1 ZIELSETZUNG

Der effiziente Umgang mit ökologischen Ressourcen gehört zu den wichtigsten Aufgabenstellungen moderner Motoren-entwicklung. Die Weiterentwicklung aller Betriebsstoffe – neben Stoffen mit kalorischer, schmierender und kraft-übertragender Funktion gehören dazu auch Kühlmedien – spielt dabei eine oft unbeachtete, aber extrem relevante Rolle. Sie beeinflussen nicht nur die Funktion aller motorischen Subsysteme, sondern tragen direkt zur Auslegung des Gesamtmotors bei. So kann eine hohe Leistungsdichte nur erreicht werden, wenn im Zusammenspiel zwischen Betriebs- und Werkstoffen einerseits eine geringe Verlustleistung, andererseits eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wird. Eine hohe Leistungs-dichte wiederum führt über eine Ver-ringerung der Gesamt-Fahrzeugmasse nicht nur zu geringerem Kraftstoff-verbrauch, sondern unter dem Aspekt

Betriebs- und Werkstoffe als Schlüsseltechnologien für effiziente Verbrennungsmotoren

Eine möglichst hohe Leistungs­

dichte zu erzielen, ist eine wichtige

Voraussetzung für weitere Effizienz­

steigerungen von Verbrennungs­

motoren. Dafür müssen Betriebs­

und Werkstoffe so aufeinander

abgestimmt werden, dass eine

hohe Zeit­ oder Dauerfestigkeit

mit optimierter Reibung einhergeht.

Die von der Forschungsvereinigung

Verbrennungskraftmaschinen (FVV)

initiierten Vorhaben schließen dabei

die Lücke zwischen wissenschaft­

licher Grund lagenarbeit und der

industriellen Anwendung.

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ral

STIMMEN AUS DER FVV

Dr.-Ing. Dieter Eppinger leitet die Abteilung für Erprobung und Zuverlässigkeit bei SEG Automotive. Im FVV-Forschungs-bereich Motoren koordiniert er seit Jahren die Planungsgruppe 4 „Gestaltfestigkeit und Tribologie“.„Um künftige Antriebe so ressourcen­effizient wie möglich auszulegen, müssen wir die Wechselwirkungen zwischen Betriebsstoffen, Materialien und Einsatzbedingungen genau kennen.“

Prof. Dr.-Ing. Bert Buchholz ist Inhaber des Lehrstuhls für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren an der Universität Rostock.„Mit neuen Prüfverfahren wie dem Dieselkraftstoff­thermooxidationstest schaffen wir die Grundlagen für den Einsatz alternativer Kraftstoffe.“

Martin Nitsche ist stellvertretender Geschäftsführer der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen und leitet dort die industrielle Gemeinschafts-forschung zu Fragen der Tribologie, Gestaltfestigkeit und (Haft-)Reibung.„Moderne Oberflächentechnik ermöglicht es, Reibwerte exakt einzustellen. Doch nur, wenn wir geeignete Simulationsmodelle haben, kommen diese auch in der industriellen Praxis zum Einsatz.“

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MTZ 12|2018 79. Jahrgang 87

des Materialeinsatzes auch direkt zu einer erhöhten Ressourceneffizienz.

Im Fokus der von der FVV koordi-nierten industriellen Gemeinschaftsfor-schung stehen nicht die Betriebsstoffe per se, sondern deren Interaktion mit den Werkstoffen im Antrieb. Dabei ist, anders als oft zu lesen, nicht immer die Reibungsminimierung das oberste Ziel. Vielmehr gilt es, die für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Reibung zu erreichen, was beispielsweise bei Welle-Nabe-Verbindungen auch in einer gezielten Reibkrafterhöhung resultieren kann. Um eine breite indus-trielle Anwendbarkeit der Forschungs-ergebnisse zu ermöglichen, bedarf es geeigneter Simulationswerkzeuge. Die entwickelten Modellierungsverfahren legen dafür die Grundlage.

