Die Kolbengruppe nimmt mit 45% den größten Anteil der motorischen Reibungsverluste ein. Dementsprechend bietet die Optimierung der Kolbengruppe ein hohes Potential, die Effizienz moderner Verbrennungsmotoren zu steigern.
Aktualisiert: 2022-12-31
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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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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.
Aktualisiert: 2022-12-30
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