölverteilung im Kontakt von Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn Tabelle 1: Betriebsparameter des Forschungsmotors. Max. Spitzendruck 65 bar Max. Mitteldruck 13 bar Max. Drehzahl 6000 1/ min Bohrungsdurchmesser 83 mm Hub 92 mm Verdichtungsverhältnis 9,8 T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 36 Aus der Praxis für die Praxis Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 37 (a) Komponenten der Kolbengruppe sind Bauteile aus dem Serienmotor. Durch die Kopplung des Versuchsmotors an eine Elektromaschine können sowohl befeuerte als auch geschleppte Betriebspunkte dargestellt werden. Die Betriebsparameter des Forschungsmotors sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Das Zylinderrohr unterliegt im Motorbetrieb einem dynamischen Beanspruchungsprofil, das durch wechselnde Gastemperaturen, Reibungszustände zwischen Zylinderwand und Kolben, sowie Gas- und Massenkräfte gekennzeichnet ist. Um thermische Spannungen bei erhöhtem Wärmeeintrag in Folge hoher Motorlast geringzuhalten, kommt die Werkstoffpaarung Grauguss (Wärmeausdehnungskoeffizient: 11,7 x 10 -6 K -1 ) und Saphir (Wärmeausdehnungskoeffizient: 5,4 - 6,2 x 10 -6 K -1 ) zum Einsatz. In [6, 7] konnte im Rahmen von Benetzungswinkelmessungen nachgewiesen werden, dass die Oberflächen von Saphir und Grauguss ähnliche rheologische Eigenschaften aufweisen. Dadurch weicht der Beölungszustand auf der Graugussoberfläche bei gleichen Randbedingungen nur geringfügig von der auf der Saphiroberfläche ab. Die Saphirfenster werden vor der Oberflächenbearbeitung in die Zylinderbuchse eingefügt, um die Oberflächen der Werkstoffpaarung anschließend im Verbund bearbeiten zu können. Hierdurch wird einerseits die Bildung eines Fügespalts im Übergangsbereich zwischen Grauguss und Saphir vermieden, andererseits die für Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren charakteristische Honstruktur in Grauguss und Saphir eingebracht. Durch den Bearbeitungsprozess schließen Fenster und Grauguss bündig zueinander ab, wodurch eine hohe Zylindrizität gewährleistet wird. Diese ist notwendig, um die vollständige Anlage der Kolbenringe am gesamten Umfang der Zylinderwand und somit die Dichtfunktion zur Verhinderung von übermäßigem Blowby zu gewährleisten. Bild 2 zeigt die Zylinderbuchse mit optischem Zugang und die gehonte Oberfläche der Zylinderinnenseite. Bild 2: (a) Zylinderrohr mit Fenster von außen.(b) Zylinderinnenseite mit Saphirfenster und Honstruktur 3 Optische Messungen mittels laserinduzierter Fluoreszenz LIF-Messtechnik Die Lichtabsorption transparenter Medien wird durch das Lambert-Beersche-Gesetz beschrieben. Einfallende Strahlung mit Intensität I 0 und Wellenlänge λ wird in Abhängigkeit von der Dicke der absobierenden Schicht d, der Konzentration der absorbierenden Moleküle c und des stoff- und wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten τ abgeschwächt. Die Intensität des absorbierten Lichts I a lässt sich durch folgende Abklingkurve beschreiben: (Gleichung 1) Ein fluoreszenzfähiger Absorber (Fluoreszenzfarbstoff) konvertiert einen Teil der absorbierten Photonen in Fluoreszenzstrahlung mit größerer Wellenlänge. Die Ausbeute der Fluoreszenzintensität I F wird hierbei durch die Quanteneffizienz Φ beschrieben. Für kleine Absorberkonzentrationen und geringe Schichtdicken weisen die absorbierte Strahlung und die Schichtdicke einen näherungsweise proportionalen Zusammenhang auf: (Gleichung 2) Dieser lineare Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Fluoreszenzintensität wird in dem in [5, 6] entwickelten Messsystem ausgenutzt. Eine Mischung aus Motoröl und Fluoreszenzfarbstoff wird durch einen Laserstrahl der