HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT HALLEIN. Abteilung: HTL für Berufstätige für Wirtschaftsingenieurwesen - Betriebsmanagement DIPLOMARBEIT

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1 Abteilung: HTL für Berufstätige für Wirtschaftsingenieurwesen - DIPLOMARBEIT Entwicklung eines Systems zum Messen der Leckage von Common-Rail-Injektoren Schuljahr 2011/2012 Ausgeführt durch Betreuer/Betreuerin: Dominik Schwaiger 8ABWIM Dipl.-Ing. Albrecht Kohler Stefan Brandauer 8ABWIM Hallein, am Leckagemesssystem

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3 Abteilung: HTL für Berufstätige für Wirtschaftsingenieurwesen Inhaltsverzeichnisnis 1 Einleitung Verfasser Betreuer Kurzbeschreibung Abstract Danksagung Firmenbeschreibung Robert Bosch GmbH Bosch-Standort Hallein Aufgabenbeschreibung Beschreibung g des Common-Rail-Systems Leckagen beim Common-Rail-Injektor Leckagemessung bei Common-Rail-Injektoren IST-Situation - derzeitiges Messsystem SOLL-Situation - neues Leckagemesssystem für Kleinstmengen Lasten- und Pflichtenheft Einsatz Umgebungsbedingungen Messbereich Messfehler Leitungslängen en Prüfling Messsystem Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 1 von 109

4 Abteilung: HTL für Berufstätige für Wirtschaftsingenieurwesen 4.6 Montagegegebenheiten: Totvolumen Leckagegegendruck Einbaulage des Messsystems Kombination on mit dem bisherigen Messsystem Überlastsicherung Messzeit Baugröße Einbindung g in die Prüfstandssteuerung Prüfmedien Schnittstellen Kosten Konzeptfindung Messprinzipien Entscheidungsanalyse Prototyp Auswahl der r Komponenten Ausführung Erste Messungen Optimierte Version Beschreibung Ausführung Entscheidung g Gegendruckaufbau Entscheidung Wegmesssystem Beschreibung g der umgesetzten Ausführung Kalibriereinrichtung Problem - ferromagnetischer Werkstoff im Messbereich Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 2 von 109

5 Abteilung: HTL für Berufstätige für Wirtschaftsingenieurwesen 7.8 Funktion Funktionserprobung Vergleich neues System - bisheriges System (PLU) - Messglas Messfähigkeitsuntersuchung Einfluss von Volumen und Temperaturänderung Dichtheitsprüfung Bedienungsanleitungitung Lieferumfang Montage Kalibrierung des Sensors Durchführen einer Messung Wartung Technische Daten des Kleinstmengenleckagemesssystems Kostenrechnung Beschreibung Berechnung ng der Teile aus Eigenfertigung Zukaufteile Entwicklung und Konstruktion Gesamtkostensten Abschluss Zusammenfassung Zukünftige Entwicklung Summary Future prospects Zeitplan Tätigkeitsdokumentation Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 3 von 109

6 Abteilung: HTL für Berufstätige für Wirtschaftsingenieurwesen 14 Quellenangaben Abbildungsverzeichnis Anhang Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 4 von 109

7 1 Einleitung 1.1 Verfasser Schwaiger Dominik geb Tätigkeit: Komponentenentwicklung bei Bosch in Hallein: Entwicklung von Hochruckpumpen Technische Kundenbetreuung während der Entwicklungsphase Brandauer Stefan geb Tätigkeit: Technische Dokumentenstelle bei Bosch in Hallein: Konstruktion Änderungswesen 1.2 Betreuer Herr Dipl. Ing. Prummer Günther, Firma Bosch Hallein Herr Dipl. Ing. Welsch Arthur, Firma Bosch Hallein Herr Prof. OStR Dipl.-Ing. Kohler Albrecht, HTL-Hallein Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 5 von 109

8 1.3 Kurzbeschreibung HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT Diese Diplomarbeit wurde von uns in Zusammenarbeit mit der Entwicklungsabteilung des Werks Hallein der Robert Bosch AG und der HTL-Hallein erstellt. Der Standort Hallein gilt bei Bosch als Kompetenzzentrum für Dieseleinspritzsysteme und ist spezialisiert auf Großdieselmotoren. Derzeit befinden sich zahlreiche Komponenten für sogenannte Common-Rail Einspritzsysteme in der Entwicklungsphase. Bei diesen Systemen kann es bedingt durch Fertigungstoleranzen und Verschleiß zu Leckagen bei den Injektoren kommen, welche bei verschiedenen Funktionsmessungen insbesondere bei Dauererprobungen gemessen werden müssen. Da diese Leckagemengen bei Systemen der neuesten Generation sehr gering sind, stößt das bisher verwendete Messsystem an seine Grenzen. Es galt nun eine geeignete Möglichkeit zu finden, solch kleine Mengen von zirka 0,1 ml/min zuverlässig erfassen zu können. Aus diesem Problem entstand die Arbeit: "Entwicklung eines Leckagemesssystems für Common-Rail-Injektoren" Diese Arbeit beschäftigt sich neben der Entwicklung einer möglichen Technologie zur Volumenstromerfassung auch mit der kompletten Konstruktion bis hin zur Erprobung des fertigen Systems. Als "Systemgrenze" für diese Arbeit galt die Schnittstelle zur Prüfstandssteuerung beziehungsweise zum Prüfadapter des Injektors. Es wurden alle mechanischen Funktionen zwischen Prüfling beziehungsweise Prüfadapter und Ansteuerung des Systems beziehungsweise der Messdatenverwertung berücksichtigt. Das Messprinzip basiert im Wesentlichen auf der Volumenverdrängung durch die austretende Leckagemenge, welche einen präzise geführten Kolben in einem Zylinder bewegt. Diese Kolbenbewegung wird durch ein Wegmesssystem erfasst und über die Messzeit wird der entsprechende Volumenstrom berechnet. Eine besondere Herausforderung stellte, neben dem für die Messung notwendigen und durch das Messsystem aufzubringenden Leckagegegendruck, insbesondere die Auswahl und Erprobung eines geeigneten Wegmesssystems dar. Um das System möglichst kompakt zu gestalten wurde nämlich eine pneumatische Druckbeaufschlagung an der Rückseite des Kolbens umgesetzt, Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 6 von 109

9 in deren Raum sich ein berührungslos arbeitender, druckbeständiger Wegmesssensor zum Erfassen des Kolbenhubs befindet. Im ersten Schritt wurde das System auf einem Funktionsprüfstand für Injektoren getestet. Eine weitere Verwendung kann sich, nach erfolgreicher Erprobung über eine längere Zeit, von anderen Prüfständen in der Versuchswerkstatt bis hin zur Anwendung in der Serienfertigung erstrecken. Wegmesssensor Magnet Anschlag Messzylinder + Kolben Prüfölzulauf Gehäuse Entleerventil Abb : Leckagemesssystem in der letzten Ausführung Homepage: Auszüge aus der gesamten Dokumentation sind unter folgender Adresse im Internet zu finden: Diplomarbeiten 2011/2012 Leckagemesssystem Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 7 von 109

