Projektbeschreibung
Hauptziel des Projekts ist die Weiterentwicklung und Verifizierung einer Qualifizierungsstrategie von abgasbeaufschlagten, tribologisch hoch belasteten Verbrennungsmotorkomponenten hin zu einer FEM-basierten Verschleißsimulation unter dem Einsatz nachhaltiger Kraftstoffe wie Wasserstoff. Durch die Anwendung dieser Strategie soll es insb. für KMU möglich sein, kosteneffektiv Werkstoffe tribologisch zu charakterisieren, die Materialentwicklung zu vereinfachen, bereits während der Konstruktionsphase kritische Geometrieänderungen durch Verschleiß abzuschätzen und ihre Komponenten für den Betrieb mit H2 zu ertüchtigen.
Zunächst soll das Verständnis der verschleißbestimmenden tribologische Mechanismen auf den Verbrennungsmotorbetrieb mit nachhaltigen Kraftstoffen wie Wasserstoff erweitert werden. Hierbei sind geringfügig wasserstoffhaltige Abgase mit höherem Wassergehalt sowie ohne CO2 zu erwarten und sollen experimentell analysiert werden. Neben etablierten Werkstoffsystemen sollen HT-beständige Beschichtungen charakterisiert werden, um vor dem Hintergrund eines möglichen Cr-6-Verbots die Eignung alternativer, nachhaltiger Beschichtungsverfahren zu überprüfen. Weiterhin sollen FE-basierte Verschleißsimulationen entwickelt werden, die einen quantitativen Vergleich der Materialverhalten ermöglichen und die Qualifizierungstrategie vervollständigen. Mit diesen Simulationen können individuelle, konstruktionsbedingte Belastungsszenarien berücksichtigt und somit aufwendige Komponententests ersetzt werden. Weiterhin soll es den Industriepartern durch eine Online-Verschleißdatenbank ermöglicht werden, ohne eigenständige tribologische Versuche, nur auf Basis der Projektergebnisse eigene Simulationen auf zu bauen und durchzuführen. Somit werden sowohl die werkstofftechnischen Erkenntnisse als auch die Methoden für die Industistriepartner nutzbar gemacht und eine gezielte Optimierung der Tribosysteme ermöglicht, sowie deren Eignung für den Wasserstoffbetrieb überprüft.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM
Gemeinsam mit dem PA wird zunächst das Zielsystem in Bezug auf neue Kraftstoffe analysiert. Darauf aufbauend werden am IWM drei ausgewählte Materialpaarungen in befeuchteten Gasatmosphären, wie sie für den Betrieb mit Wasserstoff typisch sind, systematisch tribologisch charakterisiert. Die bereits vorhandenen tribologischen Prüfmethoden des IWM werden dazu an die definierten Randbedingungen wie höhere Wassergehalte weiterentwickelt und adaptiert. Gleichzeitig sollen die Wirkmechanismen von Verschleißpartikeln mit speziellen Experimenten ermittelt und eindeutig bewiesen werden.
Nachdem durch die Zusammenarbeit mit dem KIT und die tiefgehende Analyse der tribologischen Mechanismen, das Verständnis der maßgeblichen Verschleißprozesse geschärft wurde, werden im Anschluss unterschiedliche hochtemperaturbeständige Beschichtungen als Alternativen zur Hartverchromung getestet und bewertet.
Die Fülle an experimentellen Ergebnissen und Erkenntnissen werden im weiteren Verlauf des Forschungsprojekts als Grundlage für eine FEM-basierte Verschleißsimulation am IWM genutzt. Deren Simulationsergebnisse werden abschließend durch einen Vergleich mit Komponentenprüfungen bei den Industriepartnern validiert und bewertet.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM