NVH & Friction - Virtual Vehicle

Reibungsreduktion für effizientere
Motoren
Bei der Entwicklung verbrauchsarmer Motoren kann die Reduktion mechanischer Reibungsverluste zu
bedeutenden Einsparungen beim Verbrauch beitragen. Dazu werden am VIRTUAL VEHICLE sämtliche
wichtige Reibungsquellen im Motor mittels hochqualitativer Modelle untersucht und Maßnahmen zu deren
Reduktion erarbeitet.
Reibung in Motoren
Die Reibungsreduktion stellt neben Leichtbau
zur Gewichtsreduktion und der Verschiebung
des thermodynamischen Lastpunkts (Downsizing)
eine effektive Maßnahme zur Verbrauchsoptimierung
bei Motoren dar.
Die Hauptverursacher von mechanischer Reibung
in Motoren sind die Kolbengruppe, die
Gleitlager im Kurbeltrieb, sowie der Ventiltrieb.
Da beim Ventiltrieb die Reibung gering und
eher in Hinsicht auf die Betriebssicherheit interessant
ist, konzentrieren sich Maßnahmen zur
Reibungsreduktion auf die wesentlichen beiden
Quellen, Kolbengruppe und Gleitlager.
Eine typische Aufteilung der Verluste dieser
beiden Quellen zeigt Abbildung 1. Wie anhand
dieser Darstellung zu erkennen ist, verursacht
Reibung in hochbelasteten Gleitlagern
24 magazine Nr. 13, I-2013
die Kolbengruppe etwa 60% der Gesamtverluste
im Motor. Bemerkenswert an Abbildung
1 ist auch, dass die Gleitlager, bestehend aus
i.a. fünf Hauptlagern und vier großen Pleuellagern,
mehr als 30% der Verluste verursachen.
Einfach umzusetzende Maßnahmen zur Reibungsreduktion
sollen anhand dieser Lager
dargestellt werden.
Realistische Reibungsberechnung
Um Reibungsverluste zu berechnen, wird ein
leistungsstarkes Simulationsmodell benötigt.
Zuverlässige und genaue Reibungsberechnung
ist ein komplexes Problem, da sich relevante
Prozesse auf mehreren Größenskalen abspielen.
Es müssen einerseits große Bauteile wie
Pleuel und Kurbelwelle mit deren dynamischen
Eigenschaften ebenso berücksichtigt werden
wie der nur wenige Mikrometer (1/10000-tel
Zentimeter) dünne Schmierfilm, der lokal stark
unterschiedliche Temperaturen aufweist (siehe
Abbildung 2).
Das am VIRTUAL VEHICLE entwickelte Simulationsmodell
(siehe Seite 19) berücksichtigt
alle relevanten Prozesse und Einflussgrößen
und kommt dabei ohne anzupassende Parameter
aus, d.h. kein Parameterfitting. Das Simulationsmodell
kann aufgrund der Vorhersagekraft
auch zur Lagerauslegung verwendet werden.
Die Genauigkeit des entwickelten Modells
konnte mittels umfangreichen Prüfprogrammen
auf einer Gleitlager-Prüfmaschine validiert werden
(die Validierung wurde u.a. präsentiert in
[1,2,3]).
Reibungsreduktion beim Dieselmotor
Um das konkrete Einsparpotential aufzeigen zu
können, wird im Folgenden ein moderner 130
kW 4 Zylinder Dieselmotor betrachtet. Dieser
gehört zu den modernsten PKW-Motoren mit
einem hohen Spitzenverbrennungsdruck von
etwa 200 bar. Wegen ihrer hohen Verbrennungsspitzendrücke
beanspruchen Dieselmotoren
die Gleitlager sehr stark, was eine
besondere Herausforderung bei der Reibungsreduktion
darstellt.
Die Ergebnisse verschiedener Maßnahmen
auf die Reibungsverluste in den Gleitlagern
werden im Folgenden diskutiert. In Abbildung
3 sind dazu die Reibungsverluste für drei verschiedene
Lagerbreiten (16, 18, 21 mm), sowie
für verschiedene Schmierstoffe (10W40, 0W30,
0W20) bei betriebswarmem Motor (100 °C) und
für Kurzstreckenbetrieb (40 °C) dargestellt.
Dabei stellt die Kombination aus 18 mm breiten
Lagern und Schmierung mittels 10W40 die
Ausgangssituation dar.
Wie aus den Ergebnissen zu entnehmen ist,
wirkt sich die Motortemperatur am stärksten auf
die Reibungsverluste aus. Dementsprechend
ist es wichtig, den Motor schnell auf Betrieb-