25/02/2016
Door Ad Spijkers
Gasmotoren voor energieopwekking, bijvoorbeeld in WKK-installaties, hebben een hoog rendement en lage emissies. De hoge klopvastheid van de gassen maakt dankzij de hoge drukken en verbrandingstemperaturen hoge rendementen mogelijk. Minpunt is de hoge slijtagebelasting van de kleppen onder deze omstandigheden. Om de levensduur van deze onderdelen en daarmee de aantrekkelijkheid van gasmotoren – te verbeteren, werkt het Mikro Tribologie Centrum van het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg werkt samen met Märkisches Werk om de slijtagemechanismen op de klepzitting beter te begrijpen en selectief te beïnvloeden.
Op zoek naar oplossingen voor schonere energieopwekking werken de producenten van gasmotoren aan hogere verbrandingstemperaturen en gelijktijdig aan het minimaliseren van smeermiddelen om verbrandingsproducten en de uitstoot te verminderen. Dit vraagt een hogere temperatuur-, druk- en slijtvastheid van de klepstelen, omdat smeermiddelen ook verbrandingsresten zoals roet afvoeren. Er is behoefte aan materialen die aan de toegenomen eisen kunnen voldoen. Hiertoe hebben de onderzoekers van beide partijen een proefbank ontwikkeld die de belastingen tijdens bedrijf realistisch nabootst en bewaking van de slijtage mogelijk maakt. Op basis hiervan optimaliseert het team materiaalcombinaties en onderdelenontwerp.
Testbank
Op de testbank kunnen kleppen met 70 mm tot 100 mm klepzittingdiameter worden getest. In de klimaatkamer van de testbank kunnen omgevingscondities zoals temperatuur en de samenstelling van de lucht worden ingesteld voor specifieke gassen en vocht. Hierdoor kunnen de condities van de respectievelijke toepassing worden nagebootst. De nieuwe testbank kan twee soorten belastingen simuleren: enerzijds kan de klep met hoge dynamiek worden geopend en gesloten anderzijds kan bij gesloten klep een gedefinieerde verbrandingsdruk worden nagebootst. Bedrijfscondities zoals temperatuur, verbrandingsdruk, sluitsnelheid en de samenstelling van de atmosfeer zijn tijdens de nauwkeurig in te stellen experimenten. Hierdoor kunnen de onderzoekers vaststellen welke factoren de grootste invloed hebben op de slijtage van de klep.
Tijdens de proeven, die tot enkele weken kunnen duren, kan tijdens korte onderbrekingen de slijtage aan de klepzitting worden bepaald zonder deze te moeten uitbouwen. Uit de resultaten van de dynamische tests berekenen de onderzoekers de te verwachte slijtage van het onderdeel aan het einde van zijn levensduur.
De onderzoekers hebben vastgesteld dat de tribologische belasting van de klep hoofdzakelijk wordt opgevangen door de structuur van het klepmateriaal en de zittingring. Met de verkregen kennis kunnen de onderzoekers de geschiktheid van een materiaal voor nieuwe gasmotoren beoordelen, ook voor gebruik in schepen en locomotieven.