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Motorkomponenten Entwicklung: Innenmotorische Effizienzmaßnahmen

Es ist diffizile Arbeit im Detail, wie sich Kolbenringe, Laufbuchsen und der Kolben selbst für neue Öle, höhere Drücke und künftige Technologien wie die Wärmerückgewinnung rüsten.

Nur ganz am Rande werden sie erwähnt, und doch spielen sie beispielsweise bei den frisch renovierten Lkw-Motoren von Mercedes eine gewichtige Rolle: "Leichtlauf-Motorenöle mit abgesenkter HTHS-Viskosität kommen in allen Heavy-Duty-Motoren von Mercedes-Benz zum Einsatz", meldet der Hersteller. Das Wortmonster "High Temperature High Shear Rate" (HTHS) steht für die Viskosität des Motorenöls, also seine Fließfähigkeit – und zwar speziell bei hohen Temperaturen. Reibung runter bedeutet Verbauch runter – die Hausnummer für den Anteil, den zum Beispiel die Kolbenringe am Gesamtverbrauch eines Motors haben, lautet zum Beispiel rund vier Prozent. Kein Wunder also, dass die Fahrzeughersteller auf Reibungsminimierung setzen.

Die Kehrseite der Medaille: An die Abriebsfestigkeit zum Beispiel der Kolbenringe stellt das höhere Ansprüche, denn der Ölfilm wird dünner. Die Beschichtung der Kolbenringe muss damit mehr können als bisher – idealerweise ohne höhere Kosten zu verursachen.

Diamantbeschichtung als Standardlösung

Bei Federal-Mogul Powertrain heißt die seit gut einem Jahrzehnt gebräuchliche Standardlösung: Diamantbeschichtung beziehungsweise Goetze Diamond Coating (GDC). Die bisher eingesetzte Beschichtung GDC50 löst Federal-Mogul Powertrain nun ab mit GDC60, die einen erhöhten Diamantanteil aufweist. Was die Öle mit besonders niedriger HTHS-Viskosität angeht, ist sich Federal-Mogul sicher, dass GDC60 ebenso belastbar sei wie sogenannte PVD-Beschichtungen. PVD steht für "Physical Vapour Depostion", zu Deutsch "Abscheideverfahren in der Dampfphase", und ist der Mercedes unter den Beschichtungen für Kolbenringe, was auch seinen Preis hat.

Von PVD-Qualität soll auch die Neuentwicklung Duro-Glide sein. Eine amorphe Beschichtung auf Kohlenstoffbasis mit hohem Anteil an diamantartigem Kohlenstoff, die laut Federal-Mogul bei der Einführung im Jahr 2014 neue Maßstäbe hinsichtlich Haltbarkeit und Reibung setzte. Kommen irgendwann Öle mit einem HTHS-Wert bis hinab auf 1,8 zum Einsatz, wird es ohne PVD- oder Duro-Glide-Beschichtungen wohl nicht mehr gehen.

Ziel sind möglichst geringer Ölverbrauch und Verschleiß

Neben den Kolbenringen müssen sich auch die Zylinderlaufbuchsen für die Zukunft wappnen. "In den Off-Highway-Bereichen Bau- und Landwirtschaft sowie bei Industrieanwendungen", sagt Dr. Volker Scherer, Director Liners bei Federal-Mogul Powertrain, "haben die Motorenhersteller das Potenzial ultrahochfester Zylinderlaufbuchsen bereits für sich erkannt." Nun rechnet Federal-Mogul Powertrain auch in den Segmenten On-Highway-Schwerlast sowie Marine und Energieerzeugung mit wachsendem Interesse. Worum geht’s? Gefordert sind in erster Linie höhere Festigkeit und Steifigkeit. Denn je weniger sich die Laufbuchse verzieht, desto besser funktioniert auch unter starker Belastung die Abdichtung zwischen Buchse und Ring, was am Ende für möglichst geringen Ölverbrauch sowie Verschleiß steht.

