extra Effi ziente Motoren INNOVATIVE SCHAFTBESCHICHTUNGEN FÜR OTTO- UND DIESELMOTORKOLBEN

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1 extra Effi ziente Motoren INNOVATIVE SCHAFTBESCHICHTUNGEN FÜR OTTO- UND DIESELMOTORKOLBEN

2 ENTWICKLUNG TRIBOLOGIE Federal-Mogul Innovative für Otto- und Dieselmotorkolben Die Reibungsminimierung spielt eine wachsende Rolle für die Gesamteffizienz von Verbrennungsmotoren. sind daher sowohl bei Otto- als auch bei Dieselkolben verbreitet. Weiter steigende Anforderungen im Brennraum erfordern inzwischen mit noch höherem Leistungsvermögen. Federal-Mogul Powertrain hat deshalb seine Beschichtungsfamilie um zwei neue Formulierungen erweitert. 2

3 PARASITÄRE VERLUSTE REDUZIEREN Effizienzfortschritte beim Verbrennungsmotor bewirken kontinuierlich steigende Anforderungen an die Komponenten des tribologischen Systems aus Kolben, Kolbenbolzen und Ringpaket. Um den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, mit dem Primärenergie im Verbrennungsmotor in kinetische Energie für den Vortrieb umgesetzt wird, ist es nötig, den Anteil der parasitären Verluste zu verringern. Legt man einen 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor mit Direkteinspritzung und Turboaufladung als Referenz zugrunde, beträgt der Anteil verfügbarer mechanischer Arbeit 37 %. 25 % davon gehen für Reibungs- und Nebenaggregatsverluste verloren. Die Reibung spielt hier eine wesentliche Rolle, da allein Kolbenschaft und Kolbenbolzen für 17 % der gesamten Reibungs- und Nebenaggregatsverluste verantwortlich sind [1]. Neben der Definition von Kolbenspiel und Schaftgeometrie haben sich Beschichtungen des Kolbenschafts als wirksame Maßnahme erwiesen, um die beiden eng verknüpften Ziele der Reibleistungsoptimierung und des Verschleißschutzes zu erreichen. Federal-Mogul setzt für die Schaftbeschichtung von Otto- und Dieselmotorkolben Lebensdauerbeschichtungen ein, welche die Reibung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche reduzieren. Höhere thermische und mechanische Belastungen lassen die Bedeutung solcher Beschichtungen im Hinblick auf Lebensdauer und Betriebseffizienz weiter steigen. Gleichzeitig machen die wachsenden Belastungen Innovationen bei den erforderlich, weil bisher bewährte Beschichtungen an den Rand ihrer Dauerfestigkeit gelangen können. Deshalb hat Federal-Mogul zwei Hochleistungs- für noch höhere Anforderungen in Otto- und Dieselmotoren entwickelt. Dabei wurde jeweils bewusst ein gesonderter Ansatz für Ottomotoren und für Dieselmotoren gewählt, weil beide Aggregate trotz tendenziell zunehmend ähnlicher Betriebsbedingungen weiterhin spezielle Anforderungen haben, die eine Anpassung des Schichtsystems sinnvoll machen. SCHAFTBESCHICHTUNGEN FÜR OTTOMOTOREN Im Ottomotor kann die Reibung nachteilig beeinflusst werden, wenn es durch unverbrannten Kraftstoff zur Ölverdünnung auf der Zylinderlauffläche kommt. