| Applied Nano Surfaces, Erkrath in Nordrhein-Westfalen, November 2020
In einem aktuellen Whitepaper vom September 2020 hat sich eine internationale Gruppe führender Wissenschaftler des renommierten Steinbeis-Transferzentrums Tribologie in Karlsruhe, der Universität Sao Paulo in Brasilien, der Polytechnischen Universität Rzeszow in Polen, der OptoSurf GmbH und der Applied Nano Surfaces Schweden (ANS) zusammengeschlossen, um verschiedene Aspekte der tribologischen Optimierung der Power Zylinder Unit (PCU) in heavy-duty Dieselmotoren zu untersuchen. Dr. Boris Zhmud CTO von ANS und Projektleiter: „Ich bin wirklich stolz darauf, Teil eines so fantastischen Teams zu sein. Dank der multidisziplinären Fähigkeiten in der Gruppe, die Technik, Schmierstoffe, Oberflächencharakterisierung und Tribologie abdeckt, ist es uns gelungen, den kompletten Systemansatz zur Optimierung der PCU-Tribologie auf völlig neue Höhen zu heben.“ Das Ziel der Studie war es, die Rolle von Oberflächenspezifikationen, Kolbenringen und Schmiermittel in der Kolben-/Bohrungstribologie zu verstehen. Die Ingenieure betrachten dabei unterschiedlichste Parameter für einen langen und wirtschaftlichen Lebenszyklus der Motoren: Sie berücksichtigen Einfahrdynamiken, innere Reibung, Verschleiß und die Brennraumabdichtung. Die Studie untersuchte die Möglichkeit, Schmiermitteleigenschaften mit den Oberflächeneigenschaften der Zylinderbohrung zu kombinieren, um Kraftstoffeinsparungen zu maximieren, ohne dabei die Lebensdauer der Motoren zu beeinträchtigen. Besondere Aufmerksamkeit wird dem von ANS entwickelten mechanochemischen Oberflächenveredelungsverfahren, der Tribokonditionierung, gewidmet. Das Ergebnis vorweg: Das Tribokonditionieren führt zu einer deutlich tiefer gehenden Veränderung der Randschicht im Vergleich zu einem einfachen Einfahren im Betrieb. Das wiederum spart Kraftstoff und verringert den Verschleiß und wirkt sich so zuträglich auf den Lebenszyklus der Motorenkomponenten aus. Bonuspunkte für die Tribokonditionierung gab es vor allem dann, wenn niedrigviskose Motorenöle zum Einsatz kamen, denn diese sorgten für einen zusätzlichen Schub bei der Energieeffizienz, sprich Kraftstoffsparsamkeit und damit Umweltverträglichkeit, des Motors. Auf die Unterschiede kommt es an: kompletter Systemansatz ist Pflicht
Die Gruppe der Forschenden fand wenig Überraschendes heraus: Was für einen schnelllaufenden Kurzhubmotor optimal ist, gilt noch lange nicht für einen eher langsam drehenden Langhubmotor. Bei hochdrehenden Dieselmotoren gehen 50 Prozent der Reibungsverluste im Motor auf die Power Cylinder Unit (PCU), also die Kolben-Zylinder-Einheit. Experimentelle Untersuchungen zeigen nun, dass mehr als zwei Drittel dieser Reibungsverluste von den Ölkontrollringen herrühren. Hingegen sind bei sehr hoher Last und einer eher niedrigen Drehzahl, wie sie für LKW-Motoren typisch sind, die Kompressionsringe verantwortlich für die Leistungsverluste. Moderne Strategien zur Verringerung der Reibung zwischen Kolbenringbaugruppe und Zylinderbohrung basieren also einerseits in der Verringerung der Spannung an den Ölkontrollringen, andererseits in der Verringerung der Höhe der Kompressionsringe, um die Reibung zu minimieren. Doch haben beide Optimierungsstrategien einen Malus. So kommt es entweder zu einem erhöhten Ölverbrauch und damit zu mehr Ruß im Abgas oder zu dem sogenannten Blow-by, der die Motoreneffizienz negativ beeinflusst. Forscher Boris Zhmud: „Die Lösung kann also nur in einer peniblen Feinabstimmung der Oberflächenqualität von Ölkontrollringen und Kompressionsringen liegen.“ Oberflächenbehandlung für das optimale niedrigviskose Öl
Bei LKW- Dieselmotoren handelt es sich in der Regel um Motoröl mit der Viskosität SAE 15W-40. Nach der Einführung der API FA-4-Kategorie kamen jedoch verschiedene niedrigviskose Öltypen, wie SAE 10W-30, 5W-30 und 5W-20 auf den Markt. „Eine Entwicklung hin zu niedrigviskosen Ölen ist nicht so einfach wie es scheint“, sagt Boris Zhmud von ANS. „Auch wenn eine verbesserte Kraftstoffeinsparung dafür spricht, brauchen wir eine Neudefinition der sogenannten optimalen Eigenschaften. Und das für fast jede Motorkomponente, wie PCU (Kolben-Zylinder-Einheit), Lager, Ölpumpe und so weiter. Wir brauchen also den ganzheitlichen Optimierungsansatz. Man kann nicht einfach reibungsarme Komponenten konstruieren, ohne zu wissen wie hoch Spitzenzylinderdruck, Kolbengeschwindigkeit, Ölviskosität und diverse andere Parameter sind. Der Umkehrschluss gilt übrigens ebenso. Ein energiesparendes Motoröl zu designen, ohne zu wissen, in welchem Motor es eingesetzt werden soll, geht nicht.“ Oberflächenanalyse
„Die Charakterisierung der Oberflächenrauigkeit der Zylinderlaufbuchsenbohrungen haben wir unter Verwendung gängiger ISO 4287- und ISO 25172-konformer Oberflächenmesswerkzeuge durchgeführt“, sagt Zhmud. „Über die Phasenverschiebung und die Amplitudendämpfung eines Laserstrahls konnten wir Unterschiede in der strukturellen Dichte an der Oberfläche des Materials sichtbar machen. Auch solche, die durch Verunreinigungen, Versetzungen, Risse oder Dichteschwankungen aufgrund von Kompression oder Dehnung entstehen. Das ist wichtig, weil so die Parameter der Oberflächengüte definiert werden konnten.“ Exkurs: Einfahren von Motoren