10 1.4 Abstract This diploma thesis is the result of a successful collaboration between us, the Robert Bosch company Hallein and the HTL-Hallein. The Hallein plant represents Bosch s competence centre for fuel injection systems for big Diesel engines. Currently there are lots of components for Common Rail Systems under development. The fuel injectors of this system can produce a small quantity of fuel leakage caused by manufacturing tolerances and wear. This leakage flow has to be measured during various functional tests especially with injectors for endurance testing. Because the latest generation of these injectors produce only a very small quantity of leakage, the currently used system is not sufficient to measure it. The task was now to find an alternative which enables the measurement of small quantities of approximately 0.1 ml/min. To address the above mentioned technical problem, this diploma thesis titled: "Developing a leakage measuring system for Common Rail Injectors" was initiated. For this project we were concerned not only with the engineering of a technology for quantity measuring itself, but also with the complete design work and the testing of the system on a functional test rig. As a system boundary the interface to the test rig controls and the interface to the testing device for the injector were defined. All functions between testing device and controls respectively measuring data interface have been considered. In general the measuring principle is based on a displaced volume arising from the exit fuel leak which moves a precise guided plunger inside a cylinder. This plunger movement gets measured by a measuring system and by considering the measuring time and the plunger diameter the leakage flow gets calculated. Big challenges to be tackled were the leakage backflow pressure, which has to be generated by the system itself, and the right choice of a suitable plunger lift measuring system and the following experiments with it. To design the system as compact as possible, a direct pressurization Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 8 von 109

11 of the plunger end by air pressure was used. In the same chamber where the air pressure acts, there is a contactless pressure resistant plunger lift measuring system positioned. At first the system was tested at a functional test rig for injectors. After a successful long term testing of the system, further use can be extended to other rigs in the test lab and for application of measurement in serial production. Measuring sensor Magnet Stop plate Measuring cylinder + plunger Test oil inlet Housing Draining valve Fig : Leakage measuring system in the latest version Homepage: Extracts of the complete documentation in German language are available on following internet address: Diplomarbeiten 2011/2012 Leckagemesssystem Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 9 von 109

12 1.5 Danksagung HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT Für die erfolgreiche Durchführung dieser Arbeit gilt unser Dank der Firma Bosch und hier besonders folgenden, an der Umsetzung beteiligten Personen: Herrn Hagenauer Otto, der uns ermöglichte, diese Arbeit für die Abteilung Versuch und Erprobung durchzuführen Herrn Prummer Günther, für die Anregung, ein solches System zu entwickeln, sowie für das gemeinsame Festlegen der Anforderungen Herrn Welsch Arthur, für die Unterstützung im Bereich Messtechnik Herrn Schwarzenbacher Bernhard, für die Unterstützung bei der Teilefertigung im Musterbau Ein besonderer Dank gilt auch Herrn Kohler Albrecht von der HTL-Hallein, für die Betreuung dieser Arbeit seitens der Schule. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 10 von 109

13 2 Firmenbeschreibung 2.1 Robert Bosch GmbH Die heutige Robert Bosch GmbH wurde im Jahre 1886 von Robert Bosch als Werkstätte für Feinmechanik und Elektrotechnik in Stuttgart gegründet. Heute zählt das Unternehmen mit weltweit Mitarbeitern an zirka 260 Standorten zu den größten Industrieunternehmen der Welt. Quelle: Bosch Der Sitz der Geschäftsführung ist heute auf der Schillerhöhe in Gerlingen bei Stuttgart. Seit 2003 leitet Franz Fehrenbach das Unternehmen. Im Jahr 2011 wurde mit 51,4 Milliarden Euro der höchste Umsatz der Firmengeschichte erreicht. Der Gewinn lag im Jahr 2010 bei 2,489 Milliarden Euro. Die Unternehmensgewinne fließen entweder in die gemeinnützige Stiftung oder verbleiben im Unternehmen. Bosch ist in vielen Bereichen der Technik tätig. Grob wird das Unternehmen in die Geschäftsbereiche Kraftfahrzeugtechnik, Gebrauchsgüter und Gebäudetechnik sowie Industrietechnik unterteilt. Kraftfahrzeugtechnik: Dieser Bereich ist mit einem Umsatzanteil von zirka 62% der größte Geschäftsbereich des Unternehmens. Auch ist Bosch hier als größter Lieferant der internationalen Automobilindustrie Weltmarktführer. Es werden dabei zahlreiche Produkte entwickelt und gefertigt, die zur Quelle: Bosch Energieeinsparung, zur Wirtschaftlichkeit, sowie zur Erhöhung der Verkehrssicherheit und des Fahrspaßes dienen. Einige der zahl- Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 11 von 109

14 Quelle: Bosch reichen Innovationen sind beispielsweise das elektronische Stabilitätsprogramm ESP und das Harnstoffdosiersystem Denox für Dieselfahrzeuge, welches die Stickoxidemissionen des Abgases drastisch reduziert. Auch an der Entwicklung des Speichereinspritzsystems Common-Rail, das den Dieselmotor nicht nur sparsamer sonder auch deutlich sauberer macht und zudem auch noch zur Geräuschreduktion beiträgt, war Bosch maßgeblich beteiligt. Auch ist das Unternehmen seit den letzten Jahren intensiv mit der Entwicklung von Komponenten für die Elektrifizierung des Automobils beschäftigt und liefert die Technologie für den ersten Diesel-Hybrid-PKW der Welt. Gebrauchsgüter und Gebäudetechnik: Hier werden vor allem Elektrowerkzeuge, Thermotechnik - mit den Marken Junkers, Buderus, Loos -, sowie Sicherheitssysteme für Gebäude hergestellt. Zusammen mit Siemens führt Bosch das Gemeinschaftsunternehmen BSH Hausgeräte GmbH, welches im Bereich der Hausgeräte zu den Weltmarktführen zählt. Industrietechnik: Zu diesem Bereich zählt unter anderem die Tochtergesellschaft Bosch Rexroth AG, als weltweiter Anbieter von Industrie- und Automatisierungstechnik. Auch stellt Bosch in diesem Bereich Verpackungsmaschinen für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie her und ist hier auch der größte Anbieter. Mit dem Unternehmen Bosch Solar Energy AG ist Bosch seit 2008 auch im Bereich der Solarenergie aktiv. Quelle: Bosch Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 12 von 109