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit einer Mischreibungssituation mit Festkörperkontakt. Die logische Konsequenz ist ein Anstieg der Reibleistung zwischen den Reibpartnern Kolbenring/Kolbenschaft und Zylinderlauffläche. Auch bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktion nimmt die Zahl der Mischreibungsphasen beim Motorneustart zu. Neben dem Effizienzverlust kann das erhöhten Verschleiß bedeuten, der die Lebensdauer des Kolbens beeinträchtigt. Auch die Geräuschentwicklung des Kolbens kann dadurch nachteilig beeinflusst werden. Im Ottomotor mit Direkteinspritzung und Turboaufladung (T-GDI) führen die immer weiter steigenden Zünddrücke (zurzeit 130 bar) und damit auch höheren Seitenkräfte zu negativen Auswirkungen hinsichtlich Reibleistung und Verschleiß. In diesem Punkt nähert sich der aufgeladene Ottomotor mit Direkteinspritzung tendenziell den bekannten, anspruchsvollen Bedingungen im Diesel- AUTORE N Dr. Monika Blümm ist Manager Surface Technology Global Pistons bei Federal-Mogul Powertrain Dipl.-Ing. Arnd Baberg ist Chief Engineer Design, Analysis and Product Engineering Global Pistons bei Federal-Mogul Powertrain Dr. Frank T. H. Dörnenburg ist Leiter Technology Global Pistons bei Federal-Mogul Powertrain Dominik Leitzmann ist Projektleiter im Bereich Surface Technology Global Pistons bei Federal-Mogul Powertrain 3

4 ENTWICKLUNG TRIBOLOGIE BILD 1 Mikroschliff zur Darstellung der unterschiedlichen Bestandteile der Beschichtung EcoTough-New Generation motor an. Für die bisherigen und aktuellen Anforderungen haben sich die Standardund sogenannten EcoTough-Beschichtungssysteme von Federal-Mogul im Ottomotor bewährt. Bei sehr hohen Belastungen in T-GDI-Aggregaten können jedoch auch diese Sonderschichten in naher Zukunft in den Grenzbereich ihrer Festigkeit gelangen. Für weiter verschärfte Bedingungen in hochbelasteten Motoren wurde daher eine neue Beschichtung namens EcoTough-New Generation entwickelt. Äußerlich ist sie sofort an ihrem rotbraunen Farbton zu erkennen, der sie von den anderen, typischerweise dunkelgrauen unterscheidet. Die neue, ebenfalls im bewährten Siebdruckverfahren aufgebrachte Schaftbeschichtung besteht aus einem Harzsystem mit Metalloxidanteil zur Bewehrung und eingebetteten Festschmierstoffpartikeln. Die angestrebte Schichtdicke liegt bei 15 μm. BILD 1 zeigt die neue Schaftbeschichtung im Schliff. Deutlich sind die unterschiedlichen Bestandteile zu erkennen. Ihre Formulierung gibt der Schicht eine erhöhte Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig niedriger Reibleistung. BILD 2 zeigt im Test ermittelte Verschleißwerte für die Schaftbeschichtung EcoTough- New Generation im Vergleich zum heute im Markt verbreiteten Standard. Mit einer Reduzierung des Verschleißes um bis zu 40 % gegenüber dem Marktstandard weist die neue Schaftbeschichtung eine deutlich höhere Beständigkeit unter extremen Anforderungen auf. Und mit etwa 15 % Reibleistungsoptimierung gegenüber Standardbeschichtungen trägt sie zudem zur Effizienz des Grundmotors bei. Umfangreiche Testverfahren bestätigten die Eigenschaften der neuen Schaftbeschichtung. Dazu wurde zunächst der Verschleiß außermotorisch in einem Rig- Test ermittelt. Die erfolgversprechend s- ten Varianten wurden dann in einem Verschleiß [%] 50 : bis zu 40 % Reibungsverluste [%] : bis zu 15 % 40 Ottokolben- Beschichtung EcoTough- New Generation Ottokolben- Beschichtung EcoTough- New Generation BILD 2 Verschleiß und Reibung der neuen Schaftbeschichtung EcoTough-New Generation für Ottomotoren im Vergleich zum Marktstandard 4