Das Einfahren eines Motors ist ein wesentliches Element der Motorentribologie. Denn während des Einfahrens richten sich reibende Teile aneinander aus. „Das ist elementar für die Aufrechterhaltung eines stabilen Schmierfilms“, erklärt Ingenieur Zhmud. „Und den brauchen wir schließlich, um dieselbe Lebensdauer bei einem signifikant geringerem Energie-, also Kraftstoffverbrauch realisieren zu können. Das Einfahren verändert das Oberflächenrauheitsprofil der Oberflächen, indem es zurückbleibende lose Partikel wegbricht und scharfe, aus der Oberfläche hervorstehende Spitzen abträgt. Erst dadurch kann ein optimaler nicht-abreißender Schmierfilm mit modernen extrem niedrigviskosen Motorölen gewährleistet werden.“ Signifikante Reduzierung der Peakhöhe durch Tribokonditionierung
Die ANS-Tribokonditionierung modifiziert das Oberflächenrauhigkeitsprofil auf die gleiche Weise wie das Einfahren des Motors: „Die Oberfläche wird plateauartiger mit einer nennenswerten Reduzierung der Spitzenhöhe“, sagt Dr. Zhmud. „Die Behandlung führt zu einer signifikanten Abnahme der Oberflächenrauheit und unter allen Schmierungsbedingungen zu einer geringeren Reibung an den Komponenten.“ Ganz ähnlich wie beim beschriebenen perfekten Einfahren des Motors. „Wir können sagen, dass die Tribokonditionierung quasi ein Einfahren des Motors schon in der Motorenfertigung ist. Und dieser Prozess hängt dann zum Glück nicht vom Anwender ab und ist vergleichsweise sicher.“ Zudem besteht ein weiterer relevanter Unterschied darin, dass konventionelles Einfahren von Dieselmotoren in der Regel 200 bis 300 Stunden dauert. „Die Tribokonditionierung ermöglicht das virtuelle Einfahren in weniger als einer Minute. Und das sogar noch mit einem besseren Ergebnis“, freut sich ANS-Tüftler Zhmud. Abgesehen von der Modifizierung des Oberflächenrauheitsprofils lässt die Tribokonditionierung einen Schmierfilm mit einem sehr niedrigviskosen Motorenöl an den Bauteilen zu. Das hilft, den Motor kraftstoffsparender zu betrieben. „In dieser Hinsicht unterscheidet sich unsere Tribokonditionierung sowohl vom konventionellen Einfahr- als auch von den fortschrittlichen Honverfahren. So erzeugt das Tribokonditionieren eine morphologisch Veränderung der Oberfläche, indem sie tiefer in die oberste Materialschicht eindringt. Wir reden von etwa zehn Mikrometern.“ Schlussfolgerungen
Ein ganzheitlicher Ansatz ist ein Muss, wenn es um die Optimierung der Kolben-Zylinderbohrungstribologie geht. Eigenschaften des Kolbenringpakets, die Oberflächengüte der Zylinderbohrung und das verwendete Motoröl sind für Leistung sowie Langlebigkeit der Motoren entscheidend. Um niedrigviskose und damit energiesparende Motorenöle konsequent in modernen Motoren verwenden zu können, bedarf es eine Überarbeitung der Oberflächenbeschaffenheit von Kolben und Bohrung. Die ANS Tribokonditionierung ermöglicht diesen Übergang zu Ölen mit extrem niedrigerer Viskosität für LKW-Motoren, um die Kraftstoffeffizienz zu maximieren, ohne die Lebensdauer der Maschinen zu beeinträchtigen.
Über ANS
Applied Nano Surfaces (ANS) bietet Lösungen zur Reibungs- und Verschleißreduzierung für die Industrie und besonders den Automotive-Sektor. Die Einzigartigkeit der ANS-Technologie ist die Optimierung aller behandelten Komponenten mithilfe einer Technologie, die sich leicht und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse implementieren lässt. Für eine geringere Reibung, eine erhöhte Verschleißfestigkeit und verbesserte Korrosionsbeständigkeit!
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Reduktion von Reibungsspitzen durch Einebnung des Oberflächenrauheitsprofil an Ölkontrollringen durch normales Einfahren.
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Änderungen im Oberflächenrauhigkeitsprofil der
Zylinderbohrung mithilfe der Tribokonditionierung.
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Mittlerer effektiver Reibmitteldruck (Friction Mean Effective Pressure, kurz FMEP) für verschiedene Behandlungen der Zylinderbohrung und Ölviskositätsgrade.
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Beitrag der Oberflächenrauheit zum FMEP für verschiedene Zylinderlaufflächenausführungen und Ölviskositätsgrade.
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Änderungen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (Brake Specific Fuel Consumption, BSFC) im Vergleich zur klassischen Kombination Neumotor ohne Einfahren mit 15W-40.
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Vergleich der relativen, mittleren Verschleißraten. Für die maximale Verschleißrate nehmen wir Neumotor ohne Einfahren mit Motoröl SAE 5W als Referenzwert.
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Fotos, Grafiken und Logo: Applied Nano Surfaces
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