Angesichts der Energieeffizienz, die uns alternative Antriebssysteme einmal bescheren sollen, gelten Verbesserungen, herbeigeführt mit den Mitteln des klassischen Maschinenbaus, fast schon als obsolet. Die MTZ horchte nach, ob sich weitere Anstrengungen in der Tribologie überhaupt noch lohnen.

“Detailoptimierung mit großer Wirkung”
Der Reibleistungsreduktion an Motoren kommt auch heute neben der Weiterentwicklung des Brennverfahrens, des Ladungswechsels und dem Einsatz neuer Technologien wie Direkteinpritzung, Aufladung oder Hybridisierung eine besondere Bedeutung zu. Im NEFZ-Bereich liegt der Reibleistungsanteil bei rund 20 bis 25 Prozent des Gesamtenergiebedarfs des Motors.
Die Ansatzpunkte zur Reduzierung der Reibleistung können in drei Kategorien eingeteilt werden. Erstens in die konstruktive Auslegung des Grundmotorkonzepts: Generelle Stoßrichtung hierbei ist das Downsizing, also Aggregate mit geringerem Hubraum und kleinerer Zylinderzahl bei gleicher Performance. Damit kann der mechanische Gesamtwirkungsgrad verbessert werden. Darüber hinaus wird in der Konzeptphase durch Festlegung des Hub/Bohrungs- und Schubstangenverhältnisses, der Triebwerksschränkung und einer lastangepassten Geometrieauslegung die Grundlage für eine verlustleistungsoptimierte Grundmotorenausführung entscheidend beeinflusst. Der Einsatz von Rollen- und Nadellagern statt bisheriger Gleitlager, heute bereits bei Ausgleichswellen ausgeführt, bietet weitere Möglichkeiten einer Reibleistungsreduzierung. Den zweiten Aspekt stellt die Optimierung der Tribologie dar: Der größte Anteil mit rund 40 Prozent der Reibleistung im NEFZ bildet hierbei die Kolben-Laufbahngruppe. Die Ansätze zur Verbesserung der Tribologie bilden hier- bei weiterentwickelte Honverfahren der Zylinderbohrungen, insbesondere in Verbindung mit Laufbahnbeschichtungen wie dem Lichtbogen-Drahtspritzen (LDS) sowie die Beschichtung von Kolbenringen und Kolbenbolzen. Neben der Zielsetzung einer Reibleistungsoptimierung ist hierbei ebenso die Einhaltung niedriger Blow by- und Ölverbrauchswerte unter Berücksichtigung eines robusten Betriebsverhaltens bei Verwendung weltweiter Kraftstoffqualitäten von Bedeutung. Ein dritter Schwerpunkt ist schließlich die Reduzierung der Antriebsleistungen der Nebenaggregate sowie deren betriebspunkt- und bedarfsgerechter Regelung. Neben diesen Detailoptimierungen können weiterentwickelte Leichtlauföle zusätzliche Potenziale erschließen.
(Autor: Peter Lückert, Leiter Entwicklung Pkw-Ottomotoren, Daimler AG)

“Manchmal froh über hohe Kaltreibung”
Mit Start-Stopp-Systemen und Hybridisierung könnte der Eindruck entstehen, dass die Kennfeldbereiche des Verbrennungsmotors, in denen der schlechte mechanische Wirkungsgrad einen besseren Verbrauch verhindert, kaum noch relevant sind, da ein verbrennungsmotorischer Betrieb dort weitgehend vermieden werden kann. Dies trifft aber nicht auf den Kaltstart des Motors zu. Bei nicht-hybridisierten Antrieben ist man teilweise recht froh über eine hohe Kaltreibung bis zum Kat-Light-Off ob der höheren Abgasenthalpien. Beim Hybrid hingegen kann dies durch Ladebetrieb intelligenter geschehen, so dass Reibungsminimierung in Verbrauchsreduktion umgesetzt wird. Man sieht, die Zusammenhänge sind komplex und kaum verallgemeinerbar, da stark von der Konfiguration abhängig. Ein sehr bedeutender Hybridhersteller zeigt stolz eine Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrads um mehr als 25 Prozent, und dies ist ein wichtiger Teil des Gesamtpakets “Verbrauchsreduktion”. Heute und noch mehr in der Zukunft wird es immer schwieriger, Einzelmaßnahmen richtig zu interpretieren, sind sie doch Teil einer “Gesamtsystemoptimierung”, und dies erfordert Ingenieure mit “Systemkompetenz”. An deren Ausbildung arbeiten wir.
(Autor: Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Leiter Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart)