Neue Herausforderungen in der For-schung an der Schnittstelle von Betriebs- und Werkstoffen entstehen vor allem durch die Einführung biogener oder syn-thetischer Kraftstoffe. Diese haben durch verschiedene Mechanismen direkte Aus-wirkungen auf die Festigkeit von Werk-stoffen und damit die Dauerhaltbarkeit von Motoren. Nicht zu vernachlässigen ist dabei die Wechselwirkung von Kraft- und Schmierstoffen untereinander.

2 TRIBOLOGISCHE AUSLEGUNG

2.1 REIBSCHLUSSOPTIMIERTE OBERFLÄCHENModerne Motoren und Komponenten hoher Leistungsdichte erfordern die Übertragung hoher Kräfte und Drehmo-mente. Dabei sind nicht nur die Werk-stoffe selbst, sondern auch die kraftfüh-renden Schnittstellen zwischen Bauteilen entscheidend. Deren optimale Auslegung basiert zum einen auf einer guten Vor-

hersagbarkeit der im Motorbetrieb auf-tretenden Kräfte (Belastung), zum ande-ren aber auch auf der exakten Kenntnis der übertragbaren Kräfte (Belastbarkeit). Dabei müssen nicht nur Mittelwerte, sondern auch die auftretende Streuung berücksichtigt werden. Eine Reduzie-rung der oft großen Streuung führt schon bei gleichbleibendem Mittelwert zu einer signifikanten Leistungssteige-rung der Fügestelle. Zudem führt eine Auslegung nur anhand von üblichen Parametern, etwa der Rauheit einer Oberfläche, angesichts der hohen Belas-tungen moderner Motoren zu unpräzisen Ergebnissen. Geeignete Kennwerte dafür zu ermitteln, ist angesichts der Zuliefer-struktur im Motorenbau, die durch viele kleine und mittlere Unternehmen (KMU) geprägt ist, ein wichtiges Aufgabenfeld der industriellen Gemeinschaftsfor-schung. Im sogenannten „GECKO“- Cluster, einem von der Deutschen For-schungsgesellschaft (DFG) und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemein-schaft industrieller Forschungsvereini-gungen (AiF) geförderten Gemeinschafts-vorhaben mit der Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) [1], wurden unter anderem systematisch neue technische Lösungen für die Oberflächenbehand-lung von kraftschlüssigen Verbindungen untersucht. Untersuchungen zur physika-lischen Gasphasenabscheidung sowie zu thermischen Spritzschichten und Laser-strukturierungen zeigten, dass mit allen drei Verfahren signifikante Reibwerterhö-hungen möglich sind. In einem der Teil-projekte wurde ein dreidimensionales Kontaktmodell entwickelt, mit dem nach vorheriger Kalibrierung die Festkörper-reibung metallischer Werkstoffe simuliert werden kann.

In einem weiteren Vorhaben stand die Übertragbarkeit der in GECKO ermittel-ten, modellbasierten Haftreibwerte auf Realbauteile im Vordergrund [2]. Dafür wurden an der Technischen Universität Chemnitz Vergleichsuntersuchungen mit typischen Verbindungsarten wie Quer-pressverband, Stirnpressverbindung und Flanschverbindung auf Modellprüfstän-den durchgeführt. Für die Mehrzahl der Ergebnisse konnte eine direkte Übertrag-barkeit der Modellversuche auf Realan-wendungen nachgewiesen werden. Aller-dings wurden weitere maßgebliche Ein-flussparameter identifiziert, die in der Praxis zu berücksichtigen sind. Am Ende des Vorhabens konnte ein Leitfaden für kostengünstige Modellversuche auf Basis von Realbauteilen erstellt werden.

