Reibverluste an der Kolbengruppe: Potentiale und Risiken von niedrigviskosen Motorölen sowie ta-C-Beschichtungen

Reibungsvorgänge verursachen in Verbrennungsmotoren erhebliche Verluste, dabei gilt die Kolbengruppe als größter Verursacher. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen am Kontakt der Kolbengruppe zur Zylinderlaufbahn zum Zweck der Reibverlustcharakterisierung durchgeführt. Hierzu erfolgten Versuche unter realitätsnahen Bedingungen an einem befeuerten Otto-Einzylindermotor nach dem IIMEP-Reibmessverfahren zum Einfluss der Motorölviskosität, Motoröladditivierung sowie Kolbenring- und Kolbendhemdbeschichtung. Eine Bewertung der Versuchsvarianten erfolgte anhand kurbelwinkelaufgelöster Reibkraftverläufe sowie daraus abgeleiteter Reibkennwerte, zusätzlich wurde das Potential für den Betriebsbereich im WLTC abgeschätzt. In Ergänzung dazu wurde ein gekoppeltes MKS-FEM-Modell zur Reibungssimulation am Kontakt Kolben-/Kolbenring-/Zylinderlaufbahn entwickelt, welches durch Abbildung der Reibzustände vertiefende Details zur Bewertung der Prüfstandsläufe lieferte und im Experiment nicht darstellbare Einflüsse bewertbar machte. Demnach haben die Kolbenringe dominierenden Einfluss auf das Reibverhalten der Kolbengruppe, mit Verwendung viskositätsreduzierter Motoröle kann eine Steigerung der bereits hohen Kontaktreibungsanteile und Reibverlusten mit steigender Motorlast beobachtet werden. Die Anwendung von ta-C Beschichtungen kann dem entgegenwirken, im Betriebsbereich des WLTC stellt sich die ta-C-Schicht auf den Kolbenringen als vielversprechend dar. Die Kombination der ta-C-Schicht mit reibwertmindernden Additiven zeigt in vollformulierten Motorölen im Vergleich zum Effekt an einer Kolbengruppen in Serienkonfiguration hingegen keine Vorteile. Der Kolben unterliegt im Betrieb nennenswerten hydrodynamische Reibanteilen, welche durch eine glatte Schaftstruktur verringert werden können. In Summe konnte durch die Untersuchungen an der Kolbengruppe ein Kraftstoffeinsparpotential von mehr als 1.2% im WLTC abgeschätzt werden.