5 befeuerten Kaltstartmotorlauf validiert. Der verwendete Motor zeichnete sich durch äußerst anspruchsvolle tribologische Bedingungen aus: enges Spiel und sehr raue Zylinderlauffläche. Die Reibungs eigenschaften wurden in einem Floating-Liner-Motor bestimmt [2]. Zusätzlich musste das Schichtsystem im Zuge der Entwicklung und Validierung einen Test durchlaufen, bei dem die Beschichtung künstlich vorgeschädigt und anschließend mit einem scharfen Ölstrahl unter hohem Druck beaufschlagt wird (Oil-Jet-Test). Die Haftung der Schicht auf dem Aluminiumsubstrat ist so gut ausgeprägt, dass der Oil-Jet-Test trotz Vorschädigung positiv bestanden wurde. Der Test quantifiziert die Adhäsion und Kohäsion der Schaftbeschichtung. Da die Applizierung der Schicht auf den Kolbenschaft in einem vollautomatisierten Großserienprozess erfolgt, lassen sich diese Verschleiß- und Reibungsvorteile kostenoptimiert erreichen, BILD 3. Kolbenmuster mit der neuen Beschichtung befinden sich inzwischen zur Validierung bei Fahrzeugherstellern. SIMULATIONSVERFAHREN Für die Entwicklung von und insbesondere für die Validierung ihres Betriebsverhaltens spielt die numerische Simulation eine große Rolle. Die Hauptaufgabe dieser Simulation liegt natürlich in der konstruktiven Optimierung von Kolben, zum Beispiel im Hinblick auf Leichtbau und reduzierte Kompressionshöhen. Ebenso hilfreich sind Simulationsverfahren jedoch für die Bewertung von Testergebnissen: So wurde vor der motorischen Erprobung der neuen Beschichtung der Schaftkontaktdruck für den Kolben im verwendeten 1,6 l-ottomotor berechnet. Diese Simulation erlaubt eine zielgerichtete Untersuchung des gelaufenen Kolbens, da sie Bereiche mit hohem Kontaktdruck identifiziert, in denen vorrangig Verschleißanzeichen zu erwarten wären. BILD 4 zeigt jedoch, dass auch in den Zonen mit hohem Kontaktdruck kein Verschleiß der gelaufenen Schaftbeschichtung zu erkennen ist. Diese Fähigkeit, vor allem lokale Flächenpressungen schadensfrei zu ertragen, ist eine wichtige Voraussetzung für die Verschleißbeständigkeit des Kolbenschafts und der Zylinderlauffläche in hochbelasteten Motoren. BILD 3 Siebdruckverfahren zum Aufbringen der Kolbenschaftbeschichtung SCHAFTBESCHICHTUNGEN FÜR DIESELMOTOREN Im Dieselmotor sind es vor allem die hohen Spitzendrücke, die Reibung und Verschleiß am Kolbenschaft verursachen können. Hochbelastete Dieselkolben sind im Vergleich zu Ottokolben wesentlich struktursteifer und haben eine für den Dieselmotor optimierte Schaftgestaltung. Durch den steiferen Schaft steigt allerdings die Fressgefahr. Ein erhöhter Schmierstoffgehalt vermindert diese Fressneigung. Zusätzlich führt dies zu deutlich geringeren Reibwerten als bei Schaft beschichtungen auf Ottomotorkolben. Auch schmiert Dieselkraftstoff besser, sodass im Vergleich zu Ottokraftstoff BILD 4 Gegenüberstellung der Simulation des Kontaktdrucks (rechts) und gelaufene Schaftbeschichtung nach dem Test im 1,6-l-Ottomotor (links) weniger Abrieb entsteht. Dadurch ist es möglich, eine reibungsoptimierte dieselspezifische Schaftbeschichtung zu entwickeln. Die bisherige Schaftbeschichtung für Dieselkolben hat sich über viele Jahre bewährt. Analog zur Entwicklung beim Ottomotor steigt jedoch auch die mechanische Belastung im Dieselmotor weiter, sodass auch hier ein erhöhter Verschleißschutz erforderlich ist. Für diese Anforderung wurde die sogenannte EcoTough-D-Beschichtung (EcoTough- Diesel) in Serie gebracht. Dieses Schichtsystem eignet sich gleichermaßen zur Applizierung auf Aluminium- und Stahlkolben, wie sie inzwischen auch in Pkw und leichten Nutzfahrzeugen zunehmend verwendet werden, BILD 5. 5