2.2 TRIBOLOGISCHE FLUIDMODELLEDie Entwicklung von Motoren wurde bereits in der Vergangenheit durch simulationsgestützte Optimierung der Schmierstoffe begleitet. Durch erhöhte Rechenkapazität moderner Computer-systeme sowie durch neue Erkenntnisse der physikalischen Chemie eröffnen sich Perspektiven für eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte. Tribologisch opti-mierte Nebenaggregate, insbesondere Pumpen, können zudem wesentlich zu geringerer Verlustleistung beitragen. Eine Herausforderung stellen dabei die neuen Lastkollektive in elektrifizierten Antriebssträngen dar. Ein 2015 abge-schlossenes weiteres Gemeinschafts-vorhaben mit der FVA legt die Grund-lage für ein tribologisches Fluidmodell, das gerade auch zur Auslegung von Nebenantriebsaggregaten in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden kann [3]. In Zusammenarbeit

BILD 1 Prüfstandskonzept für Stoß­Druckmessungen (© itR clausthal)

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dreier Forschungsstellen wurden zahl-reiche Prüfstandversuche mit teilweise neuen Messverfahren durchgeführt, mit deren Hilfe zwei geeignete Fluid-modelle auch für höchste Fluidbelastung identi fiziert werden konnten. Im noch laufenden Folgeprojekt [4] liegt der Schwerpunkt darauf, jene physikalischen Effekte genauer zu untersuchen, die bei instationärer Belastung in einem sehr dünnen Schmierspalt auftreten. Dafür wird zunächst die Messtechnik weiter-entwickelt. Beispielhaft zeigt BILD 1 das Konzept für eine Prüfvorrichtung, mit der stoßartige Belastungen eingebracht werden können. Die Ergebnisse sollen dann in ein Fluidmodell einfließen, das die Druckabhängigkeit der Viskosität realitätsnah berücksichtigt. Dieses Modell soll schließlich so optimiert werden, dass es in kommerziellen CFD-Programmen von einem breiten Anwenderkreis einfach genutzt werden kann.

3 EINFLUSS NEUER KRAFTSTOFFE

Dieselkraftstoffe können zu Ablagerun-gen in Hochleistungs-Dieseleinspritzsys-temen führen, die das Langzeitverhalten hinsichtlich Verbrennung und Emissionen negativ beeinflussen. Aufgrund der gestie-genen Sensitivität moderner Injektoren, der zunehmenden Kraftstoffvielfalt und dem Einsatz unterschiedlicher Blendkraft-stoffe in Dieselmotoren muss der Ablage-rungsproblematik zukünftig erhöhte Auf-merksamkeit entgegengebracht werden. Insbesondere höhere Einspritzdrücke und die damit verbundenen höheren System-temperaturen stellen hohe Anforderungen an die thermisch-oxidative Kraftstoff-stabilität sowie Additivbeständigkeit.

3.1 TESTMETHODEN FÜR DIESELARTIGE KRAFTSTOFFEIm Rahmen von zwei aufeinander aufbauenden Vorhaben wird eine praxistaugliche Methode entwickelt und validiert, mit deren Hilfe die Belags-bildungsneigung im Einspritzsystem für dieselartige Kraftstoffe bestimmt werden kann. Sie basiert im Kern auf einem Testverfahren, das ursprünglich für die Prüfung von Flugkraftstoffen entwickelt und an der Universität Rostock auf die-selartige Kraftstoffe adaptiert wurde, BILD 2. Während des Tests strömt der zu prüfende Kraftstoff unter Druck (34 bar) an einem beheizten Aluminiumrohr (Prüfkörper) entlang. Die Schichtdicken