Wellenlänge 532 nm angeregt. Das isotrop emittierte Fluoreszenzspektrum ist in Richtung höherer Wellenlänge verschoben. Mit Hilfe eines Filters kann diese rotverschobene Fluoreszenzstrahlung vom Anregungslicht abgetrennt und mit einer Kamera detektiert werden. Bild 3 veranschaulicht dieses Prinzip anhand des hier eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffes Pyrromethen 567. (b) T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 37 Aus der Praxis für die Praxis Strahlengang am optischen Einzylindermotor In Bild 4 ist der Strahlengang zur Umsetzung des beschriebenen Messprinzips am optisch zugänglichen Einzylindermotor dargestellt. Als Lichtquelle dient ein blitzlampengepumpter Nd: YAG-Laser (1) mit einer maximalen Repetitionsrate von 100 Hz und einer maximalen Pulsenergie von 100 mJ. Mit Hilfe eines Strahlteilers (2) wird das Anregungslicht im Verhältnis 40: 60 auf Druck- (DS) und Gegendruckseite (GDS) der Zylinderbuchse aufgeteilt. Zur Aufweitung des runden Laserstrahlprofils auf die Größe der beiden Saphirfenster wird jeweils eine zylindrische Linse mit f = -50 mm (3) eingesetzt. Die dichroitischen Strahlteiler (4) fungieren als optische Langpassfilter, d. h. Anregungslicht der Wellenlänge 532 nm wird in Richtung der Messstelle reflektiert, Fluoreszenzstrahlung höherer Wellenlänge in Richtung der Kamera transmittiert. Da der Dichroit reflektierte Laserstrahlung nicht vollständig blockiert und hierdurch Anregungslicht auf den Kamerasensor treffen kann, kommen mit (5) zusätzliche Bandpassfilter (572 ± 7,5 nm) zum Einsatz. Diese werden auf den Objektiven (6) mit hoher Lichtstärke (AF-Nikkor 85 mm, 1: 1,8 D) adaptiert. Die Detektion der Fluoreszenzstrahlung erfolgt durch eine CMOS- Kamera (7) mit einer Digitalisierungstiefe von 16 Bit und einer projizierten Pixelgröße von 50,4 µm/ Pixel. Die Auslösung eines Laserpulses und die Bildaufnahme erfolgt phasengekoppelt in Abhängigkeit des Kurbelwinkels mit Hilfe der Laser-Imaging-Software DaVis von LaVision. Aufgrund der maximalen Wiederholrate des Lasers von 100 Hz kann pro Arbeitsspiel eine LIF- Aufnahme getätigt werden, weshalb zwei Aufnahmestrategien gewählt werden. Entweder erfolgt die Aufnahme über einen Datensatz bei einem fixen Kurbelwinkel oder pro Arbeitsspiel um eine beliebige Gradzahl Δα (°KW) verzögert. Um ein Arbeitsspiel komplett abbilden zu können, sind dann 720/ Δα Zyklen erforderlich. Rohbilder Bild 5 zeigt links den verwendeten Serien-Aluminiumkolben. Neben dem Ringpaket, ist außerdem die graphithaltige Beschichtung im Bereich des Kolbenhemds zu erkennen. In Bild 5 ist rechts die entsprechende LIF- Aufnahme in einem stationären Betriebspunkt 90 °KW nach Zünd-OT dargestellt. Die großen Unterschiede in den lokalen Ölfilmdicken entsprechen einem hohen Dynamikbereich im LIF-Signal. Um sowohl Bereiche mit geringer Signalstärke (z. B. Kolbenring) als auch Abschnitte mit hoher Signalintensität (z. B. unterhalb des Kolbenhemds) visualisieren zu können, werden die Werte logarithmisch auf einer Falschfarbenskala dargestellt. Die Fotografie des Kolbens ermöglicht die Einteilung in charakteristische Bereiche und deren Zuordnung zur LIF-Aufnahme. Zu erkennen sind erster und zweiter Ring, der Ölabstreifring, die Nut unterhalb des Rings 38 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 350 400 450 500 550 600 650 0 0.5 1 Wellenlänge in nm Relative Intensität Absorption Anregung Emission Detektion Detektierbares Fluoreszenzlicht Bild 3: Optisches Messprinzip im Spektrum des sichtbaren Lichts. Absorptions- und Emissionsspektrum von Pyrromethen 567 gelöst in Methanol nach [8] (1) (2) (3) (3) DS GDS (6) (7) (5) (4) (6) (7) (5) (4) Anregungslicht mit = 532 nm