Tribologische Charakterisierung von Dieselkraftstoffen in Modelluntersuchungen unter Berücksichtigung realer Kontakte

Abstract

Bei der Entwicklung moderner Dieselaggregate geht der Trend in der Forschung und Entwicklung in Richtung höherer Einspritzdrücke bei gleichzeitiger Reduktion von Masse und Volumen. Im Weiteren gibt es Bestrebungen, Anteile von Kraftstoffen aus erneuerbaren Quellen wie Biodiesel aus Raps (Rapsmethylester) dem mineralölbasierten Dieselkraftstoff beizumischen. Diese Maßnahmen haben einen erheblichen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften von kraftstoffgeschmierten Systemen.<br />Dieselkraftstoffgeschmierte Systeme wie die Hochdruck Einspritzpumpe sollen ein möglichst günstiges Reibungs- und Verschleißverhalten aufweisen. Die genormte HFRR (High Frequency Reciprocating Rig) Prüfmethode dient zur Klassifizierung der Schmierfähigkeit von Dieselkraftstoffen. In dieser Arbeit wurden moderne Analysemethoden eingesetzt um zusätzliche Informationen zu den Ergebnissen aus dem HFRR Test zu erhalten. So wurde nicht nur der Verschleißdurchmesser der Testkugel als grundlegendes Maß für die Schmierfähigkeit des Dieselkraftstoffes herangezogen, sondern es wurden auch die Verschleißvolumina der Kugel und des Reibpartners Platte betrachtet. Es wurden Dieselkraftstoffe mit Additiven und Biodiesel-Beimischungen eingesetzt und im reversierenden Stahl/Stahl Kontakt tribologisch charakterisiert. Damit war es möglich, den Einfluss von Kraftstoffeinzel- und -gesamtkomponenten unter verschiedenen Testparametern zu beschreiben. Ziel war das Aufzeigen des Potentials der HFRR-Methode für die Charakterisierung der Schmierfähigkeit von Dieselkraftstoffen unter kritischen Bedingungen, sowie die Analyse der Wechselwirkungen der Additive bzw. der Beimengungen mit der Oberfläche.<br />Die Ergebnisse zeigten, dass die Auswertung nach Kugel- bzw.<br />Plattenverschleiß zu qualitativ anderen Ergebnissen führt, als die Auswertung nach der Norm. Eine starke Verschleißverringerung im tribologischen Modellsystem wurde durch Erhöhung der Konzentration der Schmierfähigkeitsadditive und durch die Verringerung der Umgebungsluftfeuchte erreicht. Die Zugabe von Cetanimprover änderte den Verschleißmechanismus und führte bei Standardbedingungen zu erhöhtem Verschleiß. Im Weiteren wurden Erkenntnisse durch die Variation der Testparameter Temperatur, Testdauer und Last gewonnen. Für eine weitere Annäherung der Situation im Tribometer zum Realsystem Kraftstoffpumpe wurden Versuche mit Kraftstoffdurchfluss durchgeführt.<br />

The development of efficient diesel engines means an increase of diesel fuel injection pressure and at the same time a drop of mass and volume. The composition of the fuel itself is also subjected to changes because of the addition of bio components like rapeseed methyl ester.<br />This changes the tribological conditions of diesel fuel lubricated tribocontacts in the injection equipment.<br />Fuel Injection equipment with diesel fuel lubricated tribocontacts has to maintain low friction and wear. To determine the lubricity of diesel fuels the HFRR (High Frequency Reciprocating Rig) standard was established. In this work the HFRR standard was taken as a baseline to which further improvments concerning wear and surface analysis were added. The investigations showed that the 2-dimensional wear measurements on the ball according to the ISO standard are not sufficient for differentiating fuels with critical lubricity. Therefore wear volume measurements on balls and discs were applied. The diesel fuel lubricated oscillating steel~/~steel contact in the HFRR was tribologically characterized with a base fuel without any additives and with different additives and biodiesel. Test parameter variations enabled a investigation of diesel fuel lubricity over a broad range of possible tribological conditions. The main goal was to evaluate the potential of the HFRR method for the characterisation of diesel fuel lubricity under critical loads and the anaysis of additive - surface interactions.<br />The results showed that the evaluation of wear volume does not generally correspond with the HFRR 2-dimensional standard evaluation procedure.<br />One of the main parameters which influenced wear reduction was the increase of the additive concentration and the decrease of relative ambient humidity. The addition of cetane improver changed the wear mechanism and increased wear at standard test conditions. Further information was gained by temperature, test duration and load variations. Like in the pump fuel was also pumped trough the lower specimen holder to analyse the effect of flow on wear.