der erzeugten Beläge auf der Prüfkörper-oberfläche werden mittels Ellipsometer gemessen und in Abhängigkeit der Temperatur bewertet. Im ersten, bereits abgeschlossenen Vorhaben [5] wurde der Nachweis erbracht, dass bei diesen Ver-suchen die gleichen Ablagerungsarten gebildet werden wie im Inneren von Common-Rail-Injektoren. Zudem konnte eine Vielzahl neuer Erkenntnisse über die thermische Stabilität verschiedener Kraftstoffe sowie die Wirksamkeit bestimmter Additivgruppen gewonnen werden. Im noch laufenden Folgevorha-ben [6] soll eine Methode gefunden wer-den, mit der Dieselkraftstoffe entspre-chend ihrer Belagsbildungsneigung im Diesel-Deposit-Formation-Test (DDFT) schnell, kostengünstig und praxisrele-vant klassifiziert werden können. Dafür muss eine gänzlich neue Bewertungs-methode gefunden werden. Die Ergeb-nisse des Vorhabens haben eine hohe Relevanz nicht nur für Auslegung von Einspritzkomponenten, sondern auch für das Screening kommerziell eingesetzter Kraftstoffe bis hin zur Analyse von Feld-ausfällen. Darüber hinaus besteht durch die Reduzierung von motorischen Dauer-versuchen ein erhebliches Potenzial zur Kosten- und CO2-Einsparung.

3.2 ERMÜDUNG DURCH KORROSIVE KRAFTSTOFFEBei Betrieb mit fossilen, wasser- und nahezu verunreinigungsfreien Kraftstof-fen existieren in der Praxis langjährige Erfahrungen mit zyklischer Beanspru-chung von kraftstoffberührenden metal-lischen Werkstoffen. Sie können nicht ohne weitere systematische Untersu-chungen auf andere Medien und Werk-stoffe übertragen werden. Biogene Kraft-stoffzumischungen stellen potenziell ein korrosives Umgebungsmedium dar, das im Zusammenspiel mit schwingenden mechanischen Belastungen zu einer Rissbildung in metallischen Bauteilen führen kann. In einem durch drei For-schungsstellen unter Federführung der Technischen Universität Darmstadt durchgeführten Vorhaben [7] wurde eine Methodik entwickelt, die den sichereren Einsatz von Bauteilen durch neue schä-digungsgerechte Absicherungs- und Auslegungsansätze ermöglicht. Unter anderem durch Langzeit-Auslagerungs-versuche sowie mittels elektrochemi-scher Messmethoden konnten wesent-liche Schadensmechanismen ebenso geklärt werden wie die auftretenden Wechselwirkungen zwischen Ermüdung und Korrosion.

BILD 2 Laboraufbau für den Diesel­Deposit­Formation­test (DDFt) (© LVK Rostock)

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3.3 ÖLALTERUNG DURCH NEUARTIGE KRAFTSTOFFEDas Langzeit-Betriebsverhalten von Motoren wird unter anderem durch den Eintrag von unverbranntem Kraftstoff und Verbrennungsprodukten in das Motoröl beeinflusst. Es ist zu erwarten, dass der Einsatz neuer Otto-Kraftstoff-mischungen dieses Betriebsverhalten verändert. Insbesondere kurzkettige organische Säuren wie Essigsäure und Ameisensäure stehen als Zwischenpro-dukte der Alkoholkraftstoffoxidation im Verdacht, die Ölalterung zu beschleuni-gen und stark korrosiv auf Motorbauteile zu wirken. In einem im laufenden Jahr abgeschlossenen und gemeinsam mit dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur für nachwachsende Roh-stoffe (FNR) realisierten Vorhaben, wurde erstmals der Einfluss von Bioalkohol-kraftstoff-Blends (Biomethanol und -ethanol) auf das Schmierungssystem eines modernen Euro-6-Pkw-Motors mit Benzindirekteinspritzung untersucht [8]. Ein wichtiger Teil des an der Universität Rostock durchgeführten Projekts bestand darin, anhand von Motorversuchen die in der Realität tatsächlich auftretende Zusammensetzung von Blow-by-Gasen als wichtigen Eintragsweg zu analysie-ren. In Dauerlaufversuchen wurde zudem die Schmierölalterung durch chemische Analysen und eine Vielzahl weiterer Parameter erfasst. Anschließend wurden wichtige Motorkomponenten hinsichtlich Verschleiß und Oberflächen-

güte analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass es hinsichtlich Verschleiß bei den untersuchten Kraftstoffmischun-gen keine nennenswerten Unterschiede zu fossilen Kraftstoffen gibt.

