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Optimierung von Verbrennungsmotoren: Kein Einfahren mehr und 30% mehr Effizienz

Motorenforscher haben zwei für den Automobilbereich wesentliche Optimierungspotenziale aufgezeigt. 

In dem Fraunhofer-Projekt TRIBOMAN wurde eine spezielle Beschichtung für Zylinderlaufflächen entwickelt, die nicht nur Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen senkt, sondern zudem den Verschleiß reduziert und das Risiko eines „falschen Einfahrens“ bei Neuwagen minimiert. Bereits im April 2013 hat das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Forschungsergebnisse veröffentlicht, die sich um das Phänomen der Vorentflammung drehen. Dabei Kraftstoff entzündet sich der Kraftstoff bei hoher Belastung unkontrolliert selbst bevor es zur der regulären Fremdzündung durch die Zündkerze kommt. Die stark klopfende Verbrennung ist eine Gefahr speziell für moderne High-Tech-Ottomotoren, die dank Aufladung und Direkteinspritzung hohe Leistungen aus kleinen Hubräumen holen, weswegen der maximale Ladedruck niedriger gehalten werden muss. Mit den gewonnenen Erkenntnissen könnte künftig der effektive Mitteldruck von derzeit maximal 20 bis 24 bar auf bis zu 30 bar angehoben wird. Künftige Motoren könnten dadurch mehr Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und damit eine bessere Beschleunigung bieten und gleichzeitig weniger verbrauchen.

Das Fraunhofer-Projekt TRIBOMAN: Weniger Reibungsverluste in Verbrennungsmotoren

Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das Reibung und Verschleiß im Motor bereits bei der Herstellung der Bauteile reduzieren kann. Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen lassen sich durch spezielle Beschichtungen senken.

Damit der Motor eines Neuwagens »rund« läuft, muss er zunächst richtig eingefahren werden: Für die ersten 1000 Kilometer sollte man beispielsweise auf schnelles Beschleunigen und ständige Kurzstrecken verzichten. Warum ist diese »Schonfrist« nötig? Während des Einlaufprozesses verändert sich durch die Reibungswirkung bei den Gleitpaarungen – den Bauteilen, die miteinander mechanischen Kontakt haben – die Oberflächenrandzone: die Oberfläche selbst wird »glatter« und in einer Materialtiefe von etwa 500 bis 1000 Nanometer (nm) verfeinert sich die Körnung der Gefügestruktur, so dass eine nanokristalline Schicht entsteht.

Bis sich diese nanoskalige Randschicht ausgebildet hat, ist jedoch einiges an Reibarbeit notwendig. Deshalb geht während dieses Einlaufprozesses auch heute noch ein Großteil der Energie durch Reibung verloren. Zudem sind die Laufeigenschaften der Oberflächen abhängig vom Einfahrverhalten der Kunden. Für die Automobilbranche ein kritisches Thema: Denn vor dem Hintergrund immer knapperer Ressourcen und der Notwendigkeit, CO2 einzusparen, steht die Reduzierung reibungsbedingter Verluste ganz oben auf der Entwicklungsagenda.

Mehr Präzision durch optimierte Fertigungstechnologien

Forscher von fünf Fraunhofer-Instituten arbeiten im Rahmen des Projekts »TRIBOMAN« an neuen Werkstoffen, Fertigungsverfahren und Prozessen, die Verbrennungsmotoren tribologisch, also reibungstechnisch, optimieren sollen. Im Fokus stehen Bauteile, die besonders hoher Reibung ausgesetzt sind wie etwa Zylinderlaufflächen. »Unser gemeinsamer Ansatz ist es, den Prozess der Randschichtbildung in die Fertigung vorzuverlegen«, erklärt Torsten Schmidt vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz.

Schmidt und sein Team haben

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Bild: Für das Präzisionsbohren von Zylinderlaufflächen kommen definierte Schneiden zum Einsatz, deren Geometrie spezifisch ausgelegt wurde. Dadurch kann eine sehr hohe Oberflächengüte erreicht werden. (© Fraunhofer IWU)

in dem Zusammenhang optimierte Fertigungstechnologien zur Präzisionsendbearbeitung entwickelt. »Wir setzen für das Präzisionsbohren von Zylinderlaufflächen definierte Schneiden ein, deren Geometrie wir spezifisch ausgelegt haben. Dadurch erreichen wir eine sehr hohe Oberflächengüte«, erläutert Schmidt. »Außerdem nutzen wir gezielt die Kräfte des Zerspanungsprozesses, um die ›Kornfeinung‹, also das Verfestigen der Werkstoffe, bereits während der Fertigung herbeizuführen.«

Mit Hilfe des neuen Verfahrens soll der Einfluss auf Reibung und Verschleiß von Motorkomponenten zukünftig gesteigert werden. Die Automobilindustrie käme damit ihrem Ziel, Energie effizienter zu nutzen und CO2 einzusparen, ein gutes Stück näher. Doch auch die Kunden profitieren: Denn die Einlaufzeiten neuer Motoren wären dann wesentlich kürzer. Das ist nicht nur komfortabler, sondern verringert auch die Gefahr eines vorzeitigen Verschleißes durch falsches Einfahren.

An einem Einzylinder-Versuchsmotor mit Zylinderlaufflächen aus Aluminium konnten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg bereits erste positive Auswirkungen einer solchen modifizierten Endbearbeitung nachweisen: So zeigten die Analysen der bearbeiteten Zylinderflächen, dass die Korngröße signifikant geringer ausfällt als bei herkömmlichen Verfahren. Die Oberflächenmikrogeometrie ist mit der von gut eingelaufenen Zylinderlaufflächen vergleichbar.

Aktuell arbeiten die Forscher daran, ihr Verfahren neuen Entwicklungstrends in der Automobilfertigung anzupassen, beispielsweise der Einführung von Biokraftstoffen: Da bei Biokraftstoffen der Ethanolgehalt höher ist, werden mittlerweile die Aluminiumbauteile in der Regel mit einer Spritzschicht auf der Oberfläche versehen, um sie besser gegen Korrosion zu schützen.

(Fraunhofer 2013)

Fortsetzung auf Seite 2 mit „Bis zu 30 Prozent mehr Effizienz: Motorenforscher enträtseln Vorentflammung“

Marc Brümmer

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