“Mechanische Maßnahmen oft günstiger als Verbrennungsoptimierung”
Studien zeigen, dass durch Absenkung der Reibungsverluste, insbesondere im zyklusrelevanten Teillastbetrieb, Kraftstoff- und Emissionsreduktionen von über zehn Prozent erreichbar sind. Die Wirkung ist umso bedeutender, je effizienter das Brennverfahren ist. Konventionelle Maßnahmen zielen zumeist auf eine individuelle und bedarfsgerechte Auslegung des Motordesigns auf die jeweilige Motorbelastung. Hierzu zählen beispielweise die Optimierung der Lagerdimensionen, der Kolbenringtangentialkräfte sowie des Schmier- und Kühlsystems, reibungsarme Zylinderhonstrukturen oder auch Beschichtungen in den Bereichen Zylinderlauffläche und Nockenkontakte. Modernes Thermomanagement oder ein unkonventionell wälzgelagerter Kurbeltrieb erschließen weitere Einsparpotenziale. Für die Durchsetzung im Entwicklungsprozess sind diese vielen kleinen Detailverbesserungen in Paketen zu bündeln. Ihre Durchsetzung ist sehr attraktiv, da Kosten-Nutzen-Analysen im Vergleich zur Verbrennungsoptimierung vielfach zu Gunsten der mechanischen Maßnahmen ausfallen.
(Autor: Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Geschäftsführender Gesellschafter, FEV Motorentechnik GmbH)

“Minimieren von parasitären Verlusten”
Die weitere Verbesserung des Wirkungsgrads unserer Antriebssysteme ist in vollem Gang und führt uns zu optimierten Verbrennungssystemen, aufgeladenen und im Hubraum verkleinerten Verbennungsmotoren, deutlich verbesserten Kennungswandlern und zur Elektrifizierung. Allen diesen Entwicklungen ist eines gemeinsam: Die Verringerung der parasitären Verluste steht ganz oben in den Lastenheften. Neben der Reibung relativ zueinander bewegter Teile müssen die Ventilationsverluste und die Antriebsarbeit für Hilfs- und Nebenaggregate optimiert werden. Grundlage ist die Detailoptimierung der Konstruktionen hinsichtlich minimaler Verzüge und unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen. Beschichtungen der funktionalen Oberflächen, Wälzlagerung und die bedarfsgerechte Steuerung der Hilfsaggregate erschliessen weitere Potenziale. Zur Senkung der Verluste im Schmierkreislauf sind Thermomanagementsysteme zielführend, die die Öltemperatur betriebsabhängig anpassen und die Aufwärmung steuern. Der Wämeaustausch zwischen den Komponenten des Antriebsstrangs und mit der Abwärme der Verbrennungsmotoren kann hier noch verbessert werden. Das Wärmestrommanagement muss für das Gesamtfahrzeugsystem betrachtet werden und ist vergleichbar mit dem Handeln eines Brokers an der Börse: Ständig ist zu entscheiden, wo Wärme “gekauft” und “verkauft” wird. Die Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge verdoppelt die Bedeutung der Reduzierung von parasitären Verlusten, da sie sich nicht nur beim Antrieb des Fahrzeugs, sondern auch bei der Rekuperation von kinetischer Energie auswirken. Es bleibt also weiterhin sinnvoll, unsere Ingenieurarbeit auf die Verringerung der Energiedissipation durch Reibung zu richten.
(Autor: Prof. Dr. Uwe-Dieter Grebe, Executive Director – Global Powertrain Advanced Engineering, General Motors LLC)

“Erhebliches Potenzial”
Mahle arbeitet nach wie vor mit hohem Engagement an einer weiteren Reibungsoptimierung, denn Mobilität braucht auch in den nächsten Jahrzehnten hocheffiziente Verbrennungsmotoren. Erhebliches Potenzial steckt in einer Optimierung des Zusammenspiels von Kolben, Kolbenringen, Zylinderlaufbahn, Kolbenbolzen und Pleuel, aber auch im Ventiltrieb. Dort bietet zum Beispiel die Wälzlagerung der Nockenwellen deutliche Vorteile. Kolbenringe tragen mittels weiter reduzierter Tangentialspannungen sowie Geometrie- und Beschichtungsoptimierungen zur Reibungsreduzierung bei. Beim Kolben selbst arbeitet Mahle in verschiedenen Richtungen. Zum einen an der Optimierung von Aluminiumkolben, zum anderen am Pkw-Einsatz von Stahlkolben, bei denen sich aufgrund geringerer Überdeckung ein Verbrauchspotenzial von bis zu zwei Prozent nachweisen lässt. In einer Tear-Down-Analyse konnten wir durch Optimierung mechanischer Einzelkomponenten ein gesamtes Reibleistungspotenzial von bis zu 22 Prozent nachweisen. Nicht nur rein mechanische Optimierungen lohnen sich: Eine variable Ventilsteuerung reduziert die Ladungswechselarbeit, bedarfsgerecht angetriebene Nebenaggregate wie Öl- und Wasserpumpen weitere Verluste. Diese Potenziale müssen neben weiteren Maßnahmen wie Downsizing, Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung rasch ausgeschöpft werden, um die CO2-Ziele der Zukunft sicher zu erreichen.
(Autor: Prof. Dr.-Ing. Heinz K. Junker, Vorsitzender der Geschäftsführung, Mahle GmbH)

