Forschung
Forschungsprojekte Oberflächentechnik

Strömungsinduzierte Korrosion und Erosion in Kühlkanälen von Verbrennungskraftmaschinen

Förderinstitution: IGF/AIF Vorhaben
Projektnummer: 20224 N
Projektbearbeiter: Artur Klink M. Sc. (FE I)
Sebastian Wegt M. Sc. (FE II)
Projektlaufzeit: 01.08.2018 – 30.04.2021

Kurzdarstellung

Die nachhaltige Reduzierung der CO2-Emissionen und die Ausnutzung von Einsparpotenzialen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs haben höchste Priorität bei der Weiterentwicklung zukünftiger Fahrzeugantriebe. Der Verbrennungsmotor als wichtigste Antriebstechnik wird mittelfristig nicht zu ersetzen sein und muss somit den gestiegenen Anforderungen nach Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit gerecht werden.

Bekannte Maßnahmen zur Effizienzsteigerung der Verbrennungsmotoren sind unter anderem Turboaufladung, Downsizing, Reibungsoptimierung oder Anpassungen im Thermomanagement, die wiederum einen direkten Einfluss auf das Kühlsystem des Fahrzeugs haben.

Die damit einhergehenden größeren Wärmestromdichten – unter anderem als Folge der Wirkungsgradsteigerung – führen wiederum zu höheren Werkstofftemperaturen, sofern diese nicht durch Anpassung des Kühlmittelflusses begrenz werden. Um Bauteilschäden durch Überhitzung zu vermeiden, muss die erhöhte Wärmemenge entsprechend durch das Kühlmittel abgeführt werden. Dies bedeutet dann zwangsläufig eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit einem zunehmenden thermisch-strömungssynamischen Beanspruchungskollektiv insgesamt. An besondersheißen Bauteiloberflächen kann es unter Umständen sogar zum unterkühlten Strömungssieden, wenn die lokalen Werkstofftemperaturen die Siedetemperatur des Kühlmittels erheblich und systemdruckspezifisch überschreiten. Die Siedeprozesse mit Dampfblasenbildung haben wiederum einen Einfluss auf die Löslichkeit und Funktion der Additive zum Korrosionsschutz der Werkstoffe.

Um die Folgen hoher thermischer Belastungen für Werkstoffe und Kühlmittel zu untersuchen, wurde im Rahmen des Vorhabens „Strömungserosion“ der Einfluss einzelner Versuchsparameter auf die Haupt- und Wechselwirkungseffekte zwischen Werkstoff und Kühlmittel unter definierten thermisch-strömungsdynamischen Beanspruchungsszenarien untersucht.

Wechselwirkungen und Werkstoffdegradation in Kühlkanälen ausgewertet an Feldbauteilen nach relevantem Betriebseinsatz, a) organische / unorganische Ablagerungen, b) Degradation/ Erosion/ Korrosion, c) Korrosion und Belagbildung
Wechselwirkungen und Werkstoffdegradation in Kühlkanälen ausgewertet an Feldbauteilen nach relevantem Betriebseinsatz, a) organische / unorganische Ablagerungen, b) Degradation/ Erosion/ Korrosion, c) Korrosion und Belagbildung

Mit dem im Projekt entwickelten Korrosionsprüfstand – dem sogenannten „Flow Dynamic Corrosion Test Bench“, kurz „FDC“ – konnte das Korrosions- und Inhibitionsverhalten unter Laborbedingungen in Abhängigkeit der gewählten Versuchsparameter und Kühlmittelzusätze an einer wärmedurchflossenen Aluminiumprobe umfänglich und erfolgreich untersucht werden. Es gelang ferner, mögliche begrenzende thermische Einsatzbedingungen für Kühlmittel bzw. des zu schützenden Werkstoffes zu erhalten. Darüber hinaus erfolgte eine Validierung der Ergebnisse und die daraus abgeleitete und systemrelevante Prüfmethodenempfehlung. Das wesentliche Ziel die Schaffung eines umfassenden Verständnisses über die Degradationsvorgänge und ein valider Erkenntnistransfer in industrielle Anwendungen wurde insgesamt betrachtet erfolgreich umgesetzt.

Neuentwicklungen; a) Schematische Darstellung: Aufbau der strömungsdynamischen Korrosionsapparatur (FDC); b) Entwickelte Proben mit Ø_außen=70 mm, Ø_innen=62 mm und Ø_Kanal=3,5 mm; Straight Pipe Flow (links), Komplexkanalgeometrie (rechts); c) Modifizierter Probenhalter
Neuentwicklungen; a) Schematische Darstellung: Aufbau der strömungsdynamischen Korrosionsapparatur (FDC); b) Entwickelte Proben mit Ø_außen=70 mm, Ø_innen=62 mm und Ø_Kanal=3,5 mm; Straight Pipe Flow (links), Komplexkanalgeometrie (rechts); c) Modifizierter Probenhalter

Beteiligte Forschungseinrichtungen

Forschungseinrichtung I:

Technische Universität Darmstadt

Zentrum für Konstruktionswerkstoffe
Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt
Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Forschungsstelle II:

Technische Universität Darmstadt

Institut für Strömungslehre und Aerodynamik

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Jeanette Hussong

Weitere Informationen und Unterlagen

Der Abschlussbericht zum Projekt „Strömungsinduzierte Korrosion und Erosion in Kühlkanälen von Verbrennungskraftmaschinen“ (Strömungserosion) ist bei der FVV e.V. erhältlich (Abschlussbericht).

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben 20224 N der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV) wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) im Rahmen des Programmes zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Den vorgenannten Einrichtungen sei für die Betreuung und Förderung an dieser Stelle sehr herzlich gedankt.