Mit einer höheren Ringspannung ist dieses Problem allerdings nicht zu lösen. Denn diese bringt stärkere Reibung und damit einen höheren Verbrauch mit sich. Die jüngst in Serie gegangene Lösung für Federal-Mogul Powertrain lautet "ultrahochfeste Zylinderlaufbuchsen".

Dura-Bowl ist die Technik für erhöhte Druckresistenz

Für die Rohre kommt kein herkömmliches Gusseisen zum Einsatz, sondern eine neu entwickelte Gusseisen-Formulierung namens GOE330. Dessen Vorteile in der Praxis: höhere Verbrennungsdrücke sind realisierbar. Zugleich kann das Motorendesign kompakter gestaltet werden. Die Experten beschäftigen sich nicht zuletzt ausgiebig mit dem vielleicht zentralsten Teil des Motors: dem Kolben, der auf verschiedenste Weise zur Steigerung der Effizienz beitragen kann. Für leichtgewichtige Aluminiumkolben stellt Federal-Mogul in Aussicht, dass sie bald für Zünddrücke bis 230 bar statt bisher nur bis 210 bar taugen.

Dura-Bowl heißt die Schlüsseltechnik für solch eine erhöhte Druckresistenz. Gemeint ist damit eine gewisse Verstärkung der Kolbenmulden-Materialstruktur, die auf einem zweiten Schmelzprozess beruht und die Haltbarkeit um den Faktor vier erhöhen soll. Als neue Beschichtung für den Kolbenschaft hat Federal-Mogul Powertrain ein Material namens Eco-Tough-Diesel entwickelt, das die Reibung gegenüber der Standard-Beschichtung des Hauses um mindestens 13 Prozent reduzieren soll.

Neues Kühlsystem für Monosteel-Stahlkolben

Für Zünddrücke über 230 bar – und mittlerweile bis hinauf auf 300 bar getestet – hält Federal-Mogul Powertrain schließlich das 1993 eingeführte Konzept der sogenannten Monosteel-Stahlkolben parat, für die das Unternehmen jetzt ein ganz neues integriertes Kühlsystem entwickelt hat. "Enviro-Kool" basiert auf dem weltweit ersten integrierten Kühlkanal und soll den Heavy-Duty-Kolben fit für höhere Verbrennungstemperaturen machen.

Per Reibverschweißung ist in den Kolben ein Kühlmittelkanal integriert, der während der Herstellung schon mit Hochtemperaturöl sowie Edelgas geflutet und anschließend per angeschweißter Verschlusskappe dauerhaft abgedichtet wird. Das erzeugt sozusagen einen indirekten Wärmetransport im Kolben: Beim Verdichten nimmt das Kühlmittel am Kolbenboden Wärme auf, die es auf dem Weg zum oberen Totpunkt abtransportiert.Das schafft mehr thermischen Spielraum als die Verwendung der üblichen, offenen Kühlkanäle, die in der Regel nicht mehr als Temperaturen von maximal 100 Grad am Kolbenboden zulassen: "Mit Enviro-Kool können Kolben einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt werden", erklärt Gian Maria Olivetti, Technikchef von Federal-Mogul. Dabei müssten in Sachen Festigkeit oder Lebensdauer keine Kompromisse eingegangen werden. Die neue Technik bezeichnet Olivetti als so effektiv, dass sich damit der Kühlölfluss zu den Spritzdüsen um 50 Prozent senken lasse. Daraus resultieren eine reduzierte Arbeit der Ölpumpe, weniger parasitäre Verluste und damit ein höherer Wirkungsgrad des Motors. Wie gerufen dürfte diese Technik nicht zuletzt für all jene kommen, die an Triebsträngen mit Wärmerückgewinnung arbeiten und dafür Motoren in Anschlag bringen wollen, die mit generell heißerer Verbrennung arbeiten.

Dieser Artikel stammt aus Heft lastauto omnibus 09/2016.
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Federal Mogul,

Datum

24. August 2016
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