Schlüsselwort: Otto- und Dieselmotoren mit Direkteinspritzung

Durch die immer knapper werdenden Erdölreserven und den damit verbundenen Kraftstoffpreiserhöhungen sowie Abgasemissionslimitierungen verfolgt die Automobilindustrie mit Hochdruck die Entwicklung neuer Antriebsmöglichkeiten, allerdings können diese den Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat im Fahrzeug in den kommenden Jahrzehnten nicht verdrängen. Motoren mit Direkteinspritzung stellen derzeit sowohl beim Diesel- als auch beim Ottomotor den Stand der Technik dar. Durch die Kombination von Direkteinspritzung und Turboaufladung lässt sich der Zielkonflikt zwischen Fahrdynamik und Kraftstoffverbrauch lösen. Allerdings treten neben dem erwähnten enormen Potential der Leistungssteigerung und Kraftstoffeinsparung bei der Direkteinspritzung aber auch Nachteile auf. Zum einen kann zur Stickoxidreduzierung für die mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Motoren mit Direkteinspritzung der herkömmliche Dreiwegekatalysator nicht mehr eingesetzt werden, zum anderen äußert sich die inhomogene Verteilung von Luft und Kraftstoff im Brennraum in einer unvollständigen Verbrennung. Kohlenmonoxid, Stickoxide, unverbrannte und teilverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Rußpartikelemissionen sind die Folge. Nach der Überzeugung von Toxikologen sind die heute im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Feinstpartikel ein Problem. Die gesundheitlichen Gefährdungen gehen allerdings nicht von den Partikeln selbst, sondern von daran angelagerten Substanzen wie Kohlenwasserstoffen, Kraft- und Schmierölaerosolen und Sulfaten aus. Daher arbeitet die Automobilindustrie mit Nachdruck an der Schadstoffabsenkung, inner- wie außermotorisch.Wie ist allerdings die Wechselwirkung dieser Nanopartikel mit Bauteilen im Brennraum? Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Auswirkungen von motorischem Ruß auf den Verschleiß und betrachtet physikalisch-chemische Aspekte, wie den Aufbau der Partikel, ebenso wie mechano-chemische Wechselwirkungen, die infolge der Partikel zum Verschleiß führen. Dabei erfolgte der Eintrag von motorischem Ruß in das Schmieröl unter gezielt eingestellten und reproduzierbaren Prüfstandsbedingungen an modernen Otto- und Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Zum Vergleich wurde synthetischer Ruß in Frischöl dispergiert. Mit Hilfe der Radionuklidtechnik (RNT) wurden diese Rußöle, zentrifugierten Öle und Frischöle in Tribometerversuchen hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens getestet und bewertet. Für die Charakterisierung der verschiedenen Ruße und im Tribometer verwendeten Bauteile erwies sich die Anwendung und Verknüpfung verschiedener Analysemethoden wie hochauflösendeTransmissionselektronenmikroskopie (engl. high-resolution transmission electron microscopy,HRTEM),Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (engl. electron energy loss spectroscopy, EELS), Elektronen-Spin-Resonanz (ESR), Röntgen- Photoelektronen-Spektroskopie (engl. X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), Auger- Elektronen-Spektroskopie (AES) und die Probenpräparation mittels fokussiertem Ionenstrahl engl. focused ion beam, FIB) als zielführend. Es konnten umfangreiche Erkenntnisse über die Eigenschaften von Ruß, dessen Einfluss auf den Verschleiß von Bauteilen und die dabei wirkenden Mechanismen erlangt werden, mit denen ein neues Verschleißmodell aufgestellt wurde. Bedeutsam ist aber vor allem das Erkennen von Veränderungen der ersten EINHUNDERT Nanometer der Oberflächenschicht und das Verstehen der Verschleißmechanismen auf nanoskaliger Basis.

Durch die immer knapper werdenden Erdölreserven und den damit verbundenen Kraftstoffpreiserhöhungen sowie Abgasemissionslimitierungen verfolgt die Automobilindustrie mit Hochdruck die Entwicklung neuer Antriebsmöglichkeiten, allerdings können diese den Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat im Fahrzeug in den kommenden Jahrzehnten nicht verdrängen. Motoren mit Direkteinspritzung stellen derzeit sowohl beim Diesel- als auch beim Ottomotor den Stand der Technik dar. Durch die Kombination von Direkteinspritzung und Turboaufladung lässt sich der Zielkonflikt zwischen Fahrdynamik und Kraftstoffverbrauch lösen. Allerdings treten neben dem erwähnten enormen Potential der Leistungssteigerung und Kraftstoffeinsparung bei der Direkteinspritzung aber auch Nachteile auf. Zum einen kann zur Stickoxidreduzierung für die mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Motoren mit Direkteinspritzung der herkömmliche Dreiwegekatalysator nicht mehr eingesetzt werden, zum anderen äußert sich die inhomogene Verteilung von Luft und Kraftstoff im Brennraum in einer unvollständigen Verbrennung. Kohlenmonoxid, Stickoxide, unverbrannte und teilverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Rußpartikelemissionen sind die Folge. Nach der Überzeugung von Toxikologen sind die heute im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Feinstpartikel ein Problem. Die gesundheitlichen Gefährdungen gehen allerdings nicht von den Partikeln selbst, sondern von daran angelagerten Substanzen wie Kohlenwasserstoffen, Kraft- und Schmierölaerosolen und Sulfaten aus. Daher arbeitet die Automobilindustrie mit Nachdruck an der Schadstoffabsenkung, inner- wie außermotorisch.Wie ist allerdings die Wechselwirkung dieser Nanopartikel mit Bauteilen im Brennraum? Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Auswirkungen von motorischem Ruß auf den Verschleiß und betrachtet physikalisch-chemische Aspekte, wie den Aufbau der Partikel, ebenso wie mechano-chemische Wechselwirkungen, die infolge der Partikel zum Verschleiß führen. Dabei erfolgte der Eintrag von motorischem Ruß in das Schmieröl unter gezielt eingestellten und reproduzierbaren Prüfstandsbedingungen an modernen Otto- und Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Zum Vergleich wurde synthetischer Ruß in Frischöl dispergiert. Mit Hilfe der Radionuklidtechnik (RNT) wurden diese Rußöle, zentrifugierten Öle und Frischöle in Tribometerversuchen hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens getestet und bewertet. Für die Charakterisierung der verschiedenen Ruße und im Tribometer verwendeten Bauteile erwies sich die Anwendung und Verknüpfung verschiedener Analysemethoden wie hochauflösendeTransmissionselektronenmikroskopie (engl. high-resolution transmission electron microscopy,HRTEM),Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (engl. electron energy loss spectroscopy, EELS), Elektronen-Spin-Resonanz (ESR), Röntgen- Photoelektronen-Spektroskopie (engl. X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), Auger- Elektronen-Spektroskopie (AES) und die Probenpräparation mittels fokussiertem Ionenstrahl engl. focused ion beam, FIB) als zielführend. Es konnten umfangreiche Erkenntnisse über die Eigenschaften von Ruß, dessen Einfluss auf den Verschleiß von Bauteilen und die dabei wirkenden Mechanismen erlangt werden, mit denen ein neues Verschleißmodell aufgestellt wurde. Bedeutsam ist aber vor allem das Erkennen von Veränderungen der ersten EINHUNDERT Nanometer der Oberflächenschicht und das Verstehen der Verschleißmechanismen auf nanoskaliger Basis.