Reibungsverluste in Nkw-Kolbensystemen exakt analysiert

Die KS Kolbenschmidt GmbH bietet nicht nur Kolben, sondern zusammen mit kompetenten Partnern auch komplette, reibungsoptimierte Kolbensysteme für Anwendungen im Nfz-Bereich an. Voraussetzung für die Reibungsoptimierung ist es, die einzelnen Messgrößen sicher und reproduzierbar bestimmen zu können. Auf Basis dieser Ergebnisse werden die Komponenten im Detail optimiert und möglichst reibungsarme Kolbengruppen realisiert.

Zusammen mit dem Institut für Automotive Engine Laboratory der Universität von Tokio, Japan, entwickelte der Hersteller einen Einzylindermotor nach dem Floating Liner Prinzip. Mit ihm werden Reibleistungsmessungen durchgeführt, die in die Entwicklung künftiger KS-Nutzfahrzeugkolben einfließen.

Für die Erfassung dieser Reibungsmessgrößen innerhalb der Nutzfahrzeugkolbengruppe wurde in Teamarbeit mit dem japanischen Kolbenschmidt-Standort und der Universität Tokio ein Einzylinder-Motor ausgelegt, konstruiert und aufgebaut. Er ermöglicht eine kurbelwinkelaufgelöste Erfassung der Reibkraft unter befeuerten Bedingungen im Motorbetrieb. Seine Basis ist ein 7,8 Liter Sechszylindermotor mit einer Bohrung von 110 Millimetern, Umdrehungen von 550 bis 1500 1/min und Zylinderspitzendrücken von bis zu 130 bar. Die Messergebnisse dieses Motors lassen sich grundsätzlich wegen der ähnlichen Geometrie auf Nkw-Aggregate aus dem Medium Duty-Bereich übertragen.

Zusammen mit Partnern aus den globalen Allianzen von KS Kolbenschmidt wie Nippon Piston Rings und GKN Cylinder Liners wurde eine Versuchsmatrix definiert. Ziel war es, mit zahlreichen Parameteruntersuchungen an Einzelkomponenten und am Gesamtsystem Erkenntnisse für die finale Festlegung eines reibungsarmen Kolbensystems gewinnen zu können. Getestet wurden dabei Nkw-Kolben sowie einzelne Kolbenparameter wie die Desachsierung des Kolbenbolzens und das Einbauspiel. Auch das Ringpaket wurde unter die Lupe genommen.

Ralf Buschbeck, Leiter Entwicklung und Technologie der KS Kolbenschmidt GmbH, sagt dazu: „Die Untersuchungen sind ein Meilenstein im Medium Duty Bereich. Feine Unterschiede in der Reibung können direkt vor Ort gemessen werden – das war für so große Motoren mit derart großen Kräften bislang nicht möglich.“

Versuchsergebnisse machen Nkw-Dieselkolben effizienter

Zunächst wurde das Potenzial einer Erhöhung des Kolbeneinbauspiels zur Reibungsreduktion ermittelt. Das Einbauspiel bestimmt die thermischen Überdeckungskräfte, die neben der Kolbenseitenkraft die zwischen Kolben und Zylinder vorliegende Normalkraft verursachen. Somit hat es erheblichen Einfluss auf die Reibkraft am Kolbensystem. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass durch eine definierte Anhebung des Einbauspiels von 110 µm auf 160 µm der Reibmitteldruck betriebspunktabhängig um bis zu 15 Prozent verringert werden kann.

Ein weiterer Beitrag für weniger Reibung wird durch eine Optimierung der Kolbenbolzendesachsierung geleistet. Hierzu wurde die Desachsierung ausgehend vom Serienwert in zwei Stufen variiert. Dabei konnte aufgezeigt werden, dass sich der von der Kolbengruppe verursachte Reibmitteldruck durch ein gezieltes Einstellen des Kolbenanlagenwechsels um bis zu 20 Prozent senken lässt.

In weiteren Versuchen werden die Potenziale zur Reibungsreduzierung durch den Einsatz eines LowFriction Ringpakets, die Substitution des Aluminium-Kolbens durch einen Stahlkolben und die Optimierung der Honstruktur der Zylinderlaufbuchse untersucht. Durch diese Versuche kann noch weiteres Potenzial aufgezeigt werden.

Hintergrundinformation

Die Reduzierung von Reibungsverlusten im Kolbensystem, bestehend aus Kolben, Kolbenringen, Kolbenbolzen, Zylinderlaufbuchse und Pleuel ist eine wirkungsvolle Maßnahme, um den CO2-Ausstoss von Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Zusätzlich zu Funktionsmaßnahmen wie Blow-By, Ölverbrauch und Kavitation soll daher möglichst auch die Kolbengruppe einen Beitrag zur Verbrauchsreduzierung durch eine reibungsarme Auslegung leisten. Die Tribologie der einzelnen Komponenten und deren Optimierung im Zusammenspiel ist eine komplexe Aufgabe mit einer Vielzahl von Wechselwirkungen. Auch die Erfassung der relevanten Messgrößen im verbrennungsmotorischen Betrieb ist eine komplexe Aufgabe, die der Versuchsaufbau mit dem Floating Liner Motor erfüllt.

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