4 KOLBENRING-ÖLTRANSPORT

Der durch die Bewegung der Kolben-ringe in den Nuten und auf der Zylin-derwand verursachte Öltransport hat wesentlichen Einfluss auf das Emissions-verhalten und den Motorölzustand von Verbrennungsmotoren. Der Öltransport ist dabei auch von den auftretenden Lastkollektiven abhängig, die sich mit der Einführung hybridisierter Antriebe ändern. Die genaue Kenntnis der physi-kalischen Zusammenhänge sowie deren Modellierung sind daher für die Ent-wicklung neuer Antriebe von hoher Bedeutung. In mehreren miteinander verknüpften Vorhaben hat die FVV aus Eigenmitteln zunächst die versuchs-technischen Voraussetzungen geschaf-fen, um den Öltransport messen und anschließend simulieren zu können. Darauf basierend entstanden komplexe Simulationsmodelle, mit deren Hilfe die Kolbensekundärbewegung, die Kolben-ringbewegung, die Gasströmung im Ringpaket und der Öltransport im Ring-paket nachvollzogen werden können [9], BILD 3. Die Software ermöglicht es, neben den Ringbewegungen und -lagen auch die Gasströmungen und -drücke sowie Schmierfilmhöhen und Verlustleistungen zu berechnen.

5 ÜBERTRAGBARKEIT AUF NEUE ANTRIEBE

Grundsätzlich ist die Aufgabenstellung für die Forschung an Betriebsstoffen und der Festigkeit von Materialien vom Verbrennungsmotor auf elektrifizierte An triebe zu übertragen. Leistungsdichte und Dauerhaltbarkeit elektrischer An triebe sind aufgrund oft höherer Drehzahlen und geringerer Größe der mechanischen Bau-teile sogar stärker von der tribologischen und Festigkeitsauslegung abhängig als bei Verbrennungsmotoren. In Hybrid-antrieben ist zudem ein Optimum auf Systemebene zu erzielen.

Die wissenschaftlich abgesicherte Kenntnis von Phänomenen der Material-ermüdung durch Kontakt mit Betriebs-stoffen wird mit fortschreitender Ent-wicklung von Brennstoffzellenantrieben von entscheidender Bedeutung sein. Ins-besondere die Langzeitfestigkeit metalli-scher Bauteile, die fortgesetzt mit Was-serstoff in Berührung kommen, soll ein wichtiges Forschungsfeld darstellen.

Parallel ist zu erwarten, dass mit der Einführung synthetischer Kraftstoffe ähnliche Herausforderungen auf die Motorenentwicklung zukommen, wie dies bei den biogenen Kraftstoff-Beimi-schungen in der Vergangenheit der Fall war. Angesichts der Vielfalt der derzeit diskutierten synthetischen Kraftstoffe und der möglichen Beimischungsverhält-nisse ist eine genaue Untersuchung der Wechselwirkung mit anderen Betriebs-stoffen, dem Betriebsverhalten sowie der

BILD 3 Simulationskette für den Kolbenring­Öltransport (© iaf­mt Kassel)

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Langzeitfestigkeit von Motorkomponen-ten essenziell.