15 2.2 Bosch-Standort Hallein Der Standort Hallein ist vollständig dem Geschäftsbereich Kraftfahrzeugtechnik und darunter dem Bereich Diesel Systems zugeordnet. Er ist dabei für die Entwicklung, die Fertigung und den Vertrieb von Einspritzsystemen für sogenannte Großdieselmotoren mit einer Motorleistung von mehr als 100 kw/zylinder zuständig. Im derzeitigen Produktprogramm finden sich alle gängigen Einspritzsysteme für Großdieselmotoren wie konventionelle Systeme, zum Beispiel Reiheneinspritzsysteme und Pumpe-Leitung-Düse-Systeme, aber auch hochmoderne Speichereinspritzsysteme, die nach dem Common-Rail-Prinzip arbeiten. Quelle: GE Quelle: Bosch Der Standort Hallein beschäftigt derzeit zirka 1000 Mitarbeiter und beliefert den Weltmarkt mit seinen Produkten. Zu den Kunden zählen beinahe alle bekannten Großdieselmotorenhersteller. Eingesetzt werden die Systeme in Baumaschinen, Lokomotiven, Schiffe, sowie zur stationären Energieerzeugung. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 13 von 109

16 3 Aufgabenbeschreibung 3.1 Beschreibung des Common-Rail-Systems Die Anforderungen an die Einspritzsysteme von modernen Dieselmotoren steigen ständig. Höhere Drücke, schnellere Schaltzeiten und eine flexible Anpassung des Einspritzverlaufs an den Betriebszustand des Motors machen den Dieselmotor sparsam, sauber und leistungsstark. Das Speichereinspritzsystem Common-Rail eignet sich für all diese Aufgaben bestens und hat sich mittlerweile in allen Leistungsklassen etabliert. Der Hauptvorteil liegt in den großen Variationsmöglichkeiten bei der Gestaltung der Einspritzung. Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt und Einspritzdauer sind weitgehend frei wählbar. Dies wird durch Entkoppelung von Druckerzeugung (Hochdruckpumpe) und Einspritzung (Injektor) erreicht. Die 3. Generation des Common-Rail-Systems für PKW arbeitet beispielsweise mit einem Systemdruck von 1800 bar und erreicht bis zu 7 Einspritzungen pro Motorzyklus. Die hohen Einspritzdrücke reduzieren den Kraftstoffverbrauch und die Mehrfacheinspritzung trägt wesentlich zur Geräusch- und Emissionsreduzierung bei. 1 Hochdruckpumpe mit Zahnradförderpumpe und Zumesseinheit 2 Kraftstofffilter 3 Kraftstoffbehälter 4 Vorfilter 5 Rail 6 Raildrucksensor 7 Magnetventilinjektor 8 Druckbegrenzungsventil Abb : Schematische Darstellung eines Common-Rail-Injektors der 2. Generation für PKW-Anwendungen, Quelle: Bosch Fachbuch "Gelbe Reihe" - Diesel- Speichereinspritzsystem Common Rail, Ausgabe 2004 Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 14 von 109

17 In Abb ist ein Common-Rail-System schematisch dargestellt. Die Hochdruckpumpe (1) wird mit einer Vorförderpumpe (z.b. Zahnradförderpumpe) mit Kraftstoff versorgt. Die Zumesseinheit regelt dabei die Zulaufmenge. Die Hochdruckpumpe erzeugt dann je nach Bedarf den entsprechenden Systemdruck, der im Rail (5) gespeichert wird und zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung steht. Vom Rail aus werden dann die einzelnen Injektoren (7) mir Kraftstoff versorgt, welche in Verbindung mit dem Steuergerät den Einspritzvorgang steuern. a b c Ruhezustand Injektor öffnet Injektor schließt 1 Kraftstoffrücklauf 2 Magnetspule 3 Überhubfeder 4 Magnetanker 5 Ventilkugel 6 Ventilsteuerraum 7 Düsenfeder 8 Druckschulter der Düsennadel 9 Kammervolumen 10 Spritzloch 11 Magnetventilfeder 12 Ablaufdrossel 13 Hochdruckanschluss 14 Zulaufdrossel 15 Ventilkolben 16 Düsennadel Abb : Funktionsweise von einem Magnetventilinjektor, Quelle: Bosch Fachbuch "Gelbe Reihe" - Diesel-Speichereinspritzsystem Common Rail, Ausgabe 2004 In Abb ist schematisch die Funktionsweise von einem Magnetventilinjektor dargestellt. Im Ruhezustand (linkes Bild) steht im dunkelblau markierten Hochdruckbereich der Systemdruck an. Infolge der im Steuerraum (6) auf die Düsennadel wirkenden Druckkraft wird die Düsennadel in den Sitz gepresst, und die Spritzlöcher (10) werden verschlossen. Das Magnetventil ist in diesem Zustand ebenfalls geschlossen, da die Kraft der Ventilfeder (11) größer ist, als die aus dem Systemdruck resultierende Kraft auf die Ventilkugel (5). Beim Beginn eines Einspritzvorgangs (mittleres Bild) wird die Magnetspule (2) bestromt und zieht den Magnetanker (4) an. Die Ventilkugel (5) hebt nun aufgrund des Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 15 von 109

18 Drucks vom Sitz ab und Kraftstoff kann in den Niederdruckbereich (hellblau markiert) abströmen. Die hier abfließende Menge bezeichnet man als Steuerleckage. Diese wird über den Leckagerücklauf aus dem Injektor geführt und anschließend zum Kraftstofftank zurückgeleitet. Durch das Verhältnis von Zulaufdrossel (14) und Ablaufdrossel (12) wird der Druck im Ventilsteuerraum (6) soweit abgesenkt, dass die Kraft an der Düsennadel in Öffnungsrichtung überwiegt. Die Düsennadel (16) hebt nun ab. Es wird Kraftstoff über die Spritzlöcher in den Brennraum gespritzt. Am Ende des Bestromungsvorgangs (rechtes Bild) wird das Ventil durch die Magnetventilfeder (11) wieder geschlossen. Im Ventilsteuerraum (6) wird wieder der Systemdruck aufgebaut. Dadurch überwiegt wieder die Kraft in Schließrichtung und die Düsennadel (16) wird geschlossen. 3.2 Leckagen beim Common-Rail-Injektor Wie zuvor beschrieben, entsteht beim Ansteuern eines Common-Rail-Injektors eine sogenannte Steuerleckage, deren Menge vom Systemdruck und von der Bestromungszeit abhängig ist. Je nach Ausführung haben Injektoren auch im geschlossenen Zustand funktionsbedingt Leckagen und zwar wenn das Steuerventil als druckausgeglichenes Ventil ausgeführt ist, da dieses eine, gegen Hochdruck abdichtende, Führung besitzt. Hingegen haben Injektoren mit nichtdruckausgeglichenen Ventilen im geschlossenen Zustand an sich keine Leckage. Je nach Zustand des Ventilsitzes, bedingt durch Fertigungstoleranzen und Verschleiß, kann das Ventil nun aber eine sogenannte Sitzleckage, mit zum Teil äußerst geringen Leckagemengen aufweisen. Solche Injektoren mit nichtdruckausgeglichenen Ventilen befinden sich derzeit bei Bosch unter anderem in der Entwicklungsphase. 3.3 Leckagemessung bei Common-Rail-Injektoren Sowohl in der Entwicklungsphase, wie auch in der Serienfertigung ist es notwendig, die Leckagemenge eines Common-Rail-Injektors zu messen. Während der Entwicklung kann dies einerseits beispielsweise beim Testen verschiedener Ausführungen von Ventilen sein, andererseits aber auch um bei der Dauer- und Felderprobung das Ver- Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 16 von 109

