Einfluss der Reibungsreduzierung in der Kolbengruppe auf die CO₂-Emissionen bei realem Fahrbetrieb

Einfluss der Reibungsreduzierung in der Kolbengruppe auf die CO₂-Emissionen bei realem Fahrbetrieb von Funk,  Tobias
Durch die Reduzierung der innermotorischen Reibverluste können nennenswerte Potenziale zur Absenkung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO₂) erschlossen werden. Dabei stellt die Reibungsoptimierung in der Kolbengruppe (bestehend aus Kolben, Kolbenringen und Kolbenbolzen) einen besonders wirksamen Hebel dar. Die vorliegende Arbeit untersucht, inwieweit es zielführend ist, ein empirisches Reibungsmodell zu nutzen, das sich auf Indiziermessungen bei stationärem Motorbetrieb basiert, um zu ermitteln, ob eine Reibungsreduzierungsmaßnahme in der Kolbengruppe eines Pkw-Motors zu einer signifikanten CO₂-Einsparung bei realem Fahrbetrieb führt. Dafür wird in einem ersten Schritt quantifiziert, mit welcher Genauigkeit es möglich ist, den Einfluss einer konstruktiven Änderung in der Kolbengruppe auf die Reibverluste bei stationärem Motorbetrieb experimentell zu bewerten. Anschließend wird untersucht, inwieweit das empirische Reibungsmodell in der Lage ist, die Reibverluste des Verbrennungsmotors auch bei realem Fahrbetrieb zu beschreiben. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass es sowohl nach einem Betriebspunktwechsel als auch während der Warmlaufphase des Motors zu einem Reibverhalten kommen kann, welches durch die Reibungsmessungen bei stationärem Motorbetrieb nicht erfasst wird. Dieses sogenannte dynamische Reibverhalten wird auf die thermische Trägheit der reibrelevanten Motorbauteile zurückgeführt. Es wird jedoch gezeigt, dass das dynamische Reibverhalten nur einen geringfügigen Einfluss auf die reibungsbedingten CO₂-Einsparungen hat. Davon ausgehend werden die CO₂-Einsparpotenziale von ausgewählten Reibungsreduzierungsmaßnahmen eines Otto- und Diesel-Motors anhand einer Gesamtfahrzeugsimulation im NEFZ und WLTC berechnet.
Aktualisiert: 2023-01-19
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Reibverhalten der Kolbengruppe eines Pkw-Ottomotors

Reibverhalten der Kolbengruppe eines Pkw-Ottomotors von Meiser,  Johann Gerhard
Mit der konsequenten Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren kann ein wesentlicher Beitrag zur Absenkung des CO₂-Ausstoßes im Verkehrssektor geleistet werden. Neben vielfältigen Maßnahmen wie beispielsweise Verbesserungen im Verbrennungswirkungsgrad, der Verwendung von synthetischen Kraftstoffen oder der teilweisen Elektrifizierung des Antriebsstrangs kann auch mit einer Reduzierung der Reibverluste im Antriebsstrang nennenswertes Potenzial zur Senkung der CO₂-Emissionen geborgen werden. Bei Betrieb eines Verbrennungsmotors werden mindestens 10 % der über den Kraftstoff eingebrachten Energie benötigt, um die Motorreibung zu überwinden. Ein Großteil der Reibung entsteht an der Kolbengruppe, die aus Kolben, Kolbenringen und dem Kolbenbolzen besteht. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Reibungsmessungen an einem Pkw-Ottomotor, die den Einfluss unterschiedlicher konstruktiver Auslegungsparameter an der Kolbengruppe auf die Reibverluste bei real befeuertem Betrieb und im gesamten Betriebskennfeld untersuchen. Die Messungen basieren auf der sogenannten Indiziermethode. Es werden Veränderungen des Kolbeneinbauspiels, der Kolbenschaftgeometrie, der Kolbenbolzendesachsierung, der Kolbennabengeometrie sowie der Tangentialkraft des Ölabstreifrings jeweils isoliert und zum Teil in mehreren Schritten untersucht. Dazu wird eine Vielzahl von Varianten mit einer genau definierten Prozedur vermessen und die ermittelten Reibmitteldruck-Kennfelder im Anschluss jeweils mit den entsprechenden Messungen einer Basisvariante verglichen. Auf diese Weise kann das Optimierungspotenzial der einzelnen Parameter aufgezeigt werden. Die gefundenen Zusammenhänge bilden eine breite Wissensbasis, die bedarfsgerechte Optimierungen der Reibverluste von Pkw-Ottomotoren ermöglicht.
Aktualisiert: 2021-12-20
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