Fluoreszenzlicht mit > 532 nm Bild 4: Strahlengang am optischen Einzylindermotor. (1) Nd: YAG-Laser (2) Strahlteiler (3) Zylinderlinse (4) Dichroitischer Strahlteiler (5) Bandpassfilter (6) Objektiv (7) CMOS-Kamera T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 38 Aus der Praxis für die Praxis und das Kolbenhemd. Das hohe Signal unterhalb des Kolbenhemds resultiert aus der großen Ölmenge durch die Kolbenspritze, die zur Kühlung der Kolbenunterseite dient und Ölverwirbelungen im Kurbelgehäuse. Oberhalb des Feuerstegs wird nur eine geringe Fluoreszenzintensität detektiert, d.h. die Ölschicht auf der Zylinderwand ist minimal. Die Intensität des detektierten Fluoreszenzlichts im Bereich des Kolbenhemds (rote Markierung) wird in der anschließenden Quantifizierung in eine Schichtdicke überführt. Quantifizierung Zur Bestimmung quantitativer Ölfilmdicken ist die Überführung der Signalintensitäten jedes Sensorpixels in eine Schichtdicke der Dimension µm erforderlich. Hierzu sind nach [6] mehrere Schritte erforderlich. (Gleichung 3) Während in Gleichung 3 Großbuchstaben ein Bild repräsentieren, werden durch Kleinbuchstaben skalare Größen beschrieben. Die einzelnen Terme werden im Folgenden erläutert: - Rohbild I s : Unkorrigierte LIF-Aufnahme bei einem Grad KW. - Dunkelbild I d : Das Dunkelbild enthält Informationen über Dunkelstrom des Sensors und A/ D-Wandler-Offset. Die Aufnahme erfolgt bei geschlossenem Objektiv und wird vom Rohbild subtrahiert. - Hintergrundfluoreszenz i h : Das Kolbenhemd weist eine geringe rotverschobene Fluoreszenz bei der Anregungswellenlänge von 532 nm auf. Da diese von der Kamera detektiert wird, wird das Rohbild zusätzlich durch einen Fluoreszenzwert des Kolbenhemds korrigiert. Das Kolbenhemd wird in Abhängigkeit des Kurbelwinkels in allen Bildbereichen abgebildet, wodurch für jedes Grad KW eine LIF-Aufnahme des Kolbenhemds ohne Ölfilm aufgenommen werden müsste. Da dies am Einzylindermotor nicht umgesetzt werden kann, wird ein neuer Kolben ohne fluoreszierendes Öl unter Laborbedingungen in die Zylinderbuchse eingesetzt und optisch vermessen. Aus der resultierenden LIF-Aufnahme wird anschließend ein skalarer, über das Kolbenhemd gemittelter Korrekturwert bestimmt und vom Rohbild subtrahiert. - Pulsenergiekorrektur: Die Energie eines einzelnen Laserpulses i l weist eine Abweichung von der mittleren Pulsenergie [i l ] auf und wird durch den Term [i l ]/ i l korrigiert. - Flachfeldkorrektur: Das Laserstrahlprofil ist ungleichmäßig, wodurch die Fluenz nach der Strahlaufweitung über den Messbereich des Saphirfensters variiert. Durch die Aufnahme eines Flachfelds kann die ungleichmäßige Verteilung der Fluenz und andere Effekte (z. B. Vignettierung des Kamerasystems) korrigiert werden. Das Flachfeld ist durch einen Ölfilm mit konstanter und im Bereich der später gemessenen Werte liegenden Schichtdicke definiert. Nach [6] entsteht ein Flachfeld auch durch die LIF-Aufnahme einer konstanten, unendlich dicken Schicht. Dies kann beim optischen Einzylinder durch einen vollgefüllten Zylinder nach der Demontage des Kolbens realisiert werden. Die resultierende LIF-Aufnahme gibt die Verteilung der Fluenz an der Messstelle wieder und kann zur Korrektur der ursprünglichen Aufnahme verwendet werden. - Kalibrierfaktor t cal (counts/ µm): Überführt die instrumentenkorrigierte Signalintensität in eine quantitative Ölfilmdicke. Bestimmung des Kalibrierfaktors Da Kalibrierfaktoren, die ex-situ bestimmt werden, nur bedingt auf die reale Messstrecke übertragbar sind, erfolgt die Kalibrierung hier in-situ. Vorteilhaft ist dadurch, dass keine Veränderungen am Messsystem vorgenom- Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 