19 schleißverhalten zu beurteilen. In der Serienfertigung ist eine 100%-Leckagemessung notwendig, um sicherzustellen, dass nur einwandfreie Produkte ausgeliefert werden. 3.4 IST-Situation - derzeitiges Messsystem Derzeit wird bei Bosch in Hallein für die Leckagemessung eine Durchflussmessturbine vom Typ "PLU" vom Hersteller Pierburg verwendet. Dieses System ist für Leckagedurchflüsse von mehr als 1,6 ml/min geeignet. Im Aufbau sind weiters ein Temperatursensor, ein Drucksensor und ein Gegendruckventil eingebaut. Da Injektoren mit nichtdruckausgeglichenen Ventilen üblicherweise kleinere Leckagemengen aufweisen, ist das derzeitige System nicht mehr für die Leckagemessung geeignet. Abb : Derzeit verwendetes Leckagemesssystem mit einer Durchflussmessturbine "PLU" an einem Prüfaufbau für Common-Rail-Injektoren Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 17 von 109

20 3.5 SOLL-Situation - neues Leckagemesssystem für Kleinstmengen Zur Abhilfe des im Punkt 3.4 beschriebenen Problems ist nun ein neues Leckagemesssystem notwendig, dessen Hauptmerkmal die Eignung zur Messung von Leckagemengen < 1,6 ml/min ist. Es soll sich weiters ins bestehende Messsystem integrieren lassen, sodass große Leckagedurchflüsse, wie sie beim Ansteuern der Ventile entstehen, mit dem derzeit verwendeten und bewährten System gemessen werden können. Details zu den Anforderungen des Messsystems sind im Lastenheft aufgeführt. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 18 von 109

21 4 Lasten- und Pflichtenheft Zum Projektbeginn wurden alle notwendigen Eigenschaften des Messsystems mit Herrn Prummer von der Firma Bosch abgesprochen. Auf Basis dieser Eigenschaften wurde dann ein Lastenheft erstellt. Unter "Umsetzung" sind Hinweise zur tatsächlichen Ausführung beschrieben. Abweichungen zu den Vorgaben, die unter "Umsetzung" angeführt sind, sind als Pflichten zu verstehen und sind daher bindend. Folgende Eigenschaften sollen das neue Leckagemesssystem auszeichnen: 4.1 Einsatz Das Leckagemesssystem soll zur Messung der Injektorleckage im Bereich der Entwicklung und Erprobung von Common-Rail-Systemen geeignet sein. Auch soll eine Adaptierung des Systems für andere Leckagemessungen möglich sein. Eine Anwendung an Serienmesseinrichtungen ist optional. Umsetzung: Das Leckagemesssystem wurde universell konstruiert und dessen Anwendung ist nicht auf Common-Rail-Injektoren beschränkt. Der Gegendruckaufbau wurde speziell für die Injektoranwendung ausgeführt. Die Erprobung des Systems wurde bisher nur mit Injektoren durchgeführt. 4.2 Umgebungsbedingungen Das Messsystem wird in einer Prüfkabine eingesetzt, in der die Bauteile mit Prüföl bzw. Dieselkraftstoff in Berührung kommen können, beispielsweise durch Leckagen, durch Sprühnebel bei Leitungsbrüchen oder durch die Handhabung von Vorrichtungen und Prüflingen. Sämtliche Bauteile müssen daher ölbeständig ausgeführt sein. Am Leckageausgang des Prüfadapters kann das Prüfmedium Temperaturen bis zu 80 C aufweisen. Während der Montagetätigkeiten kann am Messgerät mit Handwerkzeugen oder Prüflingen angestoßen werden. Das Messgerät muss dagegen weitgehend geschützt oder beständig sein. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 19 von 109

22 Umsetzung: Alle verwendeten Bauteile inklusive dem Wegmesssystem sind ölbeständig. Auch kann ein Einfluss des Messergebnisses durch ölige Umgebung ausgeschlossen werden. Das System wird neben dem Prüfling beziehungsweise dessen Adapter montiert und ist massiv ausgeführt. Das Wegmesssystem ist gegen Stöße durch eine Kappe geschützt und ist für Umgebungstemperaturen bis 80 C geeignet. 4.3 Messbereich Das Leckagemesssystem soll für Volumenströme von 0,05 3 ml/min geeignet sein (Derzeitiges System: > 1,6 ml/min). Umsetzung: Für das System gibt es bezüglich Messbereich nach unten nur eine Einschränkung, was die notwendige Messzeit betrifft. Je kleiner der Volumenstrom und je größer die geforderte Genauigkeit ist, desto länger ist die Messzeit. Details dazu sind unter dem Kapitel 8 - Messung beschrieben. Bei der Erprobung war der kleinste gemessene Volumenstrom zirka 0,1 ml/min. 4.4 Messfehler Der Messfehler sollte maximal 5% des Messwerts betragen. Umsetzung: siehe Punkt 4.3 beziehungsweise Punkt Messfähigkeitsuntersuchung. 4.5 Leitungslängen Prüfling Messsystem Das Messsystem sollte so nahe wie möglich am Messadapter des Prüflings montiert werden. Der Grund dafür liegt in der Verfälschung des Messergebnisses bei großen Volumen, hervorgerufen durch Temperaturänderungen insbesondere bei Lastwechsel des Prüflings. Umsetzung: Das System kann direkt mit dem Prüfadapter über ein kurzes Stück Kunststoffschlauch verbunden werden. Der Einfluss vom Volumen des Prüfmediums und von dessen Temperaturänderung ist im Kapitel 8 - Messung im Detail beschrieben. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 20 von 109

23 4.6 Montagegegebenheiten: Das System muss an Aluminiumstrebenprofile (beispielsweise der Firma Bosch- Rexroth, 45-mm-System oder 30-mm-System) befestigt werden können, damit eine eigenständige Montage im Prüfraum erfolgen kann. Umsetzung: Das Messsystem kann mit speziellen Schellen an die beschriebenen Profile montiert werden. Die Verbindung zum Prüfadapter kann über ein kurzes Stück Kunststoffschlauch erfolgen. 4.7 Totvolumen Das Totvolumen im Messsystem sollte so gering wie möglich sein, um die Beeinflussung des Messergebnisses, hervorgerufen durch eine Volumenänderung bei Temperaturänderungen, so gering wie möglich zu halten. Eine Abschätzung des Einflusses durch Temperaturänderungen welchen in erster Linie durch Lastwechsel hervorgerufen werden ist notwendig. Umsetzung. Das System wurde auf ein möglichst kleines Totvolumen optimiert. Eine Berechnung des Einflusses des Messergebnisses durch Temperaturänderungen und Volumen wurde durchgeführt - siehe Punkt Einfluss von Volumen und Temperaturänderung. 4.8 Leckagegegendruck Der Leckagegegendruck muss von 0,2 bis 1,0 bar (relativ) stufenlos einstellbar und über die gesamte Messung konstant sein. Die Einstellung sollte nach Möglichkeit von außerhalb der Prüfkabine erfolgen können. Auch muss der Gegendruck für die Einstellung und Kontrolle gemessen werden können. Umsetzung: Der erforderliche Gegendruck wird über einen, auf den Kolben wirkenden Luftdruck, welcher durch ein Druckregelventil einstellbar ist, erzeugt. Durch das Druckregelventil ist der Gegendruck über der gesamten Messung konstant. Mit dem bei der bisherigen Erprobung verwendeten manuellen Ventil ist eine Gegendruckänderung von außerhalb der Prüfkabine nicht möglich. Eine Umsetzung einer solchen Funktion wäre aber durch die Verwendung eines elektrisch angesteuerten Ventils einfach möglich. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 21 von 109