LITERATURHINWEISE[1] Forschungscluster „Gestaltung und Ermittlung charakterisierender Kennwerte von reibschluss­optimierten Oberflächen“. Fördergeber: BMWi/AiF, DFG (17229 N). Projektleitung: Dr.­ing. Anton Stich (Audi AG), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. Erhard Leidich (institut für Konstruktions­ und Antriebstechnik, tU chemnitz) [2] Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Übertragbarkeit von modellbasierten haftreibwerten und Reibcharakteristiken auf gefügte Realbauteile“. Fördergeber: BMWi/AiF (18500 BR). Projektleitung: Dr.­ing. Anton Stich (Audi AG), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. Erhard Leidich (institut für Konstruktions­ und Antriebstechnik, tU chemnitz)[3] Forschungsvorhaben „tribologische Fluidmo­delle für Nebenantriebsaggregate in hybrid­ und Elektrofahrzeugen“. Fördergeber: BMWi/AiF, FVA, FVV (17699 BG). Projektleitung: Dipl.­ing. Klaus Meyer (Robert Bosch Gmbh), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. hubert Schwarze (institut für tribologie und Energiewandlungsmaschinen, tU clausthal)[4] Forschungsvorhaben „tribologische Fluidmo­delle für Nebenantriebsaggregate“. Fördergeber: BMWi/AiF (19427 BG). Projektleitung: Dipl.­ing. Klaus Meyer (Robert Bosch Gmbh), Wissenschaft­liche Leitung: Prof. Dr.­ing. hubert Schwarze

(institut für tribologie und Energiewandlungs­maschinen, tU clausthal)[5] Forschungsvorhaben „Entwicklung einer Labor­testmethode zur Bewertung von Dieselkraftstoffen bzw. Dieselkraftstoffadditiven bezüglich ihrer ten­denz zur Bildung interner Dieselinjektor­Deposits (iDiD)“. Fördergeber: FVV (1198). Projektleitung: Dr.­ing. Alexander von Stockhausen (Robert Bosch Gmbh), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. Bert Buchholz (Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock)[6] Forschungsvorhaben „Applikation und Validie­rung einer Labortestmethode zur Klassifizierung von Dieselkraftstoffen nach ihrer Belagsbildungsneigung in Einspritzkomponenten in Abhängigkeit der tem­peratur“. Fördergeber: FVV (1285). Projektleitung: Dr.­ing. Alexander von Stockhausen (Robert Bosch Gmbh), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. Bert Buchholz (Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock)[7] Forschungsvorhaben „Erarbeitung und experi­mentelle Verifizierung einer Methodik zur Absiche­rung von zyklisch hochbelasteten Motorkomponen­ten in korrosiven Kraftstoffen“. Fördergeber: DFG, FVV (OE 558/9­1). Projektleitung: Dipl.­ing. hendrik Lindl (Robert Bosch Gmbh), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. Matthias Oechsner (institut für Werkstoffkunde / Zentrum für Konstruktions­werkstoffe, tU Darmstadt)[8] Forschungsvorhaben „Einfluss neuer Ottokraft­stoffe auf die Alterung von Schmierstoffen und die resultierenden tribologischen Eigenschaften

von Motorkomponenten“. Fördergeber: FNR, FVV (22021315). Projektleitung: Dr. Peter Berlet (iAVF Antriebstechnik Gmbh), Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.­ing. Bert Buchholz (Lehrstuhl für Kolben­maschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock)[9] Forschungsvorhaben „Öltransport durch die Kol­benringe“. Fördergeber: BMWi/AiF, FVV (17553 N). Projektleitung: Dr.­ing. Arnim Robota (Federal Mogul Burscheid Gmbh), Wissenschaftliche Lei­tung: Prof. Dr.­ing. Georg Wachtmeister (Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen, tU München) und Prof. Dr.­ing. Adrian Rienäcker (Lehrstuhl für Maschinenelemente und tribologie, Uni Kassel)

DANKEDie Forschungsvereinigung Verbrennungskraftma-

schinen dankt den öffentlichen Fördergebern und

allen FVV-Mitgliedern für die großzügige Unterstüt-

zung der in diesem Beitrag genannten Forschungs-

vorhaben. Unser besonderer Dank gilt den For-

schungsstellen, Projektleitern und Mitgliedern der

Arbeitskreise und projektbegleitenden Ausschüsse

für die vertrauensvolle und gute Zusammenarbeit.

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