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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-
stemperatur zu bringen. Diesem Einfluss wird üblicherweise mittels reduziertem Öl-Volumen im Motor und entsprechendem Thermomanagement begegnet. Eine weit verbreitete Maßnahme, die Reibung im Lager zu reduzieren, ist die Wahl eines möglichst schmalen Lagers, auch wenn dies evtl. höhere Kosten bedeutet. Wie aber aus Abb. 3 zu entnehmen ist, hat die Lagerbreite bestenfalls bei hochviskosem 10W40 einen nennenswerten Einfluss auf die Reibung im Lager. Betrachtet man hingegen die Unterschiede zwischen den verschiedenen Viskositätsklassen, wird klar, dass für reibungsarme Schmierung der Gleitlager ein möglichst niedrigviskoses Öl zur Verwendung kommen muss. Diese Öle verfügen aber über eine nachteilige verminderte Tragfähigkeit, weshalb deren Einsatz nicht ohne Sicherstellung der Betriebsfestigkeit des Lagers erfolgen kann. Erhalt der Betriebsfestigkeit Zur Wiederherstellung der Tragfähigkeit des Lagers kann nun die zuerst beobachtete geringe Auswirkung der Lagerbreite auf die Reibung ausgenutzt werden. Statt wie üblich die Lagerbreite zu reduzieren, wird durch Verwendung eines breiteren Lagers gezielt dessen Tragfähigkeit wiederhergestellt. Fazit Kolbengruppe Dichtringe Hauptlager Pleuellager Die Kombination aus niedrigviskosem 0W20 Öl und breiterem 21 mm Lager zeigt nun dieselbe Tragfähigkeit wie die Ausgangskonfiguration, weist aber um bis zu 30% reduzierte Reibungsverluste auf. Abbildung 1: typische Verlustaufteilung in modernen Motoren Alternativ möglich, wenn auch konstruktiv aufwendiger, wäre die Vergrößerung des Gleitlagerdurchmessers. Der dazu notwendige größere Zapfendurchmesser bietet wegen der höheren Steifigkeit der Kurbelwelle auch Vorteile bei den <strong>NVH</strong>-Eigenschaften. Weitergehende Maßnahmen zur Reibungsreduktion, wie eine bedarfsorientierte Öl-Versorgung, können ebenfalls deutliche Einsparungen erzielen und mit der vorgestellten Methode untersucht werden. Schlussendlich ist es wichtig zu betonen, dass die Wahl des optimalen Schmierstoffs den gesamten Motor betrifft und die Kolbengruppe teilweise konkurrierende Anforderungen an den Schmierstoff stellt. In diesem Sinne kann die reibungsminimierende Wahl des Schmierstoffs nur bei Betrachtung des Gesamtsystems erfolgen. ■ Abbildung 2: typische Temperaturverteilung im Schmierfilm und in der umgebenden Lagerstruktur Abbildung 3: Reibungsoptimierung durch Wahl der geeigneten Schmiermittelviskosität und Lagerbreite, für kalten Motor (40 °C), sowie für betriebswarmen Motor (100 °C) Literatur: [1] C. Priestner, H. Allmaier, F.M. Reich, C. Forstner, F. Novotny-Farkas, MTZ 04/2012, S. 310ff [2] H. Allmaier, C. Priestner, C. Six, H.H. Priebsch, C. Forstner, F. Novotny-Farkas, Tribology International 44 (2011), S. 1151ff [3] H. Allmaier, C. Priestner, F.M. Reich, H.H. Priebsch, C. Forstner, F. Novotny-Farkas, Tribology International 48 (2012), S. 93ff Zum Autor Dr. Hannes Allmaier ist Lead Researcher im Fachbereich Reibung und Tribologie am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 13, I-2013 25
Seite 1 und 2: magazine Nr. 13, I-2013 Themenschwe
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