24 4.9 Einbaulage des Messsystems Grundsätzlich reicht eine vorgegebene Einbaulage, sofern diese bei den räumlichen Gegebenheiten möglich ist. Eine Absprache des Grundkonzeptes mit dem Auftraggeber ist hier zwingen notwendig. Das System wurde so ausgeführt, dass die Leckageeinleitung von zwei Seiten geschehen kann. Auch ist das System ausrichtungsunabhängig. Auf eine mögliche Ansammlung von Gasblasen im System, hervorgerufen durch eine bestimmte Ausrichtung, welche das Messergebnis beeinflussen können, muss bei jedem Anwendungsfall gesondert geachtet werden. Die Ausführung des Messsystems wurde vor der Fertigung der Teile mit Herrn Prummer abgesprochen Kombination mit dem bisherigen Messsystem Ohne gesonderten Umbau sollte ein Wechsel zwischen dem neuen Kleinstmengenleckagemesssystem und dem bisherigen Messsystem möglich sein. Umsetzung: Das bisherige Leckagemesssystem wird einfach hinter das neue System gesetzt. Dazu wird der zirka 1 m lange Kunststoffschlauch, der das bisherige System mit dem Prüfadapter verbunden hat, anstatt mit dem Prüfadapter, mit dem Rücklauf des neuen Systems verbunden. Durch Öffnen eines Ventils (Entleerventil) kann dann einfach vom neuen System auf das bisherige System umgeschaltet werden Überlastsicherung Das Leckagemesssystem sollte so ausgeführt werden, dass bei zu hohen Drücken (>10 bar) und/oder zu hohen Volumenströmen, hervorgerufen durch Bedienungs- oder Produktfehler, eine Entlastung oder eine Abstellung hervorgerufen wird, wodurch eine Zerstörung des Systems beziehungsweise eine Gefahr für die Bediener ausgeschlossen werden kann. Das System besitzt eine Entlastungsnut, über die das Medium nach außen abströmen kann. Der maximal mögliche Druck beträgt systembedingt 6 bar - siehe Punkt Übersicht zur umgesetzten Ausführung. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 22 von 109

25 4.12 Messzeit HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT Für Volumenströme im Bereich von 0,1 1 ml/min sollte eine Messzeit von maximal 60 Sekunden je Messung notwendig sein. Umsetzung: Die notwendige Messzeit ist vom Volumenstrom und der geforderten Genauigkeit abhängig. Details dazu sind im Kapitel 8 - Messung zu finden Baugröße Aufgrund der teilweise sehr engen Platzverhältnisse in den verschiedenen Prüfkabinen sollte das Messsystem möglichst klein ausgeführt sein. Umsetzung: Auf eine möglichst kleine und flexibel montierbare Ausführung wurde besonders geachtet Einbindung in die Prüfstandssteuerung Das Messsystem sollte sich soweit in die Steuerung einbinden lassen, dass Folgendes möglich ist: Wechsel zwischen den beiden Messsystemen Ausführung der Messung Erfassen der Messdaten Temperaturkompensation Nach Möglichkeit, Änderung des Leckagegegendrucks Umsetzung: Für die Steuerung des Systems ist nur ein elektrisch betätigtes 5/2- Wegeventil notwendig. Das Verwendete Wegmesssystem gibt eine Spannung von zirka V aus. Von einem Mitarbeiter der Firma Bosch wurde ein Programm erstellt, das die Umsetzung der obigen Eigenschaften ermöglich. Eine Temperaturmessstelle wurde bei der Ausführung berücksichtigt. Eine automatische Temperaturkompensation des Messwertes ist somit möglich, wurde jedoch noch nicht angewendet. Der Leckagegegendruck ist mit der derzeitigen Ausführung nur manuell verstellbar. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 23 von 109

26 4.15 Prüfmedien HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT Das System sollte mindestens für Dieselkraftstoff EN590 oder ähnlicher Qualität und Prüföl Shell V1404 geeignet sein. Die verwendeten Materialien sind gegen die genannten Medien beständig Schnittstellen Für die Arbeit wurden als Schnittstelle der Prüfadapter, sowie die hydraulische Verbindung zum bisherigen Messsystem definiert. Die Verbindung des Prüfadapters mit dem Messsystem sollte über einen Kunststoffschlauch ID4 x 1 mm erfolgen. Die Schnittstelle zur Prüfstandssteuerung, sowie zur Messdatenverwertung sind elektrische Größen des Wegmesssystems, sowie die elektrische Ansteuerung von etwaigen Ventilen. Umsetzung: Die Verbindung zum Prüfadapter kann über einen Kunststoffschlauch ID4 x 1 mm erfolgen. Für die Verbindung wurden am Messsystem Gewinde M10 x 1 für, bei Bosch verfügbare, Verschraubungen des Systems Ermeto gewählt. Beim Leckageaustritt kann ebenfalls der gleiche Schlauch für die Verbindung zum bisherigen Messsystem verwendet werden. Es wurde ein elektrisch anzusteuerndes Wegeventil, sowie ein Wegmesssystem, welches eine Spannung von zirka V ausgibt, verwendet Kosten Es gibt keine besonderen Vorgaben hinsichtlich Kosten. Die Ausführung des Systems, insbesondere bei der Wahl von Zukaufteilen muss mit den Zuständigkeiten der Firma Bosch abgesprochen werden. Die Ausführung, sowie die Auswahl der entsprechenden Zukaufkomponenten wurden schrittweise mit Herrn Prummer und Herrn Welsch von der Firma Bosch abgesprochen. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 24 von 109