6 ENTWICKLUNG TRIBOLOGIE BILD 5 Pkw-Stahlkolben mit der neuen EcoTough-D-Schaftbeschichtung für Dieselmotoren Verschleiß [%] 50 : bis : zu ~15% 30 % Reibungsverluste [%] : bis zu 35 % 40 Dieselkolben- Dieselkolben- Otto- Beschichtung F-M EcoTough-D EcoTough- New Generation Beschichtung EcoTough-D BILD 6 Verschleiß und Reibung der EcoTough-D-Schaftbeschichtung für Dieselkolben im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen auf Graphitbasis Auch diese Schicht auf Polymerbasis verfügt über eine Bewehrung, allerdings erfolgt sie hier durch kurze Carbon fasern. Zusätzlich ist Graphit als Festschmierstoff in diese Beschichtung eingebettet. BILD 6 zeigt Verschleiß- und Reibwerte der EcoTough-D-Beschi chtung im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen. Hier liegt die Reibung um bis zu 35 % unter den marktüblichen, bei gleichzeitig verbesserter Verschleißfestigkeit von bis zu 30 %. Der vollautomatisierte Applikations prozess liefert die erforder liche Schichtdicke, um zu verhindern, dass beispielsweise ein vergrößertes Schaftspiel laterale Bewegungen des Kolbens ermöglicht, die zur ungewollten Geräuschentwicklung beitragen. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die Oberflächentechnik wird in Zukunft eine immer wichtigere Rolle für die Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors spielen. Kolbenschaftbeschichtungen tragen im Wechselspiel mit der Kolbenkonstruktion und den verwendeten Kolbenwerkstoffen dazu bei, die Reibleistung zu optimieren und den Verschleiß des Schafts trotz verschärfter Randbedingungen zu verringern. Darüber hinaus kann die EcoTough-D-Beschichtung einen Beitrag zur Geräuschoptimierung im Dieselmotor leisten. Mit den neuen Schichtsystemen stehen sowohl für den Ottomotor als auch für den Dieselmotor innovative Kolbenschaftbeschichtungen zur Verfügung, die auch in hochbelasteten Motoren die geforderte Verschleißbeständigkeit bei geringer Reibung aufweisen. LITERATURHINWEISE [1] Jückstock, R.: Perspektiven zur Reibungsreduzierung im Grundmotor. In: MTZ 75 (2014), Sonderausgabe 75 Jahre MTZ, S [2] Dermot, M.; Kwangsoo, K.; Masaaki, T.: Part 1: Piston Friction and Noise Study of Three Different Piston Architectures for an Automotive Gasoline Engine. SAE Paper Impressum: Sonderausgabe 2016 in Kooperation mit Federal-Mogul Nürnberg GmbH, Nopitschstraße 67, 441 Nürnberg; Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Postfach 1546, Wiesbaden, Amtsgericht Wiesbaden, HRB 9754, USt-ldNr. DE Geschäftsführer: Joachim Krieger, Dr. Niels Peter Thomas Verkaufsleitung (verantwortlich für den Anzeigenteil): Volker Hesedenz Gesamtleitung Magazine: Stefanie Burgmaier Chefredakteur: Dr. Alexander Heintzel Projektmanagement: Melanie Malsch-Kranz, Martin Westerhoff Druck: PRINT PRODUKTION-SERVICE, W. Hiese GmbH, Tilsiter Weg 9, Wehrheim Titelbild: Volkswagen