39 1 2 34 56 7 1: Feuersteg 2: Topring 3: 1. Ringsteg 4: 2. Ring 11,6 10,6 9,6 8,6 7,6 6,6 5,6 4,6 8 5: 2. Ringsteg 6: Ölabstreifring 7: Ölnut 8: Kolbenhemd Signalintensität exp(x) Relevanter Bereich für Kalibierung Bild 5: Charakteristische Bereiche eines Kolbens und resultierende LIF- Aufnahme (Rohbild) in Falschfarbendarstellung T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 39 Aus der Praxis für die Praxis men werden müssen und die Kalibrierung direkt am realen Messobjekt durchgeführt werden kann. Einflussfaktoren, wie z. B. Rußeintrag ins Motoröl oder Hintergrundreflektivität werden somit berücksichtigt. Die Bestimmung des Kalibrierfaktors t cal aus Gleichung 3 erfolgt durch den Abgleich von LIF-Signal und Kolbenhemdkontur. Im Folgenden wird die Methode mit Hilfe von Bild 6 beschrieben. Die Kalibrierung erfolgt im geschleppten Motorbetrieb bei einer Drehzahl von 800 1/ min, 650 mbar Ansaugdruck und einer Öl- und Wassertemperatur von 50 °C. In diesem Betriebspunkt sind die thermischen und mechanischen Verformungen der Bauteile gering, wodurch die Kolbenhemdkontur durch externe Messungen ermittelt werden kann. Bild 6 (a) zeigt die Oberflächenstruktur des Kolbenhemds, die in einem konfokalen Mikroskop mit einer projizierten Pixelgröße von 1,64 µm/ Pixel erstellt wurde. Ein senkrechter Profilschnitt entlang der schwarzen Linie im mittleren Hemdbereich führt zum Verlauf (c), der durch Merkmale auf verschiedenen Größenskalen gekennzeichnet ist. Zunächst ist bei Betrachtung des globalen Verlaufs zu erkennen, dass das Kolbenhemd nicht ein exakter Zylinder (Vgl. Referenzebene, gestrichelte Linie in (c)), sondern ballig ist. Außerdem ist die Oberflächenstruktur durch Welligkeit und Rauheit in Form höherer Frequenzen gekennzeichnet. Während die Welligkeit durch die Drehbearbeitung im Fertigungsprozess in den Kolben eingebracht wird, ist die Rauheit auf die graphithaltige Beschichtung des Kolbenhemds zurückzuführen. Im rechten Teil der Abbildung ist in (b) die LIF-Aufnahme im Bereich des Kolbenhemds (Vgl. Bereich 8 in Bild 5) auf der Druckseite bei 42 °KW nach Zünd-OT dargestellt. Der mittlere Bereich des Kolbenhemds liegt am Saphirfenster an und der Spalt entlang des Kolbenhemds ist vollständig mit fluoreszenzmarkiertem Öl gefüllt. Die senkrechte schwarze Linie beschreibt den Verlauf des Profilschnitts durch die LIF-Aufnahme und führt zum Signalverlauf (e). Hier sind wieder die Makrokontur des Kolbenhemds, sowie höherfrequente Anteile zu erkennen. Die höchsten Frequenzen in (c), die aus der Rauheit des Kolbenhemds hervorgehen und weniger als 10 µm Länge entsprechen, können aufgrund der begrenzten räumlichen Auflösung des LIF-Messsystems nicht abgebildet werden. Die Rauheit ist somit nicht zur Kalibrierung geeignet, weshalb das Mikroskopie-Signal (c) mittels gleitenden Mittelwerts (Fensterbreite: 110 Werte) tiefpassgefiltert wird, woraus TP1-Verlauf (d) resultiert. Die höheren Frequenzen in (d) und (e) sind durch die Welligkeit, die durch den Fertigungsprozess in das Kolbenhemd eingebracht werden, bedingt. Allerdings gibt das Fluoreszenzsignal (e) die Ölfilmdicke im Spalt, der sich aus der Oberfläche des Kolbenhemds und der Oberfläche des Saphirfensters zusammensetzt, wieder. Der LIF-Signalverlauf, der aus der Welligkeit des Kolbenhemds zu erwarten ist, wird demnach durch eine zweite Welligkeit des Saphirfensters gleicher Größenordnung überlagert. Da die unterschiedlichen Welligkeiten von Saphir und Kolbenhemd nicht separiert werden können, ist die eindeutige Zuordnung der Welligkeit aus der mikroskopischen Messung zur Welligkeit des LIF-Signalverlaufs nicht möglich. Somit eignen sich weder Rauheit noch