27 5 Konzeptfindung 5.1 Messprinzipien Um Leckagedurchflüsse zu messen, die theoretisch 0 ml/min erreichen, wurde anstelle einer Durchflussmessturbine ein Verfahren gesucht, bei dem das Volumen, welches das Prüfmedium über die Zeit einnimmt, gemessen wird. Es wurden dabei im ersten Schritt folgende Ausführungen in Betracht bezogen: Lösung 1 - Messglas: Das Prüfmedium wird in ein Messglas geleitet. Der Ölspiegel im Messglas wird durch ein Messsystem erfasst. Über den Ölspiegel, den Messglasdurchmesser und die Messzeit errechnet sich dann der Volumenstrom. Der Gegendruck kann über ein Druckregelventil nach dem Prüfadapter eingestellt werden. Die Entleerung des Messglases kann durch ein entsprechendes Ventil durchgeführt werden. Als Alternative für ein aufwendiges Messsystem, welches den Ölspiegel misst, könnten auch 2 optische Sensoren verwendet werden, die den Differenzweg für die Zeitmessung bestimmen. Das Entleeren des Glases nach dem Messvorgang kann durch ein 2/2-Wegeventil erfolgen. Abb : Schaltplan für "Messglas-Lösung" Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 25 von 109

28 Lösung 2 - Kolben: Das Prüfmedium wird in einen Zylinder geleitet, wo es einen Kolben verdrängt. Über den Kolbenweg, den Kolbendurchmesser und die Messzeit errechnet sich, wie bei Lösung 1, der Volumenstrom. Der Gegendruck wird durch einen Pneumatikzylinder aufgebracht, der mit einem errechneten Luftdruck beaufschlagt wird und auf den Messkolben drückt. Zum Entleeren, beziehungsweise zum Messen mit dem bisherigen System wird ein 2/2-Wegeventil nach dem Messzylinder geöffnet. Der Pneumatikzylinder drückt für den Entleervorgang den Messkolben nach unten. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann der Pneumatikzylinder mit vollem Luftdruck (6 bar) betrieben werden. Zur Erfassung des Kolbenwegs kann beispielsweise ein induktives Wegmesssystem verwendet werden. Abb : Schaltplan für "Kolben-Lösung" Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 26 von 109

29 5.2 Entscheidungsanalyse Zur Entscheidung, welche der beiden Lösungen als Prototyp umgesetzt werden soll, wurde eine Bewertungsmatrix erstellt. Dabei wurden die relevanten und bis zu diesem Zeitpunkt bekannten Eigenschaften, insbesondere aus dem Lastenheft bewertet. Es wurde folgendermaßen unterschieden: grün: Eigenschaften werden voll erfüllt gelb: Eigenschaften werden teilweise erfüllt rot: Eigenschaften werden nicht erfüllt (Ausscheidekriterium bei Musskriterien) blau: konnte bei der Erstellung noch nicht bewertet werden offen Kriterien Messglas Kolben Messbereich 0,05-3 ml/min Messfehler < 5% des Messwertes Beständig gegen ölige Umgebung Temperaturbeständig bis 80 C Stoßunempfindliche Ausführung Kurze Leitungen, Messung nahe am Prüfadapter Kombination mit dem bisherigen Messsystem Leckagegegendruck 0,2-1,0 bar Absicherung gegen hohe Durchflüsse bzw. Drücke Einbindung in die Prüfstandssteuerung Wunsch: beliebige Einbaulage Wunsch: möglichst kleine Ausführung Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 27 von 109

30 Detailbeschreibung zur Bewertung: Messbereich: Bei beiden Lösungen wird ein Volumen, das über eine bestimmte Zeit durch das Medium eingenommen wird, gemessen. Die Messungen sind also zeitabhängig - je kleiner der Volumenstrom, desto größer die Messzeit. Glas und Kolben könnten in ähnlich kleinen Durchmessern hergestellt werden. Grobberechnung der Messzeit (t) mit einem Durchmesser (d) von 10 mm einem Hub (h) von 2 mm und einem Volumenstrom (Q) von 0,05 ml/min: Messfehler: Ermittelt wird der Kolbenhub beziehungsweise der Füllstand des Messglases. Der prozentuale Messfehler sinkt dabei mit steigendem Volumen. Nach obiger Berechnung ist bei einem Messfehler von 5% des Messwertes eine Messgenauigkeit von < 0,1 mm notwendig. Eine Kolbenhubmessung in diesem Bereich wird sicher möglich sein. Eine optische Ermittlung des Messglasfüllstands in diesem Genauigkeitsbereich ist ebenfalls denkbar. Beständigkeit gegen ölige Umgebung: Bei der Lösung mit dem Messkolben ist nur ein ölbeständiges Hubmesssystem notwendig. Solche Systeme sind in breitem Umfang verfügbar, wie zum Beispiel induktive Wegmesssensoren. Eine Erfassung des Messglasfüllstands wird hingegen kritischer sein. Optische Messsysteme wären gegebenenfalls ölbeständig, jedoch kann eine Beeinflussung des Messwertes nicht ausgeschlossen werden. Es wäre eine abgedichtete Messumgebung notwendig. Temperaturbeständigkeit: Es sind bei beiden Lösungen keine Probleme mit Umgebungs- beziehungsweise Öltemperaturen bis 80 C zu erwarten. Wegmesssysteme sind dafür auch verfügbar. Stoßunempfindlichkeit: Ein, in einem Zylinder geführter Kolben, mit einem vor mechanischer Beschädigung geschützten Wegmesssensor, wird verglichen mit einem Messglas als relativ unempfindlich eingestuft. Das Messglas müsste entsprechend geschützt sein. Kurze Leitungen, Messung nahe am Prüfadapter: Anhand der ersten Schaltpläne einer möglichen Ausführung - siehe Punkt ist ersichtlich, dass eine Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 28 von 109

31 Messung über einen Kolben direkt nach dem Prüfadapterausgang realisiert werden kann. Bei der Lösung mit dem Messglas muss mindestens ein Umschaltventil zur Ermöglichung des Betriebs mit dem bisherigen Leckagemesssystem, sowie ein Druckregelventil vor dem eigentlichen Messsystem eingebaut werden. Kombination mit dem bisherigen Messsystem: Bei beiden Varianten ist eine Messung mit dem bisherigen System (PLU) ohne Umbauaufwand möglich. Hierzu ist jeweils ein Umschaltventil eingebaut. Bei der Lösung mit dem Kolben ist das Ventil entweder geschlossen, für die Messung mit dem Kleinstmengenleckagemesssystem, oder offen, für die Messung mit dem bisherigen System (PLU), - siehe Abb Bei der Lösung mit einem Messglas kann über ein 2/2- Wegeventil zwischen der Messung mit dem bestehenden Messsystem und dem neuen Kleinstmengenleckagemesssystem umgeschaltet werden - siehe Abb Leckagegegendruck 0,2-1,0 bar: Die Gegendruckregelung kann für beide Varianten mit einem einfachen mechanischen Druckregelventil erfolgen - siehe Abb und Abb Bei der Messglas-Lösung wird der Druck vor dem Ventil geregelt. Bei der Kolben-Lösung wird der Druck nach dem Ventil geregelt. Absicherung gegen hohe Durchflüsse beziehungsweise Drücke: Bei der Messglas-Lösung wird der Druck vor dem Messsystem über das Druckregelventil begrenzt. Nach diesem Ventil ist das System drucklos. Durch ein offen ausgeführtes Messglas könnte das Prüfmedium in den Prüfraum entweichen oder entsprechend abgeführt werden. Bei der Messkolben-Lösung lässt sich eine Überlastungssicherung gegen zu hohem Druck, beziehungsweise zu hohem Durchfluss einfach über eine Entlastungsbohrung im Messzylinder realisieren, die ab einem bestimmten Kolbenhub eine Abführung des Prüfmediums ermöglicht. Der Rücklaufdruck ist dabei durch die maximale Kraft des Pneumatikzylinders begrenzt. Einbindung in die Prüfstandssteuerung: Beide Systeme verwenden übliche Hydraulik- bzw. Pneumatikventile, welche durch elektrische Ansteuerung einfach in die bisherige Prüfstandssteuerung eingebunden werden können. Ein entspre- Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 29 von 109

