Untersuchung der Reibungsverluste in unterschiedlichen automobilen Motorenkonzepten

Im Rahmen des beantragten Projekts soll sowohl die mechanische Effizienz als auch die Anforderungen an den Schmierstoff von verschiedenen Verbrennungsmotorenkonzepten aus dem Automobilbereich mittels einer Kombination von Messung und Simulation untersucht werden. Dazu ist ein detailliertes Meßprogramm geplant, das sowohl konventionelle Benzin- und Diesel- Motoren umfasst, als auch Motoren aus modernen Downsizing Konzepten bzw. Konzepten mit Zylinderabschaltung, die ihrerseits neue Anforderungen an die Schmierung stellen. Diese Daten bilden die Basis zur Untersuchung der Reibungsverluste dieser Motorenkonzepte in Relation zur ihrer nominellen Leistung. Damit wird ein Einblick möglich in die unterschiedlichen mechanischen Wirkungsgrade von Motorenkonzepten, die den Stand der gegenwärtigen Technik zur Verbrauchsminimierung repräsentieren (Downsizing bzw. Zylinderabschaltung) im Vergleich zu konventionellen Motoren. Zusätzlich soll die Möglichkeit zur Reibungsreduktion mittels experimenteller, ultra-niedrigviskoser Schmierstoffe auf Polyglykol-Basis untersucht werden. Im Folgenden soll auf Basis dieser Messdaten die Leistungsfähigkeit des aktuellen Stands der Simulationsmethodik zur Berechnung der Reibungsverluste für die Baugruppen Kolbengruppe (Kolbenringe und -hemd) und Kurbeltriebsgleitlager sowohl in direktem Vergleich zu den Messdaten untersucht werden. Damit wird auch ein besseres Verständnis für die spezifischen Anforderungen dieser bedeutenden Baugruppen auf die rheologischen Eigenschaften des Schmierstoffs (dynamische Viskosität und Scherratenabhängigkeit, also HTHS-Viskosität) ermöglicht. Da Verbrennungsmotoren einen gemeinsamen Schmierstoff für alle diese Baugruppen verwenden, erlaubt es das bessere Verständnis der individuellen Anforderungen der Baugruppen einen optimalen Kompromiss für die Schmierstoffeigenschaften zu erarbeiten. Ein weiterer interessanter Aspekt hierfür ist die geplante Untersuchung eines experimentellen, ultra-niedrigviskosen Schmierstoffs, der deutlich scherstabiler ist und somit das Potential für eine weitere Reibungsreduktion durch Wahl einer niedrigeren Viskosität in Aussicht stellt. Die dazu verwendete Simulationsmethodik umfasst dabei detaillierte elastohydrodynamische und thermoelastohydrodynamische Methoden, sowie mehrere Kontaktmodellen unterschiedlicher Komplexität zur Beschreibung des Metall-Metall Kontakts bei auftretender Mischreibung. Zusätzlich sollen methodische Fragen wie der Einfluss thermoelastischer Deformationen und die Berücksichtigung von Oberflächenbearbeitungen (konkret Honverfahren) untersucht werden. Obwohl eine Vielzahl an leistungsstarken Simulationsmethoden zur Verfügung stehen, um die tribologischen Eigenschaften dieser Baugruppen zu untersuchen, ist es gegenwärtig nicht klar, in welchem Ausmaß diese die tribologischen Bedingungen ausreichend beschreiben, um die Reibungsverluste in diesen Baugruppen genau und zuverlässig zu berechnen. Mit dem geplanten Projekt soll diese Frage im direkten Vergleich zu Messdaten für sehr unterschiedliche Motorenkonzepte mit sehr spezifischen Anforderungen an die Schmierung untersucht werden.

Untersuchung der Reibungsverluste in unterschiedlichen automobilen Motorenkonzepten Die Reibungsreduktion bei Motoren war immer schon im Fokus der Automobilhersteller, um den Treibstoffverbrauch ihrer Fahrzeuge möglichst zu reduzieren. Allerdings ist die genaue Messung und Analyse der Motorreibung nicht ganz so einfach wie es erscheinen mag und seit langer Zeit werden daher in der Automobilindustrie Methoden mit bedeutenden Einschränkungen verwendet. In diesem Projekt wurde nun eine neue Methode, der sogenannte virtuelle Strip-down, eingeführt und zum ersten Mal an drei Motoren angewandt. Die virtuelle Strip-down Methode hat zahlreiche Vorteile, v.a. ist es mit ihr möglich sozusagen in den Motor hineinzusehen und zu bestimmen wo die Reibung entsteht. Das ist ein wichtiger Vorteil, denn nicht alle Reibungsverluste haben die gleichen Auswirkungen. Während die sogenannte hydrodynamische Reibung "nur" den Treibstoffverbrauch erhöht, kann die Mischreibung auch schädlichen Verschleiß von Komponenten bewirken. Daher ist es wichtig nicht nur zu wissen, wieviel Reibung ein Motor bzw. dessen Komponenten hat, sondern möglichst zu verstehen, welche dieser Reibungsarten dabei vorherrscht. Die vorgestellte virtuelle Strip-down Methode kann auch dabei helfen, wie gezeigt werden konnte. Neben der Einführung dieser neuen Reibungsanalysemethode was es auch das Ziel dieses Projekts ein besseres Verständnis zu gewinnen, wie die Motorreibung vom jeweiligen Motorkonzept beeinflusst wird. Der Begriff Motorkonzept heißt in diesem Zusammenhang, dass konventionelle Benzinmotoren (mit niedriges Leistungsdichte), sowie downsizing Benzinmotoren (mit hoher Leistungsdichte, wie zB bei Turbo-aufgeladenen Motoren) und moderne Diesel-Motoren sehr unterschiedlich in ihrer Auslegung sind und ihre jeweiligen Komponenten mechanisch sehr unterschiedlich belasten. Dies hat Auswirkungen auf die jeweilige Reibung des jeweiligen Motorkonzepts und beeinflusst damit die mechanische Effizienz des Antriebsstrangs. Um diese Einflüsse zu bestimmen und besser zu verstehen, wurde diese neue Reibungsanalysemethode auf drei sehr unterschiedliche Motoren angewandt (konventionelle Benzinmotor, downsizing Benzinmotor und moderner Diesel-Motor). Viele interessante und neue Ergebnisse konnten in dem Projekt erarbeitet werden, die zur Veröffentlichung von etwa 13 Artikeln in internationalen Journalen geführt haben. Wo immer es möglich war, wurden diese Artikel in sogenannten Open Access Journalen veröffentlicht, d.h. die Artikel sind für alle frei zugänglich. Das Projekt bzw. dessen Ergebnisse fanden auch international Beachtung und der Projektleiter wurde eingeladen, um als internationaler Keynote-Vortragender die Eröffnungspräsentation auf einem Japanischen Automobiltribologie-Symposium zu halten.