Untersuchungen zum aktiven Kolbenbolzen-Schmiersystem eines schnelllaufenden Dieselmotors unter Deformationseinfluss

Arnold-Hancioğullari, Daniel; Schmitz, Katharina; Pischinger, Stefan

doi:44853

Untersuchungen zum aktiven Kolbenbolzen-Schmiersystem eines schnelllaufenden Dieselmotors unter Deformationseinfluss = Investigations on the active oil supply system of a piston pin under deformation influence on a high-speed diesel engine

Arnold-Hancioğullari, Daniel^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Arnold-Hancioğullari, geb. Hancioğullari

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pischinger, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitz, Katharina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-09-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09647
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1021406/files/1021406.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme und Institut für Thermodynamik (412310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
1D-Simulation (frei) ; FEA (frei) ; Kolbenbolzenrotation (frei) ; Kolbenbolzenschmierung (frei) ; Messschwinge (frei) ; Sondermesstechnik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Schnelllaufende Hochleistungsdieselmotoren stellen einen unverzichtbaren Bestandteil mobiler und stationärer Antriebe in der Klasse von Bohrungsdurchmessern bis D = 300 mm und bei Drehzahlen über n = 1000 min−1 dar. Bestrebungen, den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte weiter zu steigern, führen zu Entwicklungszielen von Spitzendrücken bis pmax = 300 bar. Steigende mechanische Belastungen im Kurbeltrieb stellen eine große Herausforderung an die Auslegung und Validierung von Lagerkonzepten in Großdieselmotoren, insbesondere die Lagerung des kleinen Pleuelauges steht im Fokus der Entwicklung. Die passive Schmierung bestehender Systeme kommt bei den hochbelasteten Konstruktionen, insbesondere unter Berücksichtigung der hohen erwarteten Lebensdauer und den Zuverlässigkeitsanforderungen im industriellen Sektor, an die Grenzen des Konzepts. Innerhalb dieser Arbeit wird erstmals ein bestehendes aktives Schmiersystem an einem schnelllaufenden Hochleistungsdieselmotor messtechnisch und simulativ im Detail untersucht. Die Methodik umfasst die Einbringung von drei hochdynamischen Drucksensoren in die Versorgungsbohrung im Pleuel, die um zwei Temperaturmessstellen in der Bohrung, eine Deformationsmessung des kleinen Pleuelauges und die messtechnische Erfassung der Kolbenbolzenrotation mittels einer GMR (Giant Magnetoresistance) Sensorik ergänzt wird. Die Übertragung der Signale erfolgt mit einer spezifisch ausgelegten Messschwinge. Neben einer Auswertung des Basisverhaltens des Versuchsträgers hinsichtlich des Einflusses von Drehzahl, Last und Einspritzlage werden die Sensitivitäten auf motorische Randbedingungen wie dem Niveau des Galeriedrucks, dem Fördervolumen der Kolbenspritzdüse und der Motoröltemperatur auf Basis der messtechnischen Untersuchungen analysiert. Zusätzlich werden zwei Hardwarevarianten, eine modifizierte Einlaufnutgeometrie und der Einfluss des Durchflussquerschnitts, in verschiedenen Drehzahl- und Lastpunkten bis n = 1961 min−1 und pmax = 220 bar untersucht. Eine begleitende FE (Finite Elemente) Analyse gibt Aufschluss über die Deformationsmoden und die Schmierstoffdruckverteilung im kleinen Pleuelauge. Über alle Messpunkte zeigt sich ein sehr gut reproduzierbares Verhalten der Kolbenbolzenrotation, das hautpsächlich auf die diskontinuierlichen Gas- und Massenkraftanteile, die wirkenden Flächenverhältnisse zwischen der Anlage des Kolbenbolzens im kleinen Pleuelauge und in den Kolbennaben, die Deformation der Reibpartner sowie auf die Schmierstoffdrücke in der Versorgungsbohrung zurückgeführt werden kann. Die Hardwarevarianten deuten auf eine geringe durch die Versorgungsbohrung geförderte absolute Menge von Schmierstoff hin. Darüber hinaus ist der Einfluss von in das große Pleuelauge zurückströmenden Schmierstoff erkennbar, der bei einer Auslegung des Systems berücksichtigt werden muss. Auf Basis der Messergebnisse wird ein 1D-Simulationsmodell aufgebaut und validiert. Das Modell erweitert die Erkenntnisse aus den Messdaten um den Einfluss geometrischer Parameter wie dem Durchmesser und der Lage der Versorgungsbohrung sowie der Anzahl der Versorgungsbohrungen im Kurbelzapfen und dem Einfluss der Drehrichtung auf das bestehende System. Eine gezielte Auswertung der geförderten Schmierstoffmenge ermöglicht die Ableitung von Konstruktionsrichtlinien für zukünftige Systeme.

High-speed, high-performance diesel engines are an indispensable component of mobile and stationary drives in the engine class with bore diameters up to D = 300 mm and at speeds above n = 1000 min−1. Efforts to further increase efficiency and power density lead to development targets of peak pressures up to pmax = 300 bar. Increasing mechanical loads in the crankshaft drive pose a major challenge to the design and validation of bearing concepts in large diesel engines, with the bearing of the small connecting rod eye in particular being the focus of development. Passive lubrication of existing systems is reaching the limits of the concept for the highly stressed designs, especially when taking into account the high expected service life and reliability requirements in the industrial sector. Within this work, for the first time, an existing active lubrication system on a high-speed high-performance diesel engine is investigated in detail by measurement and simulation. The methodology includes the insertion of three highly dynamic pressure sensors into the supply bore in the connecting rod, which is supplemented by two temperature measurement points in the bore, a deformation measurement of the small connecting rod eye and the metrological recording of the piston pin rotation by means of a GMR (Giant Magnetoresistance) sensor system. The signals are transmitted using a specifically designedmeasuring rocker. In addition to an evaluation of the basic behavior of the test specimen with regard to the influence of speed, load and injection timing, sensitivities to engine boundary conditions such as the gallery pressure level, the delivery volume of the piston cooling jet and the engine oil temperature are analyzed on the basis of the metrological investigations. In addition, two hardware variants, a modified inlet groove geometry and the influence of the flow cross section, are investigated at different speed and load points up to n = 1961 min−1and pmax = 220 bar. An accompanying FE (finite elements) analysis provides information on the deformation modes and the lubricant pressure distribution in the small connecting rod eye. In all measurement points, the piston pin rotation behavior shows very good reproducibility, which can mainly be attributed to the discontinuous gas and inertia force components, the acting area ratios between the contact of the piston pin in the smallconnecting rod eye and in the piston hubs, the deformation of the friction partners and the lubricant pressures in the supply bore. The hardware variations further indicate that only small absolute amounts of lubricant are delivered through the supply bore. In addition, the effect of lubricant flowing back into the connecting rod bearing is apparent and must be taken into account in the design of the system. Based on the measurement results, a 1D simulation model is built and validated against the measurement data. The simulation model extends the findings from the measured data to include the influence of geometric parameters such as the diameter and position of thesupply hole as well as the number of supply holes in the crankpin and the influence of the direction of rotation on the existing system. A targeted evaluation of the quantity of lubricant conveyed enables design guidelines to be derived for future systems.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)