32 chendes Messsystem zum Erfassen des Messglaspegels beziehungsweise des Kolbenhubs wird nach Absprache mit der Firma Bosch ausgewählt. Beliebige Einbaulage: Diese Eigenschaft wird aus physikalischen Gründen nur mit dem Messkolben-System ermöglicht. Das Messglas müsste immer vertikal ausgerichtet sein oder die Messung des Ölspiegels müsste immer an der exakt gleichen Position über die gesamte Höhe stattfinden. Möglichst kleine Ausführung: Diese Eigenschaft war zum Bewertungszeitpunkt noch sehr ungewiss und wurde nicht bewertet. Ergebnis: Entsprechend der obigen Bewertung zeigt sich, dass vom Messkolben-System weitgehend alle Eigenschaften erfüllt werden. Die Lösung mit dem Messglas dagegen zeigt sich nachteilig insbesondere bei der Robustheit und der Einbaulage. Außerdem benötigt diese Lösung ein Umschaltventil und ein Druckbegrenzungsventil vor dem Messglas. Daraus resultiert die negative Bewertung der Eigenschaft Messung nahe am Prüfadapter. Aus diesen Gründen wird Lösung 1 - Messglas nicht weiter verfolgt. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 30 von 109

33 6 Prototyp Anhand der Analyse im Punkt 5.2 wurde das Messkolben-Prinzip als am besten geeignet eingestuft. Mit diesem System wurde ein Prototyp konstruiert und gefertigt, mit dem Ziel, die Eignung durch praktische Versuche nachzuweisen. 6.1 Auswahl der Komponenten Um den Prototyp möglichst preisgünstig herzustellen, wurde besonders auf die Verwendung von weitgehend vorhandenen beziehungsweise leicht herstellbaren oder nacharbeitbaren Bauteilen und Komponenten geachtet. Eine geringe Baugröße und eine einfache Bedienung standen noch nicht im Vordergrund. Für das Kleinstmengenleckagemesssystem wurden folgende Grundkomponenten benötigt: Zylinder und Kolben Entleerventil Druckregelventil für den Gegendruckaufbau Pneumatikzylinder für den Gegendruckaufbau und zum Entleeren Messsystem zur Kolbenhubmessung Pneumatische Steuerung Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 31 von 109

34 Abb : Aufbau des Leckagemesssystems mit einer Messung über einen Kolben Zylinder und Kolben: Auf diese Bauteile werden hohe Anforderungen hinsichtlich Dichtheit und Gleiteigenschaften gestellt. Es muss einerseits sichergestellt werden, dass keine Leckage in relevanter Menge über die Führung entweicht, da dies eine entsprechende Verfälschung des gemessenen Volumenstroms mit sich ziehen würde und andererseits muss eine gleichförmige Kolbenbewegung - konstante Reibkraft - ermöglicht werden. Um diese Eigenschaften zu erreichen, muss die Führungsfläche der Bauteile geschliffen beziehungsweise geläppt oder gehont ausgeführt werden. Das Führungsspiel und die Formabweichungen müssen möglichst gering sein. Eine derartige Ausführung ist insbesondere bei geringen Stückzahlen äußerst kostspielig. Aus diesem Grund wurde nach Möglichkeiten gesucht, auf bereits vorhandene Bauteile zurückzugreifen und diese gegebenenfalls nur anzupassen. Als geeignete Lösung bot sich die Verwendung eines sogenannten Pumpenelements an. Diese Elemente werden bei der Firma Bosch als Serienteile für Hoch- Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 32 von 109

35 druckpumpen verwendet und sind vergleichsweise kostengünstig verfügbar. Das verwendete Element hat einen Kolbendurchmesser von 10 mm. Pumpenelement, bestehend aus Kolben (3) und Zylinder Abb : Schematische Darstellung einer Hochdruckpumpe, Quelle: Bosch Fachbuch "Gelbe Reihe" - Diesel-Speichereinspritzsystem Common Rail, Ausgabe 2004 Entleerventil: Zum Entleeren des Zylinders, sowie zum Umschalten auf das bisherige Messsystem ist ein entsprechendes 2/2-Wegeventil notwendig. Es ist bei diesem Ventil vor allem wichtig, dass es im geschlossenen Zustand keine Leckage aufweist. Die Firma Swagelok bietet hierzu sogenannte Faltenbalgventile als Sitzventile an. Diese Ventile sind bei der Firma Bosch bereits im Einsatz und vorrätig. Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 33 von 109

36 Abb : Faltenbalgventil der Firma Swagelok (hier mit manueller Betätigung), Quelle: ( ) Abb : Faltenbalgventil SS-6BK-MM-1C der Firma Swagelok mit pneumatischem Steuerkopf, Quelle: ( ) Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 34 von 109

37 Druckregelventil für den Gegendruckaufbau: Zum Einstellen und Aufrechterhalten des Leckagegegendrucks wurde ein manuell betätigtes, pneumatisches Druckregelventil verwendet, durch welches die Kraft des Pneumatikzylinders, die auf den Messkolben wirkt, eingestellt werden kann. Pneumatikzylinder: Hierzu wurde ein bereits vorhandener, einfach wirkender Zylinder der Firma Bosch-Rexroth verwendet. Der Kolben hat einen Durchmesser von 25 mm. Um einen Gegendruck von 0,5 bar aufzubauen, ergibt sich bei einem Messkolbendurchmesser von 10 mm folgender pneumatischer Druck: Messsystem zur Kolbenhubmessung: Hierzu wurde ein ebenfalls vorhandenes System vom Hersteller Novotechnik (Typ T50), welches nach dem induktiven Messprinzip funktioniert, verwendet. Pneumatische Steuerung: Die Steuerung wurde wie in Abb gezeigt umgesetzt. Dabei wird ein elektrisch angesteuertes 5/2-Wegeventil verwendet. Im unbestromten Zustand wird der Pneumatikzylinder über ein Oder-Ventil mit dem maximalen Luftdruck nach unten gedrückt und gleichzeitig das hydraulische 2/2- Wegeventil für die Entleerung geöffnet. Ebenfalls wird diese Stellung für die Messung mit dem bisherigen Messsystem verwendet, da in diesem Fall die Leckage das neue Messsystem einfach durchströmt. Für die Kleinstmengenmessung wird das 5/2-Wegeventil bestromt und der Pneumatikzylinder wird über das Druckregelventil mit dem Luftdruck beaufschlagt, der für den Aufbau des gewünschten Leckagegegendruck notwendig ist. Mit dem Umschalten des Magnetventils wird auch das Entleerventil geschlossen und das Prüfmedium beginnt den Kolben zu verdrängen. Die Abfolge aus Messen und Entleeren wurde im ersten Schritt zeitabhängig umgesetzt. 6.2 Ausführung Die nachfolgende Abb zeigt den Aufbau des Prototyps. Als Basis dient eine Aufnahme, die zum einen über eine Hydraulikverschraubung die Verbindung zum Prüf- Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 35 von 109

