Schmierwirkung von Biokraftstoffen der dritten Generation

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Lena Feld
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1 der dritten Generation Tailor-Made Fuels from Biomass (TMFB) Stefan Heitzig

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6 Hochdruckprüfstand Messungen von Viskosität, Kompressionsmodul, Schallgeschwindigkeit und Dichte - Druck bis 5000 bar - Temperatur C bei 40 C 6 von 18

7 Gliederung Tribologische Aspekte bei Kraftstoffen Schmierfähigkeitsbeurteilung von Kraftstoffen QSPR-Modell zur Voraussage der Schmierfähigkeit Elastohydrodynamische Modellbildung Zusammenfassung 7 von 18

8 HFRR-Test Etabliertes und genormtes Verfahren zur Bestimmung der Schmierfähigkeit von Kraftstoffen Einfache und schnelle Testmethode Geringe Flüssigkeitsmengen (2 ml) Pass/Fail-Kriterium: WSD > 460 μm WSD Average F ro m at M TH l+ A 2 se V a m ie D ct ol F G am al er ol a al co h li n at TH Le v u A TH F er ic V al e Ac e ul in al er at lv ut y B L ev le ra t Va E th yl Le ut yl B th y E Kin. V iscosity at 40 C [mm²/s] 200 WSD Disc: ic s 2 on e 400 e 3 ci d 600 id 4 e 800 e 5 e 1000 vu li n at 6 ul in at 1200 ll ev WS D Avera ge [µm] Kin. Viscosity at 40 C WSD: Wear Scar Diameter 8 von 18 WSD Ball:

9 Gliederung Tribologische Aspekte bei Kraftstoffen Schmierfähigkeitsbeurteilung von Kraftstoffen QSPR-Modell zur Voraussage der Schmierfähigkeit Elastohydrodynamische Modellbildung Zusammenfassung 9 von 18

10 QSPR: Quantitative Structure Property Relationship Quantitative Beziehung zwischen der Struktur eines Moleküls und dessen Eigenschaften Molekülstruktur Vorteil: Vorhersage der Eigenschaften, Wegfall von Messungen QSPR-Gleichung: - Eigenschaft C QSPR-Modell - z. B.: Siedepunkt, Löslichkeit, log(1 / C ) k1 P1 k 2 P2 k n Pn - Deskriptoren P (molekülabhängig) - Für Eigenschaft C relevante Moleküleigenschaften - Bestimmt aus statistischen Untersuchungen - Koeffizienten k (konstant) Eigenschaft EigenschaftC - Bestimmt aus Regressionsrechnung Idee: Voraussage der Schmierfähigkeit von Kraftstoffen mittels QSPR-Modell WSD 10 von 18

11 Vorhersage mittels QSPR-Modell QSPR-Modell mit Auswahl der fünf besten Deskriptoren (aus insgesamt 16): Gruppe I: schlecht schmierende Kraftstoffe (Additivierung nötig) Gruppe II: durchschnittlich schmierende Kraftstoffe Gruppe III: gut schmierende Kraftstoffe (gute Additive) Quelle: Fatemi, Masuch, Yamin, Leonhard, Murrenhoff, STLE Meeting Atlanta von 18

12 Gliederung Tribologische Aspekte bei Kraftstoffen Schmierfähigkeitsbeurteilung von Kraftstoffen QSPR-Modell zur Voraussage der Schmierfähigkeit Elastohydrodynamische Modellbildung Zusammenfassung 12 von 18

13 Elasthydrodynamische Simulation Ziel: Simulation der Tribokontakte bei Schmierung mit Biokraftstoffen Berücksichtigung von: - Flüssigkeitseigenschaften der Kraftstoffe - Verformung und Rauhigkeit der Oberflächen - Massenkräfte Simulation Flüssigkeitsdruck Festkörperkontaktdruck Einkolbenprüfstand Tribometer/ Hochdruckprüfstand Betriebsbedingungen: Diesel, p = 1350 bar, T = 50 C, n = /min 13 von 18

14 Simulationsergebnisse 14 von 18

15 Validierung mittels Einkolbenprüfstand Messungen der Reibkraft - Kolbe Buchse Kontakt - Polygonring Gleitschuh Kontakt Tribolologisch relevante Bauteile: Originalteile Fz Fz Fx Fx 15 von 18

16 Gliederung Tribologische Aspekte bei Kraftstoffen Schmierfähigkeitsbeurteilung von Kraftstoffen QSPR-Modell zur Voraussage der Schmierfähigkeit Elastohydrodynamische Modellbildung Zusammenfassung 16 von 18

17 Zusammenfassung Die 3. Generation von Biokraftstoffen wird energie- und materialschonend aus Zellulose hergestellt Schmierfähigkeit und Viskosität der Kraftstoffkandidaten wird gemessen und beurteilt Schmierfähigkeit lässt sich anhand der Molekülstruktur vorhersagen Einspritzpumpen werden mithilfe von Simulation und Prüfstandsversuchen für den Betrieb mit Biokraftstoffen optimiert 17 von 18

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Fragen & Anregungen?

19 Ausblick Verbesserung der Simulation - bessere Modellierung der Reibkraft - Berücksichtigung nicht-isothermer Effekte Validieren der Simulationen am Prüfstand Tribokontakte innerhalb der CR-Pumpe optimieren hinsichtlich - Makro- und Mikrogeometrie - Material und Beschichtung 19 von 18

Tribologische Teilprojekte Hochdruckprüfstand

Geometrie Materialien Reibeigenschaften,

Motorölverträglichkeit Materialverträglichkeit HFRR

20 Tribologische Teilprojekte Hochdruckprüfstand Einkolbenprüfstand V Ko mp is ko si re s ä s io t, ns m od u l Tribometer Pumpenprüfstand KonstruktionsEmpfehlungen Optimierte EHD Simulation Geometrie Materialien Reibeigenschaften, Materialeigenschaften Kraftstoffadditivirung Motorölverträglichkeit Materialverträglichkeit HFRR Prüfstand 20 von 18 QSPR Modelle Empfehlungen für Kraftstoffadditivirung und Materialauswahl

21 QSPR Test-Set R² = R²(adj.) = RMSECV = /mm q²ext = Prediction 1/WSD in 1/mm 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 Alkanes 0,9 Alkenes - Alcohols Esters (multifunctional) Esters (monofunctional) Fatty acids Test set 0,8 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Measurement 1/WSD in 1/mm 21 von 18 1,5 1,6

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