On the tribological durability of piston ring contacts – A full-stroke approach

Verbrennungsmotoren finden seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung. Mit dem von der EU geplanten Verbot des Verkaufs neuer benzin- und dieselbetriebener Personenkraftwagen ab dem Jahr 2035 gewinnt die Entwicklung neuer Technologien, wie beispielsweise alternative Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis, zunehmend an Bedeutung. Hieraus ergeben sich neue tribologische Fragestellungen, da der Einfluss neu entwickelter Kraftstoffe auf das tribologische System Kolbenring–Zylinderlaufbahn bislang nicht hinreichend untersucht ist. Durch den in dieser Arbeit präsentierten kombinierten Ansatz sollen verschiedenste Einflüsse untersucht und Schadenshypothesen abgeleitet werden können. In dieser Arbeit werden zwei komplementäre Prüfsysteme sowie eine simulationsbasierte Methodik zur Untersuchung des Ring-on-Liner-Kontakts eingesetzt. Der hochbelastete Bereich um den oberen Totpunkt weist in Kombination mit der geringen Relativgeschwindigkeit eine besonders hohe Anfälligkeit für den schwerwiegenden Verschleißmechanismus des „Scuffings“ auf. Zur detaillierten Analyse dieses katastrophalen Versagensmechanismus dient ein linear arbeitendes Prüfsystem. Ergänzend dazu ermöglicht ein innovatives Prüfsystem die Untersuchung des mittleren Hubbereichs bei erhöhter, konstanter Relativ-geschwindigkeit. Dieses System wird als Rotating Ring-on- Liner-System (RoLR) bezeichnet. Diese beiden experimentellen Prüfmethoden werden in einem neuartigen kombinierten Ansatz durch ein Simulationsmodell unterstützt. Die entwickelten Testmethoden ermöglichen die Formulierung einer vierstufigen Hypothese, die die Entwicklung von Scuffing beschreibt. Dabei kommt es in Stage I zum initialen Glätten der Oberfläche, in Stage II zur Rissinitiierung, in Stage III zur Bildung von Ausbrüchen und in Stage IV zum katastrophalen Versagen des Systems. Die Implementierung eines neu entwickelten Aerosol-Schmiersystems gewährleistet eine hohe Reproduzierbarkeit der Tests und liefert konsistente, rauscharme Reibkraftdaten. Der neuartige kombinierte Ansatz identifiziert Performanceunterschiede, die mit herkömmlichen Testsystemen nicht erkennbar sind. Beispielsweise wiesen drei verschiedene Kolbenringtypen im TDC-Testsystem identische Scuffing-Stabilitätslimits auf. Die in den kombinierten Ansatz integrierte Post-Test-Simulation zeigt jedoch deutliche Performanceunterschiede zwischen den Ringen. Der wesentliche wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit liegt dementsprechend in der experimentell validierten Verknüpfung von experimenteller Prüftechnik und Simulation zur quantitativen Bewertung der tribologischen Performance von Ring-on-Liner-Kontakten.