38 adapter herstellt und zum anderen die Anbaumöglichkeit für das 2/2-Wegeventil und das Pumpenelement schafft. Das Pumpenelement wurde entsprechend nachgearbeitet und ist mit einer Mutter mit der Aufnahme verschraubt. Des Weiteren ist an die Aufnahme ein Bügel zur Befestigung des Pneumatikzylinders montiert, worauf das induktive Wegmesssystem befestigt ist. Der Zugstab des Wegmesssystems ist mit dem Kolben des Pneumatikzylinders über eine Platte verbunden. Wegmesssystem mit Zugstab 2/2-Wegeventil Pneumatikzylinder Pumpenelement Aufnahme Anschluss Prüfadapter Abb : Prototyp des Leckagemesssystems Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 36 von 109

39 Wegmesssystem Druckregelventil Pneumatikzylinder ODER-Ventil 5/2-Wegeventil Pumpenelement 2/2-Wegeventil Aufnahme Abb : Prototyp am Prüfstand aufgebaut - inkl. Pneumatikschaltung, Hinweis: Das Bild zeigt eine improvisierte Ausführung Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 37 von 109

40 6.3 Erste Messungen HÖHERE TECHNISCHE BUNDESLEHRANSTALT Nach erfolgreicher Fertigung der Teile und Montage des Messsystems am Prüfstand wurden erste Messungen durchgeführt. Dazu wurde von einem Mitarbeiter der Firma Bosch ein entsprechendes Programm erstellt, mit dem Folgendes möglich ist: Hinterlegen einer Kalibrierkurve für das Wegmesssystem Voreinstellen der Messzeit, der Entleerzeit und der Wartezeit zwischen Entleeren und Messen, sowie des Kolbendurchmessers Errechnen des Volumens aus Hub und Durchmesser Aufzeichnen von Graphen - Volumen über Zeit Errechnen des Volumenstroms aus Volumen und Zeit Automatische Speicherfunktion von Graphen und Messwerten Umschaltmöglichkeit auf das bisherige Messsystem Verwendeter Prüfling: Für diesen Versuch wurde ein Injektordummy mit einem Magnetventil DMV28-T ohne Düse - anstelle der Düse sitzt ein Adapter - verwendet, der auf einem entsprechenden Prüfadapter montiert wurde. Bewusst wurde für den Versuch eine Leckagemenge von ca. 4-5 ml/min über die Ansteuerung des Magnetventils herbeigeführt. Der Druck im Hochdrucksystem wurde auf 500 bar eingestellt und das Ventil wurde bei einer Frequenz von 525/min über 870 µs bestromt. Mit dem Druckregelventil wurde der Luftdruck im Pneumatikzylinder so eingestellt, dass sich ein Leckagegegendruck von 0,5 bar ergab. Leckageanschluss Injektordummy Adapter Abb : Injektordummy auf einem Prüfadapter montiert Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 38 von 109

41 Kalibrierung des Messsystems: Da das induktive Wegmesssystem der Firma Novotechnik (Typ T50) einen über den Weg linearen Spannungsverlauf hat, wurden nur 2 Punkte kalibriert - 0 mm und 30 mm. Zur Kalibrierung wurden entsprechende Endmaße zwischen den Messkolben und den Kolben des Pneumatikzylinders gelegt, um eine genaue Position des Kolbens darzustellen. Mit den erhaltenen Spannungswerten wurde eine Kalibrierkurve für die Volumenberechnung hinterlegt. Messergebnis: Das unten angeführte Diagramm - Abb zeigt die ersten gemessenen Kurven - Volumen über Zeit. Zuerst wurde die blaue Kurve aufgezeichnet. Dabei wurde der Leckagegegendruck, wie zuvor beschrieben, über den Druck des Pneumatikzylinders eingestellt Pneumatikzylinder ~ 4,5 ml/min Schwerkraft ~ 4,5 ml/min Volumen [mm³] Messzeit [s] Abb : Erste Aufzeichnungen mit dem Prototyp Es ist deutlich zu erkennen, dass der Kolben eine ungleichmäßige Bewegung ausführt. Es stellte sich heraus, dass die im Pneumatikzylinder verwendeten Dichtungen zum sogenannten Slip-Stick-Effekt führen. Das heißt, die Haftreibung des Kolbens ist deutlich größer als die darauffolgende Gleitreibung und es kommt zu diesem unerwünschten Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 39 von 109

42 Verhalten. Normalerweise sollte im hydraulischen Teil des Leckagerücklaufs ausschließlich Öl vorhanden sein. Durch die Inkompressibilität dieses Öls müsste eigentlich eine kontinuierliche Bewegung des Messkolbens und somit auch des Kolbens vom Pneumatikzylinder entstehen. Aus Erfahrungen weiß man jedoch, dass bei Common- Rail-Injektoren im Leckagerücklauf eine kleine Menge Gas, in Form von Bläschen, im Öl enthalten ist. Diese Bläschen befinden sich nun nicht nur im Öl zwischen dem Magnetventil des Injektors und dem Entleerventil des Messsystems, sondern können sich auch in der Zulaufbohrung zum Messkolben ansammeln - siehe Abb , roter Pfeil. Durch die Haftreibungskraft im Pneumatikzylinder erhöht sich nun der Leckagegegendruck so lange, bis die daraus resultierende Kraft höher ist, als die Summe der Kräfte aus dem Luftdruck und der F p (Luftdruck) => const. F r (Reibung) => Änderung Haftreibung - Gleitreibung Abb : Prototyp des Leckagemesssystems mit den auftretenden Kräften und einem schematisch dargestellten Injektor Leckagemesssystem Schwaiger Dominik Seite 40 von 109 F L (Leckagegegendruck) => Änderung Haftreibung - Gleitreibung Quelle: Bosch Haftreibung im Pneumatikzylinder. Während dieses Druckaufbaus wird das Gasvolumen im System entsprechend komprimiert, sodass es zwar trotz Leckage zu keiner Änderung des Gesamtvolumens, jedoch zu einer Gegendruckänderung kommt. Beginnt der Kolben sich zu bewegen, ändert sich die Kraft auf den Messkolben um die Differenz zwischen Haft- und Gleitrei-