Welligkeit zur Kalibrierung, stattdes- 40 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 Bild 6: Bestimmung des Kalibrierfaktors aus Vergleich von Oberflächenkontur und LIF-Signal am Kolbenhemd T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 40 Aus der Praxis für die Praxis sen erfolgt die Kalibrierung anhand der globalen Verläufe in (d) und (e), die Informationen über die Makrokontur des Kolbenhemds beinhalten. Durch die Berechnung von Polynomen zweiten Grades mittels der Methode der kleinsten Quadrate können beide Verläufe in Funktionale mit gleicher Abszisse überführt werden. Da beide Polynome den Verlauf des Kolbenhemds beschreiben, wird das LIF-Polynom dem Topografie-Polynom durch einen geeigneten Skalierungsfaktor der Dimension counts/ µm und einen Offsetwert angenähert. Der Faktor, der die mittlere quadratische Abweichung der Polynome minimiert, stellt den Kalibrierfaktor t cal dar und vervollständigt Gleichung 3 zur Bestimmung quantitativer Ölfilmdicken anhand der LIF-Aufnahmen (DS: t cal = 67,1 counts/ µm). Dieser Kalibrierfaktor gilt zunächst nur auf der Druckseite, da die Fluenz auf der Gegendruckseite abweicht. Durch die ungleichmäßige Aufteilung der Laserenergie auf DS und GDS (Vgl. Abschnitt „Strahlengang am optischen Einzylindermotor“) muss der Kalibrierfaktor auf der GDS angepasst werden (GDS: t cal = 100,7 counts/ µm). 4 Versuchsergebnisse Bild 7 zeigt LIF-Aufnahmen auf Druck- und Gegendruckseite aus dem Expansionstakt von 0-120 °KW im Schleppbetrieb bei 800 1/ min und 650 mbar Ansaugdruck mit eingeschalteter Kolbenspritze. Die prinzipielle Ölverteilung in den verschiedenen Kolbenbereichen ist aufgrund des großen Dynamikbereichs der Signalintensität auf einer logarithmischen Graustufen- Skala abgebildet, wobei alle Aufnahmen flachfeldkorrigiert sind. Aufgrund unterschiedlicher Hintergrundreflektivitäten von Aluminium und Kolbenhemd ist die oben beschriebene Kalibrierung zur Quantifizierung der Ölfilmdicke nur im Bereich des Kolbenhemds und bei vollständiger Ölfüllung des Spalts zwischen Fenster und Kolbenhemd anwendbar. Die Ölfilmdicke ist in den quantifizierbaren Bereichen durch eine zweite Skala im Bereich von 0-120 µm in Falschfarben charakterisiert. Dort, wo der Ölfilm auf dem Kolbenhemd die Dicke von 120 µm übersteigt, ist der Bereich weiß dargestellt. Im Folgenden werden einige der in den Aufnahmen erkennbaren Phänomene erläutert. Im oberen Totpunkt (ZOT) findet der Anlagewechsel des Kolbens von GDS zu DS statt. Auf der GDS entsteht hierbei ein charakteristisches Ölbenetzungsmuster, das durch Ablösen des Kolbenhemds von der Zylinderwand als Folge der Kolbensekundärbewegung gebildet wird. Auf der DS tritt das Kolbenhemd wieder in Kontakt mit der Zylinderwand, die Höhe des dämpfenden Ölfilms im Bereich der Kontaktzone in ZOT liegt hierbei zwischen 20-30 µm. Im weiteren Verlauf der Abwärtsbewegung des Kolbens wird eine kreisförmige Kontaktfläche gebildet, wobei die minimale Ölfilmdicke bei 50 °KW als Folge der Seitenkraft 6,6 µm beträgt. Der Bereich der geringsten Schmierfilmhöhe verschiebt sich während des Expansionstakts in den oberen Bereich des Kolbenhemds. Durch die Kolbenkinematik nimmt dabei Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 41 Bild 7: LIF-Aufnahmen auf Druck- und Gegendruckseite im Expansionstakt im Schleppbetrieb bei 800 1/ min und 650 mbar Ansaugdruck. Graustufen-Skala zur Abbildung des kompletten Dynamikbereichs. Falschfarbenskala zur Abbildung der Ölfilmdicke im Bereich des Kolbenhemds T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 41 Aus der Praxis für die Praxis die Spaltbreite im unteren Hemdbereich gegen Ende des Expansionstakts zu. Durch das erhöhte