“Reibungsoptimierung ist wichtiger denn je”
Die Reduzierung der innermotorischen Reibung ist in der Motorenentwicklung nach wie vor ein zentrales Thema. Nachdem die “Low hanging fruits” in der Motorentechnik weitestgehend ausgeschöpft sind, geht es jetzt und in Zukunft darum, durch eine Vielzahl gezielter Detailmaßnahmen die weitere Optimierung der Emissions- und Verbrauchswerte im Rahmen der von den internationalen Gesetzgebungen vorgeschriebenen Korridore zu erfüllen. Da ein bedeutender Anteil der mechanischen Reibungsverluste im Verbrennungsmotor durch die Reibung zwischen Kolbensystem und Zylinderlauffläche entsteht, stellt die Optimierung dieser Verluste einen Lösungsansatz mit hohem Potenzial dar, der von uns intensiv verfolgt wird. Die Forschung und Technologie der Kolbenschmidt Pierburg Gruppe betreibt hierzu seit kurzem sogar einen aufwändigen, in Aufbau und Leistungsfähigkeit europaweit einzigartigen Reibleistungsprüfstand, der es ermöglicht, Reibungsverluste innerhalb des Kolbensystems exakt zu messen und damit weitere Potenziale zur Reibungsreduzierung zu erschließen. So können erstmals genaue Aussagen über die Reibung zwischen Kolben, Kolbenringen und Zylinderlaufflächen getroffen werden. Ein Ansatz, der bei unseren Kunden auf großes Interesse gestoßen ist.
(Autor: Dr. Hans-Joachim Esch, Generalbevollmächtigter Forschung und Technologie, Kolbenschmidt Pierburg AG)

“Es hat viel Sinn”
Die Zeichen der Zeit stehen unter dem Eindruck von Klimawandel und CO2-Reduzierung. Es ist viel von Elektrifizierung und Formen der Energiespeicherung die Rede. Wir sollten uns aber immer bewusst sein, dass spätestens am Ende der Umsetzungskette, aber auch in vielen Fällen in den Zwischenstufen, die mechanische Bewegung die bedeutende Rolle spielt. Damit wird klar, dass für einen wesentlichen Teil der Effizienz der Energieumsetzung die Verminderung der Reibungsverluste eine entscheidende Rolle spielt. Für Systeme mit spürbar begrenzter Energiespeicherung, als solches erleben wir ja derzeit noch das Elektrofahrzeug, sind Reibungsmaßnahmen unmittelbar kundenwirksam. Wir werden ja noch lange mit dem verbrennungsmotorisch beeinflussten Antriebssträngen leben, in welcher Konfiguration auch immer. Die Fortschritte in diesem Bereich zum Thema Wirkungsgradsteigerung sind enorm und Weiteres wird folgen. Downsizing, Downspeeding, Achtgang-Automatgetriebe beim Personenwagen, Doppelkupplungsgetriebe, Energierückgewinnung, neue Betriebsstrategien sind eine Auswahl der aktuellen Titel. Die Reduzierung der Reibungsverluste in den betroffenen Systemen unter Beibehaltung der Lebensdauer ist eine zentrale Aufgabe mit steigender Bedeutung. Das betrifft die geometrische Auslegung, die Entwicklung der Werkstoffe und der passenden Schmierstoffe. Die hohe Bedeutung der CO2-Reduzierung erlaubt größere Spielräume für die Umsetzung auch von unkonventionellen Lösungen als in der Vergangenheit. Lösen wir diese Aufgaben mit der Kreativität des Ingenieurs. Es hat viel Sinn.
(Autor: Prof. Dr. Burkhard Göschel, CTO Vehicles & Powertrain Group, Magna International)

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Der Beitrag wurde am Freitag, den 4. Juni 2010 um 13:34 Uhr von ATZblog veröffentlicht und wurde unter CO2, Dieselmotor, Downsizing, Elektronik, Emissionen, Forum der Meinungen, Fremdbeitrag abgelegt. Du kannst die Kommentare zu diesen Eintrag durch den RSS 2.0 Feed verfolgen. Du kannst einen Kommentar schreiben, oder einen Trackback auf deiner Seite einrichten.