Ölangebot auf der Zylinderwand durch die Kolbenspritze steigt die Ölfilmdicke dabei auf über 100 µm an. Parallel hierzu geht das verästelte Ölverteilungsmuster auf GDS in ein Streifenmuster über (20-100 °KW). Durch die Kolbenspritze gelangt während der Aufwärtsbewegung des Kolbens im Verdichtungstakt (nicht dargestellt) unterhalb des Kolbenhemds Öl auf die Zylinderwand. Nach dem Anlagewechsel in ZOT liegt das Kolbenhemd nicht mehr auf der GDS an, wodurch sich ein Spalt bildet. Das detektierte Öl befindet sich im Expansionstakt solange auf der Zylinderwand, bis der Ölabstreifring das Öl abkratzt. Dies ist bei 100 °KW zu erkennen; nachdem das Ringpaket die Schlieren passiert hat, sinkt das Fluoreszenzsignal oberhalb des Feuerstegs auf ein Minimum. Bei Betrachtung der Aufnahme bei 100 °KW wird außerdem deutlich, dass der Kolben erneut die Anlageseite wechselt. Während sich auf der DS ein Ölfilm mit mehr als 100 µm Schichtdicke im unteren Hemdbereich einstellt, liegt die minimale Schmierfilmhöhe im Kontaktbereich von Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn auf der GDS im Bereich von 18-24 µm. 5 Zusammenfassung Ein Einzylindermotor mit in die Laufbuchse eingelassenen Saphirfenstern ermöglicht die Visualisierung der Kolbengruppe mittels hochauflösender Kameras unter geschleppten und befeuerten Betriebsbedingungen. Durch jeweils ein Saphirfenster auf Druck- und Gegendruckseite kann der Kolben über nahezu den kompletten Hub kurbelwellensynchron abgebildet werden. Das optische Messverfahren der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) ermöglicht es, die Ölverteilung in der Kolbengruppe instantan zweidimensional abzubilden. Hierdurch können zunächst qualitative Aussagen über die globale Ölverteilung in der Kolbengruppe getroffen werden. Die Ölfilmdicke quantitativ zu bestimmen, ist im optisch zugänglichen Motor eine Herausforderung. Hier werden Ölfilmdicken im Kontaktbereich von Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn quantitativ bestimmt, indem die LIF- Aufnahmen korrigiert und durch die Korrelation mit der Kolbenhemdkontur kalibriert werden. Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse auf Druck- und Gegendruckseite führen zu verschiedenen Erkenntnissen. Durch das Abkratzen des Öls durch den Ölabstreifring in der Abwärtsbewegung des Kolbens verbleibt nur eine sehr niedrige Schmierfilmhöhe auf der Zylinderwand. Die minimale Ölfilmdicke im Kontaktbereich von Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn beträgt in Folge der Seitenkraft weniger als 7 µm. In zukünftigen Untersuchungen wird der Schmierungszustand im Kontaktbereich Kolbenhemd/ Zylinderlaufbahn im Parameterfeld von Drehzahl und Last, sowie die Beeinflussung der Beölung durch die Variation von Ringpaket und Kolbengeometrie untersucht. 6 Literaturverzeichnis 1. Holmberg, K., P. Andersson, and A. Erdemir, Global Energy Consumption due to Friction in Passenger Cars. 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Wigger, S., et al., Optische Untersuchung der Schmierverhältnisse im Reibkontakt Kolbenring/ Zylinderlaufbahn mittels laserinduzierter Fluoreszenz an einem Rotations- Reibverschleiß-Modeltribometer, in GfT Fachtagung 2014: Göttingen. 8. Assor, Y., Z. Burshtein, and S. Rosenwaks, Spectroscopy and laser characteristics of copper-vapor-laser pumped Pyrromethene-556 and Pyrromethene-567 dye solutions. Applied Optics, 1998. 37(21): p. 4914-4920. 42 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 Aktuelle Informationen über die Fachbücher zum Thema „Tribologie“ und über das Gesamtprogramm des expert verlags finden Sie im Internet unter www.expertverlag.de Anzeige T+S_6_17 16